RFID技術(shù) 全省一等獎(jiǎng)

RFID原理及產(chǎn)品介紹小組成員：張晶、趙躍、蘇立虎內(nèi)容概要RFID系統(tǒng)組成

5.RFID讀寫器簡(jiǎn)介4.RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)3.RFID技術(shù)研究現(xiàn)狀2.RFID工作原理6.RFID應(yīng)用前景展望及未來(lái)研究方向1.RFID系統(tǒng)組成

RFID系統(tǒng)主要是由電子標(biāo)簽、天線、讀寫器、中間件和主機(jī)組成。

RFID硬件組成（1）標(biāo)簽(Tag)

由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽有內(nèi)置天線，可以發(fā)送和接收信號(hào)。根據(jù)是否有電源，分為有源和無(wú)源標(biāo)簽；根據(jù)標(biāo)簽的讀寫性,分為只讀和讀寫標(biāo)簽；根據(jù)標(biāo)簽和閱讀器發(fā)言先后，分為RTF和TTF；根據(jù)頻段的不同，分為低頻、高頻、超高頻和微波標(biāo)簽。（2）讀寫器

用以產(chǎn)生發(fā)射無(wú)線電射頻信號(hào)并接收由電子標(biāo)簽反射回的無(wú)線電射頻信號(hào)，經(jīng)處理后獲取標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，有時(shí)還可以寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備。（3）天線

在標(biāo)簽和讀寫器間傳遞射頻信號(hào)，控制數(shù)據(jù)的獲取和通訊。一般而言，天線都會(huì)與讀寫器整合在一起，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式。以最常見的交通卡為例，卡內(nèi)嵌有一個(gè)電子標(biāo)簽，公交車上的讀卡器內(nèi)置了一個(gè)讀寫器和一根天線，其讀寫距離為l0厘米左右，屬于低頻產(chǎn)品，成本相對(duì)較低。（4）RFID中間件

RFID中間件是將底層RFID硬件和上層企業(yè)應(yīng)用結(jié)合在一起的粘合劑。雖然原則上的中間件是橫向的軟件技術(shù)，但在RFID系統(tǒng)中，為使其更適用于特定行業(yè)，RFID中間件往往會(huì)針對(duì)行業(yè)做一定的適配工作。在RFID系統(tǒng)這種具體情況下，中間件層除通常的功能外，還有以下特定功能：1.使閱讀／寫人更加可靠2.把數(shù)據(jù)通過(guò)讀卡器網(wǎng)絡(luò)推或者拉到正確位置(類似路由器)3.監(jiān)測(cè)和控制讀卡器4.提供安全讀／寫操作5.降低射頻干擾6.處理標(biāo)簽型和讀卡器型事件7.接受并且轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自應(yīng)用的中斷指令8.給用戶提供異常告警2.RFID原理（1）工作原理

讀寫器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射一定頻率的射頻信號(hào)，標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)，標(biāo)簽被激活，將自身的信息代碼通過(guò)內(nèi)置天線發(fā)出，讀寫器獲取標(biāo)簽信息代碼并解碼后，將標(biāo)簽信息送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由圖可以看出，在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作過(guò)程中，始終以能量作為基礎(chǔ)，通過(guò)一定的時(shí)序方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。（2）讀寫器與應(yīng)用系統(tǒng)間通信原理

讀寫器將標(biāo)簽發(fā)來(lái)的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)解調(diào)解碼后，通過(guò)USB、串口、網(wǎng)口等，將得到的信息傳給應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)可以給讀卡器發(fā)送相應(yīng)的命令，控制讀寫器完成相應(yīng)的任務(wù)。

（3）耦合原理

RFID閱讀器和標(biāo)簽在能夠通信前必須先完成耦合。耦合的方式一般分為電感耦合、電容耦合、磁耦合、后向散射。耦合的方式將決定RFID系統(tǒng)的頻率與通信距離范圍。電容耦合一般用于非常近的距離(小于lena)。標(biāo)簽與閱讀器中均有大導(dǎo)通平面，當(dāng)兩者靠得很近時(shí)，便形成了一個(gè)電容。交流信號(hào)就可以通過(guò)此電容從閱讀器傳送到標(biāo)簽或從標(biāo)簽傳送到閱讀器。該耦合方式能夠傳遞的能量很大，因此能夠驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽中較復(fù)雜的電路。電感耦合利用標(biāo)簽與閱讀器中的線圈構(gòu)成一個(gè)暫時(shí)的變壓器。閱讀器產(chǎn)生的電流對(duì)其線圈充電，同時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)在標(biāo)簽的線圈中產(chǎn)生電流，對(duì)標(biāo)簽的電路供電且傳遞信息。電感耦合工作距離比電容耦合長(zhǎng)，約為10cm左右。磁耦合與電感耦合很相似，主要區(qū)別在于其工作距離與電容電容耦合一樣只有l(wèi)cm以內(nèi)，因此多用于插入式讀取。后向散射耦合方式是RFID系統(tǒng)中采用得較多的一種。EPCGen2的RFID標(biāo)簽便采用此種耦合方式。閱讀器發(fā)送RF信號(hào)到標(biāo)簽，標(biāo)簽通過(guò)接收到的RF信號(hào)提供自身供電及解調(diào)信號(hào)，然后反射回閱讀器，工作距離可達(dá)10m以上。3.RFID技術(shù)的研究現(xiàn)狀

（1）編碼調(diào)制

RFID系統(tǒng)的基帶數(shù)字編碼部分通常采用非歸零碼、單極性歸零碼、曼徹斯特碼、密勒碼、改進(jìn)型密勒碼、差分碼和脈沖間隔編碼(HE)。載波調(diào)制部分常采用幅度鍵控A(SK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)方式，其中AsK分為ssB一AsK(單邊帶幅度鍵控)、DBs一ASK(雙邊帶幅度鍵控)和PR一ASK(反相幅度鍵控)。（2）天線技術(shù)

RFID天線主要有雙極天線、八木陣子天線(用于閱讀器)、微帶天線和時(shí)隙天線。RFID天線按照頻率分為低頻、短波、超短波和微波天線;按方向性分為全向天線、定向天線等;按外形可分為線狀天線、面狀天線等。目前RFID天線的研究方向集中在以下部分:1）減少電磁干擾和電磁屏蔽的設(shè)計(jì)方法;2）能夠覆蓋各種頻率的復(fù)合天線設(shè)計(jì);3）低剖面、小尺寸、低成本的電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì);4）智能波束掃描天線陣設(shè)計(jì)。（3）防沖突的多址接入方式

RFID的多址接入方式主要有以下三類:1）空分多址（SDMA)

空分多址通過(guò)采用智能天線陣技術(shù)降低了對(duì)單個(gè)閱讀器識(shí)別距離的要求，空分多址對(duì)于UHF和微波頻率更有實(shí)用價(jià)值。2)頻分多址（FDMA)

通過(guò)給閱讀器分現(xiàn)不同信道，陽(yáng)氏閱讀器之間發(fā)生沖突的概率。3)時(shí)分多址（TAMA)

基于DTMA方式的防沖突協(xié)議已被大多數(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采納，其中ALOHA協(xié)議和二進(jìn)制樹協(xié)議就采用DTMA方式。（4）RFID防沖突算法的新進(jìn)展

防沖突算法是RFID解決多目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)，具體可分為標(biāo)簽防沖突和閱讀器防沖突兩大類型。1）標(biāo)簽防沖突當(dāng)閱讀器信號(hào)范圍內(nèi)存在多個(gè)標(biāo)簽，同一時(shí)刻有兩個(gè)或以上的標(biāo)簽向閱讀器發(fā)送信息時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生標(biāo)簽沖突，解決途徑是使用Aloha或二進(jìn)制樹搜索防沖突算法。

Aloha防沖突算法由于延遲時(shí)間和檢測(cè)時(shí)間是隨機(jī)分布的，是一種不確定性算法，可分為非時(shí)隙、時(shí)隙以及自適應(yīng)Aloha防沖突算法，其中自適應(yīng)Alhoa方法的信道利用率最高，它首先對(duì)標(biāo)簽的數(shù)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)，然后根據(jù)一定的優(yōu)化準(zhǔn)則，自適應(yīng)選取延遲時(shí)間和幀長(zhǎng)，它的優(yōu)點(diǎn)是能顯著提高識(shí)別速率，缺點(diǎn)是復(fù)雜度明顯提高?；贏hola協(xié)議的防沖突算法并不能完全解決沖突，因此可能存在標(biāo)“簽饑餓”問(wèn)題，即某特定標(biāo)簽在很長(zhǎng)時(shí)間都沒有被識(shí)別出來(lái)，這也是今后研究需要解決的問(wèn)題。二進(jìn)制樹搜索屬于確定性算法，它的優(yōu)點(diǎn)是防沖突能力較強(qiáng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和指令簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是支持的存儲(chǔ)容量較小。如果采用自適應(yīng)二進(jìn)制搜索方法能進(jìn)一步減少搜索時(shí)間。2）閱讀器防沖突

當(dāng)相鄰的多個(gè)閱讀器同標(biāo)簽進(jìn)行通信時(shí)，可能引起閱讀器間的相互干擾。RFID閱讀器間的沖突主要來(lái)源于頻率干擾和標(biāo)簽干擾，解決途徑是采用閱讀器防沖突算法。目前已提出Colorwave算法和分層Q學(xué)習(xí)算法。Colorwave算法提供一個(gè)實(shí)時(shí)、分布式、局部化的MAC協(xié)議為閱讀器分配頻率、時(shí)隙來(lái)減少閱讀器間的干擾，屬于局部?jī)?yōu)化。分層Q學(xué)習(xí)算法采用網(wǎng)絡(luò)信息，在整個(gè)時(shí)間段動(dòng)態(tài)分配頻率資源，保證臨近的閱讀器之間不發(fā)生沖突，屬于全局優(yōu)化。在實(shí)際ETSI標(biāo)準(zhǔn)中，閱讀器在同標(biāo)簽通信前每隔l00ms探測(cè)數(shù)據(jù)信道的狀態(tài)，采用載波偵聽方式解決閱讀器沖突。PEC標(biāo)準(zhǔn)中，在頻率譜上將閱讀器傳輸和標(biāo)簽傳輸分離開，這樣閱讀器與閱讀器之間發(fā)生沖突，標(biāo)簽與標(biāo)簽之間發(fā)生沖突，使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化。目前的防沖突算法還存在某些不足:正確識(shí)別率以及識(shí)別速率還不夠高，算法還不能適應(yīng)高速識(shí)別的需求，另外數(shù)據(jù)、指令和識(shí)別過(guò)程比較復(fù)雜。如何克服上述不足是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向。4.RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（1）RFID設(shè)備的主要供應(yīng)商簡(jiǎn)介

目前全球標(biāo)簽市場(chǎng)主要被幾大廠商壟斷，TI、EM、PhiliPs是全球三個(gè)最大的RFID芯片供應(yīng)商，產(chǎn)品覆蓋LF、HF、UHF頻段。

EM產(chǎn)品主要有EM系列芯片，TI產(chǎn)品主要有Tag-itHF-1和TIEPCGen2，Philips產(chǎn)品主要有Mifare1S50/S70、ICODE、HITAG、UCODEEPCG2芯片。（2）RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

目前世界上存在眾多的RFID標(biāo)準(zhǔn)組織，其中具有重要影響的有:EPCglobal、ISO、UbiquitousIDCenter(日本)和ETSI(歐洲)組織。另外，還有AIM、IP-X和中國(guó)RFID標(biāo)準(zhǔn)組織。

EPC是由1999年MIT建立的Auot-ID中心發(fā)展而來(lái)，EPC標(biāo)準(zhǔn)受到美國(guó)政府和眾多世界500強(qiáng)企業(yè)的支持，在供應(yīng)鏈物流方面處于主導(dǎo)地位。

ISO是一個(gè)重要的RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，提出的系列標(biāo)準(zhǔn)包括:用于動(dòng)物識(shí)別的ISO11784/ISO11785/ISO14223標(biāo)準(zhǔn)，用于集裝箱識(shí)別的ISO10374標(biāo)準(zhǔn)，用于非接觸式智能卡的ISO10536/ISO15693/ISO14443標(biāo)準(zhǔn)以及用于項(xiàng)目管理的ISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)。

UID是日本的標(biāo)準(zhǔn)化組織，UID的RFID標(biāo)準(zhǔn)能支持13.56MHz和2.45GHz頻率的電子標(biāo)簽。UID標(biāo)準(zhǔn)能夠與3G、PHS、802.11等眾多網(wǎng)絡(luò)接入方式互聯(lián)。

ETSI推出的歐洲RFID標(biāo)準(zhǔn)為ETSIEN302208，工作頻率在865MHz一868MHz，采用載波信道偵聽的方式防沖突，與EPC有差異。在中國(guó)，RFID標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程有些曲折，早在2003年就成立了電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)工作組，但隨后又停止運(yùn)作。2005年21月2日由信息產(chǎn)業(yè)部牽頭，正式成立中國(guó)電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)工作組，現(xiàn)有華虹、清華同方、大唐、普天等07多家會(huì)員。中國(guó)RHD標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)自主創(chuàng)新、確保信息安全，同時(shí)堅(jiān)持對(duì)外開放，參考和借鑒ISO18000標(biāo)準(zhǔn)，并考慮兼容與互聯(lián)互通。該組織于2006年6月推出《中國(guó)RFID技術(shù)政策白皮書》，在工作組的第二次代表大會(huì)上，共收到20多份標(biāo)準(zhǔn)草案，不久將能夠推出中國(guó)的RFID系列標(biāo)準(zhǔn)。(3)不同頻率RFID標(biāo)簽比較(4)RFID工作頻率的選取

當(dāng)前RFID工作頻率跨越多個(gè)頻段，不同頻段具有各自優(yōu)缺點(diǎn)，它既影響標(biāo)簽的性能和尺寸大小，還影響標(biāo)簽與讀寫器的價(jià)格。此外，無(wú)線電發(fā)射功率的差別影響讀寫器作用距離。低頻頻段能量相對(duì)較低，數(shù)據(jù)傳輸率較小，無(wú)線覆蓋范圍受限。為擴(kuò)大無(wú)線覆蓋范圍，必須擴(kuò)大標(biāo)簽天線尺寸。盡管低頻無(wú)線覆蓋范圍比高頻無(wú)線覆蓋范圍小，但天線的方向性不強(qiáng)，具有相對(duì)較強(qiáng)的繞開障礙物能力。低頻頻段可采用1至2個(gè)天線，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線作用范圍的全區(qū)域覆蓋。

此外，低頻段電子標(biāo)簽的成本相對(duì)較低，且具有卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀等多種形狀。高頻頻段能量相對(duì)較高，適于長(zhǎng)距離應(yīng)用。低頻功率損耗與傳播距離的立方成正比，而高頻功率損耗與傳播距離的平方成正比。由于高頻以波束的方式傳播，故可用于智能標(biāo)簽定位。其缺點(diǎn)是容易被障礙物所阻擋，易受反射和人體擾動(dòng)等因素影響，不易實(shí)現(xiàn)無(wú)線作用范圍的全區(qū)域覆蓋。高頻頻段數(shù)據(jù)傳輸率相對(duì)較高，且通訊質(zhì)量較好。5.RFID讀寫器簡(jiǎn)介各頻段應(yīng)用現(xiàn)狀

RFID的低頻系統(tǒng)主要用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如門禁控制、校園卡、煤氣表、水表等；高頻系統(tǒng)則用于需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)；超高頻系統(tǒng)應(yīng)用于需要較長(zhǎng)的識(shí)讀距離和高速度的場(chǎng)合，如火車監(jiān)控、高速公路收費(fèi)等系統(tǒng)中。另外值得一提的是在供應(yīng)鏈中的應(yīng)用，EPCGlobal規(guī)定用于EPC的載波頻率為13．56MHz和860MHz～930MHz兩個(gè)頻段，其中13．56MHz頻率采用的標(biāo)準(zhǔn)原型是IS0／IEC15693，已經(jīng)收入到ISO／IEC18000—3中，圖書館通常使用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但服務(wù)距離較短。而860～930MHz頻段的應(yīng)用則較復(fù)雜，國(guó)際上各國(guó)家采用的頻率不同，歐洲為869MHz，美國(guó)為915