RFID簡介

　　射頻（Radio Frequency，RF）指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波。無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術，簡稱射頻識別技術，是從20世紀90年代興起的一種無線、非接觸方式的自動識別技術，是近幾年發(fā)展起來的前沿科技項目。早在RFID技術出現(xiàn)之前，最廣泛應用的產品識別技術是條形碼技術。進入21世紀后，由于條形碼技術存在的諸多問題，例如，讀取速度慢、存儲能力小、工作距離近、穿透性弱以及適應性不強等，使其越來越不能滿足人們的需求。因此，RFID技術的出現(xiàn)改變了條形碼技術一統(tǒng)天下的局面。RFID技術不像條形碼那樣依靠“有形”的一維或二維幾何圖案來提供信息，而是通過芯片來提供存儲于其中的數(shù)量巨大的“無形”信息。RFID改變了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，利用無線射頻方式在閱讀器和標簽之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的，具有壽命長、閱讀速度快、無磨損、環(huán)境適應性強、抗干擾能力強，便于使用和防碰撞的優(yōu)點，可全天候、無接觸地完成自動識別、跟蹤與管理，且可穿透非金屬物體進行識別以及多目標同時識別等優(yōu)點，其通信距離范圍可從幾厘米至幾十米遠，而且依據(jù)讀寫方式的不同，可以輸入數(shù)千字節(jié)的數(shù)字信息，具有極高的保密性。因此，RFID技術已逐漸成為自動識別技術中最優(yōu)秀和應用領域最廣泛的技術之一。

　　RFID工作原理

　　典型的RFID系統(tǒng)由RFID標簽（Tag）、RFID閱讀器（Reader）、天線3部分組成。

　　RFID標簽

　　RFID標簽又稱電子標簽、射頻卡或應答器，是類似貨物包裝上的條形碼功能，記載貨物的信息，是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，用以標識目標對象。當給移動或非移動物體附上RFID標簽，就意味著把“物”變?yōu)榱恕爸悄芪铩保涂梢詫崿F(xiàn)對不同物體的跟蹤與管理。

　　RFID標簽是一種集成電路產品，是由耦合元件和專用芯片組成。

　　RFID標簽芯片可劃分為諧振回路、射頻接口電路、數(shù)字控制和數(shù)據(jù)存儲體4部分。諧振回路是電子標簽與外界的通信接口，它耦合閱讀器天線產生的磁場信號，為電子標簽提供能量和數(shù)據(jù)。射頻接口將外接天線和內部數(shù)字控制電路、E2PROM數(shù)據(jù)存儲體聯(lián)系起來，射頻接口電路接收天線耦合的閱讀器信號，使內部電路從中獲得能量、時序和數(shù)據(jù)。數(shù)字控制電路主要包括狀態(tài)機、譯碼編碼、加密校驗、防沖突等模塊，實現(xiàn)命令編解碼、數(shù)據(jù)校驗，完成對射頻接口、數(shù)據(jù)存儲體的控制操作，完成協(xié)議所要求的功能。數(shù)據(jù)存儲體采用E2PROM，實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的存放，可以根據(jù)具體要求進行讀/寫操作。

　　RFID標簽含有內置天線，用于發(fā)送和接收射頻信號，實現(xiàn)和射頻天線間的通信。目前，125kHz、13.56MHz這兩個頻段的RFID芯片種類多、技術成熟且價格低廉。其中，13.56MHz的RFID標簽是主流應用產品，國外公司如TI、Philips、Atmel、EM等提供的產品占了大部分市場。

　　RFID標簽采用3種數(shù)據(jù)存儲方式：電可擦可編程只讀存儲器（E2PROM）、鐵電隨機存取存儲器（FRAM）和靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）。E2PROM寫入過程中功耗較大，使用壽命通常為10萬次。FRAM的基本原理是鐵電效應，寫入功耗為E2PROM的1/100，寫入時間為E2PROM的1000，但由于生產方面的問題，使其至今未得到廣泛應用。寫入SRAM寫入速度快，適用于微波系統(tǒng)，但需要不間斷供電才能保存數(shù)據(jù)。因此RFID技術通常采用E2PROM方式。RFID標簽的數(shù)據(jù)量通常在幾字節(jié)到幾千字節(jié)之間。但有一個例外，這就是1b RFID標簽，進行“是”或“否”的應答，在需要簡單監(jiān)控的場所是適合的，它的價格便宜，在百貨商場的商品防盜系統(tǒng)中獲得大量的應用。

　　在自動識別管理系統(tǒng)中，每個RFID標簽保存著一個物體的屬性、狀態(tài)、編號等信息，具有全球唯一的識別號（ID），在加工芯片時寫入，無法修改和偽造，保證安全性。RFID標簽通常安裝在物體表面，具有一定的無金屬遮擋的視角。

　　RFID標簽的主要電氣性能參數(shù)：工作頻率、讀/寫能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、信息數(shù)據(jù)存儲量、多標簽識讀能力（也稱防碰撞能力或防沖突能力）、信息安全性能等。

　　RFID閱讀器

　　RFID閱讀器（Reader）又稱讀寫器或讀卡器，是讀取（或寫入）標簽信息的設備。RFID閱讀器可以無接觸地讀取并識別RFID標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。閱讀器一方面通過標準網(wǎng)口、RS-232串口或USB接口與計算機相連，另一方面通過天線與RFID標簽通信，將所讀取的標簽信息傳送到計算機上，進行下一步處理。

　　由于頻率范圍、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，各種閱讀器會有很大的區(qū)別和差異，但是所有的閱讀器在上述功能上是很相似的。

　　（1）發(fā)送通道：對載波信號進行功率放大，向RFID標簽傳送操作命令及輸入數(shù)據(jù)。

　　（2）接收通道：接收RFID標簽傳送至閱讀器的響應及數(shù)據(jù)。

　　（3）載波產生器：采用晶體振蕩器，產生所需頻率的載波信號，并保證載波信號頻率穩(wěn)定度。

　　（4）時鐘產生電路：通過分頻器形成工作所需的各種時鐘。

　　（5）MCU：微控制器是閱讀器工作的核心，完成收發(fā)控制、向RFID標簽發(fā)命令及輸入數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)讀取與處理、與高層處理應用系統(tǒng)的通信等工作。

　　（6）天線：與RFID標簽形成藕合交聯(lián)。

　　RFID閱讀器的主要功能是控制射頻模塊向RFID標簽發(fā)射讀取信號，并接受RFID標簽的應答，對RFID標簽的識別信息進行處理。

　　（1）查閱RFID標簽中當前儲存的數(shù)據(jù)信息；

　　（2）控制射頻模塊向RFID標簽發(fā)射讀取信號；

　　（3）接受標簽的應答，對標簽的識別信息進行處理；

　　（4）向空白RFID標簽中寫入欲儲存的數(shù)據(jù)信息；

　　（5）修改（重新輸入）RFID標簽中的數(shù)據(jù)信息；

　　（6）與后臺管理計算機進行信息交互。

　　RFID閱讀器有專用閱讀器和通用閱讀器兩種。專用讀寫器專門為某種用途設計，是不具備再開發(fā)功能的專用獨立裝置，它本身已具備某種完整的固定用途，使用方式和功能在出廠前已由廠家設置，用戶可以根據(jù)應用情況做小范圍設定。通用閱讀器本身并不限于某種固定用途，主要針對標簽的讀寫操作，可以進行二次開發(fā)。

　　天線

　　天線（Antenna）是在RFID標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號，即RFID標簽的數(shù)據(jù)信息。

　　RFID天線可分為標簽天線和閱讀器天線兩種類型。這兩種天線因工作特性不同，在設計上關注重點也有所不同。對于標簽天線，著重考慮天線的全向性、阻抗匹配、尺寸、極化、造價，以及能否提供足夠能量驅動RFID芯片等方面；對于閱讀器天線，考慮更多的是天線的方向性、天線頻帶等因素。由于RFID標簽的結構簡單，而且有全向性要求，提高其天線的增益很困難，因此，系統(tǒng)的天線增益主要落在閱讀器天線上，商用閱讀器天線一般采用平板天線，增益可達到9dB。為了提高閱讀器天線的方向性增益，可采用天線陣的方法，天線陣具有靈活的波束方向和更窄的波束寬度，可以減少閱讀器向非目標區(qū)域輻射，提高識讀距離，降低閱讀器間相互干擾，是閱讀器天線發(fā)展的一個重要方向。

　　在RFID閱讀器與標簽通信時，閱讀器既是發(fā)射機，也是接收機，而且發(fā)射和接收都采用相同的頻率。RFID閱讀器的射頻前端必須將發(fā)射和接收的電磁波進行分離，分離的辦法與閱讀器天線結構有關。不同的結構決定不同的分離方式。閱讀器天線一般可采用兩種結構：單天線結構和雙天線結構。

　　閱讀器的兩個天線采用不同極化方向，或左旋極化（LHCP），或右旋極化（RHCP）。若閱讀器發(fā)射左旋極化波，當它被反射回來的時候，反射波將是右旋極化方向，采用極化天線方式的射頻前端，其隔離度可以達到20dB以上，比單天線結構的分離能力強，常被應用在一些較高檔的閱讀器中，但該方式需要兩個天線，布置和安裝都不太方便，另外因多了一個天線，使其成本上升，所以在實際應用中，不如單天線結構的閱讀器普及。

　　為保證天線的正常工作，要求天線的尺寸必須與傳播波的波長一致，天線可以是無源器件，也可以是有源器件。在實際應用中，天線的設計參數(shù)是影響RFID系統(tǒng)識別范圍的主要因素。高性能的天線不僅要求具有良好的阻抗匹配特性，還需要根據(jù)應用環(huán)境的特點對方向特性、極化特性和頻率特性等進行專門的設計和安裝。

　　閱讀器在區(qū)域內通過天線發(fā)射射頻信號，形成電磁場，區(qū)域大小取決于發(fā)射功率、工作頻率和天線尺寸。

　　當RFID表情進入該區(qū)域時，接收閱讀器的射頻信號，其天線產生感應電流，從而使RFID表情獲得能量被激活，并將自身編碼等信息通過標簽內置發(fā)射天線向閱讀器發(fā)送。

　　系統(tǒng)接收天線接收到從RFID標簽發(fā)送來的載波信號，經天線調節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理。

　　主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作。

　　RFID標簽所存儲的電子信息代表了待識別物體的標識信息，相當于待識別物體的身份認證，從而射頻識別系統(tǒng)實現(xiàn)了非接觸物體的識別目的。

　　RFID系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關鍵的參數(shù)。目前，長距離RFID系統(tǒng)的價格還很貴，因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響RFID系統(tǒng)讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閱讀器的射頻輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、標簽的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閱讀器和標簽的耦合度，以及射頻卡本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等。大多數(shù)系統(tǒng)的讀取距離和寫入距離是不同的，寫入距離大約是讀取距離的40%~80%。