射频识别技术RFID—令人期待的技术

2019-11-03 09:02:38

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供稿：网友

清华大学机械工程系李志宁博士
　　射频识别技术是从八十年代起走向成熟的一项自动识别技术。它利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。它和同期或早期的接触式识别技术不同，RFID系统的射频卡和读写器之间不用接触就可完成识别，因此它的应用场合更广泛。

　　射频识别技术RFID（Radio Frequency Identification Technology）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。

　　RFID系统的组成

　　最基本的RFID系统由三部分组成：

　　电子标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；当受无线电射频信号照射时，能反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，供阅读器处理识别。阅读器(Reader)：有时也被称为查询器、通讯器或称为读出装置，用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时还可以写入标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；微型天线(Antenna)：在标签和阅读器间传递射频信号。

　　RFID系统的工作原理

　　RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至电脑主机进行有关处理。

　　图1就是RFID感应技术的基本原理图。在电磁场系统中，阅读器（Reader）发出一个电磁（EM）波，电磁波以一个球形波向前传播。电子标签位于电磁场中，淹没在这样传播的电磁波中并从电磁波中收集一些能量。在任何一个点上，可用的能量的大小与该点距发射机的距离有关。

　　由上可知，阅读器必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的能量场以激励电子标签。

　　在当前有关的射频约束下，在欧洲的大部分地区各向同性有效辐射功率限制在500mW，这样的辐射功能在870MHz，可近似达到0.7米。在美国、加拿大以及其他一些国家，无需授权的辐射约束为各向同性辐射功率为4W，这样的功率将会达到2米的阅读距离。在获得授权的情况下，在美国发射30W的功率将使阅读区增大到5.5米左右。

　　RFID系统的工作频率

　　通常阅读器发送时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率。常见的工作频率有低频125kHz、134.2kHz及13.56MHz等等。

　　低频系统一般指其工作频率小于30MHz，典型的工作频率有：125KHz、225KHz、13.56M等，这些频点应用的射频识别系统一般都有相应的国际标准予以支持。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短（无源情况，典型阅读距离为10cm）、电子标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔状）、阅读天线方向性不强等。

　　高频系统一般指其工作频率大于400MHz，典型的工作频段有：915MHz、2450MHz、5800MHz等。高频系统在这些频段上也有众多的国际标准予以支持。高频系统的基本特点是电子标签及阅读器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远（可达几米至十几米），适应物体高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。

　　RFID标签类型

　　RFID标签分为被动标签(Passive tags)和主动标签(Active tags)两种。主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池的寿命有限（3～10年）。

　　无源电子标签内无电池，它接收到阅读器（读出装置）发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。

　　集成固化式电子标签内的信息一般在集成电路生产时即将信息以ROM工艺模式注入，其保存的信息是一成不变的；现场有线改写式电子标签一般将电子标签保存的信息写入其内部的存贮区，改写时需要专用的编程器或写入器，改写过程中必须为其供电；现场无线改写式电子标签一般适用于有源类电子标签，具有特定的改写指令，电子标签内保存的信息位于其中的存贮区。一般情况下改写电子标签数据所花费的时间远大于读取电子标签所花费的时间。常规为改写所花费的时间为秒级，阅读花费的时间为毫秒级。

　　RFID识别系统类型

　　可以将RFID识别系统简单地区分为三种类型，广播发射式射频识别系统、倍频式射频识别系统和反射调制式射频识别。

　　广播发射式射频识别系统实现起来最简单。这时电子标签必须采用有源方式工作，并实时将其贮存的标识信息向外广播，阅读器相当于一个只收不发的接收机。这种系统的缺点是电子标签因须不停地向外发射信息，对其自身而言费电，对环境而言造成电磁污染，同时系统不具备安全保密性。

　　倍频式射频识别系统实现起来有一定难度。一般情况下，阅读器发出射频查询信号，电子标签返回的信号载频为阅读器发出射频的倍频。这种工作模式对阅读器接收处理回波信号提供了便利，但是，对无源电子标签来说，电子标签将收到的阅读器发来的射频能量转换为倍频回波载频时，其能量转换效率较低，提高转换效率需要较高的微波技巧，这就意味着更高的电子标签成本。同时这种系统工作须占用两个工作频点，一般较难获得无线电频率管理委员会的产品应用许可。

　　反射调制式射频识别系统实现起来要解决同频收发问题。系统工作时，阅读器发出微波查询（能量）信号，电子标签（无源）收到微波查询能量信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制（ASK）后反射回阅读器。阅读器接收反射回的幅度调制信号，从中提取出电子标签中保存的标识性数据信息。系统工作过程中，阅读器发出微波信号与接收反射回的幅度调制信号是同时进行的。反射回的信号强度较发射信号要弱得多，因此技术实现上的难点在于同频接收。

　　RFID应用链接

　　射频识别技术已经被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。下面具体介绍几种应用实例：

　　（1）铁路货车车号识别、集装箱多式运输

　　将RFID技术用于货车车号自动抄录，将货车车号信息存放在电子标签里，并将电子标签安装在货车车体的表面，当货车通过读出点时，阅读器通过天线接收电子标签反射回的带有货车车号信息的电子信号。接收到的电子信号经过计算机处理后，自动显示或打印出来，从而实现了货车车号的自动识别，克服了人工抄录造成的劳动强度高、出错概率大、工作效率低等缺点。

　　（2）公路运输收费管理

　　采用RFID技术后，安装电子标签的车辆能以200Km/H以内的速度通过收费口，读出设备可快速、准确地记录通过车辆的编号或帐户信息，实现高速公路通行费的自动征收与管理。

　　（3）人员车辆出入管理

　　射频识别系统可以应用于大型停车场、军事重地、金融系统等地方的人员出入管理。将与名片大小相仿的电子标签贴附在汽车风挡玻璃或挂在人的身上，当有人员或车经过阅读器时，阅读器即可快速、准确地记录下所通过的车辆或人员信息及通过的时间。同时还可以对是否允许通过做出判断，自动控制出入大门开关，做到出入严格管理。

　　（4）其它

　　射频识别可广泛应用于矿山、油田、化工厂、核工厂等一些重要、危险区域或单位。对出入人员进行自动登记，包括身份代码、进出时间等，从而大大增加了安全系数。

　　射频识别还可应用于博物馆、商店、实验室以及医院病区管理，监视病人出入等。

摘自中国计算机用户

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