无线射频识别技术（RFID）

RFID是英文“RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION”的缩写。射频技术是利用无线电波对记录媒体进行读写。射频识别的距离可达几十厘米至几米，且根据读写的方式，可以输入数千字节的信息，同时，还具有极高的保密性。射频识别技术适用的领域：物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合，要求频繁改变数据内容的场合尤为适用。如香港的车辆自动识别系统—驾易通，采用的主要技术就是射频技术。目前香港已经有约8万辆汽车装上了电子标签，装有电子标签的车辆通过装有射频扫描器的专用隧道、停车场或高速公路路口时，无需停车缴费，大大提高了行车速度，提高了效率。射频技术在其它物品的识别及自动化管理方面也得到了较广泛的应用。 　　现在，RFID是AIDC领域最热门的技术，尽管这种技术已经存在发展了许多年了，但它只有在从本领域众多的发明技术中总结规划出一个技术标准以后才能得到快速的切实的应用，ISO和AIM（AUTO-ID MANUFACTURES）正在进行这方面的工作，相信不久的将来，RFID会得到很快的发展。 　　1、RFID系统的组成 　　RFID系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，系统的组成会有所不同，但从RFID系统的工作原理来看，系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成。下面分别加以说明： 　　1）、信号发射机 　　 在RFID 系统中，信号发射机为了不同的应用目的，会以不同的形式存在，典型的形式是标签（TAG）。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息，另外，与条码不同的是，标签必须能够自动或在外力的作用下，把存储的信息主动发射出去。标签一般是带有线圈、天线、存储器与控制系统的低电集成电路。典型的标签结构如上图所示：按照不同的分类标准，标签有许多不同的分类。 　　（1）、主动式标签、被动式标签 　　在实际应用中，必须给标签供电它才能工作，虽然它的电能消耗是非常低的（一般是百万分之一毫瓦级别）。按照标签获取电能的方式不同，可以把标签分成主动式标签与被动式标签。主动式标签内部自带电池进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送的距离远。另外，主动式标签可以通过设计电池的不同寿命对标签的使用时间或使用次数进行限制，它可以用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的地方，比如，一年内，标签只允许读写有限次。主动式标签的缺点主要是标签的使用寿命受到限制，而且随着标签内电池电力的消耗，数据传输的距离会越来越小，影响系统的正常工作。 　　被动式标签内部不带电池，要靠外界提供能量才能正常工作。被动式标签典型的产生电能的装置是天线与线圈，当标签进入系统的工作区域，天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，在经过整流电路给标签供电。被动式标签具有永久的使用期，常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方，而且被动式标签支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。被动式标签的缺点主要是数据传输的距离要比主动式标签小。因为被动式标签依靠外部的电磁感应而供电，它的电能就比较弱，数据传输的距离和信号强度就受到限制，需要敏感性比较高的信号接收器（阅读器）才能可靠识读。 　　（2） 只读标签与可读可写标签 　　根据内部使用存储器类型的不同，标签可以分成只读标签与可读可写标签。只读标签内部只有只读存储器ROM（READ ONLY MEMORY）和随机存储器RAM （RANDOM ACCESS MEMORY）。ROM用于存储发射器操作系统说明和安全性要求较高的数据，它与内部的处理器或逻辑处理单元完成内部的操作控制功能，如响应延迟时间控制，数据流控制，电源开关控制等。另外，只读标签的ROM中还存储有标签的标识信息。这些信息可以在标签制造过程中由制造商写入ROM中，也可以在标签开始使用时由使用者根据特定的应用目的写入特殊的编码信息。这种信息可以只简单地代表二进制中的“0”或者“1”，也可以象二维条码那样，包含复杂的相当丰富的信息。但这种信息只能是一次写入，多次读出。只读标签中的RAM用于存储标签反应和数据传输过程中临时产生的数据。另外，只读标签中除了ROM和ROM外，一般还有缓冲存储器，用于暂时存储调制后等待天线发送的信息。 　　可读可写标签内部的存储器除了ROM、RAM和缓冲存储器之外，还有非活动可编程记忆存储器。这种存储器除了存储数据功能外，还具有在适当的条件下允许多次写入数据的功能。非活动可编程记忆存储器有许多种，EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）是比较常见的一种，这种存储器在加电的情况下，可以实现对原有数据的擦除以及数据的重新写入。 　　（3） 标识标签与便携式数据文件 　　根据标签中存储器数据存储能力的不同，可以把标签分成仅用于标识目的的标识标签与便携式数据文件两种。对于标识标签来说，一个数字或者多个数字字母字符串存储在标签中，为了识别的目的或者是进入信息管理系统中数据库的钥匙（KEY）。条码技术中标准码制的号码，如EAN/UPC码，或者混合编码，或者标签使用者按照特别的方法编的号码，都可以存储在标识标签中。标识标签中存储的只是标识号码，用于对特定的标识项目，如人、物、地点进行标识，关于被标识项目的详细的特定的信息，只能在与系统相连接的数据库中进行查找。 　　顾名思义，便携式数据文件就是说标签中存储的数据非常大，足可以看作是一个数据文件。这种标签一般都是用户可编程的，标签中除了存储标识码外，还存储有大量的被标识项目其它的相关信息，如包装说明，工艺过程说明等等。在实际应用中，关于被标识项目的所有的信息都是存储在标签中的，读标签就可以得到关于被标识项目的所有信息，而不用再连接到数据库进行信息读取。另外，随着标签存储能力的提高，可以提供组织数据的能力，在读标签的过程中，可以根据特定的应用目的控制数据的读出，实现在不同的情况下读出的数据部分不同。 　　2）信号接收机 　　在RFID系统中，信号接收机一般叫做阅读器。根据支持的标签类型不同与完成的功能不同，阅读器的复杂程度是显著不同的。阅读器基本的功能就是提供与标签进行数据传输的途径。另外，阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。标签中除了存储需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息，如错误校验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起，并按照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信号重发一次，或者知道发射器停止发信号，这就是“命令响应协议”。使用这种协议，即便在很短的时间、很小的空间阅读多个标签，也可以有效地防止“欺骗问题”的产生。 　　3） 编程器 　　只有可读可写标签系统才需要编程器。编程器是向标签写入数据的装置。编程器写入数据一般来说是离线（OFF-LINE）完成的，也就是预先在标签中写入数据，等到开始应用时直接把标签黏附在被标识项目上。也有一些RFID应用系统，写数据是在线（ON-LINE）完成的，尤其是在生产环境中作为交互式便携数据文件来处理时。 　　4） 天线 　　天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。 　　2、无线数据通信（RFDC） 　　标签与阅读器之间的数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进行的。一般地，我们可以用两个参数衡量数据在空气介质中的传播，数据传输的速度和数据传输的距离。由于标签的体积、电能有限，从标签中发出的无线信号是非常弱的，信号传输的速度与传输的距离就很有限。为了实现数据高速、远距离地传输，必须把数据信号叠加在一个规则变化的信号比较强的电波上，这个过程叫调制，规则变化的电波叫载波。在RFID系统中，载波电波一般由阅读器或编程器发出。有多种方法可以实现数据在载波上的调制，如用数据信息改变载波的波幅叫调幅；改变载波的频率叫调频；改变载波的相位叫调相等等。一般来说，使用的载波频率越高，数据能够传输的速度越快，例如，2.4GHZ频率的载波，可以实现2Mbps（相当于每秒可以传输大约200万个字符）。但是，不能无限地提高载波频率以提高信息传输速度，因为，无线电波频率的选用是受到政府管制的，各个国家一般都对不同频率的无线电波规定了不同的应用目的，RFID技术无线电波的选择也必须遵守这种规定。目前，国内一般采用通信频率为2.4GHz扩频技术进行通信。这是因为在我国2.4G-2.4835GHz 的频段是无需向国家无线电管理委员会申请使用许可证的公用频段。过去，商业的无线数据传输一般采用窄带传输，即使用比较单一的载波频率传输数据。现在，商业领域广泛使用扩频技术传输无线数据，即使用有一定范围的频率传输数据，这就有了带宽的概念，带宽就是通信中使用的最高的载波频率与最低的载波频率之差。使用宽带频率传输数据最明显的优势是数据传输的速度进一步加快，而且可靠性更高，因为当一个频率的载波线路繁忙或出现故障时，信息可以通过别的频率载波线路传输。实际商用宽带传输数据技术又可以分为两种：即直接序列扩频技术（Direct Sequence 　　Spread Spectrum,简称直频技术）和跳频技术（Frequency Hopping FH）。 　　直频技术使用伪随机码对数据进行处理，得到扩频序列，然后将扩频序列调制通过不同的信道同时进行传输，信号接收装置收到信号后将信号解码并按照特定的算法重组信息，以还原成可以识读的信息。应用这种技术，系统占用功率频谱密度（在单位频段上的发射功率）大大降低，信息扩展到一个比较宽的频率范围内传输，达到可抵抗其它特定频率干扰的目的。我国的无委会规定的开放频段与欧洲标准一致，参照欧洲标准，直频技术可以从13个信道（中心频点）中选用，为了免除自身干扰，选用的互相关联的不同信道之间，两两之间频率至少间隔30MHZ。这13个频点的设定从2.412至2.472GHz之间，共有60M带宽，通常直频系统只能选择2－3个信道进行数据传播，在一定程度上不能充分利用频带资源，影响了数据的传播速度。另外，由于使用同一功率支持多个信道的数据传输，一个信道上载波的波幅就比较小，信息传输的距离受到限制。 　　跳频技术与直频技术完全不同，跳频的载频受一个伪随机码的控制，在其工作带宽内，不断地跳变频率，跳频相当于瞬时的窄带通信系统，在2.4-2.4853GHz之间将信道设为79个，每隔0.02-0.1秒跳变一个频率，当跳跃至某个频点时，先判断该频点是否有噪声干扰，若无则传输信号，若有则依据算法跳至下一频点继续判断。因此在不同的频点，跳频的频率及传输率可能会变化，并且很难避免一些无谓的频率上的损耗，即在检测频点是否空闲时会造成信号传输延迟。另外，因为系统有响应时间限制，超过响应时间，跳频设备会认为检测信号发射失败（丢包），会命令发射机重发，也造成系统资源的浪费。变频技术的特点是保密性好，抗干扰能力也比较好。与直频技术相比，信息传输的距离也比较远。商用系统的跳变频率较低，在每秒50跳以内，成本较低。 　　影响数据传输距离远近的首要因素是载波信号与标签中数据信号的强度，载波信号的强度受阅读器功率大小控制，标签中数据信号的强度由标签自带电池功率（主动式标签）或标签可以产生的电能（被动式标签）大小决定。一般来说，阅读器和标签的功率越大，载波信号和数据信号越强，数据能够传输的距离越远。无线电波在空气介质中传播，随着传播的距离越来越远，信号的强度会越来越弱。从理论上说，无线电波的衰减程度与传输距离的平方成正比。在系统实际应用中应该注意的是，不能为了达到数据传输的距离而无限制的提高阅读器和标签的功率，因为与载波频率的选择一样，无线电波的功率是受到政府的管制的。除了系统功率影响数据传输的距离外，空气介质的性质和数据传输路径也显著影响数据传输的距离。空气介质的性质包括空气的密度、湿度等性质。一般来说，采用的载波频率越高，空气性质不同对数据传输距离的影响越明显。空气的湿度越大或者是空气的密度越高，介质对无线电波的吸收越严重，数据传输的距离就越小。另外，如果数据传输路径中有许多障碍物，也会显著影响数据传输的距离，因为无线电波碰到障碍物时，物体一般都会对无线电波产生吸收和反射。考虑到空气的性质和数据传输中经过障碍物，无线电波衰减的程度有时可以达到与传输距离的四次方成正比。影响数据传输距离的因素还包括，发射、接收天线的设计和布置，躁声干扰等等。 　　5、 RFID系统的分类 　　根据RFID系统完成的功能不同，可以粗略地把RFID系统分成四种类型：EAS系统、便携式数据采集系统、网络系统、定位系统。 　　1）、EAS技术 　　ELECTRONIC ARTICLE SURVEILLANCE（EAS）是一种设置在需要控制物品出入的门口的RFID技术。这种技术的典型应用场合是商店、图书馆、数据中心等地方，当未被授权的人从这些地方非法取走物品时，EAS系统会发出警告。在应用EAS技术时，首先在物品上粘付EAS标签，当物品被正常购买或者合法移出时，在结算处通过一定的装置使EAS标签失活，物品就可以取走。物品经过装有EAS系统的门口时，EAS装置能自动检测标签的活动性，发现活动性标签EAS系统会发出警告。EAS技术的应用可以有效防止物品的被盗，不管是大件的商品，还是很小的物品。应用EAS技术，物品不用再锁在玻璃橱柜里，可以让顾客自由地观看、检查商品，这在自选日益流行的今天有着非常重要的现实意义。典型的EAS系统一般由三部分组成，1）、附着在商品上的电子标签，电子传感器；2）、电子标签灭活装置，以便授权商品能正常出入；3）、监视器，在出口造成一定区域的监视空间。 　　EAS系统的工作原理是：在监视区，发射器以一定的频率向接收器发射信号。发射器与接受器一般安装在零售店、图书馆的出入口，形成一定的监视空间。当具有特殊特征的标签进入该区域时，会对发射器发出的信号产生干扰，这种干扰信号也会被接收器接收，再经过微处理器的分析判断，就会控制警报器的鸣响。根据发射器所发出的信号不同以及标签对信号干扰原理不同，EAS可以分成许多种类型。关于EAS技术最新的研究方向是标签的制作，人们正在讨论EAS标签能不能象条码一样，在产品的制作或包装过程中加进产品，成为产品的一部分。 　　2）、便携式数据采集系统 　　便携式数据采集系统是使用带有RFID阅读器的手持式数据采集器采集RFID标签上的数据。这种系统具有比较大的灵活性，适用于不宜安装固定式RFID系统的应用环境。手持式阅读器（数据输入终端）可以在读取数据的同时，通过无线电波数据传输方式（RFDC）实时地向主计算机系统传输数据，也可以暂时将数据存储在阅读器中，在一批一批地向主计算机系统传输数据。 　　3）物流控制系统 　　在物流控制系统中，固定布置的RFID阅读器分散布置在给定的区域，并且阅读器直接与数据管理信息系统相连，信号发射机是移动的，一般安装在移动的物体、人上面。当物体、人流经阅读器时，阅读器会自动扫描标签上的信息并把数据信息输入数据管理信息系统存储、分析、处理，达到控制物流的目的。 　　4）定位系统 　　定位系统用于自动化加工系统中的定位以及对车辆、轮船等进行运行定位支持。阅读器放置在移动的车辆、轮船上或者自动化流水线中移动的物料、半成品、成品上，信号发射机嵌入到操作环境的地表下面。信号发射机上存储有位置识别信息，阅读器一般通过无线的方式或者有线的方式连接到主信息管理系统。

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