射频识别

简介

RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification，RFID)的缩写，又称电子标签,射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)达到无接触信息传递并通过所传递的信息高达识别目的的技术。

无线射频识别技术(RFID)已经形成一个很火热的话题。据行业人士预期，RFID技术市场将于将来五年内在新的产品与服务上导致30到100亿美金的商机，跟随而来的仍有服务器、资料储存系统、资料库程序、商业管理软件、顾问服务，以及其余电脑基础建设的庞大需求。恐怕这些预期过于乐观，但RFID将令形成将来的一个重大市场是毫无疑问的。很多高科技公司正在抓紧开发RFID专用的软件和硬件，这些公司包含英特尔、微软、甲骨文、SAP和SUN，而近期世界最大的零售商沃尔玛的一项"要求其前100家提供商在2005年1月以前向其配送中心发送货盘和包装箱时运用 RFID技术，2006年1月前在单件商品中运用这项技术"的会议，把RFID又一次推到了聚光灯下。所以可以说无线射频识别技术(RFID)正在形成世界火热新科技。

射频识别系统一般由电子标签(射频标签)和阅读器构成。电子标签内存有一定格式的电子报告，常以此作为待识别物品的标识性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息，一般的情形是由阅读器向电子标签发送命令，电子标签依据收到的阅读器的命令，将内存的标识性报告回传给阅读器。该种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术达到的。

电子标签具有各种各样的形状，但不是任意形状都能满足阅读距离及工作频率的要求，必需依据系统的工作原理，即磁场耦合(变压器原理)依旧电磁场耦合(雷达原理)，设计合适的天线外形及尺寸。电子标签一般由标签天线(或线圈)及标签芯片构成。标签芯片即相当于一个具有无线收发功能再加存贮功能的单片系统(SoC)。从纯技术的角度来看，射频识别技术的核心在电子标签，阅读器是依据电子标签的设计而设计的。尽管，在射频识别系统中电子标签的单价远比阅读器低，但一般情形下，在应用中电子标签的数量是很大的，特别是物流应用中，电子标签由或许是海量而且是一次性运用的，而阅读器的数量则相对要少的多。

事实应用中，电子标签除了具有报告存贮量、报告传输速率、工作频率、多标签识读特质等电学参数之外，还依据其内部能否需要加装电池及电池供电的作用而将电子标签分为无源标签(passive)、半无源标签(semi-passive)和有源标签(active)三种类型。无源标签没有内装电池，在阅读器的阅读规模之外时，标签处在无源状态，在阅读器的阅读规模之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。半无源标签内装有电池，但电池仅对标签内要求供电保持报告的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路自身耗电很少。标签未进入工作状态前，一直处在休眠状态，相当于无源标签。标签进入阅读器的阅读规模时，承受阅读器发出的射频能量的激励，进入工作状态时，用于传输通信的射频能量与无源标签一样源自阅读器。有源标签的工作电源完全由内部电池供给，同期标签电池的能量提供也部分地转换为标签与阅读器通信所需的射频能量。

射频识别系统的另一首要性能指标是阅读距离，也称为作用距离，它表明在最远为多远的距离上，阅读器能够牢靠地与电子标签交换信息，即阅读器能读取标签中的报告。事实系统这一指标相差很大，取决于标签及阅读器系统的设计、成本的要求、应用的需求等，规模从0～100m左右。典型的情形是，在低频125kHz、13.56MHz频点上一般均采取无源标签，作用距离在10～30cm左右，个别有到1.5m的系统。在高频UHF频段，无源标签的作用距离可高达3～10m。更高频段的系统一般均采取有源标签。采取有源标签的系统有高达作用距离到100m左右的发文。发展历史

从信息传递的基本原理来看，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型 (雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。1948年哈里斯托克曼发表的"利用反射功率的通信"奠定了射频识别射频识别技术的理论基础。

射频识别技术的成长可按十年期划分如下：

1940-1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。

1950-1960年：早期射频识别技术的探索阶段，首要处在实验室实验研究。

1960-1970年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一部分应用试图。

1970-1980年：射频识别技术与产品研发处在一个大发展期间，各种射频识别技术试探得到增速。显现了一部分最早的射频识别应用。

1980-1990年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种大小应用开始显现。

1990-2000年：射频识别技术标准化困难日趋得到重视，射频识别产品得到普遍采取，射频识别产品渐渐形成民众生活中的一部分。

2000年后：标准化困难日趋为民众所重视，射频识别产品种类愈加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本持续减弱，范围应用行业扩大。

迄今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在形成现实并迈向应用。工作原理

●工作原理

RFID的工作原理是：标签进入磁场后，假使接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所得到的能量发送出存储在芯片中的产品信息(即 Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(即Active Tag，有源标签或主动标签)，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统执行相关报告处理。

RFID技术由Auto-ID中心开发，其应用形式为标记(tag)、卡和标签(label)设备。标记设备由RFID芯片和天线构成，标记类型分为三种：自动式，半被动式和被动式。当下市场上开发的差不多是被动式RFID标记，由于这类设备造价较低，且易于配置。被动标记设备运用无线电波执行操作和通信，信号务必在识别器允许的规模内，一般是10英尺(约3米)。这类标记适合于短距离信息识别，如一次性剃须刀或可移动刀片包装盒这类小商品。 RFID芯片可以是只读的，也可是读/写方式，根据应用需求决定。被动式标记设备采取E2PROM(电擦写可编程只读存储器)，便于运用特定电子处理设备向上面写报告。一般标记设备在出厂时都设定为只读方式。Auto-ID规范中还包含有死锁命令，以在适当情形下阻止追踪进度。

Auto-ID中心开发的电子产品代码(EPC)规范能识别目标，以及所有与目标有关的报告。EPC系统运用正确的报告库链接到EPC码，厂商和零售商能根据权限执行查询、管理和变更操作。一旦标记贴到产品或设备上，RFID识别器便能读取存储于标记中的报告。Auto-ID计划将EPC系统发展形成世界标准，该标准首要包含：识别目标的特定代码(EPC)；定义报告的所有者(EPC管理器)；定义代码及标记的其余信息；定义货物参数，如库存单元号；将EPC代码转换为Internet地址 (目标命名服务ONS)；对目标执行描述(物理置标语言PML)；聚集和处理RFID报告(专家软件)；分配给每类目标的特定号码(串行号)；用于互操作性的规范最小集(标记及识别规范)，采取RFID技术最大的好处是值得对企业的提供链执行透明管理，有效地减弱成本。RFID系统的构成

射频识别系统起码应包含下方两个部分，一是读写器，二是电子标签(或称射频卡、应答器等，本文统称为电子标签)。此外还应包含天线，主机等。RFID系统在具体的应用过程中，依据不同的应用目的和应用环境，系统的构成会有所不同，但从RFID系统的工作原理来说，系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分构成。下面分别加以表明：

① 信号发射机

在RFID系统中，信号发射机为了不同的应用目的，会以不同的形式存在，典型的形式是标签(TAG)。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息，此外，与条码不同的是，标签务必能够自动或在外力的作用下，把存储的信息主动发射出去。

② 信号接收机

在RFID系统中，信号接收机一般叫做阅读器。依据支持的标签类型不同与完成的功能不同，阅读器的复杂程度是明显不同的。阅读器基本的功能就是供应与标签执行报告传输的渠道。此外，阅读器还供应相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。标签中除了存储需要传输的信息外，还务必含有适当的附加信息，如错误校验信息等。识别报告信息和附加信息依照适当的结构编制在一起，并依照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制报告流的发送。一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决定能否需要发射机对发送的信号重发一次，或者知道发射器停止发信号，这就是"命令响应协议"。运用该种协议，即使在很短的时间、很小的空间阅读多个标签，也可以有效地防止"欺骗困难"的造成。

③ 编程器

只有可读可写标签系统才需要编程器。编程器是向标签写入报告的装置。编程器写入报告一般来看是离线(OFF-LINE)完成的，也就是预先在标签中写入报告，等到开始应用时直接把标签黏附在被标识项目上。也有一部分RFID应用系统，写报告是在线(ON-LINE)完成的，特别是在生产环境中作为交互式便携报告文件来处理时。

④ 天线

天线是标签与阅读器之间传输报告的发射、接收装置。在事实应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响报告的发射和接收，需要专业人士对系统的天线执行设计、安装。RFID系统的分类

依据RFID系统完成的功能不同，可以粗略地把RFID系统分成四种类型：EAS系统、便携式报告采集系统、网络系统、定位系统。

●EAS技术

ELECTRONIC ARTICLE SURVEILLANCE(EAS)是一种设置在需要控制物品出入的门口的RFID技术。该种技术的典型应用场合是商店、图书馆、报告中心等地方，当未被授权的人从这些地方非法取走物品时，EAS系统会发出警示。在应用EAS技术时，首先在物品上粘付EAS标签，当物品被正常买入或者合法移出时，在结算处通过适当的装置使EAS标签失活，物品就可以取走。物品经历装有EAS系统的门口时，EAS装置能自动检测标签的活动性，发现活动性标签EAS系统会发出警示。EAS技术的应用可以有效防止物品的被盗，不管是大件的商品，依旧很小的物品。应用EAS技术，物品不用再锁在玻璃橱柜里，可以让顾客自由地观看、检查商品，这在自选日益流行的今天有着非常重要的现实意义。典型的EAS系统一般由三部分构成，1)附着在商品上的电子标签，电子传感器；2)电子标签灭活装置，以便授权商品能正常出入；3)监视器，在出口产生一定区域的监视空间。

EAS系统的工作原理是：在监视区，发射器以适当的频率向接收器发射信号。发射器与接受器一般安装在零售店、图书馆的出入口，形成适当的监视空间。当具有特殊特质的标签进入该区域时，将对发射器发出的信号造成干扰，该种干扰信号也会被接收器接收，再经历微处理器的分析分析，就会控制警报器的鸣响。依据发射器所发出的信号不同以及标签对信号干扰原理不同，EAS可以分成很多种类型。有关EAS技术最新的研究方向是标签的制作，民众正在讨论EAS标签能不能象条码一样，在产品的制作或包装过程中加进产品，形成产品的一部分。

●便携式报告采集系统

便携式报告采集系统是运用带有RFID阅读器的手持式报告采集器采集RFID标签上的报告。该种系统具有比较大的灵活性，适用于不宜安装固定式RFID 系统的应用环境。手持式阅读器(报告输入终端)可以在读取报告的同期，通过无线电波报告传输方式(RFDC)实时地向主计算机系统传输报告，也可以临时将报告存储在阅读器中，在一批一批地向主计算机系统传输报告。

●物流控制系统

在物流控制系统中，固定布置的RFID阅读器分散布置在给定的区域，而且阅读器直接与报告管理信息系统相连，信号发射机是移动的，一般安装在移动的物体、人上面。当物体、人流经阅读器时，阅读器会自动扫描标签上的信息并把报告信息输入报告管理信息系统存储、分析、处理，高达控制物流的目的。

●定位系统

定位系统用于自动化加工系统中的定位以及对车辆、轮船等执行运行定位支持。阅读器放置在移动的车辆、轮船上或者自动化流水线中移动的物料、半成品、成品上，信号发射机嵌入到操作环境的地表下面。信号发射机上存储有位置识别信息，阅读器一般通过无线的方式或者有线的方式连接到主信息管理系统。应用

总之，一套完整的RFID系统处理方案包含标签设计及制作工艺、天线设计、系统中间件研发、系统牢靠性研究、读卡器设计和示范应用演示六部分。可以普遍应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理和身份认证等多个领域，而在仓储物流管理、生产过程制造管理、智能交通、网络家电控制等方面更是引起了大量厂商的关注。

20世纪90年代初的金卡工程助推了国内IC卡的应用和发展，也为RFID产业打下了应用和技术的基础。进入21世纪，RFID产业承受了政府部门和研究机构的重视，各类支持政策逐渐出台，支持强度逐渐加大；同期政府也大力助推了RFID在行业的应用。当前RFID，特别是13.56MHz的RFID，已在国内得到大量的应用，首要集中于身份识别、公共交通管理、物流管理等领域。

身份识别

电子标签可以通过嵌入到身份证、护照、工作证的各种证件中，用作人士身份识别，是当前RFID技术应用最为普遍和成熟的领域之一。在国内的首要应用有：

中国第二代居民身份证，基于ISO/IEC 14443-B标准的13.56MHz电子标签，该项目可以说是国内乃至国际上最大的RFID应用的项目之一。

教育部学生购票优惠卡，基于ISO/IEC 15693标准的13.56MHz电子标签。

共青团中央青年卡，基于ISO/IEC 14443-A标准的13.56MHz电子标签。

公共交通管理

公共交通管理是国内应用RFID技术最早的，也是最成功的领域之一，当前国内首要涉及的应用有电子车票、不停车收费(ETC)等。电子车票具有交易便捷，迅速通过，牢靠性高等优点，所以逐渐增多的城市正准备运用电子车票并准备给它加许多的功能。在不停车收费系统尤其是高速公路自动收费应用上，RFID技术可以处理原来收费成本高、管理混乱以及停车排队引起的交通拥堵等困难，在这方面应用的电子标签由于要求能够远距离、迅速识别，所以多工作在UHF或微波频段。典型的应用有: 国内很多城市(如上海)，运用基于ISO/IEC 14443-A标准的13.56MHz电子标签作为地铁、出租、公交的电子车票。深圳在车流量很大的皇岗海关、文锦渡海关，运用了UHF频段的RFID系统来提升通关效率。另外，很多城市都在建设和应用RFID技术执行着高速公路的不停车收费管理系统。

物流管理

物流管理是RFID技术的其他重要应用，当前在国内也正在逐渐的试用与推广。RFID系统可对整个物流过程执行监控和管理，保证物品在运输流通中不会被误送或丢失，减弱物流成本，提升运输的效率。同期，受于RFID技术具有防伪的特性，可对特殊的物品(如危险品)结合物流管理执行严格控制，防止假冒伪劣产品流入市场。典型的应用有:

铁道部铁路车号自动识别，运用基于EPC CLASS0标准的UHF电子标签。

中国邮政邮包分拣，正在试用多种标准的UHF电子标签，仍未最后确定。

上海液化气钢瓶管理，运用基于ISO/IEC 15693标准的13.56MHz电子标签。

上海烟花爆竹管理，运用基于ISO/IEC 14443-A标准的13.56MHz电子标签。

从RFID在国内的应用可以目睹，不同频段的RFID系统应用发展不平衡：13.56MHz电子标签发展成熟，应用普遍，正在向许多的应用领域发展；UHF频段电子标签的应用还处在启动阶段，这与国内当前的市场需求紧密有关。在身份识别、电子票据、防伪、危险品管理等领域，其需求特点是工作距离要求不高、有一定安全加密的要求、成本要求不高，这些均为13.56MHz电子标签发展较快的领域。

在商业提供链管理、仓储管理、不停车收费等领域，其需求特点是工作距离远、迅速识别、安全性要求不高、成本要求很高，这些领域会是UHF、微波频段电子标签的重要发展领域，但受于技术、成本等各方面原因，RFID在这方面应用的成长相对较慢。但伴随一部分国际商业巨头(如沃尔玛、麦德龙等)，对RFID在商业提供链管理应用上的助推，可以预见，UHF、微波频段电子标签的应用在不远的将来，在世界、在国内全将有巨大的成长。射频识别与开源项目

GNU Radio 是免费的软件开发工具套件。它供应信号运行和处理模块，用它可以在易制作的低成本的射频（RF）硬件和通用微处理器上达到软件定义无线电。这套套件普遍用于业余爱好者，学术机构和商业机构用来研究和构建无线通信系统。GNU Radio 的应用首要是用 Python 编程语言来编撰的。但是其核心信号处理模块是C++在带浮点运算的微处理器上构建的。所以，开发者能够简单迅速的构建一个实时、高容量的无线通信系统。即使其首要功用不是仿真器，GNU Radio 在没有射频 RF 硬件部件的境况下支持对预先存储和（信号发生器）生成的报告执行信号处理的算法的研究。