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转 RFID技术  

2015-09-15 11:36:16|  分类: 物联网 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        无线射频识别即RFID(Radio Frequency IDentification)技术,又称电子标签、无线射频识别,是一种非接触的自动识别技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。它基本由三部分组成:标签(Tag)、阅读器(Reader)和天线(Antenna)。

RFID电子标签(Tag,或称射频标签):由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据,作为待识别物品的标识性信息,是射频识别系统真正的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。
阅读器:读取或读/写电子标签信息的设备,主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接收标签的应答,对标签的对象标识信息进行解码,将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。
天线:标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。

RFID射频识别是英文Radio Freqency Identification的缩写,它是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个识别卡, 操作快捷方便。

RFID射频识别是一种世界上较为领先的技术:第一,可以识别单个的非常具体的物体,而不是像条形码那样只能识别一类物体;第二,其采用无线电射频,可以透过外部材料读取数据,而条形码必须靠激光来读取信息;第三,可以同时对多个物体进行识读,而条形码只能一个一个地读。此外,储存的信息量也非常大。

RFID系统的组成
一个RFID 系统 通常有两个组件组成:
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收发器(transponder)或者标签(Tag):位于或者通过某种物理手段附加于被识别的对象之上;
讯问器(interrogator)或者阅读器(reader):取决于设计和所采用的技术,可以是阅读或者读写设备。

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  图4 RFID系统的主要构成
阅读器通常包含一个射频模块 (发射器和接收器),一个控制单元和一个与收发器的耦合单元。另外,某些阅读器还包含其他数据接口系统 (RS 232, RS 485,TCP/IP等),以便将数据转发到其他系统。 
标签:表示RFID系统的实际数据载体,通常有一个耦合单元和一个电子芯片组成。标签通常不具备自身电源供应,当它不在质询器的质询范围时,整体呈被动状态。它只有在质询器的质询范围之内才被激活。激活雷达收发器的电力通过耦合单元传输给收发器,所需的数据和时钟脉冲也是如此。

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 图 5 RFID标签

RFID技术的基本工作原理:电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内,根据时序关系,实现能量的传递、数据的交换。当标签进入磁场后,接收读写器发出的射频信号,标签凭借感应电流所获得的能量为自身供电并发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag,无源标签或被动标签),或者由标签主动发送某一频率的信号(Active Tag,有源标签或主动标签),读写器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。

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RFID标签和读写器之间采用无线通信方式传递信息。其基本的通信方式有两种,第一种基于电磁耦合或者电感耦合,第二种基于电磁波的反向散射耦合。

1、电感耦合:变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,依据的是电磁感应定律。
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                                     电感耦合
2、电磁反向散射耦合:雷达原理模型,发射出去的电磁波,碰到目标后反射,同时携带回目标信息,依据的是电磁波的空间传播规律。
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 电磁反向散射耦合

电感耦合方式一般适合于高、中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有:125kHz、225kHz和13.56MHz。识别作用距离小于1m,典型作用距离为10~20cm。电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有:433MHz,915MHz,2.45GHz,5.8GHz。识别作用距离大于1m,典型作用距离为3—l0m。

RFID标签与读写器之间的耦合通过天线完成,天线通常可以理解为电波传播的天线,也指电感耦合的天线。数据在读写器和标签之间用无线方式传递,噪声、干扰以及失真与数据本身一样传递。与其他通信系统相似,技术上必须保证数据被正确传递和恢复。数据传递有同步和异步之分,在RFID系统中,码流结构也要适应信道特性的要求,码流结构化过程称为信道编码。对于RFID系统,信道编码必须对用户透明,现在有各种不同的信道编码方法,其特点也不尽相同。为了通过空间有效传递数据,要求将数据调制在载波上,这一过程称为调制。常用的调制方法有ASK、FSK和PSK。

RFID标签的类别
RFID标签分为被动,半被动(也称作半主动),主动三类。

工作频率及应用范围
         RFID频段概念是指读写器通过天线发送、接收并识读的标签信号频率范围。从应用概念来说,射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率,直接决定系统应用的各方面特 性。在RFID系统中,系统工作就像我们平时收听调频广播一样,射频标签和读写器也要调制到相同的频率才能工作。
         RFID系统的工作频率是其重要特点之一。射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理(电感耦合还是电磁耦合)、识别距离,还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本。RFID应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分,即位于ISM波段。典型的工作频率有:125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz~928MHz、2.45GHz、5.8GHz等。
        按照工作频率的不同,RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。不同频段的RFID工作原理不同,LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理,而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段,低频(125KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(860MHz~960MFz)和微波(2.45GHz)。每一种频率都有它的特点,被用在不同的领域,因此要正确使用就要先选择合适的频率。

        低频段射频标签,简称为低频标签,其工作频率范围为30kHz~300kHz。典型工作频率有125KHz和133KHz。低频标签一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时,低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的典型应用有:动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等。
        中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz~30MHz。典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签,因其工作原理与低频标签完全相同,即采用电感耦合方式工作,所以宜将其归为低频标签类中。另一方面,根据无线电频率的一般划分,其工作频段又称为高频,所以也常将其称为高频标签。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签,因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念,即不会造成理解上的混乱。为了便于叙述,我们将其称为中频射频标签。中频标签一般也采用无源设主,其工作能量同低频标签一样,也是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时,标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。中频标签由于可方便地做成卡状,广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)、小区物业管理、大厦门禁系统等。
         超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签,其典型工作频率有433.92MHz、862(902)MHz~928MHz、2.45GHz、5.8GHz。微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时,射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内,标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m,典型情况为4m~6m,最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线,只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。由于阅读距离的增加,应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况,从而提出了多标签同时读取的需求。目前,先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别,还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。

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 RFID工作频率

各频段特性:
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相关协议标准
标准的作用
RFID标准化的主要目的在于通过制定、发布和实施标准,解决编码、通信、空中接口和数据共享等问题,最大程度的促进RFID技术及相关系统的应用。

RFID标准涉及的主要内容包括
? 技术(接口和通信技术,如空中接口、防碰撞方法、中间件技术、通信协议)
? 一致性(数据结构、编码格式及内存分配 )
? 电池辅助及与传感器的融合
? 应用(如不停车收费系统、身份识别、动物识别、物流、追踪、门禁等 )

         ISO/IEC已经出台的RFID标准主要关注基本模块的构建,空中接口,数据结构以及实施问题。具体可以分为技术标准、数据内容标准、移植性标准及应用标准四个方面。

RFID低频相关国际标准
        该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作,也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流,可作供电电压使用. 磁场区域能够很好的被定义,但是场强下降的太快。
        相应的国际标准:
(1) ISO 11784 RFID畜牧业的应用-编码结构。
(2) ISO 11785 RFID畜牧业的应用-技术理论。
(3) ISO 14223-1 RFID畜牧业的应用-空气接口。
(4) ISO 14223-2 RFID畜牧业的应用-协议定义。
(5) ISO 18000-2 定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议。
        (6) DIN 30745 主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准。

RFID高频相关的国际标准
         该频率的感应器不再需要线圈进行绕制,可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化,实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开,那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。
         高频段射频标签目前具有全球统一13.56MHz的工作频率。该频段的射频标签称为高频标签。是目前实际应用最多且技术最成熟的射频标签技术。
        相应的国际标准:
(1) ISO/IEC 14443 A/B近耦合IC卡,最大的读取距离为10cm
(2) ISO/IEC 15693(兼容于ISO/IEC 18000-3)疏耦合IC卡,最大的读取距离为1m;
(3) ISO/IEC 18000-3该标准定义了13.56MHz系统的物理层,防冲撞算法和通讯协议。;
(4) EPC C1 HF定义13.56MHz符合EPC的接口定义;
(5) Ubiquitous ID
其中EPC C1 HF兼容于ISO/IEC15693,而ISO15693兼容于ISO18000-3的mode 1; 

RFID超高频相关的国际标准
         超高频的射频标签的典型工作率为860~960MHz。对于该频段,全球的定义并不统一。欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz,北美定义的频段为902到905MHz之间,在日本建议的频段为950到956之间。

相应的国际标准:
(1) ISO/IEC 18000-6A,B定义了超高频的物理层和通讯协议;支持可读和可写操作。
(2) EPC global C0,C1G1,C1G2,现已并入国际标准ISO/IEC 18000,成为ISO/IEC 18000-6C,定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通讯的协议。
(3) Ubiquitous ID日本的组织,定义了UID编码结构和通信管理协议。
(4) 其他的还有IPICO公司的IP-X协议。

RFID射频识别卡的分类
          按不同的方式RFID射频卡(以下称射频卡)有以下几种分类:
① 按供电方式分为有源卡和无源卡。
         有源卡是指卡内有电池提供电源,其作用距离较远,且识别动目标能力强,但需要定期更换电池,由于近年工艺改进延长了电池的使用寿命,可达5年以上。
         无源卡内无电池,它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电,但其作用距离近,识别动目标能力低于有源卡。
② 按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡、高频射频卡。
         低频射频卡主要有125kHz和134.2kHz两种,低频系统主要用于短距离、低成本的应用中,如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。
         中频射频卡主要为13.56MHz,中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。
         高频射频卡主要为433 MHz、915 MHz、2.45GHz(微波)、5.8GHz(微波)等。高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合,其天线波束方向较窄且价格高,在火车监控、高速公路收费等系统中应用。
③ 按调制方式的不同可分为主动式和被动式。
         主动式射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器,射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次,因此主动方式工作的射频卡主要用于有障碍物的应用中,距离比被动式远,可达30米。
         被动式射频卡使用调制散射方式发数据,它必须利用读写器的载波来调制自己的信号,该类技术适合用在门禁或交通应用中,因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下,用调制散射方式,读写器的能量必需来去穿过障碍物两次。
④按作用距离可分为密耦合卡(作用距离小于1厘米)、近耦合卡(作用距离小于15厘米)、疏耦合卡(作用距离小于1米)和远距离卡(作用距离从1米到10米甚至更远)。
⑤按芯片分为只读卡、读写卡和CPU卡。

电子标签特点:
1、每张电子标签皆有无法修改、独立的ID Code;
2、可重复读写达100,000次以上;
3、标签芯片与自带天线全封闭、防尘、防水、防静电,不怕弯曲;
4、电子标签的构成为芯片和软性电路板,其复制难度极高。

电子标签示意图
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电子标签的使用方法:
         在管理的每件物品放置电子标签,标签内存储该物品的代号、级别、类型等信息。在安全区域的大门进出口处安装感应识别设备,所有经过此处的物品可同时一次性进行识别验证,不需要对每件物品逐一识别,由相关人员确认后并下发到感应识别系统;没有获得出入许可的物品经过大门识别设备时,可以和监控系统连接,利用声、光报警等方式,提示工作
人员。
        由于每张电子标签的序号为全球唯一,在通过识别设备时,不仅可以迅速识别物品、控制物品出入,同时标签内的信息是经过严格的加密处理,也是防范赝品的有效手段。

RFID的应用
低频(从125KHz到134KHz)
        RFID技术首先在无源低频得到广泛的应用和推广。其原理是通过读写器线圈和识别卡内部线圈间的电磁耦合的方式进行工作,读写器的交变电磁场在识别卡天线中感应出电压,被整流后作为识别卡供电电压使用。就频率而言,低频RFID具有以下特性:
①一般低频的工作频段从120KHz到134KHz, 通常采用频率134.2KHz,该频段的波长大约为2500米。
② 除了金属材料影响外,一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。 
③ 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。 
④低频产品有不同的封装形式。好的封装形式使用寿命可达十年左右但是价格高。 
⑤虽然低频的磁场区域下降快,但是能够产生相对均匀的读写区域。 
⑥相对于其他频段数据传输速率比较慢。 
⑦读卡器的价格相对与其他频段来说要贵些。
         低频RFID主要应用有: 
◎畜牧业的管理系统 
◎汽车防盗和无钥匙开门系统的应用 
◎马拉松赛跑系统的应用 
◎自动停车场收费和车辆管理系统 
◎自动加油系统的应用 
◎酒店门锁系统的应用 
◎门禁和安全管理系统 

高频(工作频率主要为13.56MHz)
         高频下识别卡不需要绕制线圈,可以通过印刷的方式制作天线。识别卡一般是负载调制的方式工作,也就是通过识别卡的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化,实现远距离识别卡对天线电压进行振幅调制。就频率而言,高频RFID具有以下特性: 
①工作频率为13.56MHz,该频率的波长大概为22米。 
②除了金属材料外,该频率的波长可以穿过大多数的材料,但是往往会降低读取距离。识别卡(感应器)需要离开金属一段距离。 
③该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。 
④该系统具有防冲撞特性,可以同时读取多个识别卡。 
⑤可以把某些数据信息写入识别卡中。 
⑥数据传输速率比低频要快且价格不是很贵。
         高频RFID主要应用有: 
◎航空包裹的管理和应用
◎瓦斯钢瓶的管理应用 
◎预收费系统 
◎酒店门锁的管理和应用 
◎大型会议人员通道系统 
◎固定资产的管理系统 
◎医药物流系统的管理和应用 
◎智能货架的管理 

中国居民二代身份证内含有RFID芯片,此芯片无法复制,高度防伪。
         优点是芯片存储容量大,写入的信息可划分安全等级,分区存储,包括姓名、地址、照片等信息。按照管理需要授权读写,也可以将变动信息(如住址变动)追加写入;芯片使用特定的逻辑加密算法,有利于证件制发和使用中的安全管理,增强防伪功能;芯片和电路线圈在证卡内封装,能够保证证件在各种环境下正常使用,寿命在十年以上;并且具有读写速度快、使用方便、易于保管以及便于各用证部门使用计算机网络核查等优点。

超高频(工作频率为860MHz到960MHz之间)
         超高频系统通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快,但是读取的区域不能很好进行定义。该频段读取距离比较远,无源可达10米左右。主要是通过电容耦合的方式进行实现。超高频RFID具有以下特性: 
①在该频段,全球的定义不太相同,欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz,北美定义的频段为902到905MHz之间,在日本建议的频段为950到956之间。该频段的波长大概为30厘米左右。 
②目前该频段RFID输出的功率在美国定为4W,欧洲定为500mW。 
③超高频段的电波容易受到水、灰尘、雾等悬浮颗粒的散射,因此许多材料都不易通过。相对于高频的识别卡来说,超高频段的识别卡不需要和金属分开来。 
④超高频段识别卡的天线一般是长条或标签状。天线有线性和圆极化两种设计,以满足不同应用的需求。 
⑤超高频段有好的读取距离,但是对读取区域很难进行定义。 
⑥有很高的数据传输速率,在很短的时间可以读取大量的识别卡。
         超高频RFID主要应用有:
◎供应链的管理和应用 
◎服装生产线和物流系统的管理和应用 
◎生产线自动化的管理和应用 
◎图书管理系统的应用 
◎集装箱的管理和应用 
◎铁路包裹的管理和应用 
◎后勤管理系统的应用

ISO15693协议规定
命令
命令类型 :
定义了四种命令:强制的、可选的、定制的、私有的。
强制的 :命令码范围从 '01' 到 '1F' 。 所有标签都支持强制命令码。
可选的 :命令码范围从 '20' 到 '9F' 。 标签可以有选择地支持可选的命令码。假如支持,请求和响应格式都将遵循这份标准给出的定义。
        假如某个标签不支持一个可选的命令,并且寻址标志或选择标志已设置,它可能会返回一个错误码("不支持")或保持静默。假如既没有设置寻址标志,也没有设置选择标志,标签将保持静默。
       假如一个命令有不同的可选性解释,它们应该由标签支持,否则返回一个错误码。
定制的 :命令码范围从 'A0' 到 'DF' 。 标签支持定制命令,在它们的可选范围内,执行由制造商规定的功能。标志的功能(包括保留位)将不会被修改,除非是选择标志。可以被定制的域仅限于参数和数据域。
       任何定制命令都会把IC制造商编码包含在参数的首要位置。这允许IC制造商在执行定制命令时不需冒命令编码重复的险,当然也就不会有误译了。
      假如某个标签不支持一个定制的命令,并且寻址标志或选择标志已设置,它可能会返回一个错误码("不支持")或保持静默。假如既没有设置寻址标志,也没有设置选择标志,标签将保持静默。
      假如一个命令有不同的可选性解释,它们应该由标签支持,否则返回一个错误码。
私有的 :命令码范围从 'E0' 到 'FF' 。 这个命令方便IC和标签制造商用于各种目的的应用,如测试、系统信息编程等等。它们在这个标准中没有作规定。IC制造商根据其选择对私有命令作记录或不作记录。在IC和/或标签被制造完成后,这些命令被允许关闭掉。
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 应答返回编码:
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