RFID

RFID专题:2、RFID的构成和分类

2021-09-22 11:09:02 明申科技 0

1.3.1 RFID的系统构成

一个典型的RFID系统如图1-3所示。一般包括RFID标签(RFID Tag)、阅读器或问询器(Reader or Interrogator)和应用 (Application )三个部分。阅读器通过射频信号给标签提供能量并“询问”标签,标签被激活后将其存储的标签信息发送给阅读器,阅读器再将读取的标签信息发送给应用系统以结合具体的应用背景进行数据的控制、存储及管理。

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RFID标签(RFID Tag)一般由标签天线和标签芯片组成。标签天线接收阅读器发射过来的射频信号并转化为能量,获取的能量给标签芯片供电。当获取的能量足够时,标签芯片被激活,并根据阅读器的询问指令完成相应的动作,将芯片上存储的标签信息通过调制射频载波的方法反射给阅读器。每个标签具有唯一的电子编码,用于对附着物体的标识。标签能够存储有关物体的数据信息,不同类型的芯片存储空间和存储方式不同。在RFID管理系统中,每一个标签中对应着一个物体的属性、状态、编号等信息。标签通常安装在物体表面,具有一定的无金属遮挡的视角。本节只是简单介绍标签的基本功能方便读者了解RFID的系统构成,在后面的章节我们会着重介绍RFID标签的细节。

RFID阅读器(RFID Reader)内部主要是由数据协议处理器和物理层询问器组成,其中数据协议处理器负责整个RFID协议的协议栈处理、编解码处理、逻辑存储处理以及与应用系统的通信处理;物理层询问器,主要负责射频信号处理、空中接口数据处理等。由阅读器产生的射频信号通过阅读器天线发射给标签。标签的反射信号也通过阅读器天线接收,并被阅读器主机解析与识别。从而实现一次标签的清点(询问)。

应用(Application)主要负责对阅读器的控制、设置及对读取标签信息的管理,并结合具体应用项目给出适当的判断与显示,或对数据进行存储及管理。应用系统一般与计算机网络体系连接,网络体系的各层结构由各种RFID 中间件控制、访问。

当一个系统中同时存在RFID标签、RFID阅读器和应用时,才可以说这个RFID系统是一个完整的RFID系统,才能完成最简单的RFID应用。麻雀虽小五脏俱全,无论多么庞大的系统,都摆脱不了这个最基本的RFID系统结构。在后面的章节中会有许多复杂的案例,无论是几十台阅读器还是几百万的标签,都是在此RFID系统结构的基础上演化而来的。

1.3.2 RFID技术的分类

前面介绍的RFID都是从系统的层面进行分析,读者可能不知道RFID其实是一个非常大的大家庭,那么RFID的种类有多少呢,它们之间的差异是什么呢?如图1-4 RFID 技术分类图:

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从图中我们可以看到根据工作频率不同、协议不同、供电方式不同、功能不同、数据处理方式不同、数据格式不同,RFID可以分成各种各样的种类。那么这么多不同种类分别有什么作用呢?这里就从最简单的几个概念开始讲解。

RFID与工作频率(Operation Frequency)

如图1-5,为射频频谱图。自然界中所有电磁波的分布图如最上一排所示,频率从低到高为:电力波(Electric Waves)、无线电波(RadioWaves)、红外线(Infra-red)、可见光(VisibleLight)、紫外线(Ultra-Violet)、X射线(X-Rays)、Gamma射线(Gamma-Rays)、宇宙射线(Cosmic Rays)。其中,与RFID相关的只是无线电波(RadioWaves)部分。无线电波顾名思义就是可以辐射到外界的电波。从图中可以看出无线电波的频率范围从9KHz到300GHz,分成超低频VeryLow Frequency(VLF)、低频Low Frequently(LF)、中频MediumFrequency(MF)、高频High Frequency(HF)、甚高频VeryHigh Frequency(VHF)、超高频Ultra High Frequency(UHF)、特高频SuperHigh Frequency(SHF)、极高频Extremely High Frequency(EHF)。

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不难看出,频段的分割点,分别在30kHz、300KHz、…..300GHz。那么,为什么是用3XXHz来作为分割点呢?基于光速和波长的关系:λ=c/f,其中λ代表波长,c代表光速(3×108 m/s),f代表频率,那么f=c×λ。人们在进行天线设计的时候,天线尺寸的单位通常采用毫米、厘米、米等,而天线的长度一般与波长相关。于是,人们为了方便就用长度单位来定义一类电磁波。如厘米波(1cm到10cm波长),那么对应的频率则是3GHz到30GHz。在我们的日常生活中,无线电波无处不在,如表1-1。例如,我们听的收音机FM就是VHF频段,我们的手机是UHF频段。

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在RFID应用中最常见的频率为LF(125KHz、134KHz)、HF(13.56MHz)、UHF(800M-900MHz)以及2.4GHz和5.8GHz。

2. RFID与数据传输方式(Transmission)

RFID的数据传输方式主要有三种,如图1-6所示。

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这三种方式为:电容耦合(Capacitive Coupling)、电感耦合(Inductive Coupling)、电磁场传播(EM-WavePropagation)。

(1) 电容耦合

这种方式是利用电容的电场变化原理来进行数据传输的,但是这种方式的局限性很强。首先,Reader和Tag天线之间的距离要非常近,这样才有电容效应,Reader电压的变化才能使Tag识别到;其次需要Reader和Tag天线面积很大,这样才能提供足够的传输能量。由于电容耦合技术弊端非常多,现在已经很难看得到这样的应用了。

(2) 电感耦合

这种技术是现在最常见的RFID传输技术之一,使用广泛、方法简单,即Reader天线和Tag天线都是闭合线圈,根据之间的电感耦合进行传输。根据谐振频率、匹配不同以及两个天线之间的距离,可以计算出两个天线之间的耦合系数(在不考虑谐振匹配的情况下距离越近,线圈的匝数越多其耦合系数越高)。Reader在传输数据的同时,能量也可以传输给Tag。此种电感耦合的工作方式,一般都是近距离(Near Filed)通信技术。正常情况下Tag的工作距离为10厘米左右,只有非常特殊的情况下可以工作到1米左右的距离,如15693协议(13.56MHz)下在门型天线的工作环境中可以实现中距离的标签读取。电感耦合的传输方式使用于各种频率,包括从低频到超高频的所有频率。这里重点说一下,在UHF超高频的应用中,有许多环境中需要近场的应用,最简单的实现方式就是用近场的Reader天线配合近场的标签天线,在后面的应用中我们会着重介绍近场的RFID方案。

(3) 电磁波传播

电磁波传播也分两种模式,一种是利用反向散射电磁波传播(EM-Wave propagation back-scattering)技术,另外一种是主动收发技术(Bidirectional EM propagation)。这两种技术都是利用电磁波的传播,都可以远距离工作,一般工作距离都可以超过3m,最远可以到达几十米或者上百米。其中反向散射技术多应用于无源超高频技术,其特点是标签为无源,其能量从阅读器辐射的电磁波中获得。当标签对阅读器进行通信时,阅读器不能停止工作,要不停地向标签发射射频载波(RF Continue Waves),标签通过调制并反射阅读器的射频载波使阅读器接收到标签发射的数据。这种利用反向散射技术的无源RFID技术一般标签成本最低,工作距离大概8米左右,只有在非常特殊的环境中可以达到20米左右(如在车辆交通管理中,使用超标发射的大天线可以达到20米左右的距离)。主动发射或者双工发射的技术主要用于有源标签的应用中,其特点是每一个标签都是一个有源的收发器,其能量不来自阅读器而来源于自身携带的电池。当阅读器发出命令后,标签主动发出应答。该技术有较远的通信距离,读取稳定性强,但是价格贵且由于电池的原因寿命短,同样由于电池的原因其高低温环境的要求很高。常用的工作频率有433MHz、800-900MHz、2.4GHz、5.8GHz。

3. RFID与供电方式(Power supply)

RFID标签的供电方式有3种,无源标签、有源标签、半有源标签。根据标签上是否带有电池,可以将标签分为无源标签(Passive tags)、有源标签(Active tags)和半有源(Semi—active tags)标签。无源标签也称为被动式标签,是通常意义上的RFID标签,即由阅读器询问信号提供能量,标签通过反射方式进行信号传输。无源RFID标签无须外加电池,当其处于阅读器的有效读取范围内时,阅读器产生的询问电磁波在RFID标签天线上产生的能量即可驱动芯片完成解码、解析、编码及反向调制等功能。与有源RFID 标签相比,无源RFID标签体积更小、成本更低、寿命更长。但是,由于无源RFID标签自身不带电池,必须要处于阅读器有效读取范围内才能工作。因此,其距离一般比较短。低频及高频的RFID标签读取距离只有几十厘米,超高频RFID标签最远也就十几米的范围(不超标情况下)。随着集成电路设计工艺的改进,更低功耗的标签芯片会被设计出来,到时其最大读取距离会更远些。

有源RFID标签也称为主动式标签。标签内装有电池,使用专用的射频芯片,一般具有较远的阅读距离(上百米),并定时主动发射信号。不足之处是电池的寿命有限,一般小于一年。而且有源电子标签的体积较无源的要大,成本要高,目前一般应用于车辆管理、航运管理及矿井管理等特殊的场合。

半有源RFID标签也称为半无源RFID标签。标签内部也有电池,但其电池只供接收或传感电路进行工作,标签的应答仍然与无源的方式相似,即反射调制。由于有电池辅助,半有源RFID标签的读取距离比无源RFID标签要远。而且,只需很少的能量就可以维持比较长的使用寿命。通过使用超薄电池,可以大大减小标签的体积。典型的代表有德国KSW公司,其制造的半有源的RFID智能标签传感器VarioSensBasic采用1.5V 薄膜电池,使用时间约为1.5年。产品的主要应用领域为化学行业的化学品监控、医疗行业的药品和易腐烂食品的运输监测等。

无源标签、有源标签及半有源标签的工作原理如图1-7所示。由于无源标签、有源标签及半有源标签具有各自的成本或性能上的特征,因此其应用领域也各不一样。无源标签、有源标签及半有源标签的区别如表1-2所示。

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4. RFID与空口协议(Air Protocol)

空中接口通信协议规范是读写器与电子标签之间信息交互的规范,目的是解决不同厂家设备之间的互联互通性。ISO/IEC制定五种频段的空中接口协议,这种思想充分体现标准统一的相对性,一个标准是对相当广泛的应用系统的共同需求,可以满足更大范围的应用需求。

ISO/IEC 18000-1信息技术-基于单品管理的射频识别-参考结构和标准化的参数定义。它规范空中接口通信协议中共同遵守的读写器与标签的通信参数表、知识产权基本规则等内容。这样每一个频段对应的标准不需要对相同内容进行重复规定。

ISO/IEC 18000-2信息技术-基于单品管理的射频识别-适用于中频125~134KHz,规定在标签和读写器之间通信的物理接口,读写器应具有与Type A(FDX)和TypeB(HDX)标签通信的能力;规定协议和指令再加上多标签通信的防碰撞方法。

ISO/IEC 18000-3信息技术-基于单品管理的射频识别-适用于高频段13.56MHz,规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。关于防碰撞协议可以分为两种模式,而模式1又分为基本型与两种扩展型协议(无时隙无终止多应答器协议和时隙终止自适应轮询多应答器读取协议)。模式2采用时频复用FTDMA协议,共有8个信道,适用于标签数量较多的情形。

ISO/IEC 18000-4信息技术-基于单品管理的射频识别-适用于微波段(虽然2.4GHz是在UHF频段的,但是在大家的约定俗成中,称之为微波段,同理5.8GHz的RFID应该是SHF频段的,也算在微波段内)2.45GHz,规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。该标准包括两种模式,模式1是无源标签工作方式是读写器先讲;模式2是有源标签,工作方式是标签先讲。

ISO/IEC 18000-6信息技术-基于单品管理的射频识别-适用于超高频段860~960MHz,规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。它包含Type A、TypeB、Type C和TypeD四种无源标签的接口协议,通信距离最远可以达到10m。其中TypeC是由EPC global起草的,并于2006年7月获得批准,它在识别速度、读写速度、数据容量、防碰撞、信息安全、频段适应能力、抗干扰等方面有较大提高。2006年递交V4.0草案,它针对带辅助电源和传感器电子标签的特点进行扩展,包括标签数据存储方式和交互命令。带电池的主动式标签可以提供较大范围的读取能力和更强的通信可靠性,不过其尺寸较大,价格也更贵一些。

ISO/IEC 18000-7适用于超高频段433.92MHz,属于有源电子标签。规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。有源标签识读范围大,适用于大型固定资产的跟踪。

根据协议不同,阅读器和标签的谁先说话也有很大不同,标签先说话(Tag talk first TTF)、阅读器先说话(Readertalk first RTF)。最常见的是RTF,基本多数的RFID都是遵循RTF;但是也有少数的协议是遵循TTF,如18000-6D协议以及18000-4的模式2都是标签先说话,标签先说的好处是采集速度快,灵敏度高,实时性强,同时缺点也是很明显的,比如传输数据量小,功能简单。

5. RFID技术分类总结:

表1-3为多种RFID技术对比总结。

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从中我们可以看出,并不是像很多人认为的频率高通信速率就快,当然频率高可以获得更高的带宽,但是最重要的是看协议如何规定的。


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