RFID技术 全省一等奖

RFID原理及产品介绍小组成员：张晶、赵跃、苏立虎内容概要RFID系统组成

5.RFID读写器简介4.RFID技术标准3.RFID技术研究现状2.RFID工作原理6.RFID应用前景展望及未来研究方向1.RFID系统组成

RFID系统主要是由电子标签、天线、读写器、中间件和主机组成。

RFID硬件组成（1）标签(Tag)

由耦合元件及芯片组成，标签有内置天线，可以发送和接收信号。根据是否有电源，分为有源和无源标签；根据标签的读写性,分为只读和读写标签；根据标签和阅读器发言先后，分为RTF和TTF；根据频段的不同，分为低频、高频、超高频和微波标签。（2）读写器

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。（3）天线

在标签和读写器间传递射频信号，控制数据的获取和通讯。一般而言，天线都会与读写器整合在一起，可设计为手持式或固定式。以最常见的交通卡为例，卡内嵌有一个电子标签，公交车上的读卡器内置了一个读写器和一根天线，其读写距离为l0厘米左右，属于低频产品，成本相对较低。（4）RFID中间件

RFID中间件是将底层RFID硬件和上层企业应用结合在一起的粘合剂。虽然原则上的中间件是横向的软件技术，但在RFID系统中，为使其更适用于特定行业，RFID中间件往往会针对行业做一定的适配工作。在RFID系统这种具体情况下，中间件层除通常的功能外，还有以下特定功能：1.使阅读／写人更加可靠2.把数据通过读卡器网络推或者拉到正确位置(类似路由器)3.监测和控制读卡器4.提供安全读／写操作5.降低射频干扰6.处理标签型和读卡器型事件7.接受并且转发来自应用的中断指令8.给用户提供异常告警2.RFID原理（1）工作原理

读写器通过发射天线发射一定频率的射频信号，标签进入发射天线工作区域时，标签被激活，将自身的信息代码通过内置天线发出，读写器获取标签信息代码并解码后，将标签信息送至计算机进行处理。由图可以看出，在射频识别系统工作过程中，始终以能量作为基础，通过一定的时序方式来实现数据交换。（2）读写器与应用系统间通信原理

读写器将标签发来的调制信号，经过解调解码后，通过USB、串口、网口等，将得到的信息传给应用系统。应用系统可以给读卡器发送相应的命令，控制读写器完成相应的任务。

（3）耦合原理

RFID阅读器和标签在能够通信前必须先完成耦合。耦合的方式一般分为电感耦合、电容耦合、磁耦合、后向散射。耦合的方式将决定RFID系统的频率与通信距离范围。电容耦合一般用于非常近的距离(小于lena)。标签与阅读器中均有大导通平面，当两者靠得很近时，便形成了一个电容。交流信号就可以通过此电容从阅读器传送到标签或从标签传送到阅读器。该耦合方式能够传递的能量很大，因此能够驱动标签中较复杂的电路。电感耦合利用标签与阅读器中的线圈构成一个暂时的变压器。阅读器产生的电流对其线圈充电，同时产生磁场。该磁场在标签的线圈中产生电流，对标签的电路供电且传递信息。电感耦合工作距离比电容耦合长，约为10cm左右。磁耦合与电感耦合很相似，主要区别在于其工作距离与电容电容耦合一样只有lcm以内，因此多用于插入式读取。后向散射耦合方式是RFID系统中采用得较多的一种。EPCGen2的RFID标签便采用此种耦合方式。阅读器发送RF信号到标签，标签通过接收到的RF信号提供自身供电及解调信号，然后反射回阅读器，工作距离可达10m以上。3.RFID技术的研究现状

（1）编码调制

RFID系统的基带数字编码部分通常采用非归零码、单极性归零码、曼彻斯特码、密勒码、改进型密勒码、差分码和脉冲间隔编码(HE)。载波调制部分常采用幅度键控A(SK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)方式，其中AsK分为ssB一AsK(单边带幅度键控)、DBs一ASK(双边带幅度键控)和PR一ASK(反相幅度键控)。（2）天线技术

RFID天线主要有双极天线、八木阵子天线(用于阅读器)、微带天线和时隙天线。RFID天线按照频率分为低频、短波、超短波和微波天线;按方向性分为全向天线、定向天线等;按外形可分为线状天线、面状天线等。目前RFID天线的研究方向集中在以下部分:1）减少电磁干扰和电磁屏蔽的设计方法;2）能够覆盖各种频率的复合天线设计;3）低剖面、小尺寸、低成本的电子标签天线的设计;4）智能波束扫描天线阵设计。（3）防冲突的多址接入方式

RFID的多址接入方式主要有以下三类:1）空分多址（SDMA)

空分多址通过采用智能天线阵技术降低了对单个阅读器识别距离的要求，空分多址对于UHF和微波频率更有实用价值。2)频分多址（FDMA)

通过给阅读器分现不同信道，阳氏阅读器之间发生冲突的概率。3)时分多址（TAMA)

基于DTMA方式的防冲突协议已被大多数国际标准采纳，其中ALOHA协议和二进制树协议就采用DTMA方式。（4）RFID防冲突算法的新进展

防冲突算法是RFID解决多目标识别的关键技术，具体可分为标签防冲突和阅读器防冲突两大类型。1）标签防冲突当阅读器信号范围内存在多个标签，同一时刻有两个或以上的标签向阅读器发送信息时，就会产生标签冲突，解决途径是使用Aloha或二进制树搜索防冲突算法。

Aloha防冲突算法由于延迟时间和检测时间是随机分布的，是一种不确定性算法，可分为非时隙、时隙以及自适应Aloha防冲突算法，其中自适应Alhoa方法的信道利用率最高，它首先对标签的数量进行动态估计，然后根据一定的优化准则，自适应选取延迟时间和帧长，它的优点是能显著提高识别速率，缺点是复杂度明显提高。基于Ahola协议的防冲突算法并不能完全解决冲突，因此可能存在标“签饥饿”问题，即某特定标签在很长时间都没有被识别出来，这也是今后研究需要解决的问题。二进制树搜索属于确定性算法，它的优点是防冲突能力较强、数据结构和指令简单，缺点是支持的存储容量较小。如果采用自适应二进制搜索方法能进一步减少搜索时间。2）阅读器防冲突

当相邻的多个阅读器同标签进行通信时，可能引起阅读器间的相互干扰。RFID阅读器间的冲突主要来源于频率干扰和标签干扰，解决途径是采用阅读器防冲突算法。目前已提出Colorwave算法和分层Q学习算法。Colorwave算法提供一个实时、分布式、局部化的MAC协议为阅读器分配频率、时隙来减少阅读器间的干扰，属于局部优化。分层Q学习算法采用网络信息，在整个时间段动态分配频率资源，保证临近的阅读器之间不发生冲突，属于全局优化。在实际ETSI标准中，阅读器在同标签通信前每隔l00ms探测数据信道的状态，采用载波侦听方式解决阅读器冲突。PEC标准中，在频率谱上将阅读器传输和标签传输分离开，这样阅读器与阅读器之间发生冲突，标签与标签之间发生冲突，使问题得到简化。目前的防冲突算法还存在某些不足:正确识别率以及识别速率还不够高，算法还不能适应高速识别的需求，另外数据、指令和识别过程比较复杂。如何克服上述不足是未来研究的一个重要方向。4.RFID技术标准（1）RFID设备的主要供应商简介

目前全球标签市场主要被几大厂商垄断，TI、EM、PhiliPs是全球三个最大的RFID芯片供应商，产品覆盖LF、HF、UHF频段。

EM产品主要有EM系列芯片，TI产品主要有Tag-itHF-1和TIEPCGen2，Philips产品主要有Mifare1S50/S70、ICODE、HITAG、UCODEEPCG2芯片。（2）RFID国际标准

目前世界上存在众多的RFID标准组织，其中具有重要影响的有:EPCglobal、ISO、UbiquitousIDCenter(日本)和ETSI(欧洲)组织。另外，还有AIM、IP-X和中国RFID标准组织。

EPC是由1999年MIT建立的Auot-ID中心发展而来，EPC标准受到美国政府和众多世界500强企业的支持，在供应链物流方面处于主导地位。

ISO是一个重要的RFID国际标准化组织，提出的系列标准包括:用于动物识别的ISO11784/ISO11785/ISO14223标准，用于集装箱识别的ISO10374标准，用于非接触式智能卡的ISO10536/ISO15693/ISO14443标准以及用于项目管理的ISO/IEC18000系列标准。

UID是日本的标准化组织，UID的RFID标准能支持13.56MHz和2.45GHz频率的电子标签。UID标准能够与3G、PHS、802.11等众多网络接入方式互联。

ETSI推出的欧洲RFID标准为ETSIEN302208，工作频率在865MHz一868MHz，采用载波信道侦听的方式防冲突，与EPC有差异。在中国，RFID标准的制定过程有些曲折，早在2003年就成立了电子标签标准工作组，但随后又停止运作。2005年21月2日由信息产业部牵头，正式成立中国电子标签标准工作组，现有华虹、清华同方、大唐、普天等07多家会员。中国RHD标准强调自主创新、确保信息安全，同时坚持对外开放，参考和借鉴ISO18000标准，并考虑兼容与互联互通。该组织于2006年6月推出《中国RFID技术政策白皮书》，在工作组的第二次代表大会上，共收到20多份标准草案，不久将能够推出中国的RFID系列标准。(3)不同频率RFID标签比较(4)RFID工作频率的选取

当前RFID工作频率跨越多个频段，不同频段具有各自优缺点，它既影响标签的性能和尺寸大小，还影响标签与读写器的价格。此外，无线电发射功率的差别影响读写器作用距离。低频频段能量相对较低，数据传输率较小，无线覆盖范围受限。为扩大无线覆盖范围，必须扩大标签天线尺寸。尽管低频无线覆盖范围比高频无线覆盖范围小，但天线的方向性不强，具有相对较强的绕开障碍物能力。低频频段可采用1至2个天线，以实现无线作用范围的全区域覆盖。

此外，低频段电子标签的成本相对较低，且具有卡状、环状、钮扣状等多种形状。高频频段能量相对较高，适于长距离应用。低频功率损耗与传播距离的立方成正比，而高频功率损耗与传播距离的平方成正比。由于高频以波束的方式传播，故可用于智能标签定位。其缺点是容易被障碍物所阻挡，易受反射和人体扰动等因素影响，不易实现无线作用范围的全区域覆盖。高频频段数据传输率相对较高，且通讯质量较好。5.RFID读写器简介各频段应用现状

RFID的低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如门禁控制、校园卡、煤气表、水表等；高频系统则用于需传送大量数据的应用系统；超高频系统应用于需要较长的识读距离和高速度的场合，如火车监控、高速公路收费等系统中。另外值得一提的是在供应链中的应用，EPCGlobal规定用于EPC的载波频率为13．56MHz和860MHz～930MHz两个频段，其中13．56MHz频率采用的标准原型是IS0／IEC15693，已经收入到ISO／IEC18000—3中，图书馆通常使用这个标准，但服务距离较短。而860～930MHz频段的应用则较复杂，国际上各国家采用的频率不同，欧洲为869MHz，美国为915