射频识别_RFID_系统的频段特性及其应用现状分析

1、高新技术科技咨询导报 2007NO.09射频识别(RFID系统的频段特性及其应用现状分析 李富玉李浙昆(昆明理工大学机械电子工程学院昆明650093摘 要:本文在介绍射频识别(R F I D 技术的工作原理及其组成的基础上,提出了频段的概念,并详细分析了射频识别系统在 不同工作频段的特性及其应用现状。关键词:射频识别(R F I D 技术频段特性应用现状中图分类号:T P 183文献标识码:A 文章编号:1673-0534(200703(c-0001-021概述射频识别(RFID技术相对于传统的磁卡 及 I C 卡技术具有非接触、阅读速度快、无 磨损等特点,射频识别技术已逐步成为企业 提高物流

2、供应链管理水平、降低成本、增强 竞争力不可缺少的技术工具和手段。 1.1RFID 技术概述RFID 是射频识别技术(RadioFrequency Identification, 其基本原理是利用射频信号 及其空间耦合、传输特性,实现对静止的或 移动中的待识别物品的自动机器识别。一个 最基本的 R F I D 系统由三部分组成:电子标 签、阅读器、天线。电子标签与阅读器之 间通过耦合元件(天线实现射频信号的空间 耦合。系统的基本工作流程是:阅读器通过发 射天线发送一定频率的射频信号, 当电子标签 进入发射天线工作区域时产生感应电流, 电子 标签获得能量被激活;电子标签将自身编码等 信息通过卡内置

3、天线发送出去;系统接收天线 接收到从电子标签发送来的载波信号, 经天线 调节器传送到阅读器, 阅读器对接收的信号进 行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处 理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性, 针对不同的设定做出相应的处理和控制, 发出 指令信号控制执行机构动作。1.2频段对一个 RFID 系统来说,它的频段概念是 指读写器通过天线发送、 接收并识读的标签信 号频率范围, 也就是所传输数据的载波频率范 围。从应用角度来说,射频标签的工作频率也 就是射频识别系统的工作频段, 它直接决定系 统应用的各方面特性,如系统工作原理(电感 耦合还是电磁耦合 、 识别距离、 射频标签及读 写器实现的难

4、易程度和设备成本等方面特性。 在 RFID 系统中,系统工作就像我们平时收听 调频广播一样, 射频标签和读写器也要调制到 相同的频率才能工作。2频段特性2.1频段划分一方面由于标签的工作频率不仅直接决定 着系统应用的各方面特性,另一方面因为射 频识别系统产生并辐射电磁波,因此在工作 时不能对其他无线电服务造成干扰或削弱。 特别是应保证射频识别系统不会干扰附近的无 线电广播和电视广播、无线电服务(警察、 安全服务、工商业 、航运和航空用无线电 服务和移动电话等。所以 RFID 系统被合理地 归为短距离、微功率无线通信设备一类。随 着技术的发展,R F I D 技术与互联网相结合, 能够实现人与人

5、、人与机、机对机的数据通 信,而且具有信息量大、操作方便、用途 广泛等突出优点,RFID 系统已被视为便携互联网(或便携互联网通信终端的组成部分 。按规定射频识别系统应保证在工作时不会干扰附近的各类无线电业务,这在很大程度上限制了适用于射频识别系统工作频段的选择。因此在过去很长时间以来,通常只能使用 专 门 为 工 业 、 科 学 和 医 疗 设 备 (I S MIndustrial-Scientific-Medical 应用而划分和保留的频段,即与它们共用全部或部分的频段,这些频段在世界范围内是统一划分的。国际电联(I T U 为 I S M 设备划分了专用频段或与其他无线电业务共用的频段,

6、我国2001年发布实施的 中华人民共和国无线电频率划分规定中有关 ISM 设备使用频段的划分与国际电联(ITU的基本一致。除了 ISM 频率外,也有极少量 RFID 系统使用 135kHz 以下的专用频段,如北美、南美和日本等,使用了 9135kHz 的频率,因为在这个频段里可以利用较大的磁场强度来工作, 特别适用于电感耦合的射频识别系统。但该频段资源极有限,可载信息量小。由此,对射频识别系统来说,最主要的频率是 0135kHz,以及 ISM 频段 6.78MHz,13. 56M H z ,27. 125M H z ,40. 68M H z ,433. 92M H z,869. 0M H z,

7、915. 0M H z (在欧洲不使用 ,2.45GHz,5.8GHz 以及 24.125GHz。典型的射频标签工作频段如图 1所 示。感应器(电子标签线圈间存在着变压器耦 合作用,通过读写器交变场的作用在感应器天 线中感应的电压被整流,可作供电电压使用.磁 场区域能够很好的被定义,但是场强下降得太 快。其特性主要有以下几方面:工作频率从 30kHz 到 300kHz,典型工作 频率有 125kHz 和 133kHz;除了金属材料影 响外, 一般低频能够穿过任意材料的物品而不 降低它的读取距离;工作在低频的读写器在全 球没有任何特殊的许可限制;低频产品有不同 的封装形式。好的封装形式就是价格太

8、贵,但 是有10年以上的使用寿命 ; 虽然该频率的磁场 区域下降很快, 但是能够产生相对均匀的读写 区域;相对于其他频段的 RFID 产品,该频段 数据传输速率比较慢;感应器的价格相对与其 他频段来说要贵。2.2.2中高频段(3MHz30MHz 在该频段的感应器不再需要线圈进行 绕制,可以通过腐蚀活着印刷的方式制作 天线。感应器一般通过负载调制的方式进 行工作,也就是通过感应器上的负载电阻 的接通和断开促使读写器天线上的电压发 生变化,实现用远距离感应器对天线电压 进行振幅调制。如果人们通过数据控制负 载电压的接通和断开,那么这些数据就能 够从感应器传输到读写器。其特性主要有以下几方面:工作频

9、率从 3MHz 到 30MHz, 典型工作频率有 6.78MHz 和 13.56MHz;除了金属材料外,该频率的波 长可以穿过大多数的材料, 但是往往会降低读 取距离。感应器需要离开金属一段距离;该频 段在全球都得到认可并没有特殊的限制;感应 器一般以电子标签的形式 ; 虽然该频段的磁场 区域下降很快, 但是能够产生相对均匀的读写 区域;该系统具有防冲撞特性,可以同时读取 多个电子标签;可以把某些数据信息写入标签 中 ; 数据传输速率比低频要快, 价格不是很贵。 2.2.3超高频段(433.05434.79MHz 或 850M H z 910M H z 与微波频段(2. 45GHz 超高频和微

10、波系统通过电场来传输能量。 电场的能量下降不是很快, 但是读取的区域不 容易定义。该频段读取距离比较远,无源可达 10m 左右。主要是通过电容耦合的方式实现。 其特性主要有以下几方面:在该频段,全球的定义不是很相同:欧洲 和部分亚洲定义的频率为 868MHz, 北美定义 的频段为 902到 905MHz 之间,在日本建议的 频段为 950到 956MHz 之间。典型工作频率有 433.92MHz,862(902928MHz,2.定义的频 段为 902到 905MHz 之间,在日本建议的频 图 1典型的射频标签工作频段另外,按照工作频段的不同,R F I D 标签可分为低频(LF、高频(HF、超

11、高频(UHF和微波等不同种类。 目前国际上广泛采用的频段主要有 4种:低频(125k H z 、高频(13.54M H z 、超高频(850M H z 910M H z 和微波(2.45GHz 。每一种频段都有它的特点,适用于不同的领域, 因此要正确使用就要先了解各个频段的特性,才能选择合适的频段, 。2.2频段特性2.2.1低频段(30kHz300kHz低频率的 R F I D 系统主要是通过电感耦合的方式进行工作, 也就是在读写器线圈和 (下转 3页高新技术科技咨询导报2007NO.09段为 950到 965MHz 之间。典型工作频率有 433. 92M H z , 862(902 928

12、M H z , 2. 45M H z , 5. 8G H z 。目前, 该频段功率输出美国定义为 4W, 欧 洲定义为 500mW,可能欧洲限制会上升到 2W E I R P 。许多材料中超高频段的电波不能通过在, 特别是水,灰尘,雾等悬浮颗粒物质。相对于 高频的电子标签来说, 该频段的电子标签不需 要和金属分开来。电子标签的天线一般是长条和标签状。 天线有线性和圆极化两种设计,满足不同 应用的需求。该频段有好的读取距离,但 是对读取区域很难进行定义。有很高的数 据传输速率,在很短的时间可以读取大量 的电子标签。3不同频段RFID系统的应用现状3. 1低频段(L F 射频标签低频段射频标签,一

13、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 1m 。低频标签主要用于短距离、低 成本的系统中,其典型应用主要有:动物监管、马 拉 松 赛 跑 、 容 器 识 别 、工 具 识 别 、 电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥 匙 、自动停车场收费和车辆管理等方面。 3.2中高频段射频标签中高频段射频标签,一般也采用无源为 主,其工作能量同低频标签一样,也是通过电 感耦合方式从阅读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

14、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 1m 。中频标签由 于可方便地做成卡状, 故被广泛应用于门禁控 制和需传送大量数据的应用系统中。3. 3超高频(U H F 与微波频段的射频标签超高频与微波频段的射频标签简称为 微波射频标签,可分为有源标签与无源标 签两类。工作时,射频标签位于阅读器天 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 4m 6m ,最大 可达 10m 以上。阅读器天线一般均为定向 天线,其天线波束方向较窄,只有在阅读器

15、 天线定向波束范围内的射频标签可被读 /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射频标签的情况,从而 提出了多标签同时读取的需求。超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别、 反向散射射频识别、供应链上的管理、航空 包裹识别、后勤管理、生产线自动化管理, 还可用于公路车辆识别与自动收费等领域。目前,不同的国家对于相同波段,使用的 频率也不尽相同,在实际应用中,比较常用的 是 13. 56M H z ,860M H z 960M H z 、2. 45G H z 等频段。近距离 R F I D 系统主要使用 125K H z ,13. 56M H z 等 L F 和 H

16、 F 频段,技 术最为成熟;远距离 R F I D 系统主要使用 433M H z ,860M H z 960M H z 等 U H F 频段, 以及 2.45GHz,5. 8G H z 等微波频段,目前 还多在测试当中, 没有大规模应用。 我国在 LF 和 HF 频段 RFID 标签芯片设计方面的技术比 较成熟,HF 频段方面的设计技术接近国际先 进水平,已经自主开发出符合 ISO14443Type A、TypeB 和 ISO15693标准的 RFID 芯片, 并成功地应用于交通一卡通和第二代身份证等 项目中。参考文献1希玉九.电子标签(RFID技术及其使用的频率J.中国无线电,2004(1

17、.(上 接 1页 用点解析协议, 以实现节点的消息通信。通 信模块主要有两个处理程序,一个是用于数据 的同步,另一个是用于数据的更新,这两个处 理程序的主要目的是为了使在同一点组的填 写 A N Y 表示到达点组当中点之间能够实现 消 息 交 互 。通讯模块的层次结构主要部分有:数据更新处理:对系统分析模块产生的数 据进行处理 ,当检测到分析模块产生的各种报 警信息时,能够及时地启动更新处理程序,使 其他模块能够及时地共享该主机的入侵检测 数据,同时在点组中的其他的主机能够根据该 入侵信息作出响应, 以抵制该攻击行为。发送更新消息:对包含新的或者改变过的 系统检测和报警信息通过控制程序进行管理

18、, 随后对消息进行封装,然后通过调用处理函数 讲其调入到存储器中,发送到其他节点中去。 数据同步处理:为了在各个分 IDS 中保持各种 日志信息的一致,系统可以对其他节点发出同 步查询的请求,当其他节点提出同步查询的时 候,系统创建一个包含与类型和组相关的项目 日志的消息来对请求作出响应,解析器获得该 消息并把它发送回最初发出请求的点。最终 在原始点中进行处理。发送同步消息:在其他点对请求作出响应 时才使用它,每个接收到同步查询请求的点都 将广播它当前所有的内容,为保证系统的稳定 性,我们采取的是每相隔某个设定的时间,对其 他的节点发出查询消息。处理程序的初始化和注册:首先创建处理 程序类对象

19、,然后点组对解析器发出请求,解析 器通过创建的处理程序名进行设置,为消息的 传送做好准备。节点之间的通讯方式:消息采用点解析协 议进行传送,这种方式有利于在同一个对等组 中进行各种检测系统的共享,具体的传送协议 的格式如下:当进行消息广播的时候,在destination填 写 A N Y 表示到达点组当中的任意点。各个节点之间采用 X M L 数据的格式进行 数据传送,使用 XML 的好处就是能够实现数据 的共享与重用、及良好的扩展性和平台的无 关性。只要定义了要传送的数据的文档类型, 那么就可以利用 X M L 文档在各个子系统中进 行数据交换。特别是协同和分布式拒绝服务 这两种攻击需要在多个网段进行协同检测。 因此,不同的入侵检测系统之间能否进行有效 的协作、来实现数据的交换及共享,成为能