射频识别(RFID)技术的基本原理、特性、发展和应用

何谓射频识别

随着高科技的蓬勃发展，智能化管理已经走进了人们的社会生活，一些门禁卡、第二代身份证、公交卡、超市的物品标签等，这些卡片正在改变人们的生活方式。其实秘密就在这些卡片都使用了射频识别技术，可以说射频识别已成为人们日常生活中最简单的身份识别系统。RFID技术带来的经济效益已经开始呈现在世人面前。RFID 是结合了无线电、芯片制造及计算机等学科的新技术。

1.射频识别的定义

射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号及其空间耦合的传输特性，实现对静止或移动物品的自动识别。射频识别常称为感应式电子芯片或近接卡，感应卡，非接触卡、电子标签、电子条码等。

一个简单的RFID 系统由阅读器(Reader)应答器(Transponder)或电子标签(Taq)组成，其原理是由读写器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路，读取应答器内部的ID码。应答器其形式有卡、纽扣、标签等多种类型，电子标签具有免用电池、免接触、不怕脏污，且芯片密码为世界唯一无法复制，具有安全性高、寿命长等特点。所以，RFID标签可以贴在或安装在不同物品上由安装在不同地理位置的读写器读取存储于标签中的数据，实现对物品的自动识别。

RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物芯片、汽车芯片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理、校园一卡通等。

2.射频识别技术的发展

RFID 技术起源干第二次世界大战时期的飞机器达探测技术。雷达应用电磁能量在空间的传播实现对物体的识别。"二战"期间，英军为了区别盟军和德军的飞机，在盟军的飞机上装备了一个无线电收发器。战斗中控制塔上的探询器向空中的飞机发射一个询问信号，当飞机上的收发器接收到这个信号后，回传一个信号给探询器，探询器根据接收到的回传信号来识别是否己方飞机。这一技术至今还在商业和私人航空控制系统中使用。雷达的改进和应用催生了RFID技术。

1945年，LeonTheremin发明了第一个基于REID技术的间谍用装置。1948年 HarrvStockman发表的论文利用反射功率的通信"莫定了射频识别的理论基础。Harry stockman同时预言，在能量反射通信中还有许多问题需要解决，在开辟RFID的实际应用领域之前，还要做相当多的研究和开发工作。

20世纪50年代是RFID技术研究和应用的探索阶段，远距离信号转发器的发明扩大了敌我识别系统的识别范围。D.B.Harris提出了信号模式化的理论及被动标签的概念。直到20世纪70年代，RFID技术终于走出实验室进入了应用阶段。很快，RFID技术与产品得到了很大的发展，各种测试技术加速发展，出现了早期的规模化应用。

20 世纪80年代以来，集成电路、微处理器等技术的发展加速了RFID的发展，各种规模化应用发展起来，封闭系统应用开始成形。

在1991年，美国奥克拉荷马州出现了世界上第一个开放式公路自动收费系统。而近几年来，随着自动收费、门禁、身份卡片等的应用，RFID技术已经走入了人们的生活。

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的时期，各种RFID技术测试的到加速，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年以后，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。

在我国RFID市场的发展中，政府相关应用占据了REID应用领域中最大的份额。第二代身价证是近年我国RFID市场规模得以迅速扩大的重要原因之一。除了身价证，政府在城市交通、铁路、网吧、危险物品管理等方面都推动了RFID的应用，主要利用RFID读取的方便性和安全性。政府的推动不仅拓展了我国RFID 市场，同时也带动了相关产业的发展，有助于发展配套环节、完善产业链，为RFID的进一步发展提供条件。

在跟踪发达国家RFID技术的同时，自主创新也在如火如荼地进行中。有多家企业瞄准了标签读写器和电子标签产品，在读写器和电子标签产品系列化，多样化方面取得了显著成里，在标签生产方面，初步形成以生产标签芯片的厂家为龙头，以标签天线设计，芯片与天线封装制作为主体的行业队伍。RFID技术的应用只是在某些领域中比较成熟，还需要在更多领域中开展研究，开拓更广阔的应用。

3.射频识别技术特点

RFID技术的主要特点是通过电磁耦合方式来传送识别信息，不受空间限制，可快速地进行物体跟踪和数据交换。由于RFID 需要利用无线电频率资源，必须遵守无线电频率管理的诸多规范。具体来说，与同期或早期的接触式识别技术相比较，RFID还具有如下一些特点。

(1)数据的读写功能。只要通过RFID读写器，不需要接触即可直接读取射频卡内的数据信息到数据库内，且一次可处理多个标签，也可以将处理的数据状态写入电子标签。

(2)电子标签的小型化和多样化。RFID在读取上并不受尺寸大小与形状之限制，不需要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电子标签更可向小型化发展，便于嵌入到不同物品内。因此，可以更加灵活地控制物品的生产和控制，特别是在生产线上的应用。

(3)耐环境性。RFID最突出的特点是可以非接触读写(读写距离可以从十厘米至几十米)可识别高速运动物体，抗恶劣环境，且对水、油和药品等物质具有强力的抗污性。RFID可以在黑暗或脏污的环境之中读取数据。

(4)可重复使用。由于RFID为电子数据，可以反复读写，因此可以回收标签重复使用，提高利用率，降低电子污染。

(5)穿透性。RFID即便是被纸张、木材和塑料等非金属、非透明材质包覆，也可以进行穿透性通信。但是它不能穿过铁质等金属物体进行通信。

(6)数据的记忆容量大。数据容量会随着记忆规格的发展而扩大，未来物品所需携带的数据量会愈来愈大，对卷标所能扩充容量的需求也会增加，对此RFID将不会受到限制。

(7)系统安全性。将产品数据从中央计算机中转存到标签上将为系统提供安全保障，大大地提高系统的安全性。射频标签中数据的存储可以通过校验或循环冗余校验的方法来得到保证。

4.系统组成和工作原理

本文简单介绍了RFID系统的组成和工作原理。最基本的RFID系统由三部分组成:

1.标签(Tag，即射频卡):由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。

2.阅读器:读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。

3.天线:在标签和读取器间传递射频信号。

有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接进行数据交换。

5.系统的基本工作流程

阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理:主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，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机构动作。

在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法看根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括:产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量;对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡:接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异。

阅读器的控制单元的功能包括:与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令;控制与射频卡的通信过程(主-从原则);信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。

射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的O值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约是读取距离的40%~80%。

RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。

不同频段的 RFID 产品会有不同的特性，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率

产品的特性以及主要的应用。

6RFID工作频率指南和典型应用

目前定义RFID 产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品，而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。

一、低频(从125KHz到134KHz)

其实RFID 技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用.磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降得太快。

特性:

1.工作在低频的感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz，TI的工作频率为

134.2KHz。该频段的波长大约为2500m.

2.除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。

3.工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。

4低频产品有不同的封装形式。好的封装形式就是价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。

5虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

6相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。

7感应器的价格相对与其他频段来说要贵。主要应用:1畜牧业的管理系统2汽车防盗和无钥匙开门系统的应用3，马拉松赛跑系统的应用4.自动停车场收费和车辆管理系统5自动加油系统的应用

8酒店门锁系统的应用7门禁和安全管理系统符合的国际标准:a)ISO11784 RFID畜牧业的应用-编码结构b)ISO11785 RFID畜牧业的应用-技术理论C)ISO14223-1RFID畜牧业的应用-空气接口d)ISO14223-2RFID畜牧业的应用-协议定义e)ISO18000-2定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议f)DIN 30745主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准

二、高频(工作频率为13.56MHz)

在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。

1. 工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m。

2.除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。

​3.该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。

4.感应器一般以电子标签的形式。

5.虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

6.该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。

7.可以把某些数据信息写入标签中。

8.数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。

主要应用:1.图书管理系统的应用 2.万斯钢瓶的管理应用 3. 服装生产线和物流系统的管理和应用 4. 三表预收费系统 5.酒店门锁的管理和应用 6.大型会议人员通道系统 7.固定资产的管理系统 8.医药物流系统的管理和应用9.智能货架的管理

1. 符合的国际标准:

   a)ISO/IEC14443近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm

   b)ISO/IEC15693疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m

   C)ISO/IEC 18000-3该标准定义了13.56MHz系统的物理层，防冲撞算法和通讯协议。

   d)13.56MHzISM Band Class1定义13.56MHz符合EPC的接口定义。

三、超高频(工作频率为860MHz到960MHz之间)

超高频系统通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。主要是通过电容耦合的方式进行实现。

1.在该频段，全球的定义不是很相同-欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz北美定义的频段为902到905MHz之间，在日本建议的频段为950到956之间。该频段的波长大概为30cm左右。

2.目前，该频段功率输出目前统一的定义(美国定义为4W，欧洲定义为500mW)。可能欧洲限制会上升到2W EIRP。

3. 超高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水，灰尘，雾等悬浮颗粒物资。相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标签不需要和金属分开来。

4.电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。

5.该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。

6.有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。

主要应用:1.供应链上的管理和应用2.生产线自动化的管理和应用3.航空包裹的管理和应用4.集装箱的管理和应用5铁路包裹的管理和应用6.后勤管理系统的应用

a)ISO/IEC18000-6定义了超高频的物理层和通讯协议;空气接口定义了TypeA和TypeB两部分;支持可读和可写操作。

b)EPCglobal定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通讯的协议。例如:Class Class 1UHF Gen2。

c)UbiquitousID日本的组织，定义了UID编码结构和通信管理协议。

在将来，超高频的产品会得到大量的应用。例如 WalMartTesco，美国国防部和麦德龙超市都会在它们的供应链上应用RFID技术。

有源RFID技术(2.45GHz、5.8G)

有源RFID具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大，可靠性高和兼容性好等特点。与无源RFID相比,在技术上的优势非常明显。被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。

射频识别作为一种新型的自动识别技术，在中国拥有巨大的发展潜力。

射频识别技术(RFID，Radio FrequencyIdentification)实际上是自动识别技术(AEIAutomatic EquipmentIdentification)在无线电技术方面的具体应用与发展。该项技术的基本思想是，通过采用一些先进的技术手段，实现人们对各类物体或设备(人员、物品)在不同状态(移动、静止或恶劣环境)下的自动识别和管理