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清華大學(xué)機(jī)械工程系 李志寧 博士
射頻識(shí)別技術(shù)是從八十年代起走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)。它和同期或早期的接觸式識(shí)別技術(shù)不同，RFID系統(tǒng)的射頻卡和讀寫器之間不用接觸就可完成識(shí)別，因此它的應(yīng)用場(chǎng)合更廣泛。
射頻識(shí)別技術(shù)RFID（Radio Frequency Identification Technology）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可以替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長(zhǎng)距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識(shí)別距離可達(dá)幾十米，如自動(dòng)收費(fèi)或識(shí)別車輛身份等。
RFID系統(tǒng)的組成
最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：
電子標(biāo)簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象；當(dāng)受無線電射頻信號(hào)照射時(shí)，能反射回?cái)y帶有數(shù)字字母編碼信息的無線電射頻信號(hào)，供閱讀器處理識(shí)別。
閱讀器(Reader)：有時(shí)也被稱為查詢器、通訊器或稱為讀出裝置，用以產(chǎn)生發(fā)射無線電射頻信號(hào)并接收由電子標(biāo)簽反射回的無線電射頻信號(hào)，經(jīng)處理后獲取標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，有時(shí)還可以寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式；
微型天線(Antenna)：在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)。
RFID系統(tǒng)的工作原理
RFID系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別物體的表面，電子標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。閱讀器可無接觸地讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。閱讀器通過天線發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量，發(fā)送出自身編碼等信息，被讀取器讀取并解碼后送至電腦主機(jī)進(jìn)行有關(guān)處理。
圖1就是RFID感應(yīng)技術(shù)的基本原理圖。在電磁場(chǎng)系統(tǒng)中，閱讀器（Reader）發(fā)出一個(gè)電磁（EM）波，電磁波以一個(gè)球形波向前傳播。電子標(biāo)簽位于電磁場(chǎng)中，淹沒在這樣傳播的電磁波中并從電磁波中收集一些能量。在任何一個(gè)點(diǎn)上， 可用的能量的大小與該點(diǎn)距發(fā)射機(jī)的距離有關(guān)。
由上可知， 閱讀器必須在可閱讀的距離范圍內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)合適的能量場(chǎng)以激勵(lì)電子標(biāo)簽。
在當(dāng)前有關(guān)的射頻約束下， 在歐洲的大部分地區(qū)各向同性有效輻射功率限制在500mW， 這樣的輻射功能在870MHz，可近似達(dá)到0.7米。在美國(guó)、加拿大以及其他一些國(guó)家， 無需授權(quán)的輻射約束為各向同性輻射功率為4W，這樣的功率將會(huì)達(dá)到2米的閱讀距離。在獲得授權(quán)的情況下，在美國(guó)發(fā)射30W的功率將使閱讀區(qū)增大到5.5米左右。
RFID系統(tǒng)的工作頻率
通常閱讀器發(fā)送時(shí)所使用的頻率被稱為RFID系統(tǒng)的工作頻率。常見的工作頻率有低頻125kHz、134.2kHz及13.56MHz等等。
低頻系統(tǒng)一般指其工作頻率小于30MHz，典型的工作頻率有：125KHz、225KHz、13.56M等，這些頻點(diǎn)應(yīng)用的射頻識(shí)別系統(tǒng)一般都有相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)予以支持。其基本特點(diǎn)是電子標(biāo)簽的成本較低、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較少、閱讀距離較短（無源情況，典型閱讀距離為10cm）、電子標(biāo)簽外形多樣（卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀）、閱讀天線方向性不強(qiáng)等。
高頻系統(tǒng)一般指其工作頻率大于400MHz， 典型的工作頻段有：915MHz、2450MHz、5800MHz等。高頻系統(tǒng)在這些頻段上也有眾多的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)予以支持。高頻系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是電子標(biāo)簽及閱讀器成本均較高、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)（可達(dá)幾米至十幾米）， 適應(yīng)物體高速運(yùn)動(dòng)性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及電子標(biāo)簽天線均有較強(qiáng)的方向性。
RFID標(biāo)簽類型
RFID標(biāo)簽分為被動(dòng)標(biāo)簽(Passive tags)和主動(dòng)標(biāo)簽(Active tags)兩種。主動(dòng)標(biāo)簽自身帶有電池供電，讀/寫距離較遠(yuǎn)時(shí)體積較大，與被動(dòng)標(biāo)簽相比成本更高，也稱為有源標(biāo)簽， 一般具有較遠(yuǎn)的閱讀距離， 不足之處是電池的壽命有限（3～10年）。
無源電子標(biāo)簽內(nèi)無電池，它接收到閱讀器（讀出裝置）發(fā)出的微波信號(hào)后，將部分微波能量轉(zhuǎn)化為直流電供自己工作，一般可做到免維護(hù)，成本很低并具有很長(zhǎng)的使用壽命，比主動(dòng)標(biāo)簽更小也更輕，讀寫距離則較近，也稱為無源標(biāo)簽。相比有源系統(tǒng)，無源系統(tǒng)在閱讀距離及適應(yīng)物體運(yùn)動(dòng)速度方面略有限制。
集成固化式電子標(biāo)簽內(nèi)的信息一般在集成電路生產(chǎn)時(shí)即將信息以ROM工藝模式注入， 其保存的信息是一成不變的；現(xiàn)場(chǎng)有線改寫式電子標(biāo)簽一般將電子標(biāo)簽保存的信息寫入其內(nèi)部的存貯區(qū)，改寫時(shí)需要專用的編程器或?qū)懭肫�，改寫過程中必須為其供電；現(xiàn)場(chǎng)無線改寫式電子標(biāo)簽一般適用于有源類電子標(biāo)簽，具有特定的改寫指令，電子標(biāo)簽內(nèi)保存的信息位于其中的存貯區(qū)。一般情況下改寫電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)大于讀取電子標(biāo)簽所花費(fèi)的時(shí)間。常規(guī)為改寫所花費(fèi)的時(shí)間為秒級(jí)，閱讀花費(fèi)的時(shí)間為毫秒級(jí)。
RFID識(shí)別系統(tǒng)類型
可以將RFID識(shí)別系統(tǒng)簡(jiǎn)單地區(qū)分為三種類型，廣播發(fā)射式射頻識(shí)別系統(tǒng)、倍頻式射頻識(shí)別系統(tǒng)和反射調(diào)制式射頻識(shí)別。
廣播發(fā)射式射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來最簡(jiǎn)單。這時(shí)電子標(biāo)簽必須采用有源方式工作，并實(shí)時(shí)將其貯存的標(biāo)識(shí)信息向外廣播，閱讀器相當(dāng)于一個(gè)只收不發(fā)的接收機(jī)。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是電子標(biāo)簽因須不停地向外發(fā)射信息，對(duì)其自身而言費(fèi)電，對(duì)環(huán)境而言造成電磁污染，同時(shí)系統(tǒng)不具備安全保密性。
倍頻式射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來有一定難度。一般情況下，閱讀器發(fā)出射頻查詢信號(hào)，電子標(biāo)簽返回的信號(hào)載頻為閱讀器發(fā)出射頻的倍頻。這種工作模式對(duì)閱讀器接收處理回波信號(hào)提供了便利，但是，對(duì)無源電子標(biāo)簽來說，電子標(biāo)簽將收到的閱讀器發(fā)來的射頻能量轉(zhuǎn)換為倍頻回波載頻時(shí)，其能量轉(zhuǎn)換效率較低，提高轉(zhuǎn)換效率需要較高的微波技巧，這就意味著更高的電子標(biāo)簽成本。同時(shí)這種系統(tǒng)工作須占用兩個(gè)工作頻點(diǎn)，一般較難獲得無線電頻率管理委員會(huì)的產(chǎn)品應(yīng)用許可。
反射調(diào)制式射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來要解決同頻收發(fā)問題。系統(tǒng)工作時(shí)，閱讀器發(fā)出微波查詢（能量）信號(hào)，電子標(biāo)簽（無源）收到微波查詢能量信號(hào)后將其一部分整流為直流電源供電子標(biāo)簽內(nèi)的電路工作， 另一部分微波能量信號(hào)被電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制（ASK）后反射回閱讀器。 閱讀器接收反射回的幅度調(diào)制信號(hào)， 從中提取出電子標(biāo)簽中保存的標(biāo)識(shí)性數(shù)據(jù)信息。 系統(tǒng)工作過程中， 閱讀器發(fā)出微波信號(hào)與接收反射回的幅度調(diào)制信號(hào)是同時(shí)進(jìn)行的。反射回的信號(hào)強(qiáng)度較發(fā)射信號(hào)要弱得多，因此技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難點(diǎn)在于同頻接收。
RFID應(yīng)用鏈接
射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。下面具體介紹幾種應(yīng)用實(shí)例：
�。�1）鐵路貨車車號(hào)識(shí)別、集裝箱多式運(yùn)輸
將RFID技術(shù)用于貨車車號(hào)自動(dòng)抄錄，將貨車車號(hào)信息存放在電子標(biāo)簽里， 并將電子標(biāo)簽安裝在貨車車體的表面，當(dāng)貨車通過讀出點(diǎn)時(shí)，閱讀器通過天線接收電子標(biāo)簽反射回的帶有貨車車號(hào)信息的電子信號(hào)。接收到的電子信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后，自動(dòng)顯示或打印出來，從而實(shí)現(xiàn)了貨車車號(hào)的自動(dòng)識(shí)別，克服了人工抄錄造成的勞動(dòng)強(qiáng)度高、出錯(cuò)概率大、工作效率低等缺點(diǎn)。
�。�2）公路運(yùn)輸收費(fèi)管理
采用RFID技術(shù)后，安裝電子標(biāo)簽的車輛能以200Km/H以內(nèi)的速度通過收費(fèi)口，讀出設(shè)備可快速、準(zhǔn)確地記錄通過車輛的編號(hào)或帳戶信息， 實(shí)現(xiàn)高速公路通行費(fèi)的自動(dòng)征收與管理。
�。�3）人員車輛出入管理
射頻識(shí)別系統(tǒng)可以應(yīng)用于大型停車場(chǎng)、軍事重地、 金融系統(tǒng)等地方的人員出入管理。將與名片大小相仿的電子標(biāo)簽貼附在汽車風(fēng)擋玻璃或掛在人的身上，當(dāng)有人員或車經(jīng)過閱讀器時(shí)，閱讀器即可快速、準(zhǔn)確地記錄下所通過的車輛或人員信息及通過的時(shí)間。同時(shí)還可以對(duì)是否允許通過做出判斷，自動(dòng)控制出入大門開關(guān)，做到出入嚴(yán)格管理。
�。�4）其它
射頻識(shí)別可廣泛應(yīng)用于礦山、油田、化工廠、核工廠等一些重要、 危險(xiǎn)區(qū)域或單位。對(duì)出入人員進(jìn)行自動(dòng)登記，包括身份代碼、進(jìn)出時(shí)間等， 從而大大增加了安全系數(shù)。
射頻識(shí)別還可應(yīng)用于博物館、商店、實(shí)驗(yàn)室以及醫(yī)院病區(qū)管理，監(jiān)視病人出入等。
摘自 中國(guó)計(jì)算機(jī)用戶
