RFID关键技术及应用案例分析

RFID关键技术及应用案例分析第一章RFID系统的基本组成及工作原理1RFID系统简介RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。它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，无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作方便。2RFID的组成射频识别系统由电子标签、阅读器、天线组成。电子标签：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器：又为读写装置，可无接触的读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的，有手持或固定式两种，通过阅读器和电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步的处理。天线：在标签和阅读器之间传递射频信号。3RFID系统的特点3.1射频技术射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点。可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。制约射频识别系统发展的主要问题是不兼容的标准。射频识别系统的主要厂商提供的都是专用系统，导致不同的应用和不同的行业采用不同厂商的频率和协议标准，这种混乱和割据的状况已经制约了整个射频识别行业的增长。许多欧美组织正在着手解决这个问题，并已经取得了一些成绩。标准化必将刺激射频识别技术的大幅度发展和广泛应用。3.2适用性物流管理的本质是通过对物流全过程的管理，实现降低成本和提高服务水平两个目的。如何以正确的成本和正确的条件，去保证正确的客户在正确的时间和正确的地点，得到正确的产品，成为物流企业追求的最高目标。一般来说，企业存货的价值要占企业资产总额的25%左右，占企业流动资产的50%以上。所以物流管理工作的核心就是对供应链中存货的管理。在运输管理方面采用射频识别技术，只需要在货物的外包装上的安装电子标签，在运输检查站或中转站设置阅读器，就可以实现资产的可视化管理。与此同时，货主可以根据权限，访问在途可视化网页，了解货物的具体位置，这对提高物流企业的服务水平有着重要意义。3.3性能特点(1)快速扫描。RFID辨识器可同时辨识读取数个RFID标签。(2)体积小型化、形状多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFID标签更可往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。(3)抗污染能力和耐久性。传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。(4)可重复使用。现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID卷标内储存的数据，方便信息的更新。(5)穿透性和无屏障阅读。在被覆盖的情况下，RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。(6)数据的记忆容量大。一维条形码的容量是50Bytes，二维条形码最大的容量可储存2至3000字符，RFID最大的容量则有数MegaBytes.随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。(7)安全性。由于RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。RFID因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。它不仅可以帮助一个企业大幅提高货物、信息管理的效率，还可以让销售企业和制造企业互联，从而更加准确地接收反馈信息，控制需求信息，优化整个供应链。4RFID系统的分类根据射频识别系统的系统特征，可以将射频识别系统进行多种分类。下面是系统特征及按照该系统特征进行射频识别系统的分类，如下表2所示：表2射频识别系统的特征及其分类系统特征系统分类工作方式全双工系统半双工系统时序系统数据量1比特系统多比特系统可否编程可编程系统不可编程系统数据载体IC表面波运行情况状态机系统微处理器系统能量供应有源系统无源系统工作频率低频系统中高频系统微波系统数据运输电感耦合系统电磁方向散射耦合系统信息注入方式集成电路固化式现场有线改写式现场无线改写式读取信息手段广播发射式倍频式反射调制式作用距离密耦合系统遥耦合系统远距离系统系统特征低挡系统中档系统高档系统射频识别系统按照其采用的频率不同可分为低频系统、高频系统和微波三大类；根据标签是否装有电池为其供电，又可将其分为有缘系统和无源系统两大类；从标签内保存的信息注入的方式可将其分为集成电路固化式、现场有线改写和现场无线改写式三大类；根据读取电子标签数据的技术实现手段，可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大类。5RFID系统的基本原理RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的RFID系统，是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合（InductiveCoupling)及后向散射耦合（BackscatterCoupling）两种。一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。[3]射频识别系统的基本模型如图8—1所示。其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。(1)电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，如右图所示。(2)电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cra。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m。RFID读写器技术原理图:电感耦合模型的读写器电磁反向散射耦合型的RFID读写器3．RFID读写器防冲撞（防碰撞）实理机理RFID分类的第二个重要的看点在于是否需要同时读取复数个标签。为了实现这个功能在通信上所采取的技术是（防冲撞）＂防碰撞＂．同时读取复数个标签是常被人们谈及的RFID比图形码远为优越的地方，但是如果没有防碰撞（防冲撞）的功能时，RFID系统只能读写一个标签。在这种情况下如果有两个以上的标签同时处于可读取的范围内就会导致读取的错误。其次，我们来简单地说明防碰撞（防冲撞）功能的工作原理。即使是具有防碰撞（防冲撞）功能的RFID系统，实际上并非同时读取所有标签的内容。在同时查出有复数个标签存在的情况下，检索信号并防止冲突的功能开始动作。为了进行检索，首先要确定检索条件。例如，13.56MHz频带的RFID系统里应用的ALOHA方式的防碰撞功能的工作步骤如下。1）、首先，阅读器指定电子标签内存的特定位数（1~4位左右）为次数批量。2）、电子标签根据次数批量，将响应的时机离散化。例如在两位数的次数批量“00、01、10、11”时，读写器将以不同的时机对这四种可能性逐一进行响应。3）、若在各个时机里同时响应的电子标签只有一个的场合下才能得到这个电子标签的正常数据。信息读取之后阅读器对于这个电子标签发送在一定的时间内不再响应的睡眠的指令（Sleep/Mute）使之在休眠，避免再次向应。4）、若在各个时机内同时由几个电子标签响应，判别为“冲突”。在这种情况下，内存内的另外两位数所记录的次数批量，重复以上从2）开始的处理。5）、所有的电子标签都完成响应之后，阅读器向他们发送唤醒的指令（WakeUp），从而完成对所有电子标签的信息读取。在这种搭载有防碰撞（防冲撞）功能的RFID系统中，为了只读一个标签，几经调整次数批量反复读取进行检索。所以，一次性读取具有一定数量的标签的情况下，所有的标签都被读到为止其速度是不同的，一次性读取的标签数目越多，完成读取所需时间要比单纯计算所需的时间越长。实现防止抗碰撞（防冲撞）的功能是RFID在物流领域中取代图形码所必不可少的条件。例如，在超市中，商品是装在购物车里面进行计价的。为了实现这种计价方式，抗碰撞（防冲撞）功能必须完备。另一方面，在电子货币和个人认证方面利用RFID系统时，同时识别几个标签是发生差错的主要原因。具有抗碰撞（防冲撞）功能的RFID系统的价格比不具有这种功能的系统的要昂贵。当个人用户在制作RFID系统的时候，如果没有必要进行复数个ID同时认识时就没有必要选择抗碰撞机能的读写器。第二章RFID系统的发展及优势1RFID发展历程：RFID直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的AIDC新技术——RFID技术。1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础。1)RFID技术发展的历程表。在20世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。RFID技术的发展可按10年期划分如下：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期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。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—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正在成为现实。2国外现状从全球的范围来看，美国政府是RFID应用的积极推动者，在其推动下美国在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。欧