選擇適合的頻率設(shè)計(jì)RFID系統(tǒng)

1.前言

射頻識(shí)別(radio frequency identification，以下簡(jiǎn)稱(chēng)RFID)是一種將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子數(shù)據(jù)載體(如集成電路)上，并通過(guò)磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)以無(wú)線方式進(jìn)行應(yīng)答器 / 標(biāo)簽(Transponder/Tag)和詢(xún)問(wèn)器 /讀寫(xiě)器(Interrogator/Reader)之間雙向通信，從而達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)的新興技術(shù)該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別;具有抗惡劣環(huán)境、高準(zhǔn)確性、安全性、靈活性和可擴(kuò)展性等諸多優(yōu)點(diǎn);便于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品跟蹤和物流管理，因而受到廣泛的關(guān)注。因此，RFID 被公認(rèn)為本世紀(jì)最有發(fā)展前途的10項(xiàng)技術(shù)之一。

RFID 系統(tǒng)實(shí)事上已經(jīng)存在和發(fā)展了幾十年，從供電狀態(tài)來(lái)看可以分為“有源”和“無(wú)源”兩大類(lèi);從工作頻率來(lái)看，可以分為低頻(125KHz~135KHz),高頻(13.56MHz)，超高頻,微波(2.45GHz,5.8GHz)等幾大類(lèi)。不同的射頻識(shí)別系統(tǒng)的硬件價(jià)格差別是巨大的，而系統(tǒng)本身的特性也各不相同，系統(tǒng)的成熟度也有所不同。很多問(wèn)題，甚至連業(yè)內(nèi)人員也不能輕易給出一個(gè)明確的解答因此用戶(hù)在選擇射頻識(shí)別技術(shù)的時(shí)候常常覺(jué)得無(wú)所適從。筆者結(jié)合自身的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在參考了相關(guān)的應(yīng)用資料和技術(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，力圖通過(guò)本文給讀者一個(gè)較為全面和客觀的認(rèn)識(shí)，希望能夠給用戶(hù)在選擇合適頻率的射頻識(shí)別系統(tǒng)時(shí)提供一些幫助。

2 不同頻段 RFID 技術(shù)特性簡(jiǎn)述

2.1 低頻(Low Frequency) ：

使用的頻段范圍為 1 0 K H z ~ 1 M H z ，常見(jiàn)的主要規(guī)格有125KHz、135KHz 等。一般這個(gè)頻段的電子標(biāo)簽都是被動(dòng)式的，通過(guò)電感耦合方式進(jìn)行能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸。低頻的最大的優(yōu)點(diǎn)在于其標(biāo)簽靠近金屬或液體的物品上時(shí)標(biāo)簽受到的影響較小，同時(shí)低頻系統(tǒng)非常成熟，讀寫(xiě)設(shè)備的價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是讀取距離短、無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多標(biāo)簽讀取( 抗沖突) 以及信息量較低，一般的存儲(chǔ)容量在 128 位到 512 位。主要應(yīng)用于門(mén)禁系統(tǒng)、動(dòng)物芯片、汽車(chē)防盜器和玩具等。雖然低頻系統(tǒng)成熟，讀寫(xiě)設(shè)備價(jià)格低廉，但是由于其諧振頻率低，標(biāo)簽需要制作電感值很大的繞線電感，并常常需要封裝片外諧振電容，其標(biāo)簽的成本反而比其他頻段高。

2.2 高頻(High Frequency)：

使用的頻段范圍為 1MHz~400MHz，常見(jiàn)的主要規(guī)格為 13.156MHz這個(gè) ISM 頻段。這個(gè)頻段的標(biāo)簽還是以被動(dòng)式為主，也是通過(guò)電感耦合方式進(jìn)行能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)頻段中最大的應(yīng)用就是我們所熟知的非接觸式智能卡。和低頻相較，其傳輸速度較快，通常在100kbps 以上，且可進(jìn)行多標(biāo)簽辨識(shí)(各個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都有成熟的抗沖突機(jī)制)。該頻段的系統(tǒng)得益于非接觸式智能卡的應(yīng)用和普及，系統(tǒng)也比較成熟，讀寫(xiě)設(shè)備的價(jià)格較低。產(chǎn)品最豐富，存儲(chǔ)容量從 128 位到8K 以上字節(jié)都有，而且可以支持很高的安全特性，從最簡(jiǎn)單的寫(xiě)鎖定，到流加密，甚至是加密協(xié)處理器都有集成。一般應(yīng)用于身份識(shí)別、圖書(shū)館管理、產(chǎn)品管理等。安全性要求較高的RFID 應(yīng)用，目前該頻段是唯一選擇。

2.3 超高頻(Ultra High Frequency)：

使用的頻段范圍為 400MHz~1GHz，常見(jiàn)的主要規(guī)格有 433MHz、868~950MHz。這個(gè)頻段通過(guò)電磁波方式進(jìn)行能量和信息的傳輸。主動(dòng)式和被動(dòng)式的應(yīng)用在這個(gè)頻段都很常見(jiàn)，被動(dòng)式標(biāo)簽讀取距離約3 ~ 1 0 m 傳輸速率較快，一般也可以達(dá)到100kbps 左右，而且因?yàn)樘炀€可采用蝕刻或印刷的方式制造，因此成本相對(duì)較低。由于讀取距離較遠(yuǎn)、信息傳輸速率較快，而且可以同時(shí)進(jìn)行大數(shù)量標(biāo)簽的讀取與辨識(shí)，因此特別適用于物流和供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域。但是，這個(gè)頻段的缺點(diǎn)是在金屬與液體的物品上的應(yīng)用較不理想同時(shí)系統(tǒng)還不成熟，讀寫(xiě)設(shè)備的價(jià)格非常昂貴，應(yīng)用和維護(hù)的成本也很高。此外，該頻段的安全性特性一般，不適合安全性要求高的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.4 微波(Microwave)：

使用的頻段范圍為 1GHz 以上，常見(jiàn)的規(guī)格有 2.45GHz、5.8GHz。微波頻段的特性與應(yīng)用和超高頻段相似，讀取距離約為 2 公尺，但是對(duì)于環(huán)境的敏感性較高。由于其頻率高于超高頻，標(biāo)簽的尺寸可以做得比超高頻更小，但水對(duì)該頻段信號(hào)的衰減較超高頻更高，同時(shí)工作距離也比超高頻更小。

一般應(yīng)用于行李追蹤、物品管理、供應(yīng)鏈管理…等。

2.5 根據(jù)應(yīng)用選擇合適頻段的射頻識(shí)別技術(shù)

前一部分中，我們已經(jīng)簡(jiǎn)要介紹了各個(gè)頻段的射頻識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)。這一部分中我們將重點(diǎn)說(shuō)明如何來(lái)選擇合適的射頻識(shí)別技術(shù)。

第一，一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)的成本，包含硬件成本、軟件成本和集成成本等。而硬件成本不僅僅包括讀寫(xiě)器和標(biāo)簽的成本，還包括安裝成本。很多時(shí)候，應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理軟件和集成是整個(gè)應(yīng)用的主要成本。如果從成本出發(fā)考慮，一定要根據(jù)系統(tǒng)的整體成本進(jìn)行，而不僅僅局限于硬件，如標(biāo)簽的價(jià)格。這里，我們不進(jìn)一步討論和分析這部分的問(wèn)題，但讀者需要對(duì)此有一個(gè)了解和認(rèn)識(shí)。下面我們主要討論從技術(shù)層面來(lái)看，如何選擇合適的頻段。

第二，我們知道，即使是在同一個(gè)頻段內(nèi)的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其通信距離也是差異很大的。因?yàn)橥ㄐ啪嚯x通常依賴(lài)于天線設(shè)計(jì)、讀寫(xiě)器輸出功率、標(biāo)簽芯片功耗和讀寫(xiě)器接收靈敏度等等。我們不能夠簡(jiǎn)單地認(rèn)為某一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作距離大于另一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)。

第三，雖然理想的射頻識(shí)別系統(tǒng)是長(zhǎng)工作距離，高傳輸速率和低功耗的。然而，現(xiàn)實(shí)的情況下這種理想的射頻系統(tǒng)是不存在的，高的數(shù)據(jù)傳輸率只能在相對(duì)較近的距離下實(shí)現(xiàn)。反之，如果要提高通信距離，就需要降低數(shù)據(jù)傳輸率。所以我們?nèi)绻x用通信距離遠(yuǎn)的射頻識(shí)別技術(shù)，就必須犧牲通信速率。選擇頻段的過(guò)程常常是一種折中的過(guò)程。

第四，除了考慮通信距離以外，在我們選擇一個(gè)射頻系統(tǒng)時(shí)，通常還要考慮存儲(chǔ)器容量、安全特性等因素。根據(jù)這些應(yīng)用需求，才能夠確定適合的射頻識(shí)別頻段和解決方案。從現(xiàn)有的解決方案來(lái)看，超高頻和微波射頻識(shí)別系統(tǒng)的操作距離最大(可以達(dá)到 3 到 1 0 米)，并具有較快的通信速率，但是為了降低標(biāo)簽芯片的功耗和復(fù)雜度，并不實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的安全機(jī)制，僅限于寫(xiě)鎖定和密碼保護(hù)等簡(jiǎn)單安全機(jī)制。而且，該頻段的電磁波能量在水中衰減嚴(yán)重，所以對(duì)于跟蹤動(dòng)物(體內(nèi)含超過(guò) 50% 的水)、含有液體的藥品等是不合適的。低頻和高頻系統(tǒng)的讀寫(xiě)距離較小，通常不超過(guò)一米。高頻頻段為技術(shù)成熟的非接觸式智能卡采用，非接觸式智能卡能夠支持大的存儲(chǔ)器容量和復(fù)雜的安全算法。如前所述，囿于通信速率和安全性需求，非接觸式智能卡的工作距離一般在10cm 左右。高頻頻段中的 ISO15693 規(guī)范通過(guò)降低通信速率使通信距離加大，通過(guò)大尺寸天線和大功率讀寫(xiě)器，工作距離可以達(dá)到 1 米以上。低頻頻段由于載波頻率低，比高頻13.56MHz 低 100 倍以上，因此通信速率最低，而且通常不支持多標(biāo)簽的讀取。