无线射频识别(RFID)系统的应用研究

[摘 要] 无线射频识别（RFID）系统，利用射频信号和空间耦合传输特性，可实现对物体的自动识别。可将IC芯片贴在所需管理的物品上，特别适用于现代商场管理。利用射频技术将IC芯片内存储的辨别信息传递到系统终端作为追踪、统计、管理、存货控制等识别用途，是目前商品流通领域的研究热点，它可以逐步取代条形码技术，从而得到越来越广泛的应用。

[关键词] 无线射频识别 编码体系 码分多址 表面声波滤波器

信息化建设的基础是基本的现实数据，这些数据的完备和真实与否，直接关系到信息化建设的成败。自动识别技术，就是在信息化建设中，根据现实数据，利用计算机系统进行信息化数据自动采集的一种集计算机、光磁物理、机电、通信技术为一体的高新信息技术，条形码技术就是其中一种。但是近年来，由于条形码本身具有一些缺陷，人们一直在探求一种更新更完善的信息解决方案。RFID电子标签此时应运而生。RFID无线射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，是自动识别技术的一种高级形式,它具有防水、防磁、耐高温，标签上数据可加密，存储量大，可读写，穿透力强，识别距离远，识别速度快，使用寿命长，环境适应性好等特点，除此之外，还可以实现多标签的同时识别，避免了条形码的局限。RFID技术可广泛应用于供应链管理，门禁安防系统，物流系统，身份识别系统，物品监控系统，金融收费，生产自动化等领域。特别是近年来随着零售和物流行业信息化的不断深入，这些行业越来越依赖于应用信息技术来控制库存、改善供应链管理，降低成本，提高工作效率。

一、RFID系统的工作原理

1.RFID系统的组成

RFID系统主要包括：电子标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有惟一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；当受无线电射频信号照射时，能反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，以供读头处理识别；阅读器(Reader)：用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息；微型天线(Antenna)：在标签和读头间传递射频信号；网络与工作站等。

2.RFID系统的工作原理

RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。读头可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。读头通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读头读取并解码后送至计算机进行有关处理。在电磁场系统中，读头发出一个电磁波，电磁波以一个球形波向前传播。电子标签位于电磁场中，淹没在这样传播的电磁波中并从电磁波中收集一些能量。在任何一个点上，可用能量的大小与该点距发射机的距离有关，读头必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的能量场以激励电子标签。

二、RFID系统的分类

依采用频率的不同，RFID系统可分为低频、高频、超高频和微波系统。低频系统一般工作在100kHz～500kHz，高频系统工作在10MHz～15MHz，超高频系统工作在850MHz～960MHz，微波系统工作在2.4GHz～5GHz频段。低频系统用于短距离、低成本的应用，如多数的门禁控制、动物监管、货物跟踪；高频系统用于门禁控制和需传送大量数据的场合；超高频系统应用于需要较长的读写距离和高的读写速度的场合，像火车监控，高速公路收费等系统，但天线波束较窄价格较高。

1.根据电子标签获取电能的方式，RFID系统可分为有源系统和无源系统

有源式电子标签通过标签自带的内部电池进行供电，它电能充足，工作可靠性高，信号传送的距离远。无源式标签内部不带电池，需靠天线接收到特定的电磁波，由线圈产生感应电流，再经过整流稳压后作为工作电压。无源式标签具有永久的使用期，常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方，而且它支持长时间的数据传输和永久性的数据存储，再加上它的价格、体积和方便性，决定了它是电子标签的主流。

2.根据电子标签内保存信息的注入方式可将RFID系统分为集成电路固化式、现场有线改写式和现场无线改写式三大类

集成电路固化式即通常所讲的只读标签，其内部只有只读存储器ROM，ROM中存储着生产商代码和无重复的序列码。由于每个电子标签都有惟一码，这个惟一码又存放在 ROM中，所以标签就没有可仿制性;现场有线改写式电子标签一般将电子标签保存的信息写入其内部的存贮区，改写时需要专用的编程器或写入器，改写过程中必须为其供电；现场无线改写式电子标签一般适用于有源类电子标签，具有特定的改写指令，电子标签内保存的信息位于其中的存贮区。一般情况下改写标签数据所花费的时间远大于读取标签数据所花费的时间。常规改写花费的时间为秒级，阅读花费的时间为毫秒级。

3.根据标签的数据调制方式可将RFID系统分为主动式、被动式和半主动式三类

一般来讲，有源系统为主动式，无源系统为被动式。主动式系统用自身的射频能量主动地发送数据给读头，调制方式可分为调幅、调频或调相；被动式系统使用调制散射方式发射数据，它必须利用读头的载波来调制自己的信号，而且读头可以确保只激活一定范围内的RFID系统，适用于门禁或交通系统;半主动式RFID系统又称电池支援式反向散射调制系统，它本身也带有电池，只起到对标签内部数字电路供电的作用，而不通过自身能量主动发送数据，只有被读头的能量场“激活”时，才通过反向散射调制方式传送自身数据。

三、RFID应用架构

RFID应用参考架构由下列四层组成：阅读器层、边缘层、集成层和应用层。阅读器层位于架构的最底层，阅读器经常由触发器控制，每秒读取标签上百次。无论何时，可设定IP地址的阅读器都由一个且只能由一个边缘服务器控制，以避免出现与网络分区相关的问题；边缘层，边缘服务器定期轮询阅读器(例如，每秒两次)，以消除重复操作，并执行过滤和设备管理。边缘服务器还产生ALE事件并将事件发送到集成层。在发送消息时，通常需要“一次成功”的消息语义来保证消息传且只传一次；集成层接收多个ALE事件，并将它们合并到工作流中，工作流会作为更大业务流程的一部分与多个不同系统和人员接触。集成层使用基于标准的JCA适配器与打包应用（如库存管理或产品信息管理系统）交互。该层还通过控件与系统协作。控件是一种开放源框架，它提供抽象层，将后端组件表示为可重用组件。

四、RFID技术面临的主要问题

1.RFID中间件技术

RFID中间件又称RFID管理软件，它既可以消除不同来源RFID标签的差别，把这些标签的数据进行整合，十分有利于建立灵活的、配置可变的RFID系统；又可以及早过滤掉无效的RFID数据，从而使RFID项目的开发速度加快，系统投入使用的时间缩短。RFID中间件技术拓展了基础中间件的核心设施和特性，屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑，从而驱动更广泛、更丰富的 RFID的应用。更重要的一点是，它还继承了传统中间件在安全方面的优势，帮助RFID应用削减了安全隐患。

2.长距离非UHF标签

众所周知，大多数国家对无线频率都进行了管制，RFID难以在超过1米的范围之外发挥作用，除非使用UHF（超高频，即900MHz左右的免许可频率）。尽管UHF RFID的性能还不错，但是如果附近有水或金属，其性能就难以保证。加上欧洲军方和其他既得利益集团阻止UHF无线规范制定者批准更高的功率和带宽，极大地限制了读头间接口的范围和控制，业界很快就把目光转向了传统HF和微波系统的提高上。这些提高包括：

(1)带有密码保护功能的HF标签的读取距离具有可控性，与UHF标签相比对水和金属的耐受度更高。

(2)采用了新方法来扩展HF RFID标签的读取距离，有时可以扩展到10米。

(3)用表面声波芯片代替RFID标签中的硅芯片。这些表面声波芯片没有电压范围的限制，它们无需另外的传感器就可感应温度，并且也更加容易制造。

尤其是SAW（表面声波）RFID，其芯片独特的物理特性可以解决RFID的一些主要问题，如标签与读头相互距离较大时的可靠读取、不让读取信号被液体和金属阻断等。它还通过多路访问可扩展频谱信号实现了关键信号处理功能（如多标签读取），进一步优化了整个系统的成本。此外，这种信号在具备高速读取速度的同时，还具有较高的抗干扰性，与其他RFID系统和读头也有较好的频谱相容性。与UHF不同的是，目前它在全世界都可以合法的操作，不需要等待欧洲、中国和其他国家的无线管制。

五、结束语

目前美国的大型物流公司、零售商店、医药公司都在陆续试用这种短距离无线通信技术，主要用于对货物或商品的质量、数量的控制，以及对库存更精确、安全、有效的管理。中国的RFID应用主要集中在中低频领域(工作频率小于30MHz)，如身份识别、安全门禁、电子购票、交通等领域。如果能把该功能集成到手机上，使其成为人们购物结算的工具，那么移动运营商就有希望从行业合作中获得新的收益。未来的世界，RFID将无所不在。

参考文献：

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[3]罗海勇李锦涛等:新一代超高频RFID无线接口标准EPC CLASS-1/Gen-2研究[J].电子技术应用，2006，（5）：131-133