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射频识别RFID

RFID(Radio Frequency Identification),汉语翻译为射频识别,是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,识别系统不需要与目标之间形成机械或光学接触。RFID技术起源于英国,二战时用于辨别敌我飞机的身份,20世纪60年代开始商用。

1. 无源和有源RFID:

从结构上讲,RFID是一种简单的无线系统,由一个阅读器和很多应答器组成。应答器按电源特性可分为无源、有源和半有源3种。无源RFID是发展最成熟应用最广的一类,也被称为电子标签,内部没有电源,是通过接收阅读器发出的电磁波经整流滤波稳压后形成电源电压,使电子标签内部电路可以正常工作,因为这种取电方式只有在与阅读器一定距离内有效,所以是一种近距离识别方式。电子标签价格低廉,体积小巧,具有成本优势,是市场上RFID的主要方式,主要工作频率有125kHz、13.56MHz、433MHz、915MHz等。

有源RFID是近几年发展起来的,内部具有电源以提供电路正常工作并产生对外讯号。有源RFID有较长的读取距离,也往往带有较大的存储器来存储阅读器传送来的信息,当然成本也较高,只在一些特殊领域使用,常用频率主要有433MHz、2.45GHz和5.8GHz。

半有源RFID,也被称为激活触发技术,其内部带有小型电池,但只用于回传信号,平时不发射。当接收到阅读器发出的信号后,触发内部电源启动,一般是用微波频段远距离传输数据,激活信号与传输信号可以不是一个频段,比如用低频信号激活而用微波发射。

2. 电感耦合RFID:

RFID的工作频率从低频到微波,不同频率的产品有不同的特性。低频一般是120kHz~134.2kHz,波长大约为2500m,主要以电感耦合方式工作,即阅读器和应答器线圈之间存在变压器耦合作用,阅读器中交流变化的电流使应答器天线中感应出相应的交流变化的电流,经整流滤波后作供电电压使用。这种磁场耦合作用,能够产生相对均匀的读写区域,除了导电的金属材料外,能够穿过任何材料的物品而不降低读取距离,但磁场区域下降很快,数据传输速率也比较慢,而且需要使用电感量较大的绕制线圈(数mH,100圈左右),应答器价格因此也较高。因为磁耦合作用距离近,所以此频段没有任何特殊的许可限制。

高频RFID频率为13.56MHz,波长约为22m,也是电感耦合方式工作,但可以使用PCB天线或金属刻蚀电感天线,电感量1~3uH,3~5匝,价格低廉。该频率可以穿过除导电的金属材料外的大多数材料,只是距离会有所下降,数据传输也较快,具有防冲撞特性便于同时读取多个应答器,是最普遍使用的一种电子标签,在世界上普遍使用。涉及的国际标准为ISO/IEC 14443 、ISO/IEC 15693、ISO/IEC 18000-3等。

电感耦合方式的RFID,通常使用ASK(幅移键控)数字调制方式,识别方式主要是负载调制法。

应答器通过电感线圈感应到阅读器发射的磁场,经整流滤波得到电路工作的电源。当应答器控制电子开关S1的通断,在阅读器来说就是电感线圈的负载大小发生了变化,阅读器可以检测到这种变化。如果应答器以二进制编码来控制S1,阅读器通过负载的变化检测到的是对应的AM调制信号,经解调解码就可获得应答器传来的数据,而调节R2的大小就可以改变调制度。

负载调制法需要阅读器持续发射载波(春载波或有调制信号),这样才能检测到负载的变化,也有的系统是载波间断发射,发射时应答器对电容充电,发射间隙时应答器利用充电得到的能量使振荡器工作并将数字信号经调制发射出来。电感耦合射频识别还有其他一些变型方式。

扫频法,阅读器采用扫频振荡器,频率从f1到f2变化,通过电感线圈发射出去;应答器谐振回路的谐振频率为f3(f1<f3<f2)。应答器接近阅读器,当阅读器的扫频频率和应答器的谐振频率相等时,阅读器的电感线圈中产生一个明显的增量,这个增量可提供用于识别。这种方式常用于商场防盗,线圈绕成大面积的方框安装于同道口,扫频频率常用8.2MHz±10%,无源应答器由电感线圈和薄膜电容构成谐振回路(一种1比特应答器),当附有应答器的物品被携带经过通道扣时会被检测到并发出报警信号。应答器可在收款处取下再用,或置于强磁场下利用感应电压击穿薄膜电容。

分频信号检测法的工作频率范围一般为100~135kHz,其原理框图为:

应答器是无源的,把接收到的阅读器发射的载波信号经二分频后送调制器,在调制器中被存于EEPROM中的应答数据或低频信号发生器产生的方波调制,然后经电感线圈L3发给阅读器,阅读器对二分频的载波信号进行处理,就能得到应答器的信息。

3. 反向散射耦合RFID:

当电磁波遇到物体时,一部分能量被物体吸收,还有一部分能量以不同强度被散射到各个方向,其中一小部分反射回了发射天线并被接收,对这部分信号进行放大和处理,就可得到物体的有关信息,其实这就是雷达的基本原理。

超高频RFID就是使用反向散射耦合方式,是电磁场传输信号,读取距离比较远,可达10m,但不同地区的频率不同,有868MHz、902~905MHz、950~956MHz等,波长约30cm,功率一般0.5W,也有定义为4W。超高频天线可以做的非常小,使用导电油墨印制的天线成本较低,而数据传输率很高,但电磁波不能通过很多材料,如金属、液体,灰尘和雾等悬浮颗粒物也有很大影响。超高频的RFID发展很快,更多使用有源技术,广泛用于公路收费、港口货运管理等方面。

反向散射耦合,近距离使用时可用反射调制的方法识别,类似于电感耦合时的负载调制。一个电子开关由应答器存储的数据信号来控制,当开关开路时,天线处于匹配状态,此时辐射场的功率被吸收,反射最小;当开关闭合时,天线被短路,此时全反射,反射信号取决于应答器的有效接收面积。这样,应答器的反射调制,阅读器接收到的是一个调幅波,调幅度的控制可通过加一个电阻和电子开关串联实现。

在用于距离较远的射频识别时,因为反射能量所占发射能量的比例很低,所以很难用负载调制方式实现识别,应答器要使用电池,用无线通讯方式实现识别。

也有一些设计,通过特殊的技术,也能在较近的距离(2m以内)实现无源射频识别,比如声表面波应答器,还有利用谐波检测法的成本低的1比特应答器。

阅读器发送受1kHz方波信号调制的微波信号,载波频率fc;应答器偶极子天线收到频率为fc的信号,在变容二极管的作用下,产生较强的二次或三次谐波电流,也是被1kHz信号调制的,并通过偶极子天线回射。接收器的接收频率可调节在2fc上,如果检测到了2fc频率上的1kHz调制信号,则说明检测到了应答器。这种识别方式可用于防盗,因为应答器成本很低。

4. RFID的相关标准:

1)FCC关于射频识别的规范:

对13.56MHz:
载波频率范围:13.56MHz±7kHz
基波频率场强:10mV/m,测量距离为30m
谐波功率:基波功率的-50.45dB

125kHz:
最大场强:19.2uV/m,测量距离300m(实际中使用30m测量,约65.66dBuV/m)

900MHz~5.8GHz:
允许最大场强:50mV/m,测量距离3m。

2)ISO/IEC制定的RFID标准:

ISO/IEC 10536:密耦合非接触式IC卡标准
ISO/IEC 14443:近耦合非接触式IC卡标准
ISO/IEC 15693:疏耦合非接触式IC卡标准
ISO/IEC 18000-1:基于物品管理的RFID空中接口一般参数
ISO/IEC 18000-2:低于135kHz频率的空中接口参数
ISO/IEC 18000-3:13.56MHz频率下的空中接口参数
ISO/IEC 18000-4:2.45GHz频率下的空中接口参数
ISO/IEC 18000-6:860~930MHz的空中接口参数
ISO/IEC 18000-7:433MHz频率下的空中接口参数

ISO/IEC 15424:数据载体/特征标识符
ISO/IEC 15418:EAN、UCC应用标识符及ASC MH10(ANSI标准)数据标识符
ISO/IEC 15434:大容量ADC媒体用的传送语法
ISO/IEC 15459:物品管理的唯一识别号(UID)
ISO/IEC 15961:数据协议:应用接口
ISO/IEC 15962:数据编码规则和逻辑存储功能的协议
ISO/IEC 15963:射频标签(应答器)唯一标识

ISO/IEC 18046:RFID设备性能测试方法
ISO/IEC 18047:有源和无源的RFID设备一致性测试方法
ISO/IEC 10737-6:按ISO/IEC 14443标准对非接触式IC卡进行测试的方法

ISO/IEC 10374:货运集装箱识别标准
ISO/IEC 18185:货运集装箱密封标准
ISO/IEC 11784:动物RFID的代码结构
ISO/IEC 11785:动物RFID的技术准则
ISO/IEC 14223:动物追踪的直接识别数据获取标准
ISO/IEC 17363和17364:一系列物流容器(如货盘、货箱、纸盒等)识别的规范

以上标准包括技术标准、数据内容标准、性能标准和应用标准,此外还会涉及无线电管理、人类健康、数据安全隐私保护等方面的标准和规范。

近些年,由RFID又发展出NFC技术,也使用13.56MHz频率,传输速度有106、212或424Kbit/秒三种,作用距离20cm ,在手持智能移动终端(手机等)中开始流行,成为一种移动支付的主要手段。

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