無線射頻識別（ＲＦＩＤ）系統的應用研究

[摘 要] 無線射頻識別（RFID）系統，利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，可實現對物體的自動識別。可將IC芯片貼在所需管理的物品上，特別適用于現代商場管理。利用射頻技術將IC芯片內存儲的辨別信息傳遞到系統終端作為追蹤、統計、管理、存貨控制等識別用途，是目前商品流通領域的研究熱點，它可以逐步取代條形碼技術，從而得到越來越廣泛的應用。

[關鍵詞] 無線射頻識別 編碼體系 碼分多址 表面聲波濾波器

信息化建設的基礎是基本的現實數據，這些數據的完備和真實與否，直接關系到信息化建設的成敗。自動識別技術，就是在信息化建設中，根據現實數據，利用計算機系統進行信息化數據自動采集的一種集計算機、光磁物理、機電、通信技術為一體的高新信息技術，條形碼技術就是其中一種。但是近年來，由于條形碼本身具有一些缺陷，人們一直在探求一種更新更完善的信息解決方案。RFID電子標簽此時應運而生。RFID無線射頻識別技術是一種非接觸式的自動識別技術，是自動識別技術的一種高級形式，它具有防水、防磁、耐高溫，標簽上數據可加密，存儲量大，可讀寫，穿透力強，識別距離遠，識別速度快，使用壽命長，環境適應性好等特點，除此之外，還可以實現多標簽的同時識別，避免了條形碼的局限。RFID技術可廣泛應用于供應鏈管理，門禁安防系統，物流系統，身份識別系統，物品監控系統，金融收費，生產自動化等領域。特別是近年來隨著零售和物流行業信息化的不斷深入，這些行業越來越依賴于應用信息技術來控制庫存、改善供應鏈管理，降低成本，提高工作效率。

一、RFID系統的工作原理

1.RFID系統的組成

RFID系統主要包括：電子標簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有惟一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象；當受無線電射頻信號照射時，能反射回攜帶有數字字母編碼信息的無線電射頻信號，以供讀頭處理識別；閱讀器(Reader)：用以產生發射無線電射頻信號并接收由電子標簽反射回的無線電射頻信號，經處理后獲取標簽數據信息；微型天線(Antenna)：在標簽和讀頭間傳遞射頻信號；網絡與工作站等。

2.RFID系統的工作原理

RFID系統在實際應用中，電子標簽附著在待識別物體的表面，電子標簽中保存有約定格式的電子數據。讀頭可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據，從而達到自動識別物體的目的。讀頭通過天線發送出一定頻率的射頻信號，當標簽進入磁場時產生感應電流從而獲得能量，發送出自身編碼等信息，被讀頭讀取并解碼后送至計算機進行有關處理。在電磁場系統中，讀頭發出一個電磁波，電磁波以一個球形波向前傳播。電子標簽位于電磁場中，淹沒在這樣傳播的電磁波中并從電磁波中收集一些能量。在任何一個點上，可用能量的大小與該點距發射機的距離有關，讀頭必須在可閱讀的距離范圍內產生一個合適的能量場以激勵電子標簽。

二、RFID系統的分類

依采用頻率的不同，RFID系統可分為低頻、高頻、超高頻和微波系統。低頻系統一般工作在100kHz～500kHz，高頻系統工作在10MHz～15MHz，超高頻系統工作在850MHz～960MHz，微波系統工作在2.4GHz～5GHz頻段。低頻系統用于短距離、低成本的應用，如多數的門禁控制、動物監管、貨物跟蹤；高頻系統用于門禁控制和需傳送大量數據的場合；超高頻系統應用于需要較長的讀寫距離和高的讀寫速度的場合，像火車監控，高速公路收費等系統，但天線波束較窄價格較高。

1.根據電子標簽獲取電能的方式，RFID系統可分為有源系統和無源系統

有源式電子標簽通過標簽自帶的內部電池進行供電，它電能充足，工作可靠性高，信號傳送的距離遠。無源式標簽內部不帶電池，需靠天線接收到特定的電磁波，由線圈產生感應電流，再經過整流穩壓后作為工作電壓。無源式標簽具有永久的使用期，常用在標簽信息需要每天讀寫或頻繁讀寫多次的地方，而且它支持長時間的數據傳輸和永久性的數據存儲，再加上它的價格、體積和方便性，決定了它是電子標簽的主流。

2.根據電子標簽內保存信息的注入方式可將RFID系統分為集成電路固化式、現場有線改寫式和現場無線改寫式三大類

集成電路固化式即通常所講的只讀標簽，其內部只有只讀存儲器ROM，ROM中存儲著生產商代碼和無重復的序列碼。由于每個電子標簽都有惟一碼，這個惟一碼又存放在 ROM中，所以標簽就沒有可仿制性;現場有線改寫式電子標簽一般將電子標簽保存的信息寫入其內部的存貯區，改寫時需要專用的編程器或寫入器，改寫過程中必須為其供電；現場無線改寫式電子標簽一般適用于有源類電子標簽，具有特定的改寫指令，電子標簽內保存的信息位于其中的存貯區。一般情況下改寫標簽數據所花費的時間遠大于讀取標簽數據所花費的時間。常規改寫花費的時間為秒級，閱讀花費的時間為毫秒級。

3.根據標簽的數據調制方式可將RFID系統分為主動式、被動式和半主動式三類

一般來講，有源系統為主動式，無源系統為被動式。主動式系統用自身的射頻能量主動地發送數據給讀頭，調制方式可分為調幅、調頻或調相；被動式系統使用調制散射方式發射數據，它必須利用讀頭的載波來調制自己的信號，而且讀頭可以確保只激活一定范圍內的RFID系統，適用于門禁或交通系統;半主動式RFID系統又稱電池支援式反向散射調制系統，它本身也帶有電池，只起到對標簽內部數字電路供電的作用，而不通過自身能量主動發送數據，只有被讀頭的能量場“激活”時，才通過反向散射調制方式傳送自身數據。

三、RFID應用架構

RFID應用參考架構由下列四層組成：閱讀器層、邊緣層、集成層和應用層。閱讀器層位于架構的最底層，閱讀器經常由觸發器控制，每秒讀取標簽上百次。無論何時，可設定IP地址的閱讀器都由一個且只能由一個邊緣服務器控制，以避免出現與網絡分區相關的問題；邊緣層，邊緣服務器定期輪詢閱讀器(例如，每秒兩次)，以消除重復操作，并執行過濾和設備管理。邊緣服務器還產生ALE事件并將事件發送到集成層。在發送消息時，通常需要“一次成功”的消息語義來保證消息傳且只傳一次；集成層接收多個ALE事件，并將它們合并到工作流中，工作流會作為更大業務流程的一部分與多個不同系統和人員接觸。集成層使用基于標準的JCA適配器與打包應用（如庫存管理或產品信息管理系統）交互。該層還通過控件與系統協作。控件是一種開放源框架，它提供抽象層，將后端組件表示為可重用組件。

四、RFID技術面臨的主要問題

1.RFID中間件技術

RFID中間件又稱RFID管理軟件，它既可以消除不同來源RFID標簽的差別，把這些標簽的數據進行整合，十分有利于建立靈活的、配置可變的RFID系統；又可以及早過濾掉無效的RFID數據，從而使RFID項目的開發速度加快，系統投入使用的時間縮短。RFID中間件技術拓展了基礎中間件的核心設施和特性，屏蔽了RFID設備的多樣性和復雜性，能夠為后臺業務系統提供強大的支撐，從而驅動更廣泛、更豐富的 RFID的應用。更重要的一點是，它還繼承了傳統中間件在安全方面的優勢，幫助RFID應用削減了安全隱患。

2.長距離非UHF標簽

眾所周知，大多數國家對無線頻率都進行了管制，RFID難以在超過1米的范圍之外發揮作用，除非使用UHF（超高頻，即900MHz左右的免許可頻率）。盡管UHF RFID的性能還不錯，但是如果附近有水或金屬，其性能就難以保證。加上歐洲軍方和其他既得利益集團阻止UHF無線規范制定者批準更高的功率和帶寬，極大地限制了讀頭間接口的范圍和控制，業界很快就把目光轉向了傳統HF和微波系統的提高上。這些提高包括：

(1)帶有密碼保護功能的HF標簽的讀取距離具有可控性，與UHF標簽相比對水和金屬的耐受度更高。

(2)采用了新方法來擴展HF RFID標簽的讀取距離，有時可以擴展到10米。

(3)用表面聲波芯片代替RFID標簽中的硅芯片。這些表面聲波芯片沒有電壓范圍的限制，它們無需另外的傳感器就可感應溫度，并且也更加容易制造。

尤其是SAW（表面聲波）RFID，其芯片獨特的物理特性可以解決RFID的一些主要問題，如標簽與讀頭相互距離較大時的可靠讀取、不讓讀取信號被液體和金屬阻斷等。它還通過多路訪問可擴展頻譜信號實現了關鍵信號處理功能（如多標簽讀取），進一步優化了整個系統的成本。此外，這種信號在具備高速讀取速度的同時，還具有較高的抗干擾性，與其他RFID系統和讀頭也有較好的頻譜相容性。與UHF不同的是，目前它在全世界都可以合法的操作，不需要等待歐洲、中國和其他國家的無線管制。

五、結束語

目前美國的大型物流公司、零售商店、醫藥公司都在陸續試用這種短距離無線通信技術，主要用于對貨物或商品的質量、數量的控制，以及對庫存更精確、安全、有效的管理。中國的RFID應用主要集中在中低頻領域(工作頻率小于30MHz)，如身份識別、安全門禁、電子購票、交通等領域。如果能把該功能集成到手機上，使其成為人們購物結算的工具，那么移動運營商就有希望從行業合作中獲得新的收益。未來的世界，RFID將無所不在。

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