RFID技術的分析及應用研究

河南科技學院 李曉娟 秦國慶

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RFID技術的分析及應用研究

河南科技學院 李曉娟 秦國慶

【摘要】射頻識別技術（RFID）作為一種新興的非接觸式物體識別技術，近年來在國內外得到了迅速發展。文中論述了RFID系統組成及工作原理；介紹了低頻系統、高頻系統、超高頻和微波系統的理論基礎并分析其優缺點，同時給出了低頻系統和高頻系統基于變壓器模型的電感耦合工作圖、超高頻和微波系統基于雷達模型的電磁反向散射耦合工作圖及基于有源標簽的超高頻RFID射頻識別系統通信模型，并結合實際情況討論了各個頻段在現實生活中的應用。從而讓人們對RFID技術更加全面深入了解，從而使之得到更好地應用和發展。

【關鍵詞】射頻識別技術；讀寫器；電感耦合；有源標簽

0 引言

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID），起源于上世紀90年代，是一種新興的物體非接觸式識別技術。它主要是通過無線射頻通信的方式在物體與讀寫器之間進行信息交換，以此來識別不同的物理對象。RFID技術一經產生就主要用于識別物體，相比于其它的自動識別技術（如條形碼）其最突出的優勢在于無線通信，射頻標簽只要在接受器的作用范圍內就可以被讀取，同時還具有防偽、寫入信息或更新內存的能力。 RFID與其他的無線通信技術（如WLAN、藍牙、紅外、ZIGBEE）相比最大的區別在于它的被動工作模式，即利用反射能量進行通信。

1 RFID系統組成及工作原理

通常射頻識別系統由電子標簽、讀寫器和計算機通信網絡三部分組成。對于每個部分來說，其功能如下：（1）電子標簽：作為一個存儲器，其上面存有物體的相關信息，通常被放置在物體內，每個標簽都有一個全球唯一的ID號碼—UID； （2）讀寫器：作為一個識別裝置，主要通過射頻技術與電子標簽進行信息交換，可設計為手持式或固定式，讀卡器的發射信號功率要遠大于電子標簽反向散射回來的信號，而且與接收信號同頻率；（3）計算機通信網絡：完成通信傳輸，用于對數據進行管理，有些系統還通過閱讀器的RS232或RS485接口與上位機連接進行數據交換。

系統的工作原理是當讀寫器處于工作模式，由天線發射足夠功率的射頻電磁波，當帶有電子標簽的物體與讀寫器靠近并處于讀寫器的射頻覆蓋范圍內時， RFID標簽被激活并向讀寫器發送出自身信息；讀寫器接收并解調來自標簽的射頻信號，將其送給計算機主系統進行相關處理；主系統根據邏輯運算做出相應的處理和控制，并發出指令信號。

2 RFID系統的分類及應用范圍

RFID系統按照工作頻率定義，可分為低頻系統（LF）、高頻系統（HF）、超高頻（UHF）和微波系統（MW）。

2.1 低頻系統

我們將工作頻率介于30-300KHz的系統統稱為低頻系統。其典型的應用頻點主要有125KHz、133KHz，基于這些頻點都有相應的國際標準，一般個人不能采用。針對該系統主要通過電感耦合方式進行工作，如圖1所示。

從圖1可以看出，讀寫器想要讀取標簽上物體的相關信息，必須將標簽置于讀寫器天線的覆蓋范圍內，由于標簽為無源標簽，讀寫器需要發射足夠高的功率來激活標簽。對低頻系統來說，具有閱讀距離短、成本低等特點，比較適合低速、近距離識別應用，主要應用于早期的門禁系統、停車場收費和車輛管理系統、汽車防盜系統等。常見的基于該頻段的電子標簽外形主要有卡狀、環狀、鈕扣狀、筆狀等。

圖1 基于變壓器模型的電感耦合工作圖

2.2 高頻系統

我們將工作頻率介于3-30MHz的系統稱為高頻系統。其典型的應用頻點主要有13.56MHz。針對該頻點也有眾多的國際標準予以支持，一般個人也不能采用。針對該系統一般也采用無源標簽，其工作方式同低頻系統相似，如圖1 所示，其能量主要從讀寫器電感耦合線圈的輻射場中獲得，帶有標簽的物體想要被讀寫器識別，必須將其位于讀寫器天線輻射的區域內，物體與讀寫器之間的距離一般小于1m。

對于高頻系統來說，其工作頻率高，因此，可以選用較高的數據傳輸速率。其天線設計簡單，方便制成標準卡片形狀，典型應用包括：電子車票、電子身份證、消費POS機、考勤機、水電表、M1卡、CPU卡等。

2.3 微波系統

我們將工作頻率介于300MHz-3GHz或大于3GHz的系統稱為微波系統，其典型工作頻點為：433.92MHz 、902-928MHz、2.45GHz、5.8GHz。由于其傳輸功率大，速度快，該系統中的電子標簽可分為有源標簽和無源標簽兩類。目前市面上出現的比較成功的微波射頻識別產品主要集中在以下兩個系統：

（1）基于無源標簽的902-928 MHz射頻識別系統

針對該類系統的電子標簽為無源電子標簽，從讀寫器發出的射頻波束中獲取能量，其工作方式如圖2所示。

圖2 基于雷達模型的電磁反向散射耦合指示圖

從圖2可以看出，讀寫器發射的電磁波方向固定，只有當標簽置于其范圍內時，才能進行信息的交換，識別距離相對較近，典型情況為4-6m。與有源標簽相比，具有成本低、不需要維護、使用壽命長等特點。該射頻識別系統主要應用在物流、供應鏈管理、停車場管理等領域。

（2）基于有源標簽的2.45GHz、5.8GHz射頻識別系統

針對該系統的電子標簽，其內部裝有電池，不再需要從讀寫器獲

得能量，本身就能夠為自己的工作提供能量。其工作模型如圖3所示：

圖3 基于有源標簽的超高頻RFID射頻識別系統通信模型

該系統一般具有較遠的閱讀距離（0-100m），不需要讀寫器有太大的發射功率；不足之處是電池的壽命有限（3-10年），體積較大、成本較高，不適合在惡劣環境下工作；該射頻識別系統主要應用在人員進出管理、高速公路收費等領域。

不同頻段的RFID對日常生活中的材料有不同的特性，如表1所示：

表1 不同頻率的RFID對常用材料的特性

3 結語

作為一項新技術手段，射頻識別技術以其獨特的優勢，近幾年在工業、農業、商業和物聯網等領域得到飛速發展。隨著互聯網和大規模集成電路技術的不斷進步，RFID技術將推動我國自動識別行業進入一個新的發展階段，其應用將越來越廣泛。

參考文獻

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作者簡介：

李曉娟（1986—），女，碩士研究生，河南科技學院助教，研究方向：圖像處理與模式識別。