射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成及工作原理解析

一、什么是射頻識(shí)別?

射頻識(shí)別(RFID)是一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。射頻識(shí)別最重要的優(yōu)點(diǎn)是非接觸識(shí)別，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無(wú)法使用的惡劣環(huán)境閱讀標(biāo)簽，并且閱讀速度極快，大多數(shù)情況下不到100毫秒。

射頻識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì)不在于監(jiān)測(cè)設(shè)備及環(huán)境狀態(tài)，而在于“識(shí)別”。即通過(guò)主動(dòng)識(shí)別進(jìn)入到磁場(chǎng)識(shí)別范圍內(nèi)的物體來(lái)做相應(yīng)的處理。RFID不是傳感器，它主要通過(guò)標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的唯一ID號(hào)識(shí)別標(biāo)志物。而傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

二、射頻識(shí)別系統(tǒng)組成及工作原理

1、射頻識(shí)別系統(tǒng)組成

射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由三部分組成：標(biāo)簽、天線(xiàn)、閱讀器。此外，還需要專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)閱讀器識(shí)別做相應(yīng)處理。

圖1 RFID系統(tǒng)按組成

1)標(biāo)簽：電子標(biāo)簽或稱(chēng)射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器，由芯片及內(nèi)置天線(xiàn)組成。芯片內(nèi)保存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，作為待識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)性信息，是射頻識(shí)別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體。內(nèi)置天線(xiàn)用于和射頻天線(xiàn)間進(jìn)行通信。

2)閱讀器：讀取或讀/寫(xiě)電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答，對(duì)標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶標(biāo)簽上其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。

3)天線(xiàn)：標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。

2、射頻識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行原理

電子標(biāo)簽進(jìn)入天線(xiàn)磁場(chǎng)后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)，就能憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(無(wú)源標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(有源標(biāo)簽)，閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

圖2 閱讀器獲得讀寫(xiě)指令

圖3 閱讀器射頻調(diào)制器將信號(hào)發(fā)送到天線(xiàn)

圖4 天線(xiàn)詢(xún)問(wèn)標(biāo)簽

圖5 天線(xiàn)將獲得的標(biāo)簽信息回傳

此外，按照讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間射頻信號(hào)的耦合方式，可以把它們之間的通信分為：電感耦合和電磁反向散射耦合。

1)電感耦合：依據(jù)電磁感應(yīng)定律，通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離RFID系統(tǒng)。

2)電磁反向散射耦合：依據(jù)電磁波的空間傳播規(guī)律，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后發(fā)生反射，從而攜帶回相應(yīng)的目標(biāo)信息。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)。

通俗的理解，電感耦合這種模式主要應(yīng)用在低頻(LF)、中頻(HF)波段，由于低頻RFID系統(tǒng)的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，能量相對(duì)較弱，因此主要依賴(lài)近距離的感應(yīng)來(lái)讀取信息。電磁反向散射耦合主要應(yīng)用在高頻(HF)、超高頻(UHF)波段，由于高頻率的波長(zhǎng)較短，能量較高。因此，閱讀器天線(xiàn)可以向標(biāo)簽輻射電磁波，部分電磁波經(jīng)標(biāo)簽調(diào)制后反射回閱讀器天線(xiàn)，經(jīng)解碼以后發(fā)送到中央信息系統(tǒng)接收處理。

三、射頻識(shí)別系統(tǒng)分類(lèi)

目前，按照RFID系統(tǒng)使用的頻率范圍，可將RFID系統(tǒng)劃分為四個(gè)應(yīng)用頻段：低頻、高頻、超高頻和微波。

按照工作頻率的不同，RFID標(biāo)簽可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類(lèi)。其中，LF和HF頻段RFID電子標(biāo)簽一般采用電磁耦合原理(電磁感應(yīng))，而UHF及微波頻段的RFID一般采用電磁發(fā)射(電磁傳播)原理。

1、低頻射頻標(biāo)簽

低頻段射頻標(biāo)簽，簡(jiǎn)稱(chēng)為低頻標(biāo)簽，其工作頻率范圍為30kHz～300kHz。典型工作頻率有125KHz和133KHz。低頻標(biāo)簽一般為無(wú)源標(biāo)簽，其工作能量通過(guò)電感耦合方式從閱讀器耦合線(xiàn)圈的輻射近場(chǎng)中獲得。低頻標(biāo)簽與閱讀器之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，低頻標(biāo)簽需位于閱讀器天線(xiàn)輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。低頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下小于1米。

典型應(yīng)用：動(dòng)物識(shí)別、容器識(shí)別、工具識(shí)別、電子閉鎖防盜(帶有內(nèi)置應(yīng)答器的汽車(chē)鑰匙)等。

2、高頻射頻標(biāo)簽

高頻段射頻標(biāo)簽的工作頻率一般為3MHz～30MHz。典型工作頻率為13.56MHz。該頻段的射頻標(biāo)簽，因其工作原理與低頻標(biāo)簽完全相同，即采用電感耦合方式工作，所以宜將其歸為低頻標(biāo)簽類(lèi)中。但另一方面，根據(jù)無(wú)線(xiàn)電頻率的一般劃分，其工作頻段又稱(chēng)為高頻，所以也常將其稱(chēng)為高頻標(biāo)簽。

高頻標(biāo)簽一般也采用無(wú)源為主，其工作能量同低頻標(biāo)簽一樣，也是通過(guò)電感(磁)耦合方式從閱讀器耦合線(xiàn)圈的輻射近場(chǎng)中獲得。標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，標(biāo)簽必須位于閱讀器天線(xiàn)輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。中頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下也小于1米。

典型應(yīng)用：電子車(chē)票、電子身份證、電子閉鎖防盜(電子遙控門(mén)鎖控制器)、小區(qū)物業(yè)管理、大廈門(mén)禁系統(tǒng)等。

3、UHF、微波射頻標(biāo)簽

超高頻與微波頻段的射頻標(biāo)簽簡(jiǎn)稱(chēng)為微波射頻標(biāo)簽，其典型工作頻率有433.92MHz、862(902)MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。

微波射頻標(biāo)簽可分為有源標(biāo)簽與無(wú)源標(biāo)簽兩類(lèi)。工作時(shí)，射頻標(biāo)簽位于閱讀器天線(xiàn)輻射場(chǎng)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線(xiàn)輻射場(chǎng)為無(wú)源標(biāo)簽提供射頻能量，將有源標(biāo)簽喚醒。相應(yīng)的射頻識(shí)別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1m，典型情況為4m～6m，最大可達(dá)10m以上。閱讀器天線(xiàn)一般均為定向天線(xiàn)，只有在閱讀器天線(xiàn)定向波束范圍內(nèi)的射頻標(biāo)簽可被讀/寫(xiě)。由于閱讀距離的增加，應(yīng)用中有可能在閱讀區(qū)域中同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)射頻標(biāo)簽的情況，從而提出了多標(biāo)簽同時(shí)讀取的需求。

典型應(yīng)用：鐵路車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別、集裝箱識(shí)別，還可用于公路車(chē)輛識(shí)別與自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)中。

四、RFID與物聯(lián)網(wǎng)

RFID是物聯(lián)網(wǎng)感知外界的的重要支撐技術(shù)。傳感器可以監(jiān)測(cè)感應(yīng)到各種信息，但缺乏對(duì)物品的標(biāo)識(shí)能力，而RFID技術(shù)恰恰具有強(qiáng)大的標(biāo)識(shí)物品能力。因此，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器和RFID兩者缺一不可。

如果沒(méi)有RFID對(duì)物體的識(shí)別能力，物聯(lián)網(wǎng)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的最高理想。缺少RFID技術(shù)的支撐，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍將受到極大的限制。但另一方面，由于RFID射頻識(shí)別技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)范圍內(nèi)的物體進(jìn)行識(shí)別，其讀寫(xiě)范圍受到讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間距離的影響。因此，提高RFID系統(tǒng)的感應(yīng)能力，擴(kuò)大RFID系統(tǒng)的覆蓋能力是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。同時(shí)，考慮到傳感網(wǎng)較長(zhǎng)的有效距離能很好的拓展RFID技術(shù)的應(yīng)用范圍。未來(lái)實(shí)現(xiàn)RFID與傳感網(wǎng)的融合將是一個(gè)必然方向。

就目前RFID的發(fā)展情況而言，在很多工業(yè)行業(yè)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了RFID與傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的初步融合，兩者取長(zhǎng)補(bǔ)短的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)正在深化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，它們的相互融合和系統(tǒng)集成必將極大地推動(dòng)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用前景不可估量。