第一篇 WSN RFID物联网原理和技术简介

第1章 RFID系统组成及工作基本原理

1.1 概述

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。

那么具体什么是RFID技术？RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。

一套完整的RFID硬件最小系统由Reader（读头、天线一体机）与Transponder两部分组成，其动作原理为由Reader发射一特定频率的无限电波能量给Transponder，用以驱动Transponder电路将内部的ID Code送出，此时Reader便接收此ID Code。Transponder的特殊之处在于免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、寿命长。

RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。

RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡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。

最基本的RFID系统由三部分组成：

（1）标签（Tag，即射频卡）：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。标签有两种：有源标签和无源标签。

（2）阅读器：读取（在读写卡中还可以写入）标签信息的设备。

（3）天线：在标签和读取器间传递射频信号。

有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机（上位机主系统）连接，进行数据交换。

RFID系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，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卡的合法性，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的动作。

在耦合方式（电感-电磁）、通信流程（FDX、HDX、SEQ）、从射频卡到阅读器的数据传输方法（负载调制、反向散射、高次谐波）以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，电感耦合系统的高频接口原理如图1.1所示。

阅读器控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程（主-从原则）；信号的编解码；对一些特殊的系统执行反碰撞算法；对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。

射频识别系统框图如图1.2所示。

射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此，找到一种用低成本技术提高其读写距离的方法是一个很重要的研究课题。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度，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%。

1.2 射频标签

射频标签就是含有物品唯一标识体系的编码的标签。这种唯一标识体系包括产品电子代码EPC、泛在识别号UCODE、车辆识别代码VIN、国际证券标识号ISIN以及IPv6等。

其中，产品电子代码（EPC）是全球产品代码的一个分支，它可以识别视野之外的目标。电子产品代码并不仅仅是一个无线电波条形码，它包含一系列的数据和信息，像产地、日期代码和其他关键的供应信息，这些信息存储在一个小的硅片中。利用标签、解读器和计算机的联网，生产者和零售商就可以随时了解精确的产品和库存信息。

目前，可供射频卡使用的几种标准有ISO 10536、ISO 14443、ISO 15693和ISO 18000。应用最多的是ISO 14443和ISO 15693，这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。

按照不同的方式，射频卡有以下几种分类。

（1）按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。

（2）按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡主要有125kHz和134.2kHz两种；中频射频卡的频率主要为13.56MHz；高频射频卡主要有433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz几种。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等；中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，通常应用在火车监控、高速公路收费等系统中。

（3）按调制方式的不同可分为主动标签（Active tags）和被动标签（Passive tags）。主动标签自身带有电池供电，读写距离较远同时体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签。被动标签从阅读器产生的磁场中获得工作所需的能量，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。主动式射频卡用自身的射频能量主动地发送数据给读写器；被动式射频卡使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用中，因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，读写器的能量必须穿过障碍物两次。而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次，距离更远（可达30米），因此主动方式工作的射频卡主要用于有障碍物的应用中。

（4）按作用距离可分为密耦合卡（作用距离小于1厘米）、近耦合卡（作用距离小于15厘米）、疏耦合卡（作用距离约1米）和远距离卡（作用距离从1米到10米，甚至更远）。

（5）按芯片分为只读卡、读写卡和CPU卡。

射频标签根据商家种类的不同能存储从512B到4MB不等的数据。标签中存储的数据是由系统的应用和相应的标准决定的。例如，标签能够提供产品的生产、运输、存储情况，也可以辨别机器、动物和个体的身份，这些类似于条形码中存储的信息。标签还可以连接到数据库，存储产品库存编号、当前位置、状态、售价、批号的信息。相应地，射频标签在读取数据时不用参照数据库也可以直接确定代码的含义。

射频标签的目的是使用一种统一标准的电子产品代码，使产品在不同领域都能被辨识。

射频标签内部结构如图1.3所示。

1.3 射频阅读器

在RFID系统中，信号接收设备一般叫做阅读器（或读卡器）。阅读器的基本功能就是提供与标签进行数据传输的接口。

RFID读写器/读写模块的核心部分包括一个微处理器和一个RFID基站电路，其结构如图1.4所示。它能独立完成符合ISO/IEC 15693或ISO/IEC 18000-6标准卡片/标签的所有操作，它还具有与用户主系统的串行通信能力，可根据用户系统的命令完成对RFID卡的读写操作，并将所得数据返回给用户系统，这个用户系统可以是一个主控板或PC。

1.4 射频天线

在射频装置中，天线部分包括读写器天线和标签天线。当工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严重。天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片，这需要仔细设计天线、天线相连的标签芯片和自由空间三者之间的匹配。

天线必须满足以下几点：

● 足够小以至于能够贴到需要的物品上；

● 有全向或半球覆盖的方向性；

● 提供最大可能的信号给标签的芯片；

● 无论物品什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配；

● 具有鲁棒性；

● 非常便宜。

在选择天线的时候主要考虑以下几点：

● 天线的类型；

● 天线的阻抗；

● 在应用到物品上的射频性能；

● 在有其他的物品围绕贴标签物品时的射频性能。

为了最大功率传输，与天线连接的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。几十年来，人们通常把天线设计成与50Ω或与70Ω阻抗匹配，但是也有可能把天线设计成具有其他的特性阻抗。例如，一个缝隙天线可以设计具有几百欧姆的阻抗；一个折叠偶极子的阻抗可以是一个标准半波偶极子阻抗的20倍；印刷贴片天线的引出点能够提供一个很宽范围的阻抗（通常是40～100Ω）。选择天线的类型，使它的阻抗能够和标签芯片的输入阻抗匹配是十分关键的。另一个问题是其他与天线接近的物体可以降低天线的返回损耗，对于全向天线，例如双偶极子天线，这个影响是显著的，一塑料瓶子水降低了最小返回损耗16%。当物体与天线的距离小于62.5mm时，返回损耗将导致一个3.0dB的插入损耗，而天线的自由空间插入损耗才0.2dB。可以设计天线使它与接近物体的情况相匹配，但是天线的行为对于不同的物体和不同的物体距离而有所不同。对于全向天线要设计天线使它与接近物体的情况相匹配是不可行的，对于定向天线而言，受周围接近物体的影响小，所以应设计方向性强的天线。

在一个无反射的环境中测试天线的模式，包括了各种需要贴标签的物体，在使用全向天线的时候性能严重下降。圆柱金属体引起的性能下降是最严重的，在它与天线距离50mm的时候，返回的信号衰减大于20dB。天线与物体的中心距离分开到100～150mm的时候，返回信号衰减约为10～12dB。在与天线距离100mm的时候，放置了几瓶水（瓶是塑料瓶和玻璃瓶），返回信号衰减大于10dB。用装有液体的蜡纸盒甚至苹果来做试验得到了类似的结果。

在使用手持仪器的时候，大量的其他临近物体使读卡机天线和标签天线的辐射模式严重失真。在仓库的使用环境下，一个物品盒子只有一个标签会有问题，几个标签贴在一个盒子上以确保所有时候都有一个标签是可以看见的。系统有使用多个天线的情况。每个盒子有两个天线以足够适合门禁装置探测标签，这样局部结构的影响就变得不再重要，因为门禁装置的读卡机天线被固定在仓库的出入口处，并且直接指向贴标签的物体。

总之，天线性能和频率、结构、使用环境紧密相关，一种智能型可以随周围环境调整内部参数的天线是在应用中最理想的选择。

1.5 RFID工作频率指南和典型应用

目前RFID产品的工作频率有低频、高频和甚高频，不同频段的RFID产品会有不同的特性，即使同一频率范围内也有符合不同标准的不同产品。其中感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。

↘ 1.5.1 低频（工作频率从125kHz到134kHz）

RFID技术在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用。磁场区域能够很好地被定义，但是场强下降得较快。

1．特性

（1）工作在低频的感应器的一般工作频率为120～134kHz, TI的工作频率为134.2kHz。该频段的波长大约为2500m。

（2）除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。

（3）工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。

（4）低频产品有不同的封装形式。好的封装形式价格太贵，但是能有10年以上的使用寿命。

（5）虽然该频率的磁场强度随区域距离的增加下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

（6）相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。

（7）感应器的价格相对于其他频段来说较贵。

2．主要应用

（1）畜牧业的管理系统

（2）汽车防盗和无钥匙开门系统的应用

（3）马拉松赛跑系统的应用

（4）自动停车场收费和车辆管理系统

（5）自动加油系统的应用

（6）酒店门锁系统的应用

（7）门禁和安全管理系统

3．符合的国际标准

（1）ISO 11784：RFID畜牧业的应用——编码结构

（2）ISO 11785：RFID畜牧业的应用——技术理论

（3）ISO 14223-1：RFID畜牧业的应用——空气接口

（4）ISO 14223-2：RFID畜牧业的应用——协议定义

（5）ISO 18000-2：定义低频的物理层、防冲撞和通信协议

（6）DIN 30745：主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准

↘ 1.5.2 高频（工作频率为13.56MHz）

在该频率下感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作，也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。

1．特性

（1）工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m。

（2）除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会缩短读取距离。感应器需要离开金属一段距离。

（3）该频段在全球都得到认可，并没有特殊的限制。

（4）感应器一般以电子标签的形式存在或者工作。

（5）虽然该频率的磁场强度随区域距离的增加下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

（6）该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。

（7）可以把某些数据信息写入标签中。

（8）数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。

2．主要应用

（1）图书管理系统的应用

（2）瓦斯钢瓶的管理应用

（3）服装生产线和物流系统的管理和应用

（4）三表预收费系统

（5）酒店门锁的管理和应用

（6）大型会议人员通道系统

（7）固定资产的管理系统

（8）医药物流系统的管理和应用

（9）智能货架的管理

3．符合的国际标准

（1）SO/IEC 14443：近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm

（2）ISO/IEC 15693：疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m

（3）ISO/IEC 18000-3：该标准定义了13.56MHz系统的物理层，防冲撞算法和通信协议

（4）13.56MHz ISM Band Class 1：定义13.56MHz符合EPC的接口定义，是13.56MHz频率用于EPC应用的专用标准。

↘ 1.5.3 甚高频（工作频率为860MHz到960MHz）

甚高频系统通过电场来传输能量。电场能量下降得不是很快，但是读取的区域并不好定义。该频段读取距离比较远，无源可达10m左右，主要是通过电容耦合的方式进行实现。

1．特性

（1）在该频段，全球的定义不是很相同。欧洲和部分亚洲地区定义的频率为868MHz，北美定义的频段为902～905MHz，在日本建议的频段为950～956MHz。该频段的波长大概为30cm左右。

（2）该频段功率输出目前美国定义为4W，欧洲定义为500mW，可能欧洲限制会上升到2W EIRP。

（3）甚高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水、灰尘、雾等悬浮颗粒物质。相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标签不需要和金属分开。

（4）电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。

（5）该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。

（6）有很高的数据传输速率，在很短的时间内可以读取大量的电子标签。

2．主要应用

（1）供应链上的管理和应用

（2）生产线自动化的管理和应用

（3）航空包裹的管理和应用

（4）集装箱的管理和应用

（5）铁路包裹的管理和应用

（6）后勤管理系统的应用

3．符合的国际标准

（1）ISO/IEC 18000-6：定义了甚高频的物理层和通信协议；空气接口定义了Type A和Type B两部分；支持可读和可写操作。

（2）EPCglobal：定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通信协议，如Class 0、Class 1、UHF Gen2。

（3）Ubiquitous ID：日本的组织，定义了UID编码结构和通信管理协议。

毫无疑问，甚高频的产品会在将来得到大量的应用，例如Walmart、Tesco、美国国防部和麦德龙超市都会在它们的供应链上应用RFID技术。

↘ 1.5.4 微波（工作频率为2.45GHz、5.8GHz）

微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4～6m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读写。

2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源和有源微波射频标签产品面世。半无源和有源标签一般采用纽扣电池供电，具有较远的阅读距离。

微波射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用、读写器的发射功率容限、射频标签及读写器的价格等方面。典型的微波射频标签的识读距离为3～5m，也有个别达到10m或10m以上的产品。对于可无线写的射频标签而言，通常情况下，写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。

微波射频标签的典型应用包括：移动车辆识别、高速公路不停车收费（ETC）电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有：ISO 10374、ISO 18000-4（2.45GHz）、ISO 18000-5（5.8GHz）、ISO 18000-7（433.92 MHz）、ANSI NCITS 256-1999等。

1.6 RFID技术与条形码（Barcode）技术相比有什么优势

● 不需要光源，甚至可以透过外部材料读取数据。

● 使用寿命长，能在恶劣环境下工作。

● 能够轻易嵌入或附着在不同形状或类型的产品上。

● 读取距离更远。

● 可以写入及存取数据，写入时间相比打印条形码更少。

● 标签的内容可以动态改变。

● 能够同时处理多个标签；通过使用防冲撞技术，RFID系统可以同时处理多个标签，例如HF 13.56MHz系统每秒钟能处理大约50张标签。

● 标签的数据存取有密码保护，安全性更高。

● 可以对RFID标签所附着的物体进行追踪定位。

1.7 RFID技术的发展趋势

● 标签成本的降低；

● 读写距离、读取准确率的提高；

● 标签存储容量增大；

● 处理时间缩短。

1.8 RFID中间件

RFID是2005年建议企业可考虑引入的十大策略技术之一，而中间件（Middleware）可称为RFID运作的中枢，因为它可以加速关键应用的问世。

RFID产业潜力无穷，应用的范围遍及制造、物流、医疗、运输、零售、国防等。Gartner Group认为，RFID是2005年建议企业可考虑引入的十大策略技术之一，然而其成功的关键除了标签（Tag）的价格、天线的设计、波段的标准化、设备的认证之外，最重要的是要有关键的应用软件（Killer Application）才能迅速推广。

1.9 RFID解决方案

RFID解决方案是RFID技术供应商针对行业发展特点制定的RFID应用方案，可根据不同企业的实际要求“量身定做”。

RFID解决方案可按照行业进行分类，如物流、车辆管理、防伪防盗、身份识别、资产管理、动物管理、快捷支付等。