射频识别技术(RFID)基础理论

RFID基础理论RFID基本认知RFID应用认知RFID单元化技术RFID系统技术RFID基本认知RFID基本概念1.什么是射频识别技术？RFID射频识别（RadioFrequencyIdentification）是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。识别工作无须人工干预，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，操作快捷方便。2、射频识别技术的特点射频识别技术具有体积小、信息量大、寿命长、可读写、保密性好、抗恶劣环境、不受方向和位置影响、识读速度快、识读距离远、可识别高速运动物体、可重复使用等特点，支持快速读写、非可视识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术与网络定位和通信技术相结合，可实现全球范围内物资的实时管理跟踪与信息共享。埃森哲（全球最大咨询公司）实验室首席科学家弗格森认为RFID是一种突破性的技术：“第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。电磁学基础在射频识别系统中，射频标签与读写器之间，通过两者的天线架起空间电磁波传输的通道，通过电感耦合或电磁耦合的方式，实现能量和数据信息的传输。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，如下图所示。（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。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。电磁与电感耦合的差别在电磁耦合方式中，阅读器的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，位于阅读器有效阅读区域中的射频标签从阅读器天线发出的电磁场中提取工作能源，并通过射频标签的内部电路及标签天线将标签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。电磁与电感耦合的差别在于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。射频识别系统中射频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。1.天线场区的概念（1）无功近场区无功近场区又称为电抗近场区。它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。（2）辐射近场区越过电抗近场区就是辐射场区，辐射场区的电磁场已脱离了天线的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距离有关。2.耦合类型（1）密耦合系统密耦合的的作用距离是1cm以下，是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的，工作频率一般在30MHZ以下。在密耦合系统（也称变压器方式）中，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原理。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：通过电感耦合方式来实现。国际标准可参考的有ISO10536.数据传输：是通过电感（磁场）耦合或电容（电场）耦合的负载调制实现。负载调制的概念对于电感耦合系统，射频标签天线上的负载电阻的接通和断开，将反映在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，人们通过数据控制负载电压的变化，这些数据就能够从射频标签传输到读写器，这种数据传输方式称作负载调制。（2）遥耦合系统遥耦合与密耦合不同之处是不可能采用电容耦合，一般又称为电感耦合。遥耦合又可分为近耦合（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。天线场区：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：也是通过电感（磁场）耦合的负载调制实现。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。（3）远距离系统远距离系统的工作距离从几米到几十米，个别系统具有更远的作用距离。典型的工作频率有915MHZ、2.45GHZ等，可参考的国际标准有ISO10374、ISO18000-4-5-6等。天线场区：辐射远场区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的。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。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）能量是时序得以实现的基础。（2）时序是数据交换的实现方式。（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，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）。RFID系统组成中间件及应用软件数据协议处理器标签驱动(射频单元)应用系统读写器电子标签响应单元编码存储器解码物理接口(调制解调)读数据写数据命令查询写入读取应用程序接口(API)空中接口(AirInterface)芯片天线封装数据能量射频识别系统的工作原理RFID工作原理模型应用系统射频标签编码调制解码读写器应用接口空中接口射频识别系统的工作原理是利用射频标签与射频读写之间的射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止的、移动的待识别物品的自动识别。读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被启动。标签将自身编码等信息透过卡内天线发送出去。读写器接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和译码然后送到后台软件系统处理。后台软件系统根据逻辑运算判断，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行相应的动作。RFID应用认知RFID典型应用案例香港国际机场在传统的行李条码化管理方式下，机场工作人员需要使用手持条码扫描器近距离扫描行李标签，才能识读到行李的相关信息。这种工作方式不仅效率较低，同时，由于条码标签容易污损，导致出错率较高。和条码相比，在旅客行李上粘贴RFID行李标签后，超高频RFID读写器可以远距离并可从不同角度识别行李标签的ID，识读速度更快，结果更准确。此外，RFID行李标签的信息存储量也比条码多。据测试结果显示，使用条码行李标签的准确扫描率为80%，而使用RFID行李标签后，机场行李处理速度大大提高，有效识读率达到97%（RFID射频快报注：受部分金属行李箱的干扰影响），能够节省5%的时间、人手及营运能力，每天可多处理2000件离港行李。问题处理量；每年1600万件转运行李跟踪行李直至ULD的流程效率较低适用于行李传送装置、ULD、传送带和移动应用的SymbolRFID解决方案所有的航空公司、所有的行李、100多条传送带，200多个RFID读取器阵列解决方案提高客户服务水平在装运过程中，避免手工扫描缩短装运时间，降低装运成本自动的电子集装箱载货清单通过ULD对行李进行查找和验证优势行李可视性较差行李在由传送带经探测机器直至运抵飞机上的整个过程中的可视性较差。HKAA的RFID项目是亚洲最大的项目机场工作人员为行李贴加RFID标签行李处理系统的RFID读写器识读行李标签信息行李传送带附近也安装了RFID读写器问题条码管理需要大量人力时间将RFID技术和电脑技术紧密结合，利用RFID实施图书管理系统解决方案读者则可自助完成借、还书等工作工作人员可进行快速图书的盘点图书防盗结合读者和管理人员的借阅卡和工作卡，还可以实时了解人员进出的情况，统计进出数据优势中大型的图书馆由于进出人数众多，以及大量的馆藏图书，使工作人员工作繁琐，读者长时间排队借还书图书管理图书失窃造成大量损失图书管理标签转换站馆员工作站管理软件藏书盘点仪自动分检线自动还书口自助借阅RFID图书标签食品安全猪肉制品跟踪管理和溯源仓库管理GPRC/CDMA集装箱防盗RFID单元化技术RFID相关协议RFID标签RFID读写器及天线RFID中间件RFID相关协议ISO/IEC相关RFID标准ISO/IEC已出台的RFID标准主要关注基本的模块构建，空中接口，涉及到的数据结构以及其实施问题。具体可以分为技术标准、数据内容标准、一致性标准及应用标准四个方面。包括：ISO18000-1空中接口一般参数ISO18000-2低于135KHz频率的空中接口参数ISO18000-313.56MHz频率下的空中接口参数ISO18000-42.45GHz频率下的空中接口参数ISO18000-6860-960MHz频率下的空中接口参数ISO18000-7433.92MHz频率下的空中接口参数ISO10536非接触集成电路卡ISO15693非接触集成电路卡近程卡ISO14443非接触集成电路卡近程卡ISO18046RFID设备性能测试方法ISO18047(有源及无源的)RFID设备一致性测试方法ISO15424数据载体/特征标识符ISO15418UCC应用标识ISO15434大容量ADC媒体用的传送语法ISO15459物品管理的唯一IDISO15961数据协议：应用接口ISO15962数据编码规则和逻辑存储功能的协议ISO15963RF标签的唯一标识ISO10374货运集装箱标签ISO18185货运集装箱电子封条RF通信协议ISO11784基于动物的无线射频识别的代码结构ISO11785基于动物的无线射频识别技术ISO17358应用需求ISO17363货运集装箱ISO17364可回收运输单元ISO17365运输单元目前在我国常用的两个RFID标准为用于非接触智能卡两个ISO标准：ISO14443，ISO15693。ISO14443和ISO15693标准在1995年开始操作，其完成则是在2000年之后，二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率。ISO15693读写距离较远，而ISO14443读写距离稍近，但应用较广泛。第二代电子身份证采用的