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1、第1章 射频识别技术,1.1 射频识别技术简介 1.2 RFID技术原理 1.3 RFID标准 1.4 RFID与物联网,1.1 射频识别技术简介 射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。在RFID系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据载体称为应答器，应答器中存放的识别信息由阅读器读写。目前，射频识别技术最广泛的应用是各类RFID标签和卡的读写及管理。 本章将从射频识别技术的发展历史开始，详细讲解其技术原理、标准以及与物联网的关系等内容。,1.1.1 射频识别技术的发展历史 顾名思义，射频识别技
2、术就是以射频为载体的一项识别技术。无线电的出现和发展是该技术能够实现的前提。限于技术等原因，早期的射频识别技术更多地应用在大型的、特定的行业和场合。,1. IFF系统 射频识别技术最早的应用可追溯到第二次世界大战期间。当时为了避免误伤友机，开发出了飞机的敌我目标识别(Identification Friend or Foe，IFF)系统。IFF的原理是利用射频电波携带一段加密的编码，当友机收到后，立刻利用加密机制解码并发回“我是朋友”的信息，而敌机则无法回应。目前，这种飞机身份无线识别系统依然应用在民用航空领域，也仍被称为IFF。,2. AIS系统 船舶自动识别(Auto Identifica
3、tion System，AIS)系统是射频识别技术在海事领域的大规模应用。该系统经IFF发展而来，由岸基(基站)设施和船载设施共同组成。船载设备配合全球定位系统(GPS)，可将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态资料结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料由甚高频(VHF)频道向附近水域及基站广播，使邻近船舶及基站能及时掌握附近海面所有船舶的动、静态资讯。如果发现周围海域船舶出现异常或有相撞危险，可以立刻互相通话协调，采取必要避让行动，这对船舶安全和管理有很大帮助。,3. 发展趋势 近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，射频识别技术逐渐小型化、集成化，不再局限于特定
4、行业的应用，而进入商业化应用阶段。如目前被广泛使用的公交卡、门禁卡和二代身份证等就是射频识别技术在日常生活中的应用。卡和标签类的应用逐渐被民众所熟悉和接受，以至于成为RFID的代名词。 在物联网兴起的背景下，射频识别技术由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一。,1.1.2 射频识别技术的特征 射频识别技术作为一种特殊的识别技术，区别于传统的条形码、插入式IC卡和生物(如指纹)识别技术，具有下述特征： 是通过电磁耦合方式实现的非接触自动识别技术。 需要利用无线电频率资源，并且须遵守无线电频率使用的众多规范
5、。 存放的识别信息是数字化的，可通过编码技术方便地实现多种应用。 可以方便地进行组合建网，以完成多规模的系统应用。 涉及计算机、无线数字通信、集成电路及电磁场等众多学科。,1.2 RFID技术原理 RFID技术涉及无线电的多个频段，性能特点不尽相同，所以具体的阅读器和应答器等形式也不相同。而实用的RFID系统更加复杂，涉及很多技术细节。其中，编码与调制、数据校验与防碰撞是几个关键技术。,1.2.1 RFID系统组成 RFID系统由阅读器、应答器和高层等部分组成，其结构如图1-1所示。 最简单的应用系统只有一个阅读器，它一次对一个应答器进行操作，如公交车上的刷卡系统；较复杂的应用需要一个阅读器可
6、同时对多个应答器进行操作，要具有防碰撞(也称防冲突)的能力；更复杂的应用系统要解决阅读器的高层处理问题，包括多阅读器的网络连接等。,图1-1 RFID系统组成,1. 高层 对于由多阅读器构成的网络架构信息系统来说，高层是必不可少的。例如，采用RFID门票的世博会票务系统，需要在高层将多个阅读器获取的数据有效地整合起来，提供查询、历史档案等相关管理和服务。更进一步，通过对数据的加工、分析和挖掘，为正确决策提供依据，这就是常说的信息管理系统和决策系统。,2. 阅读器 阅读器在具体应用中常称为读写器(这两种称呼本书将不加区别)，是对应答器提供能量、进行读写操作的设备。虽然因频率范围、通信协议和数据传
7、输方法的不同，各种阅读器在一些方面会有很大的差异，但通常具有一些相同的功能： 以射频方式向应答器传输能量。 读写应答器的相关数据。 完成对读取数据的信息处理，并实现应用操作。 若有需要，应能与高层处理交互信息。,通常，阅读器按照频率分为低频RFID阅读器、高频RFID阅读器和超高频RFID阅读器。本书配套的低频RFID阅读器如图1-2所示。 本书配套的高频RFID阅读器如图1-3所示。 本书配套的超高频RFID阅读器如图1-4所示。,图1-2 低频RFID阅读器,图1-3 高频RFID阅读器,图1-4 超高频RFID阅读器,3. 应答器 从技术角度来说，RFID的核心在应答器，阅读器是根据应答
8、器的性能而设计的。但是由于封装工艺等问题，应答器的设计和生产通常由专业的设计厂商和封装厂商来完成，普通用户没有能力也无法接触到这一领域。 目前，应答器趋向微型化和高集成度，关键技术在于材料、封装和生产工艺，重点突出应用而非设计。应答器按照电源形式可以分为如下两种类型： 有源应答器：使用电池或其他电源供电，不需要阅读器提供能量，通常靠阅读器唤醒，然后切换至自身提供能量。 无源应答器：没有电池供电，完全靠阅读器提供能量。,应答器按照工作频率范围可分为如下三种类型： 低频应答器：低于135 kHz。 高频应答器：13.56 MHz 7 kHz。 超高频应答器：工作频率为433 MHz、866960
9、MHz、2.45 GHz和5.8 GHz(虽然属于SHF，但由于性能的相似性，通常将其归为超高频应答器范围)。 应答器在某些应用场合也叫做射频卡、标签等，但从本质而言可统称为应答器。,1) 射频卡(RF Card) 通常，射频卡的外形尺寸与银行卡相同，尺寸符合ID-1型卡的规范，工作频率为13.56 MHz或低于135 kHz，采用电感耦合方式实现能量和信息的传输。通常可应用于各种小额消费、身份认证和考勤登记等，卡片上也可以印刷各种不同的图案、文字或者商标、广告等。目前有些超高频标签也封装成射频卡的外形。各种射频卡的外观如图1-5所示。,图1-5 射频卡外观,2) 标签(Tag) 应答器除了卡
10、状外形还有其他很多形状，可用于动物识别、货物识别、集装箱识别等，在这些应用领域通常将应答器制作成标签，其中微型RFID标签如图1-6所示。 防水钱币型标签常用于恶劣环境下，可防水防尘，强度较高，其外观如图1-7所示。 有的标签很薄，并且贴有不干胶，适用于物流行业的货物跟踪，其外观如图1-8所示。,图1-6 微型RFID标签,图1-7 防水钱币型RFID标签,图1-8 不干胶RFID标签,1.2.2 射频识别基本原理 在RFID系统中，射频识别部分主要由阅读器和应答器两部分组成。阅读器与应答器之间的通信采用无线射频方式进行耦合。在实践中，由于对距离、速率及应用的要求不同，需要的射频性能也不尽相同
11、，所以射频识别涉及的无线电频率范围也很广。 1. 基本交互原理 射频识别过程在阅读器和应答器之间以无线射频的方式进行，其基本原理如图1-9所示。,图1-9 RFID基本原理,阅读器和应答器之间的交互主要靠能量、时序和数据三个方面来完成。 阅读器产生的射频载波为应答器提供工作所需要的能量。 阅读器与应答器之间的信息交互通常采用询问应答的方式进行，所以必须有严格的时序关系，该时序也由阅读器提供。 阅读器与应答器之间可以实现双向数据交换，阅读器给应答器的命令和数据通常采用载波间隙、脉冲位置调制、编码解调等方法实现传送；应答器存储的数据信息采用对载波的负载调制方式向阅读器传送。,2. 工作频率 在无线
12、电技术中，不同的频段有不同的特点和技术。实践中，不同频段的RFID实现技术差异很大。从此角度而言，RFID技术的空中接口几乎覆盖了无线电技术的全频段。射频识别系统具体涉及频段如下： 低频(LF，频率范围为30 kHz300 kHz)：工作频段低于135 kHz，常用125 kHz。 高频(HF，频率范围为3 MHz30 MHz)：工作频率为13.56 MHz 7 kHz。 特高频(UHF，频率范围为300 MHz3 GHz)：工作频率为433 MHz、866 MHz960 MHz和2.45 GHz。,超高频(SHF，频率范围为3 GHz30 GHz)：工作频率为5.8 GHz和24 GHz，但
13、目前24 GHz基本没有采用。 其中，后三个频段为工业科研医疗(Industrial Scientific Medical，ISM)频段，是为工业、科研和医疗应用而保留的频率范围，不同国家可能会有不同的规定。,3. 耦合方式 根据射频耦合方式的不同，RFID可以分为电感耦合(磁耦合)和反向散射耦合(电磁场耦合)两大类。 1) 电感耦合 电感耦合也叫做磁耦合，是阅读器和应答器之间通过磁场(类似变压器)的耦合方式进行射频耦合，能量(电源)由阅读器通过载波提供。由于阅读器产生的磁场强度会受到电磁兼容性能的有关限制，因此一般工作距离都比较近。高频RFID和低频RFID主要采用电感耦合的方式，即频率为1
14、3.56 MHz和小于135 kHz，工作距离一般在1 m以内，其电路结构如图1-10所示。,图1-10 电感耦合的电路结构,电感耦合的RFID系统中，阅读器与应答器之间耦合的工作原理如下： 阅读器通过谐振在阅读器天线上产生一个磁场，在一定距离内，部分磁力线会穿过应答器天线，产生一个磁场耦合。 由于在电感耦合的RFID系统中所用的电磁波长(低频135 kHz，波长为2400 m；高频13.56 MHz，波长为22.1 m)比两个天线之间的距离大很多，所以两线圈间的电磁场可以当作简单的交变磁场。 穿过应答器天线的磁场通过感应会在应答器天线上产生一个电压，经过VD的整流和对C2充电、稳压后，电量保
15、存在C2中，同时C2上产生应答器工作所需要的电压。,阅读器天线和应答器天线也可以看做是一个变压器的初、次级线圈，只不过它们之间的耦合很弱。因为电感耦合系统的效率不高，所以这种方式主要适用于小电流电路。应答器的功耗大小对工作距离有很大影响。 在电感耦合方式下，应答器向阅读器的数据传输采用负载调制的方法，其原理如图1-11所示。,图1-11 负载调制,图1-11所示为电阻负载调制，本质是一种振幅调制(也称为调幅AM)，以调节接入电阻R的大小来改变调制度的大小。实践中，常通过接通或断开接入电阻R来实现二进制的振幅调制。其工作步骤如下： (1) 如果在应答器中以二进制数据编码信号控制开关S，则应答器线
16、圈上的负载电阻R按二进制数据编码信号的高低电平变化来接通和断开。 (2) 负载的变化通过应答器天线到阅读器天线，进而产生相同规律变化的信号，即变压器次级线圈中的电流变化会影响到初级线圈中的电流变化。,(3) 在该变化反馈到阅读器天线(相当于变压器初级)后，通过解调、滤波放大电路恢复为应答器端控制开关的二进制数据编码信号。 (4) 经过解码后就可以获得存储在应答器中的数据信息，进而可以进行下一步处理。这样，二进制数据信息就从应答器传到了阅读器。,2) 反向散射耦合 反向散射耦合也称电磁场耦合，其理论和应用基础来自雷达技术。当电磁波遇到空间目标(物体)时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度被散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被该天线接收(发射天线也是接收天线)，然后对接收信号进行放大和处理，即可获取目标的有关信息。
