浅析@@RFID射频@@识别@@技术@@频@@率及应用@@@@

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       射频@@识别@@(radio frequency identification,以下简称@@RFID)是一种将数据存储在电子数据载体@@(如集成电路@@)上@@,并通过磁场或电磁场以无线方式进行应答器@@ / 标签@@(Transponder/Tag)和@@询问器@@/读写器@@(Interrogator/Reader)之间双向通信@@,从而达到@@识别目的并交换数据的新兴技术该技术能实现多目标识别和@@运动目标识别@@;具有抗恶劣环境@@、高@@准确性@@、安@@全性@@、灵活性和@@可扩展性等@@诸多优点@@;便于通过互联网@@实现物品@@跟踪和@@物流管理@@,因而受到@@广泛的关注@@。因此@@,RFID 被公认为本世纪最有发展前途的@@10项技术之一@@。

  RFID 系统事实上@@已经存在和@@发展了几十年@@,从供电状态来看可以分为@@“有源@@”和@@“无源@@”两大类@@;从工作频@@率来看@@,可以分为低@@频@@@@@@(125KHz~135KHz),高@@ 频@@(13.56MHz),超高@@频@@@@@@,微波@@(2.45GHz,5.8GHz)等@@几大类@@。不同的射频@@识别@@系统的硬件价格差别是巨大的@@,而系统本身的特性也各不相同@@,系统的成熟度也有所不同@@。很多问题@@,甚至连业内人员也不能轻易给出一个明确的解答因此@@用户在选择射频@@识别@@技术@@的时候常常觉得无所适从@@。笔者结合自身的开发和@@应用@@经验@@,同时@@在参考了相关的应用@@资料和@@技术数据基础上@@@@,力图通过本文给读者一个较@@为全面和@@客观的认识@@,希望能够给用户在选择合适频@@率的射频@@识别@@系统时提供一些帮助@@。

  2 不同频@@段@@@@ RFID 技术特性简述@@

  2.1 低@@频@@@@(Low Frequency) :

  使用的频@@段@@范围为@@ 1 0 K H z ~ 1 M H z ,常见的主要规格有@@125KHz、135KHz等@@。一般这个@@频@@段@@的电子标签@@都是被动式的@@,通过电感@@耦合方式进行能量供应和@@数据传输@@。低@@频@@@@的最大的优点在于其标签@@靠近金属或液体的物品@@上@@时标签@@受到@@的影响@@ 较@@小@@,同时@@低@@频@@@@系统非常成熟@@,读写设备@@的价格低@@廉@@。但缺点是读取距离短@@、无法同时@@进行多标签@@读取@@( 抗冲突@@) 以及信息量较@@低@@@@,一般的存储容量@@在@@ 128 位@@到@@@@ 512 位@@。主要应用@@于门禁系统@@、动物芯片@@、汽车防盗器和@@玩具等@@@@。虽然低@@频@@@@系统成熟@@,读写设备@@价格低@@廉@@,但是@@由于其谐振频@@率低@@@@,标签@@需要制作电感@@值@@很大的绕线电@@ 感@@,并常常需要封装片外谐振电容@@,其标签@@的成本反而比其他频@@段@@高@@@@。

  2.2 高@@频@@@@(High Frequency):

  使用的频@@段@@范围为@@ 1MHz~400MHz,常见的主要规格为@@ 13.56MHz这个@@ ISM 频@@段@@。这个@@频@@段@@的标签@@还是以被动式为主@@,也是通过电感@@耦合方式进行能量供应和@@数据传输@@@@。这个@@频@@段@@中最大的应用@@就是我们所熟知的非接触式智能卡@@。和@@低@@频@@@@相@@ 较@@,其传输速度较@@快@@,通常在@@100kbps 以上@@@@,且可进行多标签@@辨识@@(各个国际标准@@都有成熟的抗冲突@@机制@@)。该频@@段@@的系统得益于非接触式智能卡的应用@@和@@普及@@,系统也比较@@成熟@@,读写设备@@的价格较@@低@@@@。 产品最丰富@@,存储容量@@从@@ 128 位@@到@@@@8K 以上@@@@字节@@都有@@,而且@@可以支持很高@@的安@@全特性@@,从最简单的写锁定@@,到@@流加密@@,甚至是加密协处理器都有集成@@。一般应用@@于身份识别@@、图书馆管理@@、产品管理等@@@@。安@@ 全性要求较@@高@@的@@RFID 应用@@,目前该频@@段@@是唯一选择@@。

  2.3 超高@@频@@@@@@(Ultra High Frequency):

  使用的频@@段@@范围为@@ 400MHz~1GHz,常见的主要规格有@@ 433MHz、868~950MHz。这个@@频@@段@@通过电磁波方式进行能量和@@信息的传输@@。主动式和@@被动式的应用@@在这个@@频@@段@@都很常见@@,被动式标签@@读取距离约@@3 ~ 1 0 m 传输速率较@@快@@,一般也可以达到@@@@@@100kbps 左右@@,而且@@因为天线可采用蚀刻或印刷的方式制造@@,因此@@成本相对较@@低@@@@。由于读取距离较@@远@@、信息传输速率较@@快@@@@,而且@@可以同时@@进行大数量标签@@的读取与辨识@@,因此@@ 特别适用于物流和@@供应链管理@@等@@领域@@。但是@@,这个@@频@@段@@的缺点是在金属与液体的物品@@上@@的应用@@较@@不理想同时@@系统还不成熟@@,读写设备@@的价格非常昂贵@@,应用@@和@@维护的@@ 成本也很高@@@@。此外@@,该频@@段@@的安@@全性@@特性一般@@,不适合安@@全性@@要求高@@的应用@@领域@@。

  2.4 微波@@(Microwave):

  使用的频@@段@@范围为@@ 1GHz 以上@@@@,常见的规格有@@ 2.45GHz、5.8GHz。微波@@频@@段@@的特性与应用@@和@@超高@@频@@@@@@段相似@@,读取距离约为@@ 2 公尺@@,但是@@对于环境的敏感@@性较@@高@@@@。由于其频@@率高@@于超高@@频@@@@@@@@,标签@@的尺寸可以做得比超高@@频@@@@@@更小@@@@,但水对该频@@段@@信号的衰减较@@超高@@频@@@@@@更高@@@@,同时@@工作距离也比超高@@频@@@@@@@@ 更小@@。

  一般应用@@于行李追踪@@、物品@@管理@@、供应链管理@@…等@@。

  2.5 根据应用@@选择合适频@@段@@的射频@@识别@@技术@@@@

  前一部分中@@,我们已经简要介绍了各个频@@段@@的@@射频@@识别@@技术@@的特点@@。这一部分中我们将重点说明如何来选择合适的射频@@识别@@技术@@@@。

  第一@@,一个射频@@识别@@系统的成本@@,包含硬件成本@@、软件成本和@@集成成本等@@@@。而硬件成本不仅仅包括读写器@@和@@标签@@的成本@@,还包括安@@装成本@@。很多时候@@,应用@@和@@数据管理软件和@@集成是整个应用@@的主要成本@@。如果从成本出发考虑@@,一定要根据系统的整体成本@@进行@@,而不仅仅局限于硬件@@,如标签@@的价格@@。这里@@,我们不进一步讨论@@ 和@@分析这部分的问题@@,但读者需要对此有一个了解和@@认识@@。下面我们主要讨论从技术层面来看@@,如何选择合适的频@@段@@@@。

  第二@@,我们知道@@,即使是在同一个频@@段@@内的射频@@识别@@系统@@,其通信距离也是差异很大的@@。因为通信距离通常依赖于天线设计@@、读写器@@输出功率@@、标签@@芯片功耗和@@读写器@@接收灵敏度等@@等@@@@。我们不能够简单地认为某一个频@@段@@的射频@@识别@@系统的工作距离大于另一个频@@段@@的射频@@识别@@系统@@。

  第三@@,虽然理想的射频@@识别@@系统是长工作距离@@,高@@传输速率和@@低@@功耗的@@。然而@@,现实的情况下这种理想的射频@@系统是不存在的@@,高@@的数据传输率只能在相对较@@近的距@@ 离下实现@@。反之@@,如果要提高@@通@@信距离@@,就需要降低@@数据传输率@@。所以我们如果要选用通信距离远的射频@@识别@@技术@@@@,就必须牺牲通信速率@@。选择频@@段@@的过程常常是一种折中的过程@@。

  第四@@,除了考虑通信距离以外@@,在我们选择一个射频@@系统时@@,通常还要考虑存储器容量@@、安@@全特性等@@因素@@。根据这些应用@@需求@@,才能够确定适合的射频@@识别@@频@@段@@和@@解决方案@@。从现有的解决方案来看@@,超高@@频@@@@@@和@@微波@@射频@@识别@@系统的操作距离最大@@(可以达到@@@@ 3 到@@ 1 0 米@@),并具有较@@快的通信速率@@,但是@@为了降低@@标签@@芯片的功耗和@@复杂度@@,并不实现复杂的安@@全机制@@,仅限于写锁定和@@密码保护等@@简单安@@全机制@@。而且@@,该频@@段@@的电磁@@ 波能量在水中衰减严重@@,所以对于跟踪动物@@(体内含超过@@ 50% 的水@@)、含有液体的药品等@@是不合适的@@。低@@频@@@@和@@高@@频@@@@系统的读写距离较@@小@@@@,通常不超过一米@@@@。高@@频@@@@频@@段@@为技术成熟的非接触式智能卡采用@@,非接触式智能卡能够支持@@ 大的存储器容量和@@复杂的安@@全算法@@。如前所述@@,囿于通信速率和@@安@@全性@@需求@@,非接触式智能卡的工作距离一般在@@10cm 左右@@。高@@频@@@@频@@段@@中的@@ ISO15693 规范通过降低@@通信速率使通信距离加大@@,通过大尺寸天线和@@大功率读写器@@@@,工作距离可以达到@@@@@@ 1 米@@以上@@@@@@。低@@频@@@@频@@段@@由于载波频@@率低@@@@,比高@@频@@@@@@13.56MHz 低@@ 100 倍以上@@@@@@,因此@@通信速率最低@@@@,而且@@通常不支持多标签@@的读取@@。

  3 案例分析@@

  3.1 动物跟踪管理@@

  动物跟踪和@@管理传统上@@是采用低@@频@@@@频@@段@@的射频@@识别@@技术@@@@,并且有国际规范规范编码及空间@@信号接口@@,相应的国际规范分别为@@ISO11784 和@@ ISO11785。由于高@@频@@@@和@@低@@频@@@@的射频@@识别@@技术@@各有优缺点@@,所以现在国际上@@关于动物跟踪管理@@的频@@段@@也存在着争论@@。支持采用低@@频@@@@技术方案的理由主要有@@@@:

  (1)事实上@@存在的国际规范@@,兼容性要求@@。

  (2)如果采用单天线的解决方案@@,通常低@@频@@@@系统比高@@频@@@@@@系统的读写距离要大@@ 20% 到@@ 30%。因为低@@频@@@@系统的数据率低@@@@,所以标签@@芯片的功耗可以做到@@微瓦以下@@。
  (3)虽然低@@频@@@@系统的数据传输速率低@@@@,但是@@鉴于其信号的@@ 强壮性@@,在实际应用@@中读取效率并不低@@@@。

  (4)低@@频@@@@系统可以穿透动物组织@@,是植入式的电子标签@@唯一的频@@率选择@@。而支持高@@频@@@@技术方案的理由@@

  主要有@@:

  (1)国际标准@@ ISO11784 的动物编码方式完全可以实现在高@@频@@@@和@@超高@@频@@@@@@频@@段@@的解决方案中@@,在应用@@和@@系统的层面看来并不存在区别@@。

  (2)由于频@@率差异@@,低@@频@@@@标签@@需要绕制绕线电感@@来构成标签@@天线@@,制作标签@@的成本要高@@于高@@频@@@@标签@@@@。高@@频@@@@标签@@对于信用卡大小的尺寸来说@@,通常只须绕制@@ 3 圈左右@@@@,而且@@可以采用低@@成本的印刷工艺@@。高@@频@@@@标签@@的整体成本更低@@@@。这一点是公认的事实@@。

  (3)如果实现合理@@,高@@频@@@@系统也能够取得和@@低@@频@@@@系统相当的读写距离@@。而且@@高@@频@@@@读写器@@可以通过门式天线来控制作用范围@@,利于准确而快速地实现数据采集@@。

  (4)完备@@的抗冲突@@机制@@,可以快速而准确地实现多目标读取@@。效率和@@准确性都要高@@于采用低@@频@@@@手持机进行数据采集@@。

  (5)高@@频@@@@的频@@率使用已经成为全球统一的规范@@,采用高@@频@@@@系统在世界各地都不会面临兼容问题@@。编者更加支持在生猪等@@不需植入@@ RFID 的动物跟踪管理@@中采用高@@频@@@@的技术方案@@。主要原因是基于系统的成本考虑@@。我国的农产品价格和@@利润空间@@都非常低@@@@,在生猪等@@动物跟踪管理@@中硬件的消耗成本主要来@@ 自于标签@@@@。从降低@@这部分成本出发应该采用高@@频@@@@技术@@。同时@@,考虑到@@生猪养殖等@@生产单位@@通常不具备@@宽带连接电子标签@@上@@有可能不仅仅存放一个标号信息@@,也可能存@@ 放一定的相关数据@@。而高@@频@@@@解决方案中常见的存储空间@@可以达到@@@@@@1k 位@@以上@@@@@@。其次@@,目前我国主要的@@ RFID基础设施是基于高@@频@@@@技术的@@,采用兼容的技术系统在安@@装成本和@@可靠性等@@方面都是有优势的@@。高@@频@@@@技术从芯片@@、标签@@封装@@、读写机具@@、系统集成等@@环节来看@@,我国拥有上@@百家供应商@@,这一点是低@@频@@@@技术不能比拟的@@。另外@@,在生猪管理等@@应用@@中@@,并不需要植入式的电子标签@@@@,可以采用动物耳标的形式@@。当然@@,在动物跟@@ 踪管理中采用高@@频@@@@技术方案和@@传统的高@@频@@@@射频@@系统还是有所不同的@@,需要在降低@@环境对操作距离的影响@@、专用读写设备@@开发方面开展研发工作@@,使得高@@频@@@@的技术在操作距离和@@可靠性方面达到@@系统要求@@。

  3.2 药品管理@@

  即使到@@今天@@,专家仍然认为在消费品领域实现物品@@级的跟踪管理还是一个需要@@ 3 到@@ 5 年才有可能达到@@的目标@@。但是@@,相对价值@@较@@高@@的药品采用射频@@识别@@技术@@实现单品管理已经是正在发生的现实了@@。美国食品和@@药品管理@@局@@(FDA)要求在@@2007 年实现对药品的单品全流程跟踪和@@管理@@,实现从原料到@@家庭药箱的全程管理@@。对于药品管理@@的单品管理而言@@,目前看来采用高@@频@@@@技术更具有综合优势@@,具体为@@:

  (1)高@@频@@@@和@@超高@@频@@@@@@都是通过电磁场实现能量和@@信号的传递的@@,超高@@频@@@@@@是通过电场来进行能量和@@信号的传递的@@,系统一般工作在远场@@,对于相距很近的单个物品@@@@,标签@@的失谐会造成标签@@@@(物品@@)的漏读@@。而高@@频@@@@系统是工作在近场范围内的@@(即电磁场仍然是束缚在系统内部的@@,并没有形成电磁波发射出去@@)能量和@@信号是通过磁场来进行的@@,对于系统内部的标签@@能够准确地进行识别@@(当然@@,作用距离仅仅在@@ 1 米@@以内@@),有更好地抗电磁干扰@@(ElectromagneticInterference,EMI)能力@@。

  (2)液体和@@金属的影响@@。高@@频@@@@信号较@@超高@@频@@@@@@而言在水中的衰减小@@,更适合用在含有液体的容器上@@@@,而药品中有相当一部分是液体形态的@@。

  (3)存储容量@@,高@@频@@@@标签@@的存储容量@@可以达到@@@@@@ 8K 字节@@,因此@@可以在标签@@上@@存储更多信息而实现一@@“移动数据库@@”而不仅仅是一个电子号码@@。这在目前的超高@@频@@@@@@解决方案上@@还没有如此大容量的电子标签@@@@。

  (4)高@@频@@@@ 13.56MHz 为国际通用的@@ ISM 频@@段@@,没有兼容性问题@@。而超高@@频@@@@@@到@@目前为止全球还不是所有的地区都有相应的射频@@识别@@标签@@频@@段@@可以使用@@。我国的超高@@频@@@@@@频@@段@@就在制定过程中@@。

  4 总结@@

  综上@@所述@@,各个频@@段@@的@@RFID 技术各有自身的特点@@。即使是在同一个频@@段@@内的射频@@识别@@系统@@,其通信距离也是差异很大的@@。我们不能够简单地认为某一个频@@段@@的射频@@识别@@系统的工作距离大于另一个频@@段@@的射频@@识别@@系统@@。而在实际选择射频@@系统时@@,需要考虑一个@@RFID系统的整体成本@@,以及存储器容量@@、安@@全特性等@@因素@@,根据这些来综合选择合适的@@RFID频@@段@@。

文章来源@@:网@@络@@

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