RFID射频识别技术总结

1、RFID射频识别技术RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。它是一种非接触式的自动识 别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无需人工干预，可工作于各种恶 劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作方便。1 RFID的组成及工作原理射频识别系统由电子标签、阅读器、天线组成。电子标签：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。阅读器：又为读写装置，可无接触的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，有手持或固定式两种，通过阅读器和电脑相连，所读取的标签

2、信息 被传送到电脑上进行下一步的处理。天 线：在标签和阅读器之间传递射频信号。2 RFID与其他自动识别技术的比较广泛应用的自动识别技术主要包括摄像、条码、磁卡、IC、射频等，这些识别技术都有各自的优缺点及应用场合。表1显示了 RFID与其它几种识别技术的区别。表1不同识别技术区别表信息载体信息量读/写性读取方式保密性智能化抗干扰能力寿命成本条码纸、塑料薄膜、金属表面小只读CCD或激光束扫描差无差较短最低磁卡磁性物质一般读/写电磁转换一般无较差短低IC卡EEPROM大读/写电擦除、写入最好好长较高RFID 卡EEPROM大读/写无线通信最好有最好最长较高3 RFID系统的分类根据射频识别系统的

3、系统特征，可以将射频识别系统进行多种分类。下面是系统特征及 按照该系统特征进行射频识别系统的分类，如下表 2所示:表2射频识别系统的特征及其分类系统特征系统分类工作方式全双工系统半双工系统时序系统数据量1比特系统多比特系统可否编程可编程系统不可编程系统数据载体IC表面波运行情况状态机系统微处理器系统能量供应有源系统无源系统工作频率低频系统屮咼频系统微波系统数据运输电感耦合系统电磁方向散射耦合系统信息注入方式集成电路固化式现场有线改写式现场无线改写式读取信息手段广播发射式倍频式反射调制式作用距离密耦合系统遥耦合系统远距离系统系统特征低挡系统中档系统高档系统射频识别系统按照其采用的频率不同可分为低

4、频系统、高频系统和微波三大类；根据标 签是否装有电池为其供电，又可将其分为有缘系统和无源系统两大类；从标签内保存的信息 注入的方式可将其分为集成电路固化式、现场有线改写和现场无线改写式三大类；根据读取 电子标签数据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大类。RFID读写器的相关技术RFID读写器是RFID技术研究的一个重要方面，从系统设计角度来说，由于力求电子标 签的设计足够简化，成本尽可能低，因而对于读写器来说，就要实现更多的功能，如多制式 标签的兼容、尽可能远的读写距离、多标签的同时处理等等。这就给读写器的系统设计与实 现带来了相当的复杂性。同时，由于高频RFID系统与

5、超高频RFID系统的空间耦合原理不同， 因而从读写设备及天线的设计来说，高频系统与超高频系统具有不同的特点。4.1读写器技术的发展趋势随着RFID技术的发展，应用案例的增加，RFID系统的结构和性能会不断更新，读写器 的价格汇进一步降低，性能会进一步提高。从技术角度来说，读写器设备的发展主要体现在 以下一个方面：1)模块化、标准化： 读写器射频处理模块与基带信号处理模块的标准化设计及相关集成设 计日益完善、品种也日益丰富，随着集成模块的推出，读写器的设计将更加简单，功能将完善。(2)低成本、智能化的多天线接口：智能天线相位控制技术，天线MIMO( 多输入多输出 )技术。(3)多种数据接口： R

6、S232、RS422/RS485 USB、红外接口、以太网口、韦根接口、集成 无线传输模块，如： GSM、GPRS、CDMA 等。( 4)多制式兼容、多频段兼容：不同标准电子标签的兼容读写，不同工作频段电子标签的兼 容读写。( 5)更强的防碰撞能力：多标签读写更有效、更快捷。( 6 )新的读写器设计思想和技术的出现：随着技术的不断进步和应用的不断深入，一些新的 方法会渗透到读写器技术中。4.1 防碰撞方法 多目标识别技术已经取得了极大地进步，特别在目标跟踪、管理、自动盘存、访问控制 等操作中， RFID 对粘附在不同目标上的标签快速可靠地进行读取大大提高了定位、追踪、 管 理等应用的处理速度，

7、 广泛应用于工业自动化、 商业自动化和交通运输控制管理等众多领域。 要实现多目标识别， 必然要解决下述问题， 即在一个读写器的作用范围内有多个电子标签时， 由于所有的电子标签都采用同一个工作频率，故当多个电子标签同时传输数据时就会产生数 据冲突，使各电子标签之间的传输相互干扰，今儿导致信息的丢失，这就是通常所说的碰撞 问题。同时，衡量 RFID 系统性能的一个重要指标就是系统的吞吐率(一个时隙内读取标签 的数量)，然而，在 RFID 系统中的一个最大不足之处就是由于电子标签碰撞造成的标签识别 效率下降而使系统吞吐率很低，尤其是档标签处于运动状态时。解决这一问题的方法主要有 两个： 1)通过扩大

8、频率带宽增加数据传输速率；2)通过减少碰撞以增大标签鉴别率。 由于可用频率带宽的限制，实现第一种方法的可能性很小。因此，这就要求必须通过降 低碰撞以增大标签识别率。 在电子标签和读写器的通信过程之中， 通常会有 3中行驶的碰撞：( 1)标签碰撞；( 2)读卡器干扰；( 3)标签干扰。 其中读卡器的干扰和标签的干扰都属于读写器的碰撞问题，实质上就是读写器之间的协 调问题。而 RFID 标签彭倩碰撞问题实质上就是无限通信系统的多路存取问题。解决多路存取问题的方法一般有： FDMA、SDMA、CDMA 以及 TDMA 。4.2 读写器的管理技术 读写器技术发展迅速，同时也出现了多种不同类型的读写器，

9、如传统的固定读写器、集 成的读写器 / 天线系统、手持读写器、嵌入式读写器等。随着RFID 的广泛应用，有多个读写器组成的读写器网络越来越普遍地出现在各种实际应用系统中，尤其是对于供应链管理这样 的多环节、大范围应用。这些读写器的处理能力、通信协议、网络接口及数据接口不同，这 些不同类型的读写器便构成了实际应用系统中常见的异构读写器网络。异构的多应用和多读写器 RFID 网络的引入，也提出了许多新的问题，其中读写器的有 效管理就是其中的核心问题。所谓的读写器管理，主要是指读写器的配置、监视、控制、认 证和协调。最初的读写器管理方法主要基于读写器设备厂商提供的系统配置功能，典型的如 Alien

10、ALR-9780读写器，不仅提供了 IP地址、DNS (域名解析服务)，网关等基本网络参数 的设置功能，还提供了频率、功率等射频参数的基本配置功能随着 RFID 技术的不断发展， 这种基于单一读写器的管理方法越来越体现出其局限性，而读写器管理已经成为读写器系统 中的主要研究方向。1) EPCglobal 的读写器管理方法作为在超高频RFID领域占主导地位的组织，EPCglobal对于读写器管理提出了相应的方 法，其实质是吧读写器管理融入到 EPC网络体系架构中，并利用 EPC网络的元素来实现读 写器的管理。初期的 EPC 网络体系架构中， 对于读写器管理所涉及到的部分主要有： 读写器层、 读写

11、 器协议。读写器协议指的是 RFID读写器与后端应用系统，尤其是基于 EPCIS信息服务系统 之间的接口协议。读写器协议定义了一些共同遵守的特征，并且提供了一个标准化的方法用 来处理对读写器的访问和控制，这样急于EPC体系架构的应用系统就可以实现对不同厂家、不同类型功能读写器的统一管理和控制访问了。读写器协议是分层实现的，共分为三层，即 读写器层、消息层以及传输层。在读写器协议中，提供了基本的读写器管理功能，表现如下：(1) 读写器 ID 获取：GetReaderlD Message( 2) 读写器名字管理： GetReaderName Messag、e SetReaderName Messa

12、ge( 3) 读写器制造商信息： GetMfrDescription Message；( 4) 读写器基本配置： GetReaderConfiguration Message；( 5) 读写器信号强度： GetSignalStrength Message。在最新的EPC网络体系架构中，明确将读写器管理确立为EPC网络体系中的一个组成 部分，即读写去管理角色，并定义了读写器与读写器管理角色之间的接口读写器管理接 口。目前，关于读写器协议和读写器管理接口， EPCglobal 发布的近视工作草案， EPCglobal 下属的SAG正在制定正式的标准，随着正式标准的公布和 EPC Classi Ge

13、n2标签的大量应用， 会有更多的读写器支持EPCglobal的读写器管理方法。2)IETF 的 SLRRP 协议对于由多种 RFID 读写器组成的 RFID 读写器网络来说，其管理与一般的网络管理本质 上是相同的，但是，如何将 RFID读写器网络与企业原有的IP网络相连，也是一个迫切需要 解决的问题。IETF (Internet Engineering Task Force针对大规模的读写器部署，提出了基于 IP 网络的 RFID 读写器管理方法。其下的 SLRRP 协议工作组已制定出了 SLRRP( Simple Lightweight RFID Reader Protocol)，旨在提供一

14、种以网络为中心，便于传输配置、参数控制， 在系统转台和标签信息读写器之间的低成本的通信机制。4.3 读写器网络的部署与规划读写器网络规划和部署的目标是：以最低的成本建造符合近期和远期读取需求、具有一 定服务质量的读写器网络，即达到目标区域最大程度的覆盖。满足要求的通信概率；尽可能 地减少干扰，达到所要求的服务质量；尽量减少读写器数量，以降低成本。RFID读写器网络系统的部署与规划也在原理上与无线蜂窝网络规划类似。无线蜂窝网络 大致分成两类：第一步主要解决天线定位问题(APP)，即基站天线选择位置，设定参数；第 二步解决频率分配问题(FAP)，分配一组可用频率给每个基站天线。APP和FAP都涉及

15、到了大 量的约束，并且各约束之间密切相关。显然，良好的网络部署会使频率分配难度降低。但是，在实际应用中，二者之间还有一些不同。首先，RFID网络系统结构呈现严重的非对称性，电子标签的功能非常低，标签之间无法相互通信，在大多数情况下，标签是无源的， 无法主动的发送通信信号，只能通过反向散射方式与读写器进行通信。这样，无线蜂窝网络 的上行信号的假设就不再适用里了。其次，RFID系统中的无限传输环境相当复杂，大多数情况下，RFID系工作在室内环境中，此时必须考虑多径衰减效应。同时，读写器-标签通信的典型距离小于 10米，属于短距离通信，而目前此方面研究较少。另外，蜂窝网络中为保证通信 连续性的“交接

16、区”在RFID系统中已不再需要。但是由于射频信号的本质特性，读写器识别 区域之间的交叉却不可避免。总之，实用的读写器网络部署方法必须考虑这些问题。 对于无限蜂窝网络的天线定位问题， 目前主要的解决方法是通过对无线蜂窝网络特性的研究， 将其转化为组合优化问题，由于问题的复杂性，目前主要采用的是基于启发式求解的优化算 法，如模拟退火算法、禁忌搜索与遗传算法等。根据已有的无线蜂窝网络优化模型，并考虑 RFID系统的特性，给出了一种读写器网络部署的离散模型，基于此模型，可以利用禁忌搜索或遗传算法等组合优化算法求解读写器网络 的部署问题。5 RFID电子标签的功能与特点5.1电子标签的功能电子标签通常具

17、有以下功能： 具有一定的存储容量，可以存储被识别物品的相关信息； 在一定工作环境及技术条件下，电子标签存储的数据能够被读出或写入； 维持对识别物品的识别及相关信息的完整； 数据信息编码后，及时传输给读写器； 可编程，并且在编程以后，永久性数据不能再修改； 具有确定的使用期限，使用期限内不需维修； 对于有源标签，通过读写器能够显示电池的工作状况。5.2电子标签的基本组成从功能上来说，电子标签一般由天线、调制器、编码发生器、时钟以及存储器组成，如 图1所示。图1电子标签的功能结构框图时钟把所有电路功能时序化，以使存储器中的数据在精确的时间内被传送到读写器；存 储器中的数据是应用系统规定的惟一性编码

18、， 在电子标签被安装在识别对象上以前已被写入 数据读出时，编码发生器把存储器中存储的数据编码，调制器接收由编码器编码后的信息， 并通过天线电路将此信息发射/反射到读写器。数据写入时，由控制器控制，将天线接收到的 信号解码后写入到存储器。虽然电子标签的封装形式不一样，但其构造却基本一致。在实际应用中，典型的电子标签结 构框图如图2所示图2典型的电子标签的结构框图5.3电子标签的种类和特点按照不同的分类标准，RFID电子标签有许多不同的分类。按照工作频率进行分类电子标签的工作频率是其最重要的特点之一。电子标签的工作频率不仅决定着射频识别 系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着电子

19、标签及读写器实现的难易 程度和设备的成本。（1）低频段电子标签低频标签，其工作频率范围为 30kHz 300kHz。典型工作频率有：125KHz，133KHz（也 有接近的其他频率，如TI使用134.2KHZ）。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦 合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签 需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的主要优势体现在：标签芯片一般采用普通的CMOS工艺，具有省电、廉价的特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等；非常适合近距 离的、低速度的、数据量要求较少

20、的识别应用（例如：动物识别）等。低频标签的劣势主要 体现在：标签存贮数据量较少；只能适合低速、近距离识别应用；与高频标签相比：标签天 线匝数更多，成本更高一些。（2）中高频段电子标签中高频段电子标签的工作频率一般为 3MHz 30MHz。典型工作频率为：13.56MHz。该 频段的电子标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电 感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分， 其工作频段又称为咼频，所以也常将其称为咼频标签。（3）高频段电子标签高频电子标签一般也采用无源方式，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁） 耦合方式从阅读

21、器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位 于阅读器天线辐射的近场区内。 中频标签的阅读距离一般情况下也小于 1米(最大读取距离为 1.5米)。高频标签由于可方便地做成卡状，典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭 锁防盗(电子遥控门锁控制器)等。相关的国际标准有： ISO14443、ISO15693、 ISO18000-3(13.56MHz)等。高频标准的基本特点与低频标准相似，由于其工作频率的提高，可以选用较高的数据传 输速率。电子标签天线设计相对简单，标签一般制成标准卡片形状。( 4 )超高频与微波电子标签 超高频与微波频段的电子标签，简称为微波电子标签，其典型

22、工作频率为：433.92MHz，862(902)928MHz, 2.45GHz, 5.8GHz。微波电子标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，电子标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合 方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将有源标签唤醒。相应的射频识别系统 阅读距离一般大于1m，典型情况为47m,最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线， 只有在阅读器天线定向波束范围内的电子标签可被读 /写。由于阅读距离的增加,应用中有可能在阅读区域中同时出现多个电子标签的情况,从而 提出了多标签同时读取的需求,进而这种需求发展成为一种潮流。目前,先进的射

23、频识别系 统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。以目前技术水平来说，无源微波电子标签比较成功产品相对集中在 902928MHz工作频段 上。2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源微波电子标签产品面世。半无源标签一般米 用钮扣电池供电，具有较远的阅读距离。微波电子标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、 是否适合高速识别应用，读写器的发射功率容限，电子标签及读写器的价格等方面。对于可 无线写的电子标签而言，通常情况下，写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大 的能量。微波电子标签的数据存贮容量一般限定在 2Kbits以内，再大的存贮容量似乎没有

24、太大的 意义，从技术及应用的角度来说，微波电子标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能 在于标识物品并完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有： 1Kbits， 128Bits， 64Bits 等。由Auto-ID Center制定的产品电子代码EPC的容量为：90Bits。5.3.2 按照供电方式进行分类( 1 )无源标签无源标签是指内部没有电池提供电源的电子标签。无源标签利用波束供电技术将接收到 读写器的射频能量转化为直流电源，以便为标签内的电路供电。无源标签的作用距离相对有 源标签要近，但是其寿命较长，并且对工作环境要求不高。(2) 有源标签 有源标签是指内部有电池提供电源的电子标签

25、。有源标签的作用距离较远，但是其寿命 有限、体积较大、成本较高，并且不适合在恶劣环境下工作，需要定期更换电池。5.3.3 按照工作方式进行分类(1) 主动式标签 主动式标签就是利用自身的射频能量主动发射数据给读写器的电子标签，主动式标签一 般含有电源，和被动式标签相比，它的识别距离更远。(2) 被动式标签 被动式标签是在读写器发出查询信号触发后才进入通信状态的电子标签。它使用调制散 射方式发射数据， 必须利用读写器的载波来调至自己的信号， 主要应用在门禁或交通应用中。 被动式标签既可以是有源标签，也可以是无源标签。5.3.4 按照读写方式进行分类(1)只读型标签 在识别过程中，内容只能读出不可

26、写入的电子标签是只读型标签。只读型标签所具有的 存储器是只读型存储器。只读型标签又可以分为以下三种。只读标签：只读标签的内容在标签出厂时就已被写入，识别时只能读出，不可再写入。只读 标签的存储器一般由 ROM 组成。一次性编程只读标签：一次性编程只读标签可在应用前一次性编程写入，在识别过程中不可改写。一次性编程只读标签的存储器一般由PROM ( Programmable Read-0nly Memory)可编程只读存储器或PAL ( Programmable Array Logic)可编程阵列逻辑组成。可重复编程只读标签：可重复编程只读标签的内容经擦除后可重复变成写入，但在识别过程中 不 可

27、改 写 。 可 重 复编 程只 读 标 签 的 存 储 器 一 般 由 EEPROM(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory)电可擦编程只读存储器或 GAL (generic array logic)通用阵 列逻辑组成。( 2)读写型标签 在识别过程中，标签的内容既可被读写器读出，又可由读写器写入的电子标签是读写型 标签。读写型标签可以只具有读写型存储器， 也可以同时具有读写型存储器和只读型存储器。 读写型标签应用过程中数据是双向传输的。5.3.5 按照作用距离进行分类1）密耦合标签作用距离小于1cm的标签被称为密耦合标签。（2）近

28、耦合标签作用距离大约为15cm标签被称为近耦合标签。（3）疏耦合标签作用距离大约为1m标签被称为近耦合标签。（4）远距离标签作用距离从1m到10m，甚至更远的标签被称为远距离标签。6 RFID 的应用领域RFID 技术起源于第二次世界大战并已经发展五十多年了。近年来，由于这种技术成本的 急剧下降以及功能的提升，使得零售业、服务业、制造业、物流业、信息产业、医疗和国防 领域对RFID技术的关注迅速升温。基本的RFID系统由RFID标签、RFID阅读器及应用支撑软件等三部分组成。一个完整的RFID系统还需要物体名称服务（Object Name Service）系统和物理标记语言（Physical

29、Mark-upLan guage）两个关键部分。用户可以根据工作距离、工作频率、工作环境要求、天线极性、寿 命周期、大小及形状、抗干扰能力、安全性和价格等因素选择适合自己应用的RFID系统。RFID的应用领域在逐渐扩宽，已经广泛应用于我们的现实生活与工作中，下面就做一个全面 的介绍。（1）RFID在安全管理领域的应用安全管理和个人身份识别是RFID的一个主要而广泛的应用领域。我们日常生活当中最常见的就是用来控制人员进出建筑物的门禁卡。许多组织使用内嵌RFID标签的个人身份卡，可以在门禁处对个人身份进行鉴别。类似的，在一些信用卡和别的支付卡中都内嵌了 RFID标签。还有一些卡片使用RFID标签自

30、动 的缴纳公共交通费用，目前北京地铁和公交系统当中就应用了这种卡片。从本质上来讲，这 种内嵌RFID的卡片可以去替代那种在卡片上贴磁条的卡片，因为磁条很容易磨损和受到磁场 干扰，而且RFID标签具有比磁条更高的储存能力。（2）RFID在供应链管理当中的应用在供应链管理中，RFID标签用于在供应链当中跟踪产品，从原材料供货商供货到仓库储 存以及最终销售。 新的应用主要是针对用户订单跟踪管理， 建立中央数据库记录产品的移动。 制造商、零售商以及最终用户都可以利用这个中央数据库来获知产品的实时位置，交付确认 信息以及产品损坏情况等信息。在供应链的各个环节当中， RFID 技术都可以通过增加信息传 输

31、的速度和准确度来节省供应链管理成本， 依据可以节省成本的多少对一些行业进行了排序， 对RFID可以节省成本的多少进行了排序。可读写的RFID标签可以储存关于周围环境的信息，可以记录它们在供应链当中流动时的 时间和位置信息。美国食品和药品监督局就提出了使用RFID来加强对处方药管理的应用方案。在这个系统当中，每一批药品都要贴上一个只读的RFID标签，标签当中储存了惟一的序列号。供货商可以在整个发货过程当中跟踪这些写有序列号的RFID标签，并且让采购商把序列号和收货通知单上面的序列号核对。 这样就可以保证药物的来源可靠性以及去向的可靠性。 美国食品与药物监督局认识到要想在所有处方药的供应链管理当中实施这样一个计划，将是 一个极其庞大的任务，所以他们为了调查 RFID这种技术的可行性，提出了一个三年规划，这 个计划已于2007年结束，并为FDA采用RFID技术进行处方药管理提供技术的支持。与RFID在供应链领域当中进行应用具有密切联系的，还有在准时出货(Just in timeproduct shipme nt)当中的应用。如果在个零售商店和相关仓库中的所有货物都贴有RFID标签，那这个商店就可以拥有一个具有精确库存信息的数据库来对它