RFID技術(shù)：系統(tǒng)、原理、分類(lèi)與應(yīng)用

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摘要

作為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，射頻識(shí)別由于其長(zhǎng)距離閱讀和高存儲(chǔ)容量而備受關(guān)注。它不僅可以幫助企業(yè)提高對(duì)商品管理和人工成本的控制效率，而且可以將銷(xiāo)售企業(yè)和制造企業(yè)聯(lián)系起來(lái)，更準(zhǔn)確地接收反饋信息和控制需求信息，優(yōu)化整個(gè)供應(yīng)鏈。未來(lái)RFID必將在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

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目錄

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一、RFID1.1介紹

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）又稱(chēng)電子標(biāo)簽、無(wú)線射頻識(shí)別、感應(yīng)電子芯片、非接觸卡，是一種通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物體并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID技術(shù)可以在各種惡劣的環(huán)境中工作，無(wú)需人為干預(yù)。

此外，它能同時(shí)識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體和識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作方便快捷。短程射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染和其他惡劣環(huán)境，因此在這種環(huán)境下，它們可以代替條形碼，例如跟蹤工廠裝配線上的物體。長(zhǎng)距離射頻產(chǎn)品主要應(yīng)用于交通領(lǐng)域，其識(shí)別距離可達(dá)數(shù)十米，如自動(dòng)充電或車(chē)輛識(shí)別等。

1.2分類(lèi)

根據(jù)電源的可用性，RFID分為無(wú)源和有源兩種。

1） 被動(dòng)標(biāo)記：被動(dòng)傳感器本身沒(méi)有電源。它的電源是由一個(gè)傳感器產(chǎn)生的，傳感器通過(guò)從讀卡器****頻率來(lái)激活，數(shù)據(jù)最終被傳輸回讀卡器。被動(dòng)式標(biāo)簽薄而短，使用壽命長(zhǎng)，但感應(yīng)距離相對(duì)較短。

2） 主動(dòng)標(biāo)記：價(jià)格相對(duì)較高，體積比被動(dòng)式標(biāo)簽大，因?yàn)閮?nèi)置電池。使用壽命長(zhǎng)，傳感距離長(zhǎng)。

根據(jù)頻率，射頻識(shí)別可分為三種類(lèi)型：低頻、高頻、超頻：

1） 低頻RFID（100～500KHz）：低頻RFID感應(yīng)距離較短，讀取速度較慢。低頻射頻識(shí)別一般采用125KHz，穿透能力強(qiáng)。

2） 高頻RFID（10~15MHz）：高頻RFID感應(yīng)距離較長(zhǎng)，讀取速度相對(duì)較高。射頻識(shí)別主要使用13.56MHz的高頻。

3）超高頻RFID（850~950MHz~2.45GHz）：超高頻RFID傳感距離最長(zhǎng)，讀取速度最快，但穿透能力差。

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二、系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)功能的不同，RFID系統(tǒng)可分為邊緣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。邊緣系統(tǒng)主要完成信息感知，屬于硬件組成部分。軟件系統(tǒng)完成信息處理和應(yīng)用。通信設(shè)備負(fù)責(zé)整個(gè)RFID系統(tǒng)的信息傳輸。

2.1電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽又稱(chēng)應(yīng)答器或智能標(biāo)簽，是一種主要由內(nèi)置天線和芯片組成的微型無(wú)線收發(fā)器。

2.2讀寫(xiě)器

讀寫(xiě)器是一種捕捉和處理RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的設(shè)備，可以作為一個(gè)單獨(dú)的或嵌入到其他系統(tǒng)中。讀寫(xiě)器也是RFID系統(tǒng)的重要組成部分之一，它的名字來(lái)源于它可以將數(shù)據(jù)寫(xiě)入RFID。讀寫(xiě)器的硬件通常由收發(fā)器、微處理器、存儲(chǔ)器、外部傳感器/執(zhí)行器、報(bào)警輸入/輸出接口、通信接口和電源組成。

2.3控制器

控制器是讀卡器芯片有序運(yùn)行的指揮中心。其主要功能：

• 與應(yīng)用系統(tǒng)軟件通信；

• 執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)出的動(dòng)作指令；

• 控制與標(biāo)簽的通信過(guò)程；

• 基帶信號(hào)的編解碼；

• 實(shí)現(xiàn)防碰撞算法；

• 對(duì)讀取器和標(biāo)簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密；

• 實(shí)現(xiàn)讀卡器與電子標(biāo)簽之間的身份認(rèn)證；

• 控制其他外部設(shè)備，如鍵盤(pán)和顯示設(shè)備。

• 控制讀卡器芯片的操作（最重要的）。

2.4讀卡器天線

天線是以電磁波的形式接收或輻射前端射頻信號(hào)的裝置。它是電路與空間的接口器件，用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)換。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標(biāo)簽天線和閱讀器天線，分別承擔(dān)接收能量和****能量的功能。讀卡器天線的特點(diǎn)是：

• 小到可以依附于需要的東西

• 全向或半球覆蓋的方向性

• 能夠?yàn)樾酒峁┳畲罂赡艿男盘?hào)

• 無(wú)論方向如何，天線的極化都能與卡的詢問(wèn)信號(hào)相匹配

• 穩(wěn)定性好

• 價(jià)格便宜

2.5通信設(shè)施

通信設(shè)備為不同的RFID系統(tǒng)管理提供安全的通信連接，是RFID系統(tǒng)的重要組成部分。通信設(shè)施包括有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和串行通信接口，供讀卡器和控制器連接到計(jì)算機(jī)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以是個(gè)人局域網(wǎng)（例如藍(lán)牙技術(shù)）、局域網(wǎng)（例如802.11x、WiFi）或廣域網(wǎng)（例如GPRS、3G技術(shù)）和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)（例如同步軌道衛(wèi)星L波段RFID系統(tǒng)）。

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三、RFID天線類(lèi)型

RFID有三種基本類(lèi)型：線圈型、微帶貼片型和偶極子型。其中，短距離應(yīng)用系統(tǒng)使用的1米以下的RFID天線一般采用線圈式天線，工藝簡(jiǎn)單，成本低。它主要工作在中低頻段。在應(yīng)用系統(tǒng)中，1米以上的RFID天線通常采用微帶貼片式或偶極子式。它們工作在高頻和微波頻率級(jí)。這些天線的原理是不同的。

① 線圈天線

當(dāng)RFID線圈天線進(jìn)入讀寫(xiě)器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)時(shí)，RFID天線和讀寫(xiě)器天線之間的相互作用與變壓器相似，兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的一次線圈和二次線圈。射頻識(shí)別線圈天線形成的諧振回路如下圖所示。

包括RFID天線的線圈電感L、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2，其諧振頻率為：

電容C是Cp和C2的并聯(lián)等效電容。RFID應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)該頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。ID1非接觸式IC卡外觀為小型塑料卡（85.72mm×54.03mm×0.76mm），天線線圈諧振頻率一般為13.56MHz。目前已開(kāi)發(fā)出一個(gè)最小面積為0.4mm×0.4mm線圈天線的短程RFID應(yīng)用系統(tǒng)。

一些應(yīng)用要求RFID天線線圈的形狀較小，并且需要一定的工作距離，例如用于動(dòng)物識(shí)別的RFID。當(dāng)天線線圈面積較小時(shí)，RFID與閱讀器之間的互感明顯不適合實(shí)際應(yīng)用。RFID天線線圈通常采用高導(dǎo)磁性的鐵氧體材料來(lái)增加互感，補(bǔ)償線圈截面的減小。

②微帶天線

微帶天線是一種由微帶線或同軸探頭在薄介質(zhì)襯底上饋電的天線。一面附著一層薄金屬層作為接地板，另一面用光刻蝕刻法制作出具有一定形狀的金屬貼片。微帶天線可分為兩種類(lèi)型：①微帶貼片天線② 微帶縫隙天線

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四、RFID工作原理

基本原則射頻識(shí)別技術(shù)：讀寫(xiě)器發(fā)送的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼后加載到高頻載波信號(hào)上，再通過(guò)天線發(fā)出。進(jìn)入讀寫(xiě)器工作區(qū)的電子標(biāo)簽接收信號(hào)?？ㄖ行酒南嚓P(guān)電路進(jìn)行倍壓整流、調(diào)制、解碼、解碼，然后判斷命令請(qǐng)求、口令、權(quán)限等，最后根據(jù)指令進(jìn)行標(biāo)簽處理。

4.1基礎(chǔ)

從電子標(biāo)簽與閱讀器之間的通信和能量傳感角度來(lái)看，系統(tǒng)一般可分為兩類(lèi)，即感應(yīng)耦合系統(tǒng)和電磁后向散射耦合系統(tǒng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，利用空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合；電磁背散射耦合，即雷達(dá)原理模型：****的電磁波擊中目標(biāo)后反射，并攜帶目標(biāo)信息，這是基于電磁波在空間中傳播的規(guī)律。

4.2感應(yīng)耦合RFID系統(tǒng)

RFID的感應(yīng)耦合符合ISO/iec14443協(xié)議。感應(yīng)耦合電子標(biāo)簽由電子數(shù)據(jù)載體組成，電子數(shù)據(jù)載體通常由單個(gè)微芯片和大面積線圈構(gòu)成的天線組成。

幾乎所有的感應(yīng)耦合方式的標(biāo)簽都是被動(dòng)工作的，標(biāo)簽中的微芯片工作所需的全部能量都是由讀卡器傳輸?shù)母袘?yīng)電磁能量提供的。閱讀器的天線線圈產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁場(chǎng)，穿過(guò)線圈的橫截面和周?chē)臻g，使附近的電子標(biāo)簽產(chǎn)生電磁感應(yīng)。

感應(yīng)耦合射頻識(shí)別系統(tǒng)工作原理圖

4.3反向散射耦合RFID系統(tǒng)

① 背散射調(diào)制

雷達(dá)技術(shù)為RFID的后向散射耦合提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)時(shí)，一部分能量被目標(biāo)吸收，另一部分能量以不同強(qiáng)度向不同方向散射。在散射能量中，反射回****天線并由天線接收的一小部分（回波）（因此****天線也是接收天線）。對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大處理，得到目標(biāo)的相關(guān)信息。在雷達(dá)技術(shù)中，這種反射波可以用來(lái)測(cè)量目標(biāo)的距離和方位。

在RFID系統(tǒng)中，利用電磁波的反射，可以將電子標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)傳輸給閱讀器。這種工作模式主要用于915MHz、2.45GHz或更高頻率的系統(tǒng)。

②射頻識(shí)別后向散射耦合模式

目標(biāo)反射電磁波的頻率由其橫截面決定。截面與目標(biāo)的尺寸、形狀、材料、電磁波的波長(zhǎng)和偏振方向等一系列參數(shù)有關(guān)，因?yàn)槟繕?biāo)的反射性能通常隨著頻率的增加而增強(qiáng)，射頻識(shí)別的后向散射耦合方式采用UHF和UHF，應(yīng)答器與讀卡器之間的距離大于1米。讀卡器、電子標(biāo)簽和天線構(gòu)成了一個(gè)收發(fā)器通信系統(tǒng)。

4.4 RFID技術(shù)特點(diǎn)

① 優(yōu)勢(shì)：

• 快速掃描：RFID識(shí)別器可以同時(shí)讀寫(xiě)多個(gè)RFID標(biāo)簽，讀取速度非?？臁Ｓ性碦FID系統(tǒng)的草圖功能可以用于交互式服務(wù)，如過(guò)程跟蹤和維護(hù)跟蹤。

• 小型化和形狀多樣化：RFID標(biāo)簽向小型化和多樣化方向發(fā)展，以適應(yīng)不同的產(chǎn)品。信息的讀取不受芯片尺寸和形狀的限制，也不需要與紙張的固定尺寸或打印質(zhì)量相匹配才能準(zhǔn)確讀取。此外，RFID標(biāo)簽正朝著小型化和多樣化方向發(fā)展，以應(yīng)用于不同的產(chǎn)品中。

• RFID標(biāo)簽是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在芯片中：RFID芯片和RFID讀卡器對(duì)水、油和化學(xué)物質(zhì)有很強(qiáng)的抵抗力，不僅不受污染，而且易于保存。

• 可重復(fù)使用：RFID標(biāo)簽反復(fù)添加、修改、刪除RFID卷標(biāo)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，方便信息的更新。

• 穿透和無(wú)載讀數(shù)：射頻識(shí)別技術(shù)比傳統(tǒng)智能芯片更精確，識(shí)別距離更靈活。它可以實(shí)現(xiàn)穿透和無(wú)障礙讀取。射頻識(shí)別技術(shù)可以穿透紙張、木材和塑料等材料，以穿透通信。它還可以通過(guò)雪、霧、冰、油漆、灰塵等惡劣環(huán)境讀取標(biāo)簽，如條形碼無(wú)法使用。

• 大存儲(chǔ)容量：RFID的最大容量是幾兆字節(jié)，可以大量記錄。隨著技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)能也在增加。

• 安全性：由于RFID攜帶電子信息，其數(shù)據(jù)內(nèi)容可通過(guò)密碼進(jìn)行保護(hù)，使其內(nèi)容難以偽造和篡改。

② 缺點(diǎn)：

• 技術(shù)成熟度還不夠：RFID技術(shù)是一種新興技術(shù)，在技術(shù)上還不是很成熟。由于超高頻RFID標(biāo)簽具有反向反射特性，很難應(yīng)用于金屬、液體等商品。

• 高成本：與普通條形碼標(biāo)簽相比，RFID電子標(biāo)簽相對(duì)昂貴，后者的成本是普通條形碼標(biāo)簽的幾十倍。如果使用量大，成本就太高，這大大降低了市場(chǎng)使用RFID技術(shù)的積極性。

• 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一：RFID技術(shù)尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。市場(chǎng)上多種標(biāo)準(zhǔn)并存，導(dǎo)致不同企業(yè)產(chǎn)品的不兼容。RFID系統(tǒng)的主要制造商提供專(zhuān)用系統(tǒng)，這導(dǎo)致不同的應(yīng)用和行業(yè)采用不同制造商的頻率和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。不兼容的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致了RFID技術(shù)應(yīng)用的混亂，制約了RFID技術(shù)的整體發(fā)展。

③ 前景：

近十年來(lái)，RFID技術(shù)發(fā)展迅速，在工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通管理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，RFID技術(shù)的種類(lèi)會(huì)越來(lái)越豐富，應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛?？梢灶A(yù)見(jiàn)射頻識(shí)別技術(shù)未來(lái)幾年將繼續(xù)保持快速發(fā)展。

總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)前RFID的發(fā)展趨勢(shì)是標(biāo)準(zhǔn)化、低成本、低誤碼率、高安全性和低功耗。

• 標(biāo)準(zhǔn)化：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，到目前為止全球電子標(biāo)簽還沒(méi)有正式形成統(tǒng)一（包括各個(gè)階段）的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

• 低成本：目前，美國(guó)電子標(biāo)簽的最低價(jià)格約為20美分，不能適用于某些低價(jià)值的單項(xiàng)商品。只有當(dāng)電子標(biāo)簽的單價(jià)降到10美分以下時(shí)，才能大規(guī)模應(yīng)用于商品。

• 低誤碼率：雖然RFID標(biāo)簽的單一技術(shù)已經(jīng)成熟，但整體產(chǎn)品技術(shù)還不夠成熟，仍然存在較高的誤讀率（RFID誤讀率有時(shí)高達(dá)20%）。在集成應(yīng)用中，還需要解決大量的技術(shù)問(wèn)題。

• 高安全性：目前廣泛使用的無(wú)源RFID系統(tǒng)沒(méi)有非?？煽康陌踩珯C(jī)制，不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保密。RFID數(shù)據(jù)容易受到攻擊，主要是由于RFID芯片本身的原因。而芯片在讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程中很容易被黑客利用。

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五、RFID技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

訪問(wèn)控制：人員訪問(wèn)控制管理。

動(dòng)物監(jiān)測(cè)：動(dòng)物管理，寵物識(shí)別，野生動(dòng)物生態(tài)跟蹤。

物流管理：航空行李識(shí)別、庫(kù)存和物流運(yùn)輸管理。

自動(dòng)控制：汽車(chē)、家電、電子行業(yè)的分類(lèi)及流水線管理。

醫(yī)療應(yīng)用：醫(yī)院病案系統(tǒng)、儀器設(shè)備的管理。

物料控制：工廠物料的自動(dòng)庫(kù)存和控制系統(tǒng)。

質(zhì)量跟蹤：產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤和反饋。

資源回收：堆垛板、可回收容器的管理。

安全應(yīng)用：超市、圖書(shū)館或書(shū)店的安全管理。

廢物處理：垃圾收集和處理，廢物控制系統(tǒng)。

聯(lián)名****：多功能智能卡。

危險(xiǎn)品：對(duì)軍械、火器、雷管和爆炸物的管制。

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六、常見(jiàn)問(wèn)題

1.什么是RFID技術(shù)？它是如何工作的？

RFID是一種數(shù)據(jù)收集方法，涉及通過(guò)低功率無(wú)線電波自動(dòng)識(shí)別對(duì)象。數(shù)據(jù)通過(guò)由RFID標(biāo)簽、天線、RFID讀取器和收發(fā)器組成的系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)送和接收。

2.RFID在哪里使用？

RFID用于零售商店的商品級(jí)標(biāo)記。除了庫(kù)存控制之外，這還通過(guò)使用電子物品監(jiān)控系統(tǒng)（EAS）提供防止顧客和員工盜竊（商店盜竊）和客戶自助結(jié)賬流程。

3.RFID技術(shù)安全嗎？

RFID****被認(rèn)為與EMV****一樣安全，與RFID卡有關(guān)的數(shù)據(jù)被盜是不常見(jiàn)的。這是因?yàn)檫@些卡片是如何傳遞信息的，哪些信息是共享的。

4.什么是RFID系統(tǒng)？

射頻識(shí)別（RFID）是指由兩個(gè)組件組成的無(wú)線系統(tǒng)：標(biāo)簽和閱讀器。讀卡器是一種具有一個(gè)或多個(gè)天線的設(shè)備，這些天線****無(wú)線電波并接收來(lái)自射頻識(shí)別標(biāo)簽的信號(hào)。。。讀卡器沒(méi)有電池供電。

5.RFID的缺點(diǎn)是什么？

?金屬和液體等材料會(huì)影響信號(hào)。

?有時(shí)不如條形碼掃描儀準(zhǔn)確可靠。

?成本——RFID閱讀器比條形碼閱讀器貴10倍。

?實(shí)施可能困難且耗時(shí)。

6.射頻識(shí)別芯片可以移除嗎？

另一方面，植入的RFID芯片，就像數(shù)字紋身或胸前貼片已經(jīng)代表了第二階段的機(jī)器化一樣，這是因?yàn)椴还苡惺裁次ｋU(xiǎn)的東西說(shuō)，它們都不能像你的閃光T恤那樣在一天結(jié)束時(shí)那么容易被移除。

7.NFC和RFID哪個(gè)更好？

RFID最適合于物流功能中的資產(chǎn)跟蹤和定位。NFC代表近場(chǎng)通信。NFC也基于RFID協(xié)議。RFID的主要區(qū)別在于NFC設(shè)備不僅可以充當(dāng)讀卡器，還可以作為標(biāo)簽（卡片模擬模式）。

8.RFID會(huì)干擾WiFi嗎？

交叉干擾最有可能發(fā)生在RFID系統(tǒng)和WIFI或個(gè)人局域網(wǎng)（WPAN）之間，如藍(lán)牙，但只有當(dāng)設(shè)備共享公共或相鄰頻段時(shí)。。。11 WIFI標(biāo)準(zhǔn)與按照相同標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行的WIFI網(wǎng)絡(luò)一起使用時(shí)可能會(huì)遇到困難。

9.如何檢測(cè)RFID？

?在專(zhuān)門(mén)的在線或本地電子零售商處獲取RFID芯片閱讀器。

?打開(kāi)RFID芯片閱讀器，掃描您認(rèn)為存在RFID芯片的區(qū)域附近。

?隨著來(lái)自RFID芯片讀取器的蜂鳴音增加，信號(hào)強(qiáng)度也隨之增加。

10.什么是RFID及其類(lèi)型？

根據(jù)射頻識(shí)別標(biāo)簽用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率范圍，可將其分為三類(lèi)：低頻（LF）、高頻（HF）和超高頻（UHF）。一般來(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別系統(tǒng)的頻率越低，讀取范圍越短，數(shù)據(jù)讀取速率越慢。