第1章 无源RFID系统

1.1 RFID系统概述

RFID是射频识别（Radio Frequency Identification）的英文缩写。RFID系统是基于RFID技术，通过搭建硬件平台和软件平台所构成的系统。RFID技术是一种非接触的近距离自动识别技术，其基本原理是利用射频信号或电磁场耦合的能量传输特性，实现对物体的自动识别。RFID技术具有抗干扰能力强、存储信息量大、非接触、使用寿命长、可多标签识别、响应速度快等特点。RFID系统已经被广泛地应用在公共交通、人员身份识别、车辆管理、自动收费、门禁管理等领域。

RFID技术发端于雷达技术，经过几十年的发展，已经成为物联网感知层的重要组成部分。伴随着工业自动化的不断发展和机器人时代的到来，RFID技术会越来越广泛地应用到更多的系统和行业当中。

根据工作频段的不同，无源RFID系统通常分为低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）系统。

狭义上，RFID系统包括读写器、天线和电子标签。读写器是RFID信号和能量的唯一来源，读写器根据需要开启不同的射频通道，发送信号给电子标签，接收并分析电子标签返回的信息。电子标签是系统中被识别物体的电子代码载体，同时具有接收和返回信号的功能，可以从读写器反射的信号中获取能量，启动电子标签芯片，并根据协议和规则返回应答信号给读写器。天线是无线通信技术中能量传输的桥梁，无论何种无线通信技术，或多或少都会使用到天线。在RFID系统中，天线也是起到传递射频信号的作用。

我们可以将读写器、标签、天线三部分看作是构成RFID系统的基本三要素。

广义上，RFID系统除了上述的基本三要素之外，还包括系统应用方案、应用软件、系统背景环境、系统使用者及其他辅助技术。由于RFID技术的特点，几乎每一个RFID系统都是不一样的，因此在设计RFID系统时，必须考虑RFID系统所处的背景环境。例如，在环境中是使用纸箱比较多，还是使用木箱比较多；箱体中装的是塑料件还是金属件；使用标签的物体是否为有机体。从电磁波的角度来看，每一种不同材质的物体对于电磁波的反射和透射比例是不同的。同样，每一种不同材质的物体对于电磁波造成的频率偏移也是不同的，这就涉及后文提到的材料介电常数的问题。广义的RFID系统构成如图1-1所示。

图1-1 广义的RFID系统构成

在RFID系统中，人员的参与也是非常重要的。在设计系统时必须考虑使用系统人员的年龄、受教育程度、性别、工作习惯等。而且，还必须考虑人员参与的程度，很多RFID系统可能只是解决大系统中的某一个小问题，而有些RFID系统本身就是大系统，因此在系统中人员的参与程度会直接影响RFID系统设计和实现的难易程度。

考虑这些环境和人的因素后，就可以根据需求设计RFID系统的应用方案了，RFID系统方案的设计必须考虑RFID技术本身的优点和缺点，在系统中有效地加入其他技术进行辅助（例如传感器技术、机械自动化技术），必要的时候在系统方案中可以加入一定的操作规范、安全范围限制等。RFID系统方案设计完成之后，还需要有相应的应用软件来实现方案，并且可以通过这些应用软件将RFID系统接入更大的系统中。

当然，根据RFID系统本身的复杂程度，在系统中有可能还需要接入诸如图像处理技术、条码识别技术等不同的技术，并需要根据系统的不同而进行增删。

本书在讨论RFID系统时，主要是从电磁场的角度出发，讨论系统的能量传输形式和信号获取方式。不同频段的无源RFID系统在标签能量获取和应答信号获取方面的方式是不同的。对于低频和高频无源RFID系统而言，电子标签和读写器要获得能量就得通过读写器天线和电子标签天线之间的能量耦合实现，图1-2显示了低频和高频系统的三个基本要素，图1-3显示了读写器天线和标签天线之间的耦合关系，其中Lr和Rr分别表示读写器天线的电感和电阻，Lt表示电子标签天线的电感，Rc和Cc分别表示电子标签芯片的端口电阻和电容。这种RFID系统通过电磁耦合的形式发射和获取电磁信号。在这两个系统中，所有的天线（包括读写器和电子标签）都必须形成闭合的回路。

图1-2 低频和高频RFID系统的三个基本要素

图1-3 读写器天线与标签天线之间的耦合关系

对于超高频（UHF）无源RFID系统来说，读写器和电子标签主要通过天线在电场中获取能量。超高频RFID系统中的读写器天线和电子标签天线在工作原理上与普通的无线通信技术是完全相同的，天线以辐射的方式发送和接收电磁信号，远场中的天线会获取电场的能量，并在天线两端形成电压，如图1-4所示。由于采用辐射的工作方式，因此超高频天线可以在较远的距离通过电场获取能量，通过能量传输公式可以很方便地理解这个概念，这也是为什么超高频电子标签的识读距离会明显远于低频和高频RFID标签的原因。由于通过使用远场天线的方式获取电压和电流，超高频无源RFID系统中的天线不一定需要做成闭合环路的形式。

图1-4 超高频RFID系统工作方式

超高频RFID系统是通过反射调制的方式进行通信的，即RFID阅读器将发射信号调制到载波上，发送给电子标签，随后维持一段时间的连续无调制载波，电子标签从阅读器的发射信号和连续载波中获取能量，解调发射信号，并将返回信息调制到来自阅读器的连续载波上，反射给读写器。