RFID技術：系統(tǒng)、原理、分類與應用

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摘要

作為構建物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術之一，射頻識別由于其長距離閱讀和高存儲容量而備受關注。它不僅可以幫助企業(yè)提高對商品管理和人工成本的控制效率，而且可以將銷售企業(yè)和制造企業(yè)聯(lián)系起來，更準確地接收反饋信息和控制需求信息，優(yōu)化整個供應鏈。未來RFID必將在許多領域得到廣泛的應用。

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目錄

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一、RFID1.1介紹

射頻識別技術（RFID）又稱電子標簽、無線射頻識別、感應電子芯片、非接觸卡，是一種通過射頻信號自動識別目標物體并獲取相關數(shù)據(jù)的非接觸自動識別技術。RFID技術可以在各種惡劣的環(huán)境中工作，無需人為干預。

此外，它能同時識別高速運動物體和識別多個標簽，操作方便快捷。短程射頻產品不怕油漬、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。長距離射頻產品主要應用于交通領域，其識別距離可達數(shù)十米，如自動充電或車輛識別等。

1.2分類

根據(jù)電源的可用性，RFID分為無源和有源兩種。

1） 被動標記：被動傳感器本身沒有電源。它的電源是由一個傳感器產生的，傳感器通過從讀卡器****頻率來激活，數(shù)據(jù)最終被傳輸回讀卡器。被動式標簽薄而短，使用壽命長，但感應距離相對較短。

2） 主動標記：價格相對較高，體積比被動式標簽大，因為內置電池。使用壽命長，傳感距離長。

根據(jù)頻率，射頻識別可分為三種類型：低頻、高頻、超頻：

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

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

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

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二、系統(tǒng)架構

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)完成信息處理和應用。通信設備負責整個RFID系統(tǒng)的信息傳輸。

2.1電子標簽

電子標簽又稱應答器或智能標簽，是一種主要由內置天線和芯片組成的微型無線收發(fā)器。

2.2讀寫器

讀寫器是一種捕捉和處理RFID標簽數(shù)據(jù)的設備，可以作為一個單獨的或嵌入到其他系統(tǒng)中。讀寫器也是RFID系統(tǒng)的重要組成部分之一，它的名字來源于它可以將數(shù)據(jù)寫入RFID。讀寫器的硬件通常由收發(fā)器、微處理器、存儲器、外部傳感器/執(zhí)行器、報警輸入/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行的指揮中心。其主要功能：

• 與應用系統(tǒng)軟件通信；

• 執(zhí)行應用系統(tǒng)軟件發(fā)出的動作指令；

• 控制與標簽的通信過程；

• 基帶信號的編解碼；

• 實現(xiàn)防碰撞算法；

• 對讀取器和標簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密和解密；

• 實現(xiàn)讀卡器與電子標簽之間的身份認證；

• 控制其他外部設備，如鍵盤和顯示設備。

• 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的裝置。它是電路與空間的接口器件，用于實現(xiàn)導波與自由空間波能量的轉換。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標簽天線和閱讀器天線，分別承擔接收能量和****能量的功能。讀卡器天線的特點是：

• 小到可以依附于需要的東西

• 全向或半球覆蓋的方向性

• 能夠為芯片提供最大可能的信號

• 無論方向如何，天線的極化都能與卡的詢問信號相匹配

• 穩(wěn)定性好

• 價格便宜

2.5通信設施

通信設備為不同的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。通信設施包括有線或無線網(wǎng)絡和串行通信接口，供讀卡器和控制器連接到計算機。無線網(wǎng)絡可以是個人局域網(wǎng)（例如藍牙技術）、局域網(wǎng)（例如802.11x、WiFi）或廣域網(wǎng)（例如GPRS、3G技術）和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡（例如同步軌道衛(wèi)星L波段RFID系統(tǒng)）。

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三、RFID天線類型

RFID有三種基本類型：線圈型、微帶貼片型和偶極子型。其中，短距離應用系統(tǒng)使用的1米以下的RFID天線一般采用線圈式天線，工藝簡單，成本低。它主要工作在中低頻段。在應用系統(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。這些天線的原理是不同的。

① 線圈天線

當RFID線圈天線進入讀寫器產生的交變磁場時，RFID天線和讀寫器天線之間的相互作用與變壓器相似，兩者的線圈相當于變壓器的一次線圈和二次線圈。射頻識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應用系統(tǒng)通過該頻率載波實現(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。目前已開發(fā)出一個最小面積為0.4mm×0.4mm線圈天線的短程RFID應用系統(tǒng)。

一些應用要求RFID天線線圈的形狀較小，并且需要一定的工作距離，例如用于動物識別的RFID。當天線線圈面積較小時，RFID與閱讀器之間的互感明顯不適合實際應用。RFID天線線圈通常采用高導磁性的鐵氧體材料來增加互感，補償線圈截面的減小。

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

基本原則射頻識別技術：讀寫器發(fā)送的射頻信號經過編碼后加載到高頻載波信號上，再通過天線發(fā)出。進入讀寫器工作區(qū)的電子標簽接收信號?？ㄖ行酒南嚓P電路進行倍壓整流、調制、解碼、解碼，然后判斷命令請求、口令、權限等，最后根據(jù)指令進行標簽處理。

4.1基礎

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

4.2感應耦合RFID系統(tǒng)

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

幾乎所有的感應耦合方式的標簽都是被動工作的，標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姶拍芰刻峁┑?。閱讀器的天線線圈產生高頻強電磁場，穿過線圈的橫截面和周圍空間，使附近的電子標簽產生電磁感應。

感應耦合射頻識別系統(tǒng)工作原理圖

4.3反向散射耦合RFID系統(tǒng)

① 背散射調制

雷達技術為RFID的后向散射耦合提供了理論和實踐依據(jù)。當電磁波遇到空間目標時，一部分能量被目標吸收，另一部分能量以不同強度向不同方向散射。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）。對接收到的信號進行放大處理，得到目標的相關信息。在雷達技術中，這種反射波可以用來測量目標的距離和方位。

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射頻識別后向散射耦合模式

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

4.4 RFID技術特點

① 優(yōu)勢：

• 快速掃描：RFID識別器可以同時讀寫多個RFID標簽，讀取速度非?？?。有源RFID系統(tǒng)的草圖功能可以用于交互式服務，如過程跟蹤和維護跟蹤。

• 小型化和形狀多樣化：RFID標簽向小型化和多樣化方向發(fā)展，以適應不同的產品。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量相匹配才能準確讀取。此外，RFID標簽正朝著小型化和多樣化方向發(fā)展，以應用于不同的產品中。

• RFID標簽是將數(shù)據(jù)存儲在芯片中：RFID芯片和RFID讀卡器對水、油和化學物質有很強的抵抗力，不僅不受污染，而且易于保存。

• 可重復使用：RFID標簽反復添加、修改、刪除RFID卷標中存儲的數(shù)據(jù)，方便信息的更新。

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

• 大存儲容量：RFID的最大容量是幾兆字節(jié)，可以大量記錄。隨著技術的進步，產能也在增加。

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

② 缺點：

• 技術成熟度還不夠：RFID技術是一種新興技術，在技術上還不是很成熟。由于超高頻RFID標簽具有反向反射特性，很難應用于金屬、液體等商品。

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

• 技術標準不統(tǒng)一：RFID技術尚未形成統(tǒng)一的標準。市場上多種標準并存，導致不同企業(yè)產品的不兼容。RFID系統(tǒng)的主要制造商提供專用系統(tǒng)，這導致不同的應用和行業(yè)采用不同制造商的頻率和協(xié)議標準。不兼容的標準導致了RFID技術應用的混亂，制約了RFID技術的整體發(fā)展。

③ 前景：

近十年來，RFID技術發(fā)展迅速，在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通管理等領域得到了廣泛的應用。隨著技術的發(fā)展，RFID技術的種類會越來越豐富，應用也會越來越廣泛?？梢灶A見射頻識別技術未來幾年將繼續(xù)保持快速發(fā)展。

總的來說，當前RFID的發(fā)展趨勢是標準化、低成本、低誤碼率、高安全性和低功耗。

• 標準化：行業(yè)標準和相關產品標準不統(tǒng)一，到目前為止全球電子標簽還沒有正式形成統(tǒng)一（包括各個階段）的國際標準。

• 低成本：目前，美國電子標簽的最低價格約為20美分，不能適用于某些低價值的單項商品。只有當電子標簽的單價降到10美分以下時，才能大規(guī)模應用于商品。

• 低誤碼率：雖然RFID標簽的單一技術已經成熟，但整體產品技術還不夠成熟，仍然存在較高的誤讀率（RFID誤讀率有時高達20%）。在集成應用中，還需要解決大量的技術問題。

• 高安全性：目前廣泛使用的無源RFID系統(tǒng)沒有非?？煽康陌踩珯C制，不能對數(shù)據(jù)進行保密。RFID數(shù)據(jù)容易受到攻擊，主要是由于RFID芯片本身的原因。而芯片在讀寫數(shù)據(jù)的過程中很容易被黑客利用。

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五、RFID技術應用領域

訪問控制：人員訪問控制管理。

動物監(jiān)測：動物管理，寵物識別，野生動物生態(tài)跟蹤。

物流管理：航空行李識別、庫存和物流運輸管理。

自動控制：汽車、家電、電子行業(yè)的分類及流水線管理。

醫(yī)療應用：醫(yī)院病案系統(tǒng)、儀器設備的管理。

物料控制：工廠物料的自動庫存和控制系統(tǒng)。

質量跟蹤：產品質量跟蹤和反饋。

資源回收：堆垛板、可回收容器的管理。

安全應用：超市、圖書館或書店的安全管理。

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。

危險品：對軍械、火器、雷管和爆炸物的管制。

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六、常見問題

1.什么是RFID技術？它是如何工作的？

RFID是一種數(shù)據(jù)收集方法，涉及通過低功率無線電波自動識別對象。數(shù)據(jù)通過由RFID標簽、天線、RFID讀取器和收發(fā)器組成的系統(tǒng)進行發(fā)送和接收。

2.RFID在哪里使用？

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

3.RFID技術安全嗎？

RFID****被認為與EMV****一樣安全，與RFID卡有關的數(shù)據(jù)被盜是不常見的。這是因為這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)？

射頻識別（RFID）是指由兩個組件組成的無線系統(tǒng)：標簽和閱讀器。讀卡器是一種具有一個或多個天線的設備，這些天線****無線電波并接收來自射頻識別標簽的信號。。。讀卡器沒有電池供電。

5.RFID的缺點是什么？

?金屬和液體等材料會影響信號。

?有時不如條形碼掃描儀準確可靠。

?成本——RFID閱讀器比條形碼閱讀器貴10倍。

?實施可能困難且耗時。

6.射頻識別芯片可以移除嗎？

另一方面，植入的RFID芯片，就像數(shù)字紋身或胸前貼片已經代表了第二階段的機器化一樣，這是因為不管有什么危險的東西說，它們都不能像你的閃光T恤那樣在一天結束時那么容易被移除。

7.NFC和RFID哪個更好？

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

8.RFID會干擾WiFi嗎？

交叉干擾最有可能發(fā)生在RFID系統(tǒng)和WIFI或個人局域網(wǎng)（WPAN）之間，如藍牙，但只有當設備共享公共或相鄰頻段時。。。11 WIFI標準與按照相同標準運行的WIFI網(wǎng)絡一起使用時可能會遇到困難。

9.如何檢測RFID？

?在專門的在線或本地電子零售商處獲取RFID芯片閱讀器。

?打開RFID芯片閱讀器，掃描您認為存在RFID芯片的區(qū)域附近。

?隨著來自RFID芯片讀取器的蜂鳴音增加，信號強度也隨之增加。

10.什么是RFID及其類型？

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