什么是RFID?详解RFID及其工作原理

2021-07-22 21:44:49 riehoo 0

 射频(Radio Frequency,RF)指具有一定波长可用于无线电通信的电磁波。无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术,简称射频识别技术,是从20世纪90年代兴起的一种无线、非接触方式的自动识别技术,是近几年发展起来的前沿科技项目。早在RFID技术出现之前,最广泛应用的产品识别技术是条形码技术。进入21世纪后,由于条形码技术存在的诸多问题,例如,读取速度慢、存储能力小、工作距离近、穿透性弱以及适应性不强等,使其越来越不能满足人们的需求。因此,RFID技术的出现改变了条形码技术一统天下的局面。RFID技术不像条形码那样依靠“有形”的一维或二维几何图案来提供信息,而是通过芯片来提供存储于其中的数量巨大的“无形”信息。RFID改变了传统的数据采集方法,利用无线射频方式在阅读器和标签之间进行非接触双向数据传输,以达到目标识别和数据交换的目的,具有寿命长、阅读速度快、无磨损、环境适应性强、抗干扰能力强,便于使用和防碰撞的优点,可全天候、无接触地完成自动识别、跟踪与管理,且可穿透非金属物体进行识别以及多目标同时识别等优点,其通信距离范围可从几厘米至几十米远,而且依据读写方式的不同,可以输入数千字节的数字信息,具有极高的保密性。因此,RFID技术已逐渐成为自动识别技术中最优秀和应用领域最广泛的技术之一。

  RFID工作原理


  典型的RFID系统由RFID标签(Tag)、RFID阅读器(Reader)、天线3部分组成。

  RFID标签


  RFID标签又称电子标签、射频卡或应答器,是类似货物包装上的条形码功能,记载货物的信息,是RFID系统真正的数据载体,用以标识目标对象。当给移动或非移动物体附上RFID标签,就意味着把“物”变为了“智能物”,就可以实现对不同物体的跟踪与管理。

  RFID标签是一种集成电路产品,是由耦合元件和专用芯片组成。

  RFID标签芯片可划分为谐振回路、射频接口电路、数字控制和数据存储体4部分。谐振回路是电子标签与外界的通信接口,它耦合阅读器天线产生的磁场信号,为电子标签提供能量和数据。射频接口将外接天线和内部数字控制电路、E2PROM数据存储体联系起来,射频接口电路接收天线耦合的阅读器信号,使内部电路从中获得能量、时序和数据。数字控制电路主要包括状态机、译码编码、加密校验、防冲突等模块,实现命令编解码、数据校验,完成对射频接口、数据存储体的控制操作,完成协议所要求的功能。数据存储体采用E2PROM,实现对用户数据的存放,可以根据具体要求进行读/写操作。

  RFID标签含有内置天线,用于发送和接收射频信号,实现和射频天线间的通信。目前,125kHz、13.56MHz这两个频段的RFID芯片种类多、技术成熟且价格低廉。其中,13.56MHz的RFID标签是主流应用产品,国外公司如TI、Philips、Atmel、EM等提供的产品占了大部分市场。

  RFID标签采用3种数据存储方式:电可擦可编程只读存储器(E2PROM)、铁电随机存取存储器(FRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)。E2PROM写入过程中功耗较大,使用寿命通常为10万次。FRAM的基本原理是铁电效应,写入功耗为E2PROM的1/100,写入时间为E2PROM的1000,但由于生产方面的问题,使其至今未得到广泛应用。写入SRAM写入速度快,适用于微波系统,但需要不间断供电才能保存数据。因此RFID技术通常采用E2PROM方式。RFID标签的数据量通常在几字节到几千字节之间。但有一个例外,这就是1b RFID标签,进行“是”或“否”的应答,在需要简单监控的场所是适合的,它的价格便宜,在百货商场的商品防盗系统中获得大量的应用。

  在自动识别管理系统中,每个RFID标签保存着一个物体的属性、状态、编号等信息,具有全球唯一的识别号(ID),在加工芯片时写入,无法修改和伪造,保证安全性。RFID标签通常安装在物体表面,具有一定的无金属遮挡的视角。

  RFID标签的主要电气性能参数:工作频率、读/写能力、数据传输速率、信息数据存储量、多标签识读能力(也称防碰撞能力或防冲突能力)、信息安全性能等。

  RFID阅读器


  RFID阅读器(Reader)又称读写器或读卡器,是读取(或写入)标签信息的设备。RFID阅读器可以无接触地读取并识别RFID标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别物体的目的。阅读器一方面通过标准网口、RS-232串口或USB接口与计算机相连,另一方面通过天线与RFID标签通信,将所读取的标签信息传送到计算机上,进行下一步处理。

  由于频率范围、通信协议、数据传输方式的不同,各种阅读器会有很大的区别和差异,但是所有的阅读器在上述功能上是很相似的。

  (1)发送通道:对载波信号进行功率放大,向RFID标签传送操作命令及输入数据。

  (2)接收通道:接收RFID标签传送至阅读器的响应及数据。

  (3)载波产生器:采用晶体振荡器,产生所需频率的载波信号,并保证载波信号频率稳定度。

  (4)时钟产生电路:通过分频器形成工作所需的各种时钟。

  (5)MCU:微控制器是阅读器工作的核心,完成收发控制、向RFID标签发命令及输入数据、数据读取与处理、与高层处理应用系统的通信等工作。

  (6)天线:与RFID标签形成藕合交联。

  RFID阅读器的主要功能是控制射频模块向RFID标签发射读取信号,并接受RFID标签的应答,对RFID标签的识别信息进行处理。

  (1)查阅RFID标签中当前储存的数据信息;

  (2)控制射频模块向RFID标签发射读取信号;

  (3)接受标签的应答,对标签的识别信息进行处理;

  (4)向空白RFID标签中写入欲储存的数据信息;

  (5)修改(重新输入)RFID标签中的数据信息;

  (6)与后台管理计算机进行信息交互。

  RFID阅读器有专用阅读器和通用阅读器两种。专用读写器专门为某种用途设计,是不具备再开发功能的专用独立装置,它本身已具备某种完整的固定用途,使用方式和功能在出厂前已由厂家设置,用户可以根据应用情况做小范围设定。通用阅读器本身并不限于某种固定用途,主要针对标签的读写操作,可以进行二次开发。

  天线


  天线(Antenna)是在RFID标签和阅读器之间传递射频信号,即RFID标签的数据信息。

  RFID天线可分为标签天线和阅读器天线两种类型。这两种天线因工作特性不同,在设计上关注重点也有所不同。对于标签天线,着重考虑天线的全向性、阻抗匹配、尺寸、极化、造价,以及能否提供足够能量驱动RFID芯片等方面;对于阅读器天线,考虑更多的是天线的方向性、天线频带等因素。由于RFID标签的结构简单,而且有全向性要求,提高其天线的增益很困难,因此,系统的天线增益主要落在阅读器天线上,商用阅读器天线一般采用平板天线,增益可达到9dB。为了提高阅读器天线的方向性增益,可采用天线阵的方法,天线阵具有灵活的波束方向和更窄的波束宽度,可以减少阅读器向非目标区域辐射,提高识读距离,降低阅读器间相互干扰,是阅读器天线发展的一个重要方向。

  在RFID阅读器与标签通信时,阅读器既是发射机,也是接收机,而且发射和接收都采用相同的频率。RFID阅读器的射频前端必须将发射和接收的电磁波进行分离,分离的办法与阅读器天线结构有关。不同的结构决定不同的分离方式。阅读器天线一般可采用两种结构:单天线结构和双天线结构。

  阅读器的两个天线采用不同极化方向,或左旋极化(LHCP),或右旋极化(RHCP)。若阅读器发射左旋极化波,当它被反射回来的时候,反射波将是右旋极化方向,采用极化天线方式的射频前端,其隔离度可以达到20dB以上,比单天线结构的分离能力强,常被应用在一些较高档的阅读器中,但该方式需要两个天线,布置和安装都不太方便,另外因多了一个天线,使其成本上升,所以在实际应用中,不如单天线结构的阅读器普及。

  为保证天线的正常工作,要求天线的尺寸必须与传播波的波长一致,天线可以是无源器件,也可以是有源器件。在实际应用中,天线的设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性,还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门的设计和安装。

  阅读器在区域内通过天线发射射频信号,形成电磁场,区域大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸。

  当RFID表情进入该区域时,接收阅读器的射频信号,其天线产生感应电流,从而使RFID表情获得能量被激活,并将自身编码等信息通过标签内置发射天线向阅读器发送。

  系统接收天线接收到从RFID标签发送来的载波信号,经天线调节器传送到阅读器,阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理。

  主系统根据逻辑运算判断该标签的合法性,针对不同的设定做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作。

  RFID标签所存储的电子信息代表了待识别物体的标识信息,相当于待识别物体的身份认证,从而射频识别系统实现了非接触物体的识别目的。

  RFID系统的读写距离是一个很关键的参数。目前,长距离RFID系统的价格还很贵,因此寻找提高其读写距离的方法很重要。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、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和标签的耦合度,以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的,写入距离大约是读取距离的40%~80%。