RFID是英文“RADIO FREQUENCY IDENTIFICATION”的縮寫。射頻技術(shù)是利用無線電波對記錄媒體進行讀寫。射頻識別的距離可達幾十厘米至幾米,且根據(jù)讀寫的方式,可以輸入數(shù)千字節(jié)的信息,同時,還具有極高的保密性。射頻識別技術(shù)適用的領(lǐng)域:物料跟蹤、運載工具和貨架識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場合,要求頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場合尤為適用。如香港的車輛自動識別系統(tǒng)—駕易通,采用的主要技術(shù)就是射頻技術(shù)。目前香港已經(jīng)有約8萬輛汽車裝上了電子標(biāo)簽,裝有電子標(biāo)簽的車輛通過裝有射頻掃描器的專用隧道、停車場或高速公路路口時,無需停車?yán)U費,大大提高了行車速度,提高了效率。射頻技術(shù)在其它物品的識別及自動化管理方面也得到了較廣泛的應(yīng)用。 現(xiàn)在,RFID是AIDC領(lǐng)域最熱門的技術(shù),盡管這種技術(shù)已經(jīng)存在發(fā)展了許多年了,但它只有在從本領(lǐng)域眾多的發(fā)明技術(shù)中總結(jié)規(guī)劃出一個技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以后才能得到快速的切實的應(yīng)用,ISO和AIM(AUTO-ID MANUFACTURES)正在進行這方面的工作,相信不久的將來,RFID會得到很快的發(fā)展。 1、RFID系統(tǒng)的組成 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:
1)、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)男畔ⅲ硗,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。標(biāo)簽一般是帶有線圈、天線、存儲器與控制系統(tǒng)的低電集成電路。典型的標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如上圖所示:按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)簽有許多不同的分類。 。1)、主動式標(biāo)簽、被動式標(biāo)簽 在實際應(yīng)用中,必須給標(biāo)簽供電它才能工作,雖然它的電能消耗是非常低的(一般是百萬分之一毫瓦級別)。按照標(biāo)簽獲取電能的方式不同,可以把標(biāo)簽分成主動式標(biāo)簽與被動式標(biāo)簽。主動式標(biāo)簽內(nèi)部自帶電池進行供電,它的電能充足,工作可靠性高,信號傳送的距離遠。另外,主動式標(biāo)簽可以通過設(shè)計電池的不同壽命對標(biāo)簽的使用時間或使用次數(shù)進行限制,它可以用在需要限制數(shù)據(jù)傳輸量或者使用數(shù)據(jù)有限制的地方,比如,一年內(nèi),標(biāo)簽只允許讀寫有限次。主動式標(biāo)簽的缺點主要是標(biāo)簽的使用壽命受到限制,而且隨著標(biāo)簽內(nèi)電池電力的消耗,數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x會越來越小,影響系統(tǒng)的正常工作。 被動式標(biāo)簽內(nèi)部不帶電池,要靠外界提供能量才能正常工作。被動式標(biāo)簽典型的產(chǎn)生電能的裝置是天線與線圈,當(dāng)標(biāo)簽進入系統(tǒng)的工作區(qū)域,天線接收到特定的電磁波,線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電流,在經(jīng)過整流電路給標(biāo)簽供電。被動式標(biāo)簽具有永久的使用期,常常用在標(biāo)簽信息需要每天讀寫或頻繁讀寫多次的地方,而且被動式標(biāo)簽支持長時間的數(shù)據(jù)傳輸和永久性的數(shù)據(jù)存儲。被動式標(biāo)簽的缺點主要是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x要比主動式標(biāo)簽小。因為被動式標(biāo)簽依靠外部的電磁感應(yīng)而供電,它的電能就比較弱,數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和信號強度就受到限制,需要敏感性比較高的信號接收器(閱讀器)才能可靠識讀。 。2) 只讀標(biāo)簽與可讀可寫標(biāo)簽 根據(jù)內(nèi)部使用存儲器類型的不同,標(biāo)簽可以分成只讀標(biāo)簽與可讀可寫標(biāo)簽。只讀標(biāo)簽內(nèi)部只有只讀存儲器ROM(READ ONLY MEMORY)和隨機存儲器RAM (RANDOM ACCESS MEMORY)。ROM用于存儲發(fā)射器操作系統(tǒng)說明和安全性要求較高的數(shù)據(jù),它與內(nèi)部的處理器或邏輯處理單元完成內(nèi)部的操作控制功能,如響應(yīng)延遲時間控制,數(shù)據(jù)流控制,電源開關(guān)控制等。另外,只讀標(biāo)簽的ROM中還存儲有標(biāo)簽的標(biāo)識信息。這些信息可以在標(biāo)簽制造過程中由制造商寫入ROM中,也可以在標(biāo)簽開始使用時由使用者根據(jù)特定的應(yīng)用目的寫入特殊的編碼信息。這種信息可以只簡單地代表二進制中的“0”或者“1”,也可以象二維條碼那樣,包含復(fù)雜的相當(dāng)豐富的信息。但這種信息只能是一次寫入,多次讀出。只讀標(biāo)簽中的RAM用于存儲標(biāo)簽反應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸過程中臨時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。另外,只讀標(biāo)簽中除了ROM和ROM外,一般還有緩沖存儲器,用于暫時存儲調(diào)制后等待天線發(fā)送的信息。 可讀可寫標(biāo)簽內(nèi)部的存儲器除了ROM、RAM和緩沖存儲器之外,還有非活動可編程記憶存儲器。這種存儲器除了存儲數(shù)據(jù)功能外,還具有在適當(dāng)?shù)臈l件下允許多次寫入數(shù)據(jù)的功能。非活動可編程記憶存儲器有許多種,EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)是比較常見的一種,這種存儲器在加電的情況下,可以實現(xiàn)對原有數(shù)據(jù)的擦除以及數(shù)據(jù)的重新寫入。 。3) 標(biāo)識標(biāo)簽與便攜式數(shù)據(jù)文件 根據(jù)標(biāo)簽中存儲器數(shù)據(jù)存儲能力的不同,可以把標(biāo)簽分成僅用于標(biāo)識目的的標(biāo)識標(biāo)簽與便攜式數(shù)據(jù)文件兩種。對于標(biāo)識標(biāo)簽來說,一個數(shù)字或者多個數(shù)字字母字符串存儲在標(biāo)簽中,為了識別的目的或者是進入信息管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的鑰匙(KEY)。條碼技術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)碼制的號碼,如EAN/UPC碼,或者混合編碼,或者標(biāo)簽使用者按照特別的方法編的號碼,都可以存儲在標(biāo)識標(biāo)簽中。標(biāo)識標(biāo)簽中存儲的只是標(biāo)識號碼,用于對特定的標(biāo)識項目,如人、物、地點進行標(biāo)識,關(guān)于被標(biāo)識項目的詳細的特定的信息,只能在與系統(tǒng)相連接的數(shù)據(jù)庫中進行查找。 顧名思義,便攜式數(shù)據(jù)文件就是說標(biāo)簽中存儲的數(shù)據(jù)非常大,足可以看作是一個數(shù)據(jù)文件。這種標(biāo)簽一般都是用戶可編程的,標(biāo)簽中除了存儲標(biāo)識碼外,還存儲有大量的被標(biāo)識項目其它的相關(guān)信息,如包裝說明,工藝過程說明等等。在實際應(yīng)用中,關(guān)于被標(biāo)識項目的所有的信息都是存儲在標(biāo)簽中的,讀標(biāo)簽就可以得到關(guān)于被標(biāo)識項目的所有信息,而不用再連接到數(shù)據(jù)庫進行信息讀取。另外,隨著標(biāo)簽存儲能力的提高,可以提供組織數(shù)據(jù)的能力,在讀標(biāo)簽的過程中,可以根據(jù)特定的應(yīng)用目的控制數(shù)據(jù)的讀出,實現(xiàn)在不同的情況下讀出的數(shù)據(jù)部分不同。 2)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。 3) 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)的天線進行設(shè)計、安裝。 2、無線數(shù)據(jù)通信(RFDC) 標(biāo)簽與閱讀器之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過空氣介質(zhì)以無線電波的形式進行的。一般地,我們可以用兩個參數(shù)衡量數(shù)據(jù)在空氣介質(zhì)中的傳播,數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蛿?shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。由于標(biāo)簽的體積、電能有限,從標(biāo)簽中發(fā)出的無線信號是非常弱的,信號傳輸?shù)乃俣扰c傳輸?shù)木嚯x就很有限。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速、遠距離地傳輸,必須把數(shù)據(jù)信號疊加在一個規(guī)則變化的信號比較強的電波上,這個過程叫調(diào)制,規(guī)則變化的電波叫載波。在RFID系統(tǒng)中,載波電波一般由閱讀器或編程器發(fā)出。有多種方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在載波上的調(diào)制,如用數(shù)據(jù)信息改變載波的波幅叫調(diào)幅;改變載波的頻率叫調(diào)頻;改變載波的相位叫調(diào)相等等。一般來說,使用的載波頻率越高,數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)乃俣仍娇,例如?.4GHZ頻率的載波,可以實現(xiàn)2Mbps(相當(dāng)于每秒可以傳輸大約200萬個字符)。但是,不能無限地提高載波頻率以提高信息傳輸速度,因為,無線電波頻率的選用是受到政府管制的,各個國家一般都對不同頻率的無線電波規(guī)定了不同的應(yīng)用目的,RFID技術(shù)無線電波的選擇也必須遵守這種規(guī)定。目前,國內(nèi)一般采用通信頻率為2.4GHz擴頻技術(shù)進行通信。這是因為在我國2.4G-2.4835GHz 的頻段是無需向國家無線電管理委員會申請使用許可證的公用頻段。過去,商業(yè)的無線數(shù)據(jù)傳輸一般采用窄帶傳輸,即使用比較單一的載波頻率傳輸數(shù)據(jù),F(xiàn)在,商業(yè)領(lǐng)域廣泛使用擴頻技術(shù)傳輸無線數(shù)據(jù),即使用有一定范圍的頻率傳輸數(shù)據(jù),這就有了帶寬的概念,帶寬就是通信中使用的最高的載波頻率與最低的載波頻率之差。使用寬帶頻率傳輸數(shù)據(jù)最明顯的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣冗M一步加快,而且可靠性更高,因為當(dāng)一個頻率的載波線路繁忙或出現(xiàn)故障時,信息可以通過別的頻率載波線路傳輸。實際商用寬帶傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)又可以分為兩種:即直接序列擴頻技術(shù)(Direct Sequence Spread Spectrum,簡稱直頻技術(shù))和跳頻技術(shù)(Frequency Hopping FH)。 直頻技術(shù)使用偽隨機碼對數(shù)據(jù)進行處理,得到擴頻序列,然后將擴頻序列調(diào)制通過不同的信道同時進行傳輸,信號接收裝置收到信號后將信號解碼并按照特定的算法重組信息,以還原成可以識讀的信息。應(yīng)用這種技術(shù),系統(tǒng)占用功率頻譜密度(在單位頻段上的發(fā)射功率)大大降低,信息擴展到一個比較寬的頻率范圍內(nèi)傳輸,達到可抵抗其它特定頻率干擾的目的。我國的無委會規(guī)定的開放頻段與歐洲標(biāo)準(zhǔn)一致,參照歐洲標(biāo)準(zhǔn),直頻技術(shù)可以從13個信道(中心頻點)中選用,為了免除自身干擾,選用的互相關(guān)聯(lián)的不同信道之間,兩兩之間頻率至少間隔30MHZ。這13個頻點的設(shè)定從2.412至2.472GHz之間,共有60M帶寬,通常直頻系統(tǒng)只能選擇2-3個信道進行數(shù)據(jù)傳播,在一定程度上不能充分利用頻帶資源,影響了數(shù)據(jù)的傳播速度。另外,由于使用同一功率支持多個信道的數(shù)據(jù)傳輸,一個信道上載波的波幅就比較小,信息傳輸?shù)木嚯x受到限制。 跳頻技術(shù)與直頻技術(shù)完全不同,跳頻的載頻受一個偽隨機碼的控制,在其工作帶寬內(nèi),不斷地跳變頻率,跳頻相當(dāng)于瞬時的窄帶通信系統(tǒng),在2.4-2.4853GHz之間將信道設(shè)為79個,每隔0.02-0.1秒跳變一個頻率,當(dāng)跳躍至某個頻點時,先判斷該頻點是否有噪聲干擾,若無則傳輸信號,若有則依據(jù)算法跳至下一頻點繼續(xù)判斷。因此在不同的頻點,跳頻的頻率及傳輸率可能會變化,并且很難避免一些無謂的頻率上的損耗,即在檢測頻點是否空閑時會造成信號傳輸延遲。另外,因為系統(tǒng)有響應(yīng)時間限制,超過響應(yīng)時間,跳頻設(shè)備會認(rèn)為檢測信號發(fā)射失敗(丟包),會命令發(fā)射機重發(fā),也造成系統(tǒng)資源的浪費。變頻技術(shù)的特點是保密性好,抗干擾能力也比較好。與直頻技術(shù)相比,信息傳輸?shù)木嚯x也比較遠。商用系統(tǒng)的跳變頻率較低,在每秒50跳以內(nèi),成本較低。 影響數(shù)據(jù)傳輸距離遠近的首要因素是載波信號與標(biāo)簽中數(shù)據(jù)信號的強度,載波信號的強度受閱讀器功率大小控制,標(biāo)簽中數(shù)據(jù)信號的強度由標(biāo)簽自帶電池功率(主動式標(biāo)簽)或標(biāo)簽可以產(chǎn)生的電能(被動式標(biāo)簽)大小決定。一般來說,閱讀器和標(biāo)簽的功率越大,載波信號和數(shù)據(jù)信號越強,數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)木嚯x越遠。無線電波在空氣介質(zhì)中傳播,隨著傳播的距離越來越遠,信號的強度會越來越弱。從理論上說,無線電波的衰減程度與傳輸距離的平方成正比。在系統(tǒng)實際應(yīng)用中應(yīng)該注意的是,不能為了達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x而無限制的提高閱讀器和標(biāo)簽的功率,因為與載波頻率的選擇一樣,無線電波的功率是受到政府的管制的。除了系統(tǒng)功率影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x外,空氣介質(zhì)的性質(zhì)和數(shù)據(jù)傳輸路徑也顯著影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x?諝饨橘|(zhì)的性質(zhì)包括空氣的密度、濕度等性質(zhì)。一般來說,采用的載波頻率越高,空氣性質(zhì)不同對數(shù)據(jù)傳輸距離的影響越明顯?諝獾臐穸仍酱蠡蛘呤强諝獾拿芏仍礁,介質(zhì)對無線電波的吸收越嚴(yán)重,數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x就越小。另外,如果數(shù)據(jù)傳輸路徑中有許多障礙物,也會顯著影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x,因為無線電波碰到障礙物時,物體一般都會對無線電波產(chǎn)生吸收和反射。考慮到空氣的性質(zhì)和數(shù)據(jù)傳輸中經(jīng)過障礙物,無線電波衰減的程度有時可以達到與傳輸距離的四次方成正比。影響數(shù)據(jù)傳輸距離的因素還包括,發(fā)射、接收天線的設(shè)計和布置,躁聲干擾等等。 5、 RFID系統(tǒng)的分類 根據(jù)RFID系統(tǒng)完成的功能不同,可以粗略地把RFID系統(tǒng)分成四種類型:EAS系統(tǒng)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)。 1)、EAS技術(shù) ELECTRONIC ARTICLE SURVEILLANCE(EAS)是一種設(shè)置在需要控制物品出入的門口的RFID技術(shù)。這種技術(shù)的典型應(yīng)用場合是商店、圖書館、數(shù)據(jù)中心等地方,當(dāng)未被授權(quán)的人從這些地方非法取走物品時,EAS系統(tǒng)會發(fā)出警告。在應(yīng)用EAS技術(shù)時,首先在物品上粘付EAS標(biāo)簽,當(dāng)物品被正常購買或者合法移出時,在結(jié)算處通過一定的裝置使EAS標(biāo)簽失活,物品就可以取走。物品經(jīng)過裝有EAS系統(tǒng)的門口時,EAS裝置能自動檢測標(biāo)簽的活動性,發(fā)現(xiàn)活動性標(biāo)簽EAS系統(tǒng)會發(fā)出警告。EAS技術(shù)的應(yīng)用可以有效防止物品的被盜,不管是大件的商品,還是很小的物品。應(yīng)用EAS技術(shù),物品不用再鎖在玻璃櫥柜里,可以讓顧客自由地觀看、檢查商品,這在自選日益流行的今天有著非常重要的現(xiàn)實意義。典型的EAS系統(tǒng)一般由三部分組成,1)、附著在商品上的電子標(biāo)簽,電子傳感器;2)、電子標(biāo)簽滅活裝置,以便授權(quán)商品能正常出入;3)、監(jiān)視器,在出口造成一定區(qū)域的監(jiān)視空間。 EAS系統(tǒng)的工作原理是:在監(jiān)視區(qū),發(fā)射器以一定的頻率向接收器發(fā)射信號。發(fā)射器與接受器一般安裝在零售店、圖書館的出入口,形成一定的監(jiān)視空間。當(dāng)具有特殊特征的標(biāo)簽進入該區(qū)域時,會對發(fā)射器發(fā)出的信號產(chǎn)生干擾,這種干擾信號也會被接收器接收,再經(jīng)過微處理器的分析判斷,就會控制警報器的鳴響。根據(jù)發(fā)射器所發(fā)出的信號不同以及標(biāo)簽對信號干擾原理不同,EAS可以分成許多種類型。關(guān)于EAS技術(shù)最新的研究方向是標(biāo)簽的制作,人們正在討論EAS標(biāo)簽?zāi)懿荒芟髼l碼一樣,在產(chǎn)品的制作或包裝過程中加進產(chǎn)品,成為產(chǎn)品的一部分。 2)、便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是使用帶有RFID閱讀器的手持式條碼采集器采集RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)具有比較大的靈活性,適用于不宜安裝固定式RFID系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。手持式閱讀器(數(shù)據(jù)輸入終端)可以在讀取數(shù)據(jù)的同時,通過無線電波數(shù)據(jù)傳輸方式(RFDC)實時地向主計算機系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù),也可以暫時將數(shù)據(jù)存儲在閱讀器中,在一批一批地向主計算機系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。 3)物流控制系統(tǒng) 在物流控制系統(tǒng)中,固定布置的RFID閱讀器分散布置在給定的區(qū)域,并且閱讀器直接與數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)相連,信號發(fā)射機是移動的,一般安裝在移動的物體、人上面。當(dāng)物體、人流經(jīng)閱讀器時,閱讀器會自動掃描標(biāo)簽上的信息并把數(shù)據(jù)信息輸入數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)存儲、分析、處理,達到控制物流的目的。 4)定位系統(tǒng) 定位系統(tǒng)用于自動化加工系統(tǒng)中的定位以及對車輛、輪船等進行運行定位支持。閱讀器放置在移動的車輛、輪船上或者自動化流水線中移動的物料、半成品、成品上,信號發(fā)射機嵌入到操作環(huán)境的地表下面。信號發(fā)射機上存儲有位置識別信息,閱讀器一般通過無線的方式或者有線的方式連接到主信息管理系統(tǒng)。
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