射頻識別系統(tǒng)的組成及工作原理解析

一、什么是射頻識別?

射頻識別(RFID)是一種無線通信技術，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或者光學接觸。射頻識別最重要的優(yōu)點是非接觸識別，它能穿透雪、霧、冰、涂料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環(huán)境閱讀標簽，并且閱讀速度極快，大多數(shù)情況下不到100毫秒。

射頻識別技術的優(yōu)勢不在于監(jiān)測設備及環(huán)境狀態(tài)，而在于“識別”。即通過主動識別進入到磁場識別范圍內的物體來做相應的處理。RFID不是傳感器，它主要通過標簽對應的唯一ID號識別標志物。而傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

二、射頻識別系統(tǒng)組成及工作原理

1、射頻識別系統(tǒng)組成

射頻識別系統(tǒng)主要由三部分組成：標簽、天線、閱讀器。此外，還需要專門的應用系統(tǒng)對閱讀器識別做相應處理。

圖1 RFID系統(tǒng)按組成

1)標簽：電子標簽或稱射頻標簽、應答器，由芯片及內置天線組成。芯片內保存有一定格式的電子數(shù)據(jù)，作為待識別物品的標識性信息，是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體。內置天線用于和射頻天線間進行通信。

2)閱讀器：讀取或讀/寫電子標簽信息的設備，主要任務是控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應答，對標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其它相關信息傳輸?shù)街鳈C以供處理。

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

2、射頻識別系統(tǒng)運行原理

電子標簽進入天線磁場后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息(無源標簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(有源標簽)，閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。

圖2 閱讀器獲得讀寫指令

圖3 閱讀器射頻調制器將信號發(fā)送到天線

圖4 天線詢問標簽

圖5 天線將獲得的標簽信息回傳

此外，按照讀寫器與標簽之間射頻信號的耦合方式，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)電磁感應定律，通過空間高頻交變磁場實現(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后發(fā)生反射，從而攜帶回相應的目標信息。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離RFID系統(tǒng)。

圖6 兩種耦合方式對比

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

三、射頻識別系統(tǒng)分類

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

表7 RFID系統(tǒng)頻率分類

表8 RFID標簽分類

按照工作頻率的不同，RFID標簽可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。其中，LF和HF頻段RFID電子標簽一般采用電磁耦合原理(電磁感應)，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、低頻射頻標簽

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

典型應用：動物識別、容器識別、工具識別、電子閉鎖防盜(帶有內置應答器的汽車鑰匙)等。

2、高頻射頻標簽

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

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

典型應用：電子車票、電子身份證、電子閉鎖防盜(電子遙控門鎖控制器)、小區(qū)物業(yè)管理、大廈門禁系統(tǒng)等。

3、UHF、微波射頻標簽

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

微波射頻標簽可分為有源標簽與無源標簽兩類。工作時，射頻標簽位于閱讀器天線輻射場的遠區(qū)場內，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標簽提供射頻能量，將有源標簽喚醒。相應的射頻識別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1m，典型情況為4m～6m，最大可達10m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束范圍內的射頻標簽可被讀/寫。由于閱讀距離的增加，應用中有可能在閱讀區(qū)域中同時出現(xiàn)多個射頻標簽的情況，從而提出了多標簽同時讀取的需求。

典型應用：鐵路車輛自動識別、集裝箱識別，還可用于公路車輛識別與自動收費系統(tǒng)中。

四、RFID與物聯(lián)網

RFID是物聯(lián)網感知外界的的重要支撐技術。傳感器可以監(jiān)測感應到各種信息，但缺乏對物品的標識能力，而RFID技術恰恰具有強大的標識物品能力。因此，對于物聯(lián)網的發(fā)展，傳感器和RFID兩者缺一不可。

如果沒有RFID對物體的識別能力，物聯(lián)網將無法實現(xiàn)萬物互聯(lián)的最高理想。缺少RFID技術的支撐，物聯(lián)網的應用范圍將受到極大的限制。但另一方面，由于RFID射頻識別技術只能實現(xiàn)對磁場范圍內的物體進行識別，其讀寫范圍受到讀寫器與標簽之間距離的影響。因此，提高RFID系統(tǒng)的感應能力，擴大RFID系統(tǒng)的覆蓋能力是當前亟待解決的問題。同時，考慮到傳感網較長的有效距離能很好的拓展RFID技術的應用范圍。未來實現(xiàn)RFID與傳感網的融合將是一個必然方向。

就目前RFID的發(fā)展情況而言，在很多工業(yè)行業(yè)中已經實現(xiàn)了RFID與傳感網絡應用的初步融合，兩者取長補短的互補優(yōu)勢正在深化物聯(lián)網應用，它們的相互融合和系統(tǒng)集成必將極大地推動整個物聯(lián)網產業(yè)的發(fā)展，應用前景不可估量。