射频识别技术
射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)又称射频识别,是一种利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)进行非接触式双向数据通信,以识别目标并获取相关数据的自动识别技术。射频识别技术具有精度高、环境适应性强、抗干扰性强、运行速度快等优点。它可以同时读取多个被识别物体(标签)的信息,无需人工干预,并且可以在污染严重的环境中工作。其原理是阅读器和标签之间的非接触式数据通信,以达到识别目标的目的。主要应用于物流领域的货物跟踪、自动信息采集、仓储应用、港口应用、邮政服务、快递配送等;医疗领域的医疗器械管理、患者身份识别、婴儿防盗等方面;身份识别领域的电子护照、身份证、学生证等电子证件。
射频识别(RFID)技术首次用于识别第二次世界大战期间敌对双方的军事飞行目标,兴起于20世纪90年代。20世纪40年代,雷达的改进和应用促进了RFID技术的出现。RFID技术的早期探索是在20世纪50年代通过实验室的相关研究实现的。目前,射频识别技术已广泛应用于生产生活的各个领域,在门禁控制、停车场控制、生产线自动化、物料管理、邮件跟踪、体育产业、畜牧业等方面发挥着重要作用。
射频识别技术系统由三部分组成:标签、阅读器和天线。有多种分类方法,通常根据采用的频率、读取标签数据的技术手段以及标签中是否有电池为其供电来分类。
发展历程
RFID技术的起源:雷达的改进和应用催生了RFID技术,为RFID的发展奠定了理论基础。1945年,莱昂·特雷门为俄罗斯政府发明了第一个基于RFID技术的间谍设备。此后,Harry Stockman于1948年发表的论文Communication by Energy Reflection也为RFID的发展奠定了理论基础,这是RFID理论发展的重要里程碑。
早期探索:在RFID技术的早期探索阶段,主要处于实验室研究状态。在此期间,D.B.Harris提出了信号模型化理论和使用可建模无源电抗器的无线电波传输系统中无源标签的概念。相关理论不断发展,该系统已在实践中得到应用。在此期间,出现了RFID技术的第一个商业应用系统——商品电子监控器。贵重商品贴有“一位数”代码标签,商店门前安装了探测器。当顾客带着赃物经过门口的探测器时,探测器会自动报警。
可持续发展:20世纪下半叶,RFID技术和产品研发处于大发展时期。各种RFID技术迅速发展,并出现了一些最早的RFID应用。1977年,美国RCA公司利用RFID技术开发了“电子汽车牌照”。RFID已广泛应用于动物跟踪、车辆跟踪、监狱管理、高速公路自动收费和工厂自动化。RFID技术和相关产品已经在市场上得到开发和应用,并在许多领域得到应用。在此期间,RFID的应用包括汽车门遥控开关停车场管理、社区和校园大门控制系统等等。
逐渐成熟:20世纪80年代末,随着RFID应用的扩展,人们开始意识到建立统一的RFID技术标准以确保不同RFID设备和系统的兼容性的重要性。RFID技术的标准化越来越受到重视,RFID产品得到普及。1991年,世界上第一个开放式高速公路自动收费系统出现在美国俄克拉荷马州。当带有RFID标签的汽车通过收费站时,不需要减速和停车,而是以正常速度通过。固定在收费站的读卡器在识别汽车后会自动从账户中扣除费用。它消除了停车慢造成的交通堵塞,RFID高速公路自动收费系统已在许多国家得到应用。1993年,全球RFID产品的销售量为990万套,1994年为2030万套,1997年增加到9810万套,销售额为4.33亿美元。从1992年到1999年,RFID产品的总量增长了25.3%。1996年1月,韩国在汉城的600辆公共汽车上安装了RFID系统,用于电子月票,并计划将这一系统推广到铁路和其他城市。欧洲共同体宣布1997年生产的新车型必须具有基于RFID技术的防盗系统。瑞士国家铁路局在瑞士所有客运列车上安装了RFID自动识别系统,使调度员可以实时掌握列车运行情况。标准化越来越受到重视,RFID产品更加丰富,开发了有源电子标签、无源电子标签和半无源电子标签,电子标签成本不断降低。
发展现状:自2004年以来,包括沃尔玛、宝洁、波音在内的商业巨头积极推动RFID在制造、物流、零售、运输等行业的应用,并在全球掀起了RFID推广热潮。RFID技术理论不断丰富和发展。人们开发了具有单芯片电子标签、多电子标签读取、无线读写的RFID技术,适用于高速移动的物体,并在日常生活中得到广泛应用。
工作原理
基本原理
读取器通过该区域的天线发射射频信号,形成电磁场。该区域的大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。RFID标签在这个范围内,接收阅读器发送的信号,使天线感应电流,从而RFID标签开始工作并通过其内部发射天线向阅读器发送编码信息。RFID标签发射的载波信号由系统中的接收天线接收,然后通过调节器发射到阅读器。经过解调和解码后,信号被传输到主系统以完成相关处理操作。主系统根据逻辑运算判断标签的合法性,对不同的设置进行相应的处理和控制,并发出指令信号控制执行器的动作。RFID标签中存储的电子信息代表了待识别物体的识别信息,相当于对待识别物体的身份认证,使射频识别系统实现了非接触物体的识别目的。
工作流程
读取器通过发射天线发送具有特定频率的射频信号。当贴有射频标签的目标物体进入阅读器的电磁信号辐射区域时,会产生感应电流。
借助自身电源提供的感应电流或能量,射频标签通过内置天线发送自身代码等信息。阅读器的天线接收来自射频标签的载波信号,通过天线调节器将其传输到阅读器的控制单元,对其进行解调和解码,然后将其发送到应用系统进行相关处理。应用系统根据逻辑运算判断射频标签的合法性,并针对不同的应用进行相应的处理和控制,发出指令信号并执行相应的应用操作。
射频识别
RFID系统的读写距离是评价其性能的重要参数。影响RFID系统读写距离的因素包括天线工作频率阅读器的射频输出功率、阅读器的接收灵敏度、标签的功耗以及阅读器和标签之间的耦合度。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的,写入距离约为读取距离的40%~80%。根据不同的应用功能,RFID系统可以分为四种类型:电子商品监视系统、便携式数据采集系统、物流控制系统和定位系统。
电子商品监视
EAS(电子商品监视)是一种安装在需要控制商品的门口的RFID系统。其典型应用场景为商店、图书馆、数据中心等。当未经授权的人非法从这些地方拿走东西时,电子物品监控系统会发出警告。EAS技术的应用可以有效防止商品被盗,无论是大件商品还是小件物品。应用电子物品监控后,物品不再被锁在玻璃柜中,客户可以自由观看和检查。一个典型的电子商品防盗系统一般由三部分组成:一是贴在商品上的电子标签;二是电子标签去激活装置,让授权商品可以正常进出;第三是监视器,在出口处形成一定区域的监控空间。
便携式数据采集系统
便携式数据采集系统是一种带有RFID阅读器的手持式数据采集器。该系统具有很大的灵活性,适用于难以安装固定RFID系统的应用环境。手持阅读器(数据输入终端)可以在读取数据的同时通过无线电波数据传输(RFDC)将数据实时传输到主机系统,或者它可以将数据临时存储在阅读器中并将数据成批传输到主机系统。
物流控制系统
在物流控制系统中,固定的RFID读取器分散在给定的区域中,并且读取器与数据管理信息系统直接连接,而RFID标签是移动的,并且一般安装在移动的物体和人员上。当物品和人员通过阅读器时,阅读器将自动扫描标签上的信息,并将数据信息输入数据管理收费信息系统进行存储、分析和处理,以控制物流。
自动位置调节系统
定位系统用于自动处理系统中的定位以及车辆和船舶的定位支持。读取器放置在移动的车辆、船舶或汽车生产线中的移动材料、半成品和成品上,并将RFID标签嵌入操作环境的表面下。RFID标签存储位置识别信息,并且读取器通常通过无线或有线方式连接到主信息管理系统。
组成部分
在RFID系统的具体应用过程中,系统的具体组成会根据不同的应用目的和应用环境而有所不同。从宏观上看,RFID系统由三部分组成:标签、阅读器和计算机网络系统。从微观角度来看,RFID系统由电子标签、阅读器和天线组成。
阅读器:读取器是读取标签中的信息或将标签需要存储的信息写入标签的设备。根据所使用的结构和技术,读取器可以是读写设备和RFID系统的信息控制和处理中心。RFID系统工作时,阅读器在一个区域内发送射频能量以形成电磁场,该区域的大小取决于发射功率。阅读器覆盖区域内的标签被触发发送存储在其中的数据,或根据阅读器的指令修改存储在其中的数据,并可以通过接口与计算机网络通信。阅读器的基本结构通常包括:收发天线、频率发生器、锁相环、调制电路、微处理器、存储器、解调电路和外围接口。
标签:标签,也称为射频标签和转发器,由天线、耦合元件和芯片组成。每个标签都有一个唯一的电子代码,并附着在一个物体上以识别目标物体。应答器是一种可以发送信息和回复信息的电子模块。由于射频技术的快速发展,应答器也被称为智能标签或标签。
转发器可分为基于集成电路芯片的转发器和使用物理效应的转发器,而基于集成电路的转发器可分为具有简单存储功能的转发器和具有智能微处理器的转发器。使用物理效应的转发器包括1-1比特转发器和表面声波转发器。
具有存储功能的应答器主要包括四个功能块:天线、高频接口、存储器和地址以及安全逻辑单元。带有微处理器的非接触式智能卡包含自己的操作系统。操作系统的任务是访问转发器数据、控制命令序列、管理文件和执行加密算法。
电子标签由收发天线、交流/DC电路、解调电路、逻辑控制电路、存储器和调制电路组成。
中间件:随着RFID系统的广泛应用,具有不同接口的RFID硬件设备越来越多。在软件方面,应用程序的规模越来越大,出现了适合不同行业的系统软件和用户数据库。如果每一次技术细节的改变都需要改变连接RFID系统所有部分的接口,那么RFID的发展将受到严重限制,后期维护和管理的工作量也将大大增加。
RFID中间件支持各种标准协议和接口,可以集成不同操作系统或不同应用系统的应用软件。当用户更改数据库或添加RFID数据时,只需更改中间件的一些设置,整个RFID系统就可以继续运行。
天线:天线在电子标签和阅读器之间传输射频信号。天线是以电磁波的形式接收或辐射无线电收发机的射频信号功率的装置。天线按其工作频段可分为短波、超短波、微波等天线。按指向性可分为全向天线和定向天线;根据形状,它可以分为线性天线和平面天线。
电子标签和阅读器通过耦合元件实现射频信号的空间耦合;在耦合通道中,按照时序关系实现能量传递和数据交换。在射频识别系统的工作过程中,数据交换总是基于能量并通过一定的时序进行。因此,在RFID工作的空间信道中存在三种事件模型,即基于能量供应的事件模型、按时间序列实现数据交换的事件模型和用于数据交换的事件模型。
主要分类
RFID技术常用的分类方法包括根据供电形式、工作频率和读取标签数据的技术手段进行分类。
供电形式
在实际应用中,虽然电子标签的功耗很低,但需要电源才能工作。射频识别技术根据其标签的供电方式可分为三类,即无源RFID、有源RFID和半有源RFID。
无源RFID:内部没有电池,工作所需的电力主要由天线接收阅读器的射频信号并将其转换为DC电源提供。这种电子标签具有永久的使用寿命,但由于转换的电能较弱,信号的传输距离比有源标签短。无源标签适用于读写次数多且对信号传输距离没有要求的场合。无源标签是市场上最早、最成熟、应用最广泛的产品。其典型应用包括:公交卡、二代身份证、银行卡、食堂饭卡、酒店门禁卡等。,属于密切接触者识别范畴。
有源RFID:有源标签的电源由其内部电池提供。功率充足时,其信号传输距离长,属于远距离自动识别标签,主要用于有障碍物的应用场合。但是,随着电力的消耗,其传输距离将变得越来越小,这可能会影响系统的正常工作。有源RFID虽然兴起时间不长,但已经在各个领域发挥了不可或缺的作用,尤其是在高速公路的电子收费系统中。它在远程自动识别领域有很大的应用,如智能监狱、智能医院、智能停车场、智能交通、智慧城市等领域。
半有源RFID:半有源RFID也称为低频激活触发技术。半有源RFID介于有源RFID和无源RFID之间,内部装有电池,电池仅用于激活系统。当系统激活时,半有源RFID工作在无源状态,工作电源由外部提供。与无源RFID相比,半有源RFID具有更快的响应速度和更远的距离。其常见的应用场景是在一个高频信号覆盖的大范围内,在不同位置放置多个低频阅读器激活半有源RFID产品,既完成了定位,又实现了信息的收集和传输。
工作频率
根据电子标签的工作频率,可分为低频(30~300kHz)、高频(3~30MHz)超高频标签和微波频段(300MHz~3GHz)标签。
低频标签:低成本、各种形状的电子标签,通常是无源标签。其特点是存储在电子标签中的数据较少,读取距离较短,读取天线的方向性较弱。主要用于短距离应用,如大多数门禁、校园卡、燃气表、水表等。低频标签的典型应用包括动物识别、集装箱识别、工具识别、电子锁防盗(内置应答器的车钥匙)等。与低频标签相关的国际标准有ISO 11784/11785(用于动物识别)和ISO 18000-2(125 ~ 135 kHz)。低频标签有多种外观形式。用于动物识别的低频标签的外观包括项圈式、耳标式、注射式、药丸式等。使用的典型动物有牛、信鸽等。
高频标签:读取速度快,可同时读取多个标签,形式多样,价格合理,可用于需要传输大量数据的应用系统。通常也使用被动标签。然而,由于其频率特性,高频RFID产品具有较短的读取距离,以及导电介质(如液体、高湿度、碳介质等)的渗透。)不如低频产品。该系统主要应用于电子门票、电子身份、电子上锁防盗(电子遥控门锁控制器)、小区物业管理、楼宇门禁系统等。高频标签易于制成卡片,其典型应用包括电子门票、电子身份、电子锁定防盗(电子遥控门锁控制器)等。相关国际标准包括ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000-3(13.56 MHz)等。
高频微波
超高频和微波电子标签,简称微波电子标签。其典型工作频率为433.92MHz、862(902)~ 928 MHz、2.45 GHz和5.8GHz .成本较高。其特点是标签中存储的数据量大,读取距离长(可达十几米),对物体的高速移动具有良好的适应性。阅读天线和电子标签天线都具有很强的方向性,但天线波束方向较窄,价格较高。它们主要用于需要较长读写距离和较高读写速度的场合,如铁路车辆自动识别、集装箱识别、公路车辆识别和自动收费系统。而超高频电磁波根本无法穿透导电介质(如水),金属的衍射也很差。
微波电子标签的典型应用包括移动车辆识别、电子身份、仓储和物流应用、电子锁定和防盗(电子远程门锁控制器)等。相关的国际标准包括ISO 10374、ISO 18000-4(2.45 GHz)、ISO 18000-5(5.8 GHz)、ISO 18000-6(860-930 MHz)、ISO 18000-7(433.92 MHz)和ANSI-NCITS 256-1999。
标签读取
根据读取标签数据的技术手段,RFID技术可分为广播传输系统、倍频系统和反射调制系统三大类。
广播传输系统:广播发射系统实现起来相对简单。标签以主动方式工作,并实时向外部广播其存储的识别信息。阅读器相当于一个只接收不发送的接收器。这种系统的缺点是电子标签必须不断地传输信息,这不仅消耗电力,而且对环境造成电磁污染,并且该系统不具有安全性和保密性。
倍频系统:倍频系统难以实现。一般来说,阅读器发出射频查询信号,标签返回的信号的载波频率是阅读器发出的射频的倍频。这种工作模式为阅读器接收和处理回波信号提供了便利,但对于无源系统而言,标签将接收到的阅读器射频信号转换为倍频回波载波频率时的能量转换效率较低。然而,提高转换效率需要更高的微波技术和更高的电子标签成本。同时,这种系统需要占用两个工作频率,一般很难获得射频管理委员会的产品应用许可。
反射调制系统:反射调制系统应该解决在同一频率上发射和接收的问题。系统工作时,阅读器发出微波询问(能量)信号,标签(被动地)将接收到的微波询问能量信号的一部分整流成直流电供其内部电路工作,另一部分微波能量信号被标签中存储的数据信息询问后反射回阅读器。在读取器接收到反射的调幅信号后,它分析识别数据信息。系统工作过程中,阅读器发出微波信号的同时接收反射回来的调幅信号。反射信号的强度比发射信号的强度弱得多,因此技术实现的难点在于相同频率的接收。