關(guān)于RFID、NFC、ETC、UWB技術(shù)的原理與功能分析

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，人類將基本的日常管理統(tǒng)統(tǒng)交給人工智能去處理，從而從繁瑣的低層次管理中解脫出來，將更多的人力物力投入到新技術(shù)的研發(fā)中。今天我們所談及的幾項技術(shù)就是基于這個目的應(yīng)運而生。

　　【RFID】

　　射頻識別，RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)，又稱無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸。射頻的話，一般是微波，1-100GHz，適用于短距離識別通信。RFID讀寫器也分移動式的和固定式的，目前RFID技術(shù)應(yīng)用很廣，如：圖書館，門禁系統(tǒng)，食品安全溯源等。

　　RFID無線射頻識別技術(shù)，相信很多人都對他相當(dāng)了解，簡單來說它就是電子標(biāo)簽，是一種利用無線電射頻信號耦合傳輸?shù)奶匦?，在讀寫器和標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸以達(dá)到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換目的的技術(shù)。它的誕生給我們的生活帶來了莫得便利，正被廣泛用于采購分配、商業(yè)貿(mào)易、生產(chǎn)制造、物流、防盜以及軍事用途上。

　　【RFID的組成】

　　RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作方便快捷，它是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器（或閱讀器）和很多應(yīng)答器（或標(biāo)簽）組成，RFID按應(yīng)用頻率的不同分為低頻、高頻、超高頻、微波;相對應(yīng)的代表性頻率分別為：低頻135KHZ以下、高頻13.56MHZ、超高頻860~960MHZ、微波2.4G，5.8G;RFID按照能源的供給方式分為無源RFID、有源RFID以及半有源RFID。

　　射頻識別系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下兩個部分，一是讀寫器，二是電子標(biāo)簽（或稱射頻卡、應(yīng)答器等，本文統(tǒng)稱為電子標(biāo)簽）。另外還應(yīng)包括天線，主機等。RFID系統(tǒng)在具體的應(yīng)用過程中，根據(jù)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)的組成會有所不同，但從RFID系統(tǒng)的工作原理來看，系統(tǒng)一般都由信號發(fā)射機、信號接收機、發(fā)射接收天線幾部分組成。下面分別加以說明：

　?、?信號發(fā)射機

　　在RFID 系統(tǒng)中，信號發(fā)射機為了不同的應(yīng)用目的，會以不同的形式存在，典型的形式是標(biāo)簽（TAG）。標(biāo)簽相當(dāng)于條碼技術(shù)中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸?shù)?a target="_blank">信息，另外，與條碼不同的是，標(biāo)簽必須能夠自動或在外力的作用下，把存儲的信息主動發(fā)射出去。

　?、?信號接收機

　　在RFID系統(tǒng)中，信號接收機一般叫做閱讀器。根據(jù)支持的標(biāo)簽類型不同與完成的功能不同，閱讀器的復(fù)雜程度是顯著不同的。閱讀器基本的功能就是提供與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。另外，閱讀器還提供相當(dāng)復(fù)雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。標(biāo)簽中除了存儲需要傳輸?shù)男畔⑼?，還必須含有一定的附加信息，如錯誤校驗信息等。識別數(shù)據(jù)信息和附加信息按照一定的結(jié)構(gòu)編制在一起，并按照特定的順序向外發(fā)送。閱讀器通過接收到的附加信息來控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送。一旦到達(dá)閱讀器的信息被正確的接收和譯解后，閱讀器通過特定的算法決定是否需要發(fā)射機對發(fā)送的信號重發(fā)一次，或者知道發(fā)射器停止發(fā)信號，這就是“命令響應(yīng)協(xié)議”。使用這種協(xié)議，即便在很短的時間、很小的空間閱讀多個標(biāo)簽，也可以有效地防止“欺騙問題”的產(chǎn)生。

　?、?編程器

　　只有可讀可寫標(biāo)簽系統(tǒng)才需要編程器。編程器是向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)的裝置。編程器寫入數(shù)據(jù)一般來說是離線（OFF-LINE）完成的，也就是預(yù)先在標(biāo)簽中寫入數(shù)據(jù)，等到開始應(yīng)用時直接把標(biāo)簽黏附在被標(biāo)識項目上。也有一些RFID應(yīng)用系統(tǒng)，寫數(shù)據(jù)是在線（ON-LINE）完成的，尤其是在生產(chǎn)環(huán)境中作為交互式便攜數(shù)據(jù)文件來處理時。

　　④ 天線

　　天線是標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)射、接收裝置。在實際應(yīng)用中，除了系統(tǒng)功率，天線的形狀和相對位置也會影響數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收，需要專業(yè)人員對系統(tǒng)的天線進(jìn)行設(shè)計、安裝。

　　【RFID工作原理】

　　RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：在標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，或者主動發(fā)送某一頻率的信號;解讀器讀取信息并解碼后，發(fā)送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

　　一套完整的RFID系統(tǒng)， 是由閱讀器與電子標(biāo)簽也就是所謂的應(yīng)答器及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個部份所組成， 其工作原理是閱讀器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給應(yīng)答器， 用以驅(qū)動應(yīng)答器電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時閱讀器便依序接收解讀數(shù)據(jù)， 送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。

　　以RFID 卡片閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通訊及能量感應(yīng)方式來看大致上可以分成， 感應(yīng)偶合（Inductive Coupling） 及后向散射偶合（Backscatter Coupling）兩種， 一般低頻的RFID大都采用第一種式， 而較高頻大多采用第二種方式。

　　RFID的工作原理是：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號，就能憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（即Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（即Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(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。

　　【NFC】

　　NFC技術(shù)即近距離無線通訊技術(shù)，是由飛利浦和索尼共同研制出來的，并與諾基亞等共同發(fā)起了NFC論壇，推廣NFC技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用。NFC是一種非接觸式識別和互聯(lián)技術(shù)，簡單來說，NFC就是把RFID讀卡器與智能卡的功能整合在一起，可以在移動設(shè)備、消費類電子產(chǎn)品、PC和只能控件工具間進(jìn)行近距離無線通信。NFC提供的是一種簡單、觸控式的解決方案，操作簡單、快捷。

　　NFC近場通信技術(shù)是由非接觸式射頻識別（RFID）及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點對點的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識別和數(shù)據(jù)交換。工作頻率為13.56MHz，但是使用這種手機支付方案的用戶必須更換特制的手機。目前這項技術(shù)在日韓被廣泛應(yīng)用，他們的手機可以用作機場登機驗證、大廈的門禁鑰匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等［1］

　　【NFC技術(shù)特點】

　　1.在13.65MHZ頻率運行距離在20公分內(nèi);

　　2.傳輸速度可分為106K BITSSEC、212K BITE/SEC、424K BITS/SEC;

　　3.運行可分主動與被動模式;主動模式需要使用電池，還需要獨立發(fā)射模組;被動模式不需要使用電池，但是無法獨立發(fā)射訊號;

　　4.成為ISO/IEC IS 118092國家標(biāo)準(zhǔn)、ETSI TS 102 190標(biāo)準(zhǔn)、EMCA-340標(biāo)準(zhǔn)。

　　NFC磁片是可以支持某種特定的設(shè)備在主動或被動的情況下相互轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，nfc磁片在目前來說涉及面很廣

　　，它是怎么實現(xiàn)這些效果的呢，首先要先了解nfc磁片的技術(shù)特點：

　　與RFID一樣，nfc磁片信息也是通過頻譜中無線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞，但兩者之間還是存在

　　很大的區(qū)別。首先，nfc是一種提供輕松、安全、迅速的通信的無線連接技術(shù)，其傳輸范圍比RFID小。 其次

　　，nfc磁片與現(xiàn)有非接觸智能卡技術(shù)兼容，已經(jīng)成為得到越來越多主要廠商支持的正式標(biāo)準(zhǔn)。再次，nfc磁片

　　還是一種近距離連接協(xié)議，提供各種設(shè)備間輕松、安全、迅速而自動的通信。與無線世界中的其他連接方式

　　相比，nfc磁片是一種近距離的私密通信方式。

　　nfc、紅外線、藍(lán)牙同為非接觸傳輸方式，它們具有各自不同的技術(shù)特征，可以用于各種不同的目的，其

　　技術(shù)本身沒有優(yōu)劣差別。

　　添加隔磁片能夠使識別距離，準(zhǔn)確度，成功率得到大大提高！

　　【NFC應(yīng)用類型】

　　NFC是Near Field Communication縮寫，說白了就是近距離通訊技術(shù)。它和我們熟悉的藍(lán)牙、WiFi還不完全相同，重點在一個“近”字。

　　NFC線圈通常被安裝在手機的背殼甚至電池里，所以使用的時候通常要把手機背面對準(zhǔn)感應(yīng)區(qū)。

　　那么有了它之后基本出門就不用帶卡了，一個手機全搞定。

　　首先，最實用的就是移動支付功能，如超市、商場、飯店、地鐵、公交等。

　　第二，門禁通過功能，如小區(qū)門禁、開車鎖車、車票門票等。這就需要我們的手機存有相應(yīng)的驗證碼，想要進(jìn)門的時候刷一下，即可完成驗證。

　　第三，數(shù)據(jù)傳輸功能，如下載音樂、傳輸圖片、交換通訊錄等。

　　第四，瀏覽信息功能，如將NFC手機靠近街頭有NFC功能的公共設(shè)施，就能瀏覽交通、演出、天氣等各種信息。

　　第五，智能標(biāo)簽功能，有點像智能按鈕的意思。

　　以上這五項功能都是比較貼近生活的NFC用途，當(dāng)然還并未完全普及。我國已經(jīng)在大力發(fā)展這項技術(shù)，相信不久的將來，NFC會真正走進(jìn)我們，為生活提供方便。

　　【NFC手機支付】

　　NFC發(fā)展極為迅速，已經(jīng)由最初知識RFID技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的簡單合并，到現(xiàn)在已經(jīng)演變成一種短距離無線通信技術(shù)。

　　把NFC芯片裝在手機上，手機就可以實現(xiàn)小額電子支付和讀取其他NFC設(shè)備或標(biāo)簽的信息。NFC的短距離交互大大簡化了整個認(rèn)證識別過程，使電子設(shè)備間相互訪問更直接、更安全和更清楚。

　　支持NFC的設(shè)備可以在主動或被動模式下交換數(shù)據(jù)。

　　在主動模式下，每臺設(shè)備要向另一臺涉筆發(fā)送數(shù)據(jù)時，都必須產(chǎn)生自己的射頻場。如圖，發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都要產(chǎn)生自己的射頻場，以便進(jìn)行通信。

　　如圖，移動設(shè)備主要以被動模式操作，可以大幅降低功耗，并延長電池使用壽命。在一個應(yīng)用會話過程中，NFC設(shè)備可以在發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備之間切換自己的角色。利用這項功能，電池電量較低的設(shè)備可以要求以被動模式充當(dāng)目標(biāo)設(shè)備，而不是發(fā)起設(shè)備

　　【ETC】

　　ETC電子不停車收費系統(tǒng)是一種用于公路、橋梁和隧道的新型電子自動收費技術(shù)。它通過車載電子標(biāo)簽和微波天線之間的專用短程通訊，在不需要司機停車和其他收費人員采取任何操作對的情況下，自動完成收費處理全過程。

　　ETC（ Electronic Toll Collection ） 不停車收費系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)的路橋收費方式。通過安裝在車輛擋風(fēng)玻璃上的車載電子標(biāo)簽與在收費站 ETC 車道上的微波天線之間的微波專用短程通訊，利用計算機聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺結(jié)算處理，從而達(dá)到車輛通過路橋收費站不需停車而能交納路橋費的目的。

　　【關(guān)鍵技術(shù)】

　　1.車輛自動識別技術(shù)：主要由車載設(shè)備和路邊設(shè)備組成，兩者通過短程通信DSRC完成路邊設(shè)備對車載設(shè)備信息的一次讀寫，即完成收付費交易所必須的信息交換手續(xù)。

　　2.自動車型分類技術(shù)：在ETC車道安裝車型傳感器測定和判斷車輛的車型，以便按照車型實施收費。

　　3.違章車輛抓拍技術(shù)：主要由數(shù)碼照相機、圖像傳輸設(shè)備、車輛牌照自動識別系統(tǒng)等組成。對不安裝車載設(shè)備OUB的車輛用數(shù)碼相機實施抓拍措施，并傳輸?shù)绞召M中心，通過車輛自動識別系統(tǒng)識別違章車輛的車主，并實施通信費的補收手續(xù)。

　　【ETC系統(tǒng)構(gòu)成】

　　1.車載單元

　　2.路測單元

　　3.DSRC協(xié)議

　　【ETC與RFID】

　　ETC是RFID中的一個分支?，F(xiàn)在一般用有源2.45GHZ，這個頻段的特點是識別距離遠(yuǎn)，缺點是標(biāo)簽帶有電池，成本較高，，需要定期更換電池。

　　【UWB技術(shù)】

　　超寬帶技術(shù)UWB是一種無線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒至微微秒級窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，所以它也被成為無線電領(lǐng)域的一次革命性進(jìn)展。

　　【技術(shù)原理】

　　UWB技術(shù)最基本的工作原理是發(fā)送和接受脈沖間隔嚴(yán)格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接受機直接用一級前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號，省去了傳統(tǒng)通信設(shè)備中的中頻級，極大地降低了設(shè)備的復(fù)雜性。

　　USB系統(tǒng)采用相關(guān)接受技術(shù)，關(guān)鍵部位稱為相關(guān)器。相關(guān)器用準(zhǔn)備好的模板波形乘以接受到的射頻信號，再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘器實質(zhì)上是改進(jìn)了延遲探測器，模板波形匹配時，相關(guān)器的輸出結(jié)果量度了接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差，

　　值得注意的是，雖然UWB信號幾乎不對工作于同一頻率的無線設(shè)備造成干擾。但是所有帶內(nèi)的無線電信號都是對UWB信號的干擾，UWB可以綜合運用偽隨機編碼和隨機脈沖位置調(diào)制以及相關(guān)解調(diào)技術(shù)來解決這一問題。

　　【UWB的技術(shù)特點】

　　1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)比較簡單：當(dāng)前的無線通信技術(shù)所使用的通信載波是連續(xù)的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內(nèi)變化，從而利用載波的狀態(tài)變化來傳輸信息。而UWB則不使用載波，它通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。

　　2.高速的數(shù)據(jù)傳輸：UWB 以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨占用現(xiàn)在已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。

　　3.功耗低：WB 系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般在0. 20ns～1. 5ns 之間，有很低的占空因數(shù)，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB 設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動電話所需功率的1/ 100 左右，是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/ 20 左右。軍用的UWB 電臺耗電也很低。

　　4.安全性高：作為通信系統(tǒng)的物理層技術(shù)具有天然的安全性能。

　　5.多徑分辨能力強：由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠(yuǎn)大于多徑傳播時間， 多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　6.定位精確：沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規(guī)無線電難以做到這一點。

　　7.工程簡單造價便宜：在工程實現(xiàn)上，UWB比其它無線技術(shù)要簡單的多，可全數(shù)字化實現(xiàn)。