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1、RFID技术简介 2014 10 11 什么是RFID RFID RadioFrequencyIdentification 中文称为 无线射频识别 技术 是一种非接触式的自动识别技术 通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据 可工作于各种恶劣环境 可识别高速运动物体 并可同时识别多个标签 3 1941 1950年 雷达的改进和应用催生了RFID技术 1948年奠定了RFID技术的理论基础 1951 1960年 早期RFID技术的探索阶段 主要处于实验室实验研究 1961 1970年 RFID技术的理论得到了发展 开始了一些应用尝试 1971 1980年 RFID技术与产品研发处于一个大发展时
2、期 各种RFID技术测试得到加速 出现了一些最早的RFID应用 RFID技术的发展 4 1981 1990年 RFID技术及产品进入商业应用阶段 各种规模应用开始出现 1991 2000年 RFID技术标准化问题日趋得到重视 RFID产品得到广泛采用 RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分 2001至今 标准化问题日趋为人们所重视 RFID产品种类更加丰富 有源电子标签 无源电子标签及半无源电子标签均得到发展 电子标签成本不断降低 规模应用行业扩大 RFID技术的理论得到丰富和完善 单芯片电子标签 多电子标签识读 无线可读可写 无源电子标签的远距离识别 适应高速移动物体的RFID成为现实 RF
3、ID技术的发展 RFID标签与条形码比较 信息处理速度比较 RFID应用系统组件 电子标签 Tag 由IC芯片及一些耦合元件组成 读写器 Reader 读取电子标签信息的设备 计算机 进行数据管理 RFID读取过程 数据 时序 能量 RFID工作原理 RFID工作原理 1 无功近场区又称为电抗近场区 是天线辐射场中紧邻天线口径的一个场区域 在该区域中电抗性贮能场占主导地位 其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电磁 磁电之间场的转换 在该区域中束缚于天线的电磁场未曾做功 只是进行相互交换 因而称为无功近场区 天线场区的概念 2 辐射近场区越过电抗近场区为辐射场区 辐射场区的电磁场已脱离了天线的
4、束缚并作为电磁波进入空间 在辐射近场区中 辐射场占优势 并且辐射场的角度分布与距天线口径的 3 辐射远场区 天线场区的概念 电磁偶合方式 阅读器天线将阅读器产生的读写射频能量以电磁波的方式发送到定向的空间范围内 形成阅读器的有效阅读区域 射频标签从电磁场中提取工作能源 并通过标签的内部电路及标签天线将内存的数据信息传送到阅读器 阅读器对信号解码后送计算机系统进行处理 差别 电磁耦合方式中阅读器将射频能量以电磁波的形式发送出去 在电感耦合方式中 阅读器将射频能量束缚在阅读器电感线圈周围 通过交变闭合的线圈磁场 沟通阅读器线圈与射频标签之间的射频通道 没有向空间辐射电磁能量 电磁与电感耦合的差别
5、射频识别系统中 RFID标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统中的一个重要问题 根据射频识别系统作用距离的远近情况 射频识别系统可分为密耦合 遥耦合和远距离三类 按操作距离划分 作用距离1cm以下 工作频率一般在30MHZ以下 密耦合系统 利用射频标签与读写器之间的电感耦合构成无接触的空间信息传输射频通道工作 也称变压器方式 阅读器一方的天线相当于变压器的初级线圈 射频标签一方的天线相当于变压器的次级 耦合磁场在阅读器线圈初级与射频标签线圈次级之间构成闭合回路 电感耦合方式是低频近距离无接触射频识别系统的一般耦合方式 密耦合系统中射频标签一般是无源标签 天线场区 为无功近场区 能量传输 通过
6、电感耦合方式来实现 数据传输 电容 电场 耦合的负载调制实现 密耦合系统 负载调制 射频标签天线上的负载电阻的接通和断开 将影响读写器天线上的电压发生变化 从而实现远距离射频标签对读写器天线上的电压进行振幅调制 通过数据控制负载电压的变化 数据就能从射频标签传输到读写器 采用电感耦合可分为近耦合 典型作用距离为15厘米 和疏耦合 典型作用距离为1M 两类 国际标准可参考的有ISO14443 近耦合 和ISO15693 疏耦合 遥耦合系统 遥耦合标签几乎是无源标签 通常是由单个芯片以及作为天线的大面积线圈所组成 遥耦合系统目前仍是低成本射频识别系统的主流 其典型工作频率为13 56MHZ 天线场
7、区 为无功近场区 能量传输 通过电感耦合方式来实现 数据传输 通过电感 磁场 耦合的负载调制实现 遥耦合系统 远距离系统 工作距离 几米到几十米 频率 915MHZ 2 45GHZ 国际标准 ISO10374 ISO18000 4 5 6等 天线场区 辐射远场区数据传输 远距离系统均是利用射频标签与读写器之间的电磁耦合 电磁波发射与反射 构成无接触的空间信息传输射频通道工作 采用反射调制工作方式实现射频标签到读写器的数据传输 满足以下特点的远距离系统是理想的射频识别系统 1 射频标签无源 2 射频标签可无线读写 3 射频标签与读写器支持多标签读写 4 适合应用于高速移动物体的识别 5 远距离
8、读写极力大于5 10米 6 低成本 可满足一次性使用要求 1 读写器将无线载波信号经发射天线向外发射 2 射频标签进入读写器发射天线工作区时被激活 并将自身信息代码经天线发射出去 3 系统的接收天线收到射频标签发出的载波信号 经天线的调节器传给读写器 读写器对信号进行解码 送后台电脑控制器 4 电脑控制器针对不同的设定作出相应的处理和控制 发出指令信号控制执行机构的动作 5 执行机构按电脑的指令动作 6 通过计算机网络根据不同的项目用不同的软件来完成要达到的功能 远距离射频识别系统基本工作流程 3 射频识别系统空间传输通道中发生的过程可归结为三种事件模型 1 能量是基础 2 时序是数据交换的实
9、现方式 3 数据交换是目的 4 能量 阅读器向射频标签供给射频能量 无源标签 工作能量来自阅读器射频能量 半有源标签 阅读器的射频能量起到唤醒标签转入工作状态的作用 有源标签 不需利用阅读器的射频能量 5 时序 1 双向系统 阅读器向标签发送命令和数据 标签向阅读器返回所存储的数据 阅读器先讲方式射频标签先讲方式 2 多标签识别系统一般情况下 采用阅读器先讲方式 阅读器通过发出一系列的隔离指令 使得读出范围内的多个射频标签逐一或逐批地被隔离 令其睡眠 出去 最后保留一个处于活动状态的标签与阅读器建立无冲撞的通信 6 数据传输 1 从阅读器向射频标签方向的数据交换从射频标签存储信息的注入方式来分
10、 可分为有线写入方式和无线写入方式两种情况 从阅读器向射频标签是否发送命令来分 可分为射频标签只能接受能量激励和既接受能量激励也接受阅读器代码命令 2 从射频标签向阅读器方向的数据交换 其工作方式包括 射频标签收到阅读器发送的射频能量时被激活 并向阅读器反射标签存储的信息 此方式属单向通信 射频标签收到阅读器发送的射频能量被激励后 根据阅读器发送的指令转入发送数据状态或 休眠 状态 此方式为半双工双向通信 电子标签 电子标签 Tag 是射频识别系统真正的数据载体 Tag具有智能读写和加密通讯的功能 它的基本构成是由IC芯片和一些外围元件组成 射频识别标签一般由天线 调制器 编码发生器 时钟及存
11、储器构成 天线 调制器 控制器 CPU 电源 编码发生器 时钟 存储器 射频识别标签的构成 RFIDTag形式 wristband Pcbcard Keytag Metaltag Glasstag eSeal Blockertag tag temp sensor 以电源方式分类 主动式 Active 被动式 Passive 以操作方式分类 可读 可读写 内置处理器和传感器 RFID按使用频率分类 低频 LF 高频 HF 超高频 GHF 和微波 Microwave 目前市场聚焦在被动式超高频 主要是因为美国国防部 DOD 和沃尔玛 Wal mart 要求供应商需在线板和纸箱使用RFID标签 以提
12、升物流能见度 因为不需要电源即可进行信息操作 所以较蓝牙和zigbee技术应用更广泛 更受业界重视 同样RFID内含唯一识别码 UID 和信息存储特性 在价格降低后将取代大部分条码的应用场合 RFID种类 RFID种类 不同频段RFID的应用领域 不同频段RFID系统的优缺点 2 射频标签工作频率分类 1 低频 LF 标签低频标签工作频率范围30 300KHZ 典型的工作频率有 125KHZ 133KHZ 低频标签一般为无源标签 工作能量通过电感耦合 近场 获得 阅读距离小于1米 典型应用有 动物识别 容器识别 工具识别 自动化生产线 精密仪器 电子闭锁防盗等 国际标准有 ISO11784 1
13、1785 用于动物识别 ISO18000 2 125 135KHZ 低频标签的优势 具有省电 廉价的特点 工作频率不受无线电频率管制约束 可以穿透水 有机组织 木材等 非常适合近距离 低速度的 数据量要求较少的识别应用 低频标签的劣势有 存储数据量少 只能适合低速 近距离识别应用 与高频标签相比 天线匝数更多 成本更高一些 2 高频 HF 标签高频标签工作频率范围3 30MHZ 典型工作频率为13 56MHZ 中高频标签一般也采用无源设置 其工作能量和低频标签一样 也是通过电感耦合 近场 获得 其基本特点与低频标签相似 由于其工作频率的提高 可以选用较高的传输速度 天线设计相对简单 标签一般制
14、成卡片形状 典型的应用包括 无线IC卡 电子车票 电子身份证 电子闭锁防盗 自动化生产线等 相关的国际标准有ISO14443 ISO15693 ISO18000 3 13 56MHZ 等 3 特高频 UHF 与超高频 SHF 标签超高频与微波频段的射频标签 简称为微波射频标签 阅读距离一般大于1米 典型情况为4 6米 最大可达10米以上 各工作频率的用途及特点 433MHZ左右 耦合方式为反向散射耦合 远场 主要用于货物管理及特定场合 该频段电磁波绕射能力强 工作距离较远 但天线尺寸较大 该频段的无线电业务繁杂 容易引起干扰问题 相关的国际标准有ISO18000 7 433 92MHZ 800
15、 900MHZ频段 我国于近期规划出840 845MHZ及920 925MHZ频段用于RFID技术 空间耦合方式为反向散射耦合 主要用于商品货物流通 该频段电磁波绕射能力强 最大工作距离可达8米左右 背景电磁噪声小 天线尺寸适中 射频标签易于实现 是全球范围内货物流通领域大规模使用RFID技术的最合适频段 相关的国际标准有ISO18000 6 860 930MHZ 2 45G 5 8GHZ频段 空间偶合方式为反向散射耦合 远场 主要用途为车辆识别和货物流通 该频段电磁波为视距传播 绕射能力差 且相对来讲空间损耗大 因此工作范围小 由于频率高 相对而言制造成本大 同时该频段为ISM频段 电磁环境
16、复杂 干扰问题在特定场合可能较为突出 相关的国际标准有ISO18000 4 2 45GHZ ISO18000 5 5 8GHZ RFIDTag的设计关键 RFIDTag参考价格 NT AstagCo Ltd 2005 天线与芯片的结合 震动筛选组装 RFID标签的评价指标 影响RFID标签应用质量的主要因素 芯片 封装和天线设计 RFID标签的的评价指标 RFID标签的评价指标 RFID标签的评价指标 RFID读卡器 读卡器原理 RFID技术的优势 快速扫描 读写器可同时读取多个标签 体积小 形状多样化抗污染能力和耐久性 防水 防磁 耐高温等 可重复使用穿透性和无屏障阅读 读取距离大 数据的记忆容量大 存储信息可更改安全性 标签上的数据可以加密 RFID产品的缺点 1 成本稍高2 不适用于金属或导电环境3 透射液体会影响信息读取性能4 易受电磁波干扰5 识别的适当性6 隐私问题 使用环境的挑战 识读率与误码率数据的加密与安全性读写器与应用系统之间的接口 通信协议时序系统通信握手数据帧数据编码数据的完整性多标签读写防冲突干扰与抗干扰 1 时序系统如果从读写器到射频标签的数据传输和能量传输
