RFID技術(shù)及RFID系統(tǒng)組成分析

一般而言，RFID系統(tǒng)由5個(gè)組件構(gòu)成，包括傳送器、接收器、微處理器、天線，標(biāo)簽。傳送器、接收器和微處理器通常都被封裝在一起，又統(tǒng)稱為閱讀器(Reader)，所以工業(yè)界經(jīng)常將RFID系統(tǒng)分為閱讀器，天線和標(biāo)簽三大組件，這三大組件一般都可由不同的生產(chǎn)商生產(chǎn)。RFID源于雷達(dá)技術(shù)，所以其工作原理和雷達(dá)極為相似。首先閱讀器通過(guò)天線發(fā)出電子信號(hào)，標(biāo)簽接收到信號(hào)后發(fā)射內(nèi)部存儲(chǔ)的標(biāo)識(shí)信息，閱讀器再通過(guò)天線接收并識(shí)別標(biāo)簽發(fā)回的信息，最后閱讀器再將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給主機(jī)。體系架構(gòu)如圖所示。

電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間(無(wú)接觸)耦合，在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo)之間的射頻信號(hào)耦合類型有兩種：一種是電感耦合，變壓器模型，通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，理論依據(jù)為電磁感應(yīng)定律;另一種是電磁反向散射耦合，雷達(dá)模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，理論依據(jù)是電磁波在空間的傳播特性。

閱讀器

閱讀器是RFID系統(tǒng)最重要也最復(fù)雜的一個(gè)組件。因其上作模式一般是主動(dòng)向標(biāo)簽詢問(wèn)標(biāo)識(shí)信息，所以有時(shí)又被稱為詢問(wèn)器(Interrogator)。圖2.10給出了幾種不同外觀的閱讀器。閱讀器一方面通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口、RS232串口或USB接口同主機(jī)相連，另一方面通過(guò)天線同RFID標(biāo)簽通信。有時(shí)為了方便，閱讀器和天線以及智能終端設(shè)備會(huì)集成在起形成可移動(dòng)的手持式閱讀器。

天線

天線同閱讀器相連，用于在標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞射頻信號(hào)。閱讀器可以連接一個(gè)或多個(gè)天線，但每次使用時(shí)只能激活一個(gè)天線。天線的形狀和大小會(huì)隨著工作頻率和功能的不同而不同。RFID系統(tǒng)的工作頻率從低頻到微波，范圍很廣，這使得天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問(wèn)題變得很復(fù)雜。

標(biāo)簽

1.概念

RFID標(biāo)簽(Tag)是由耦合元件、芯片及微型天線組成的，每個(gè)標(biāo)簽內(nèi)部有唯一的電子編碼，附著在物體上，用來(lái)標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器掃描場(chǎng)以后，接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的電子編碼(被動(dòng)式標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(主動(dòng)式標(biāo)簽)。

RFID標(biāo)簽的原理和條形碼相似，但與其相比還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)體積小且形狀多樣。RFID標(biāo)簽在讀收上并不受尺寸大小與形狀限制，不需要為了讀取精度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)。

2)耐環(huán)境性。條形碼容易被污染而影響識(shí)別，但RFID對(duì)水、油等物質(zhì)卻有極強(qiáng)的抗污染性。另外，即使在黑暗的環(huán)境中，RFID標(biāo)簽也能夠被讀取。

3)可重復(fù)使用。標(biāo)簽具有讀寫(xiě)功能，電子數(shù)據(jù)可被反復(fù)覆蓋，因此可以被回收而重復(fù)使用。

4)穿透性強(qiáng)。標(biāo)簽在被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)包裹的情況下也可以進(jìn)行穿透性通信。

5)數(shù)據(jù)安全性。標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)循環(huán)冗余校驗(yàn)的力法來(lái)保證標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式

標(biāo)簽采用三種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)、鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)。一般射頻識(shí)別系統(tǒng)主要采用EEPR0M方式。這種方式的缺點(diǎn)是寫(xiě)入過(guò)程中的功耗消耗很大，使用壽命一般為lO0000次。也有廠家采用FRAM方式。FRAM的寫(xiě)入功耗消耗為EEPROM的1/100，寫(xiě)入時(shí)間為EEPROM的1/1000。FRAM屬于非易失類存儲(chǔ)器。然而，F(xiàn)RAM由于生產(chǎn)方面的問(wèn)題至今未獲得廣泛應(yīng)用。SRAM能快速寫(xiě)入數(shù)據(jù)，適用于微波系統(tǒng)、但SRAM需要輔助電池不間斷供電，才能保存數(shù)據(jù)。

3.分類

標(biāo)簽根據(jù)是否內(nèi)置電源，可以分為三種類型：被動(dòng)式標(biāo)簽、主動(dòng)式標(biāo)簽和半主動(dòng)式標(biāo)簽。

(1)被動(dòng)式標(biāo)簽

被動(dòng)式標(biāo)簽因內(nèi)部沒(méi)有電源設(shè)備又被稱為無(wú)源標(biāo)簽。被動(dòng)式標(biāo)簽內(nèi)部的集成電路通過(guò)接收由閱讀器發(fā)出的電磁波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)。被動(dòng)式標(biāo)簽的通信頻率可以是高頻(HF)或超高頻(UHF)。第一代被動(dòng)式標(biāo)簽采用高頻通信，其通信頻段為13.56MHz。通信距離較短，最長(zhǎng)只能到達(dá)1m左右，主要用于訪問(wèn)控制和非接觸式付款。第二代被動(dòng)式標(biāo)簽采用超高頻通信，其通信頻段為860～960MHz。通信距離較長(zhǎng)，可達(dá)3～5m，并且支持多標(biāo)簽識(shí)別，即間讀器可同時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽。迄今為止，第二代被動(dòng)式標(biāo)簽也是應(yīng)用最為廣泛的RFID標(biāo)，主要用于工業(yè)自動(dòng)化、資產(chǎn)管理、貨物監(jiān)控、個(gè)人標(biāo)識(shí)和訪問(wèn)控制等領(lǐng)域。

(2)主動(dòng)式標(biāo)簽

主動(dòng)式標(biāo)簽因標(biāo)簽內(nèi)部攜帶電源又被稱為有源標(biāo)簽。電源設(shè)備和與其相關(guān)的電路決定了主動(dòng)式標(biāo)簽要比被動(dòng)式標(biāo)簽體積大、價(jià)格昂貴。但主動(dòng)式標(biāo)簽通信距離更遠(yuǎn)，可達(dá)上百米遠(yuǎn)。主動(dòng)式標(biāo)簽有兩種工作模式，一種是主動(dòng)模式，在這種模式下標(biāo)簽主動(dòng)向四周進(jìn)行周期性廣播，即使沒(méi)有閱讀器存在也會(huì)這樣做;另一種為喚醒模式，為了節(jié)約電源并減小射頻信號(hào)噪聲。標(biāo)一開(kāi)始處于低耗電量的休眠狀態(tài)。閱讀器識(shí)別時(shí)需先廣播一個(gè)喚醒命令，只有當(dāng)標(biāo)簽接收到喚醒命令時(shí)才會(huì)開(kāi)始廣播自己的編碼。這種低能耗的喚醒模式通常可以使主動(dòng)式標(biāo)簽的壽命長(zhǎng)達(dá)好幾年，如RFCode主動(dòng)標(biāo)簽就可以使用7年以上。

(3)半主動(dòng)式標(biāo)簽

半主動(dòng)式標(biāo)兼有被動(dòng)式標(biāo)簽和主動(dòng)式標(biāo)簽的所有優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部攜帶電池，能夠?yàn)闃?biāo)簽內(nèi)部計(jì)算提供電源。這種標(biāo)簽可以攜帶傳感器，可用于檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、移動(dòng)性等。和主動(dòng)式標(biāo)簽不同的是，它們的通信并不需要電池提供能量，而是像被動(dòng)式標(biāo)簽一樣通過(guò)閱讀器發(fā)射的電磁波取通信能量。