解讀物聯網IOT系列之RFID射頻辨認技能

一、什麼是射頻識別?

射頻識別(RFID)是一種無線通信技術，可以通過無線電訊號識別特定目標並讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸。射頻識別最重要的優點是非接觸識別，它能穿透雪、霧、冰、塗料、塵垢和條形碼無法使用的惡劣環境閱讀標籤，並且閱讀速度極快，大多數情況下不到100毫秒。

射頻識別技術的優勢不在於監測設備及環境狀態，而在於「識別」。即通過主動識別進入到磁場識別範圍內的物體來做相應的處理。RFID不是傳感器，它主要通過標籤對應的唯一ID號識別標誌物。而傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，並能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是做到自動檢測和自動控制的首要環節。

二、射頻識別系統組成及工作原理

1、射頻識別系統組成

射頻識別系統主要由三部分組成：標籤、閱讀器、天線。此外，還需要專門的應用系統對閱讀器識別做相應處理。

　　圖1 RFID系統按組成

1)標籤：電子標籤或稱射頻標籤、應答器，由晶片及內置天線組成。晶片內保存有一定格式的電子數據，作為待識別物品的標識性信息，是射頻識別系統的數據載體。內置天線用於和射頻天線間進行通信。

2)閱讀器：讀取或讀/寫電子標籤信息的設備，主要任務是控制射頻模塊向標籤發射讀取信號，並接收標籤的應答，對標籤的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標籤上其它相關信息傳輸到主機以供處理。

3)天線：標籤與閱讀器之間傳輸數據的發射、接收裝置。

2、射頻識別系統運行原理

電子標籤進入天線磁場後，如果接收到閱讀器發出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在晶片中的產品信息(無源標籤)，或者主動發送某一頻率的信號(有源標籤)，閱讀器讀取信息並解碼後，送至中央信息系統進行有關數據處理。

圖2 閱讀器獲得讀寫指令

圖3 閱讀器射頻調制器將信號發送到天線

圖4 天線詢問標籤

圖5 天線將獲得的標籤信息回傳

此外，按照讀寫器與標籤之間射頻信號的耦合方式，可以把它們之間的通信分為：電感耦合和電磁反向散射耦合。

1)電感耦合：依據電磁感應定律，通過空間高頻交變磁場做到耦合。電感耦合方式一般適合於中、低頻工作的近距離RFID系統。

2)電磁反向散射耦合：依據電磁波的空間傳播規律，發射出去的電磁波碰到目標後發生反射，從而攜帶回相應的目標信息。電磁反向散射耦合方式一般適合於高頻、微波工作的遠距離RFID系統。

圖6 兩種耦合方式對比

通俗的理解，電感耦合這種模式主要應用在低頻(LF)、中頻(HF)波段，由於低頻RFID系統的波長更長，能量相對較弱，因此主要依賴近距離的感應來讀取信息。電磁反向散射耦合主要應用在高頻(HF)、超高頻(UHF)波段，由於高頻率的波長較短，能量較高。因此，閱讀器天線可以向標籤輻射電磁波，部分電磁波經標籤調制後反射回閱讀器天線，經解碼以後發送到中央信息系統接收處理。

三、射頻識別系統分類

目前，按照RFID系統使用的頻率範圍，可將RFID系統劃分為四個應用頻段：低頻、高頻、超高頻和微波。　

表7 RFID系統頻率分類

表8 RFID標籤分類

按照工作頻率的不同，RFID標籤可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。其中，LF和HF頻段RFID電子標籤一般採用電磁耦合原理(電磁感應)，而UHF及微波頻段的RFID一般採用電磁發射(電磁傳播)原理。

1、低頻射頻標籤

低頻段射頻標籤，簡稱為低頻標籤，其工作頻率範圍為30kHz～300kHz。典型工作頻率有125KHz和133KHz。低頻標籤一般為無源標籤，其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標籤與閱讀器之間傳送數據時，低頻標籤需位於閱讀器天線輻射的近場區內。低頻標籤的閱讀距離一般情況下小於1米。

典型應用：動物識別、容器識別、工具識別、電子閉鎖防盜(帶有內置應答器的汽車鑰匙)等。

2、高頻射頻標籤

高頻段射頻標籤的工作頻率一般為3MHz～30MHz。典型工作頻率為13.56MHz。該頻段的射頻標籤，因其工作原理與低頻標籤完全相同，即採用電感耦合方式工作，所以宜將其歸為低頻標籤類中。但另一方面，根據無線電頻率的一般劃分，其工作頻段又稱為高頻，所以也常將其稱為高頻標籤。

高頻標籤一般也採用無源為主，其工作能量同低頻標籤一樣，也是通過電感(磁)耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。標籤與閱讀器進行數據交換時，標籤必須位於閱讀器天線輻射的近場區內。中頻標籤的閱讀距離一般情況下也小於1米。

典型應用：電子車票、電子身份證、電子閉鎖防盜(電子遙控門鎖控制器)、小區物業管理、大廈門禁系統等。

3、UHF、微波射頻標籤

超高頻與微波頻段的射頻標籤簡稱為微波射頻標籤，其典型工作頻率有433.92MHz、862(902)MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。

微波射頻標籤可分為有源標籤與無源標籤兩類。工作時，射頻標籤位於閱讀器天線輻射場的遠區場內，標籤與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標籤提供射頻能量，將有源標籤喚醒。相應的射頻識別系統閱讀距離一般大於1m，典型情況為4m～6m，最大可達10m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束範圍內的射頻標籤可被讀/寫。由於閱讀距離的增加，應用中有可能在閱讀區域中同時出現多個射頻標籤的情況，從而提出了多標籤同時讀取的需求。

典型應用：鐵路車輛自動識別、集裝箱識別，還可用於公路車輛識別與自動收費系統中。

四、RFID與物聯網

RFID是物聯網感知外界的的重要支撐技術。傳感器可以監測感應到各種信息，但缺乏對物品的標識能力，而RFID技術恰恰具有強大的標識物品能力。因此，對於物聯網的發展，傳感器和RFID兩者缺一不可。

如果沒有RFID對物體的識別能力，物聯網將無法做到萬物互聯的最高理想。缺少RFID技術的支撐，物聯網的應用範圍將受到極大的限制。但另一方面，由於RFID射頻識別技術只能做到對磁場範圍內的物體進行識別，其讀寫範圍受到讀寫器與標籤之間距離的影響。因此，提高RFID系統的感應能力，擴大RFID系統的覆蓋能力是當前亟待解決的問題。同時，考慮到傳感網較長的有效距離能很好的拓展RFID技術的應用範圍。未來做到RFID與傳感網的融合將是一個必然方向。

就目前RFID的發展情況而言，在很多工業行業中已經做到了RFID與傳感網路應用的初步融合，兩者取長補短的互補優勢正在深化物聯網應用，它們的相互融合和系統集成必將極大地推動整個物聯網產業的發展，應用前景不可估量。