第1章RFID技術(shù)概述1.1RFID技術(shù)的特點(diǎn)射頻識(shí)別技術(shù)時(shí)一種快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)和信息標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ),被列為21世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。RFID技術(shù)是從20世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。自動(dòng)識(shí)別方法綜合示意圖RFID自動(dòng)識(shí)別的優(yōu)勢及特點(diǎn)主要表現(xiàn)如下

1.快速掃描2.體積小型化、形狀多樣化3.抗污染能力和耐久性4.可重復(fù)使用5.穿透性和無屏障閱讀 6.數(shù)據(jù)的記憶容量大7.安全性RFID技術(shù)發(fā)展歷程1.2RFID系統(tǒng)的組成1.2.1硬件組件1.閱讀器在射頻接口中有兩個(gè)分隔開的信號(hào)通道，分別用于來往于電子標(biāo)簽與閱讀器兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸。邏輯控制單元——讀寫模塊天線是一種能將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，或?qū)㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去的裝置。在RFID系統(tǒng)中，閱讀器必須通過天線發(fā)射能量，形成電磁場，通過電磁場對電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。2.電子標(biāo)簽電子標(biāo)簽是由IC芯片和無線通信天線組成的超微型的小標(biāo)簽，其內(nèi)置的射頻天線用于和閱讀器進(jìn)行通信。系統(tǒng)工作時(shí)，閱讀器發(fā)出查詢（能量）信號(hào)，標(biāo)簽（無源）在收到查詢（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)制后反射回閱讀器。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體1.2.2軟件組件1.中間件中間件位于客戶機(jī)、服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)通信。從應(yīng)用程序端使用中間件提供的一組通用的應(yīng)用程序接口（API），能連到RFID閱讀器，讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)。解決多對多連接的維護(hù)復(fù)雜性問題。RFID中間件主要包括以下4個(gè)功能

閱讀器協(xié)調(diào)控制數(shù)據(jù)過濾與處理數(shù)據(jù)路由與集成進(jìn)程管理2.RFID應(yīng)用系統(tǒng)軟件

RFID應(yīng)用系統(tǒng)軟件可以有效地控制閱讀器對電子標(biāo)簽信息進(jìn)行讀寫，并且對收集到的目標(biāo)信息進(jìn)行集中的統(tǒng)計(jì)與處理。RFID應(yīng)用系統(tǒng)軟件可以集成到現(xiàn)有的電子商務(wù)和電子政務(wù)平臺(tái)中，與ERP、CRM以及SCM等系統(tǒng)結(jié)合以提高各行業(yè)的生產(chǎn)效率。1.3RFID技術(shù)的物理學(xué)原理

RFID是一種易于操控、簡單實(shí)用且特別適用于自動(dòng)化控制的應(yīng)用技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。

1.3.1與RFID相關(guān)的電磁場理論1.天線場的概念射頻標(biāo)簽和讀寫器通過各自的天線構(gòu)建起兩者之間的非接觸信息傳輸通道，這種空間信息傳輸通道的性能完全由天線周圍的場區(qū)特性決定，是電磁傳播的基本規(guī)律。射頻信號(hào)加載到天線之后，在緊鄰天線的空間中，除了輻射場之外，還有一個(gè)非輻射場。該場與距離的高次冪成反比，隨著離開天線的距離增大迅速減小。在這個(gè)區(qū)域，由于電抗場占優(yōu)勢，因而將此區(qū)域稱為電抗近場區(qū)，它的外界約為一個(gè)波長。超過電抗近場區(qū)就到了輻射場區(qū)，按照與天線距離的遠(yuǎn)近，又把輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)和輻射遠(yuǎn)場區(qū)。1）無功近場區(qū)

無功近場區(qū)又稱為電抗近場區(qū)，是天線輻射場中緊鄰天線口徑的一個(gè)近場區(qū)域。在該區(qū)域中，電抗性儲(chǔ)能場占支配地位，該區(qū)域的界限通常取為距天線口徑表面λ/2π處。

從物理概念上講，無功近場區(qū)是一個(gè)儲(chǔ)能場，其中的電場與磁場的轉(zhuǎn)換類似于變壓器中的電場、磁場之間的轉(zhuǎn)換。2）輻射近場區(qū)

超過電抗近場區(qū)就到了輻射場區(qū)，輻射場區(qū)的電磁場已經(jīng)脫離了天線的束縛，并作為電磁波進(jìn)入空間。按照與天線距離的遠(yuǎn)近，又把輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)和輻射遠(yuǎn)場區(qū)。在輻射近場區(qū)中，輻射場占優(yōu)勢，并且輻射場的角度分布與距離天線口徑的距離有關(guān)。對于通常的天線，此區(qū)域也稱為菲涅爾區(qū)。

3）輻射遠(yuǎn)場區(qū)輻射遠(yuǎn)場區(qū)即通常所說的遠(yuǎn)場區(qū)，又稱為夫朗荷費(fèi)區(qū)。在該區(qū)域中，輻射場的角分布與距離無關(guān)。嚴(yán)格地講，只有離天線無窮遠(yuǎn)處才能到達(dá)天線的遠(yuǎn)場區(qū)。2.天線的方向性圖

天線的方向性圖是指該輻射區(qū)域中輻射場的角度分布，因而遠(yuǎn)場區(qū)是天線輻射場區(qū)中最重要的一個(gè)。公認(rèn)的輻射近場區(qū)與遠(yuǎn)場區(qū)的分界距離R為式中，D為天線直徑；λ為天線波長，D>>λ。對于天線而言，當(dāng)天線的最大尺寸L小于波長時(shí)，天線周圍只存在無功近場區(qū)與輻射遠(yuǎn)場區(qū)，沒有輻射近場區(qū)。無功近場區(qū)的外界約為λ/2π，超過了這個(gè)距離，輻射場就占主要優(yōu)勢。

1.3.2能量耦合和數(shù)據(jù)傳輸1.耦合類型

1）密耦合系統(tǒng)

密耦合系統(tǒng)，又稱緊密耦合系統(tǒng)，是具有很小作用距離的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其典型作用距離范圍為0～1cm。密耦合系統(tǒng)是利用射頻標(biāo)簽與讀寫器天線的無功近場區(qū)之間的電感耦合（閉合磁路）構(gòu)成的無接觸空間信息傳輸射頻通道進(jìn)行工作的。密耦合系統(tǒng)的工作頻率一般局限于30MHz以下的頻率。2）遙耦合系統(tǒng)

遙耦合系統(tǒng)的典型作用距離可以達(dá)1m，所有遙耦合系統(tǒng)在讀寫器與標(biāo)簽之間都是電感（磁）耦合，遙耦合系統(tǒng)的發(fā)送頻率通常使用135KHz以下的頻率，或使用6.75MHz、13.56MHz以及27.125MHz頻率。

遙耦合系統(tǒng)又可細(xì)分為近耦合系統(tǒng)（典型的作用距離為15cm）與疏耦合系統(tǒng)（典型的作用距離為1m）3）遠(yuǎn)距離系統(tǒng)

遠(yuǎn)距離系統(tǒng)的典型作用距離為1～10m，所有的遠(yuǎn)距離系統(tǒng)均是利用標(biāo)簽與讀寫器天線輻射遠(yuǎn)場區(qū)之間的電磁場耦合（電磁波的發(fā)射與反射，也稱之為反向散射耦合）所構(gòu)成的無接觸空間信息傳輸通道進(jìn)行工作的。遠(yuǎn)距離系統(tǒng)的典型工作頻率為915MHz（這在歐洲是不允許的）、2.45GHz和5.8GHz，此外，還有一些其他頻率，如433MHZ等。2.數(shù)據(jù)傳輸原理

射頻識(shí)別系統(tǒng)一般包括讀寫器、標(biāo)簽和天線等部分，讀寫器和標(biāo)簽之間的通信通過電磁波實(shí)現(xiàn)，按照通信距離可分為遠(yuǎn)場和近場。讀寫器和標(biāo)簽之間數(shù)據(jù)交換方式也相應(yīng)地稱為負(fù)載調(diào)制和反向散射調(diào)制。（1）負(fù)載調(diào)制。近距離低頻射頻識(shí)別系統(tǒng)是通過準(zhǔn)靜態(tài)場的耦合實(shí)現(xiàn)的。在這種情況下，讀寫器和標(biāo)簽之間的天線能量交換方式類似于變壓器結(jié)構(gòu)，稱為負(fù)載調(diào)制。這種調(diào)制方式在125kHz和13.56MHz射頻識(shí)別系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）反向散射調(diào)制。在典型的遠(yuǎn)場，如915MHz和2.4GHz射頻識(shí)別系統(tǒng)中，讀寫器和標(biāo)簽之間的距離為幾米，而載波波長僅有幾到幾十厘米。讀寫器和射頻標(biāo)簽之間的能量傳遞方式為反向散射調(diào)制。射頻標(biāo)簽返回?cái)?shù)據(jù)的方式是控制天線的阻抗，控制射頻標(biāo)簽天線阻抗的方法有許多種，都是基于一種稱為“阻抗開關(guān)”的方法。1.3.3反向散射調(diào)制的能量傳遞

電磁波從天線向周圍空間發(fā)射，會(huì)遇到不同的目標(biāo)。到達(dá)目標(biāo)的電磁能量一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向上去。反射能量的一部分最終返回發(fā)射天線。在雷達(dá)技術(shù)中，用這種反射測量目標(biāo)的距離和方位。

1.讀寫器到射頻標(biāo)簽的能量傳輸在距離讀寫器R的射頻標(biāo)簽處的功率密度為

在射頻標(biāo)簽和發(fā)射天線最佳對準(zhǔn)和正確極化時(shí)，射頻標(biāo)簽可吸收的最大功率與入射波的功率密度S成正比，可表示為2.射頻標(biāo)簽到讀寫器的能量傳輸射頻標(biāo)簽返回的能量與其雷達(dá)散射截面（RadarCrossSection，RCS）成正比，它是目標(biāo)反射電磁波能力的測度指標(biāo)。射頻標(biāo)簽返回的能量為

接收功率為接收天線的有效面積為1.4RFID系統(tǒng)特征1.4.1RFlD系統(tǒng)的基本模型

射頻標(biāo)簽與讀寫器之間通過天線架起空間電磁破的傳輸通道。射頻標(biāo)簽與讀寫器之間的電磁耦合包含兩種情況，即近距離的電感耦合與遠(yuǎn)距離的電磁耦合。

在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作過程中，空間傳輸通道中發(fā)生的過程可歸結(jié)為三種事件模型：數(shù)據(jù)交換是目的，時(shí)序是數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)形式，能量是時(shí)序得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。射頻識(shí)別系統(tǒng)模型1．能量

讀寫器向射頻標(biāo)簽供給射頻能量。

對于無源射頻標(biāo)簽來說，其工作所需的能量即由該射頻能量中取得（一般由整流方法將射頻能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫创嬖跇?biāo)簽中的電容器里）；

對于半無源射頻標(biāo)簽來說，該射頻能量能夠喚醒標(biāo)簽轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。有源射頻標(biāo)簽一般不利用讀寫器發(fā)出的射頻能量，因而讀寫器能夠以較小的發(fā)射能量取得較遠(yuǎn)的通信距離。2．時(shí)序

對于雙向系統(tǒng)（讀寫器向射頻標(biāo)簽發(fā)送命令與數(shù)據(jù)，射頻標(biāo)簽向讀寫器返回所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)）來說，讀寫器一般處于主動(dòng)狀態(tài)，即讀寫器發(fā)出詢問后，射頻標(biāo)簽予以應(yīng)答，稱這種方式為閱讀器先講方式。另一種情況是射頻標(biāo)簽先講方式，即射頻標(biāo)簽滿足工作條件之后，首先發(fā)送信息，讀寫器根據(jù)射頻標(biāo)簽發(fā)送的信息，進(jìn)行記錄或進(jìn)一步發(fā)送詢問信息，與射頻標(biāo)簽構(gòu)成一個(gè)完整地對話，來達(dá)到讀寫器對射頻標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別的目的。

3．?dāng)?shù)據(jù)傳輸

射頻識(shí)別系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換包含兩個(gè)方面的含義：從讀寫器向射頻標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸和從射頻標(biāo)簽向讀寫器方向的數(shù)據(jù)傳輸。讀寫器向射頻標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸可以分為兩種情況：有線寫入方式和無線寫入方式。

前者為單向通信;后者為半雙工雙向通信。1.4.2RFlD系統(tǒng)的性能指標(biāo)

射頻標(biāo)簽存儲(chǔ)容量工作方式數(shù)據(jù)傳輸速度讀寫距離多個(gè)標(biāo)簽識(shí)別能射頻標(biāo)簽與天線間射頻載波頻率RFID系統(tǒng)的連通性數(shù)據(jù)載體狀態(tài)模式能量供應(yīng)1.4.3RFlD系統(tǒng)的分類

根據(jù)RFID系統(tǒng)完成的功能不同，可以粗略地把RFID系統(tǒng)分成4種類型：

EAS系統(tǒng)便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)物流控制系統(tǒng)定位系統(tǒng)1.4.4RFID系統(tǒng)的基本區(qū)別特征

射頻識(shí)別系統(tǒng)包含有許多不同改型品種，由眾多廠家生產(chǎn)。為了了解射頻識(shí)別系統(tǒng)的全貌，有必要找出能把各種射頻識(shí)別系統(tǒng)相互區(qū)別的特征，如圖1-9所示。1.5RFID技術(shù)現(xiàn)狀與面臨的問題1.5.1RFID技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

RFID技術(shù)是一項(xiàng)涉及信息、材料、裝備及工藝等諸多學(xué)科、多技術(shù)交叉融臺(tái)的技術(shù)群，涵蓋無線電通信、電磁輻射、芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝、天線設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)變換、信息安全等技術(shù)。分別從如下幾個(gè)方面介紹RFID技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢。