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解读物联网系列之RFID

2017/4/27    来源:e-works    作者:e-works  熊东旭      
关键字:物联网  RFID  射频识别技术  
在《解读物联网系列之传感器》这篇文章中,e-works小编对被称为物联网“感触器官”的传感器进行了解读,了解到了不同类型的传感器。今天这篇文章将继续探索另外一种重要的物联感知技术——射频识别。

    一、什么是射频识别?

    射频识别(RFID)是一种无线通信技术,可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。射频识别最重要的优点是非接触识别,它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签,并且阅读速度极快,大多数情况下不到100毫秒。

    射频识别技术的优势不在于监测设备及环境状态,而在于“识别”。即通过主动识别进入到磁场识别范围内的物体来做相应的处理。RFID不是传感器,它主要通过标签对应的唯一ID号识别标志物。而传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

    二、射频识别系统组成及工作原理

    1、射频识别系统组成

    射频识别系统主要由三部分组成:标签、天线、阅读器。此外,还需要专门的应用系统对阅读器识别做相应处理。

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图1 RFID系统按组成

    1)标签:电子标签或称射频标签、应答器,由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据,作为待识别物品的标识性信息,是射频识别系统的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。

    2)阅读器:读取或读/写电子标签信息的设备,主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接收标签的应答,对标签的对象标识信息进行解码,将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。

    3)天线:标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。

    2、射频识别系统运行原理

    电子标签进入天线磁场后,如果接收到阅读器发出的特殊射频信号,就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签),或者主动发送某一频率的信号(有源标签),阅读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。

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图2 阅读器获得读写指令

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图3 阅读器射频调制器将信号发送到天线

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图4 天线询问标签

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图5 天线将获得的标签信息回传

    此外,按照读写器与标签之间射频信号的耦合方式,可以把它们之间的通信分为:电感耦合和电磁反向散射耦合。

    1)电感耦合:依据电磁感应定律,通过空间高频交变磁场实现耦合。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离RFID系统。

    2)电磁反向散射耦合:依据电磁波的空间传播规律,发射出去的电磁波碰到目标后发生反射,从而携带回相应的目标信息。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离RFID系统。

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图6 两种耦合方式对比 

频率 波长 能量 耦合模式
电磁反向散射耦合/电磁传播
电感耦合/电磁感应

    通俗的理解,电感耦合这种模式主要应用在低频(LF)、中频(HF)波段,由于低频RFID系统的波长更长,能量相对较弱,因此主要依赖近距离的感应来读取信息。电磁反向散射耦合主要应用在高频(HF)、超高频(UHF)波段,由于高频率的波长较短,能量较高。因此,阅读器天线可以向标签辐射电磁波,部分电磁波经标签调制后反射回阅读器天线,经解码以后发送到中央信息系统接收处理。

    三、射频识别系统分类

    目前,按照RFID系统使用的频率范围,可将RFID系统划分为四个应用频段:低频、高频、超高频和微波。

RFID系统分类(按频率) 频率 波长 通信距离 受水或金属影响 传输速率 读取方式 成本 典型应用
低频(LF) 约125KHz 约2000米 <0.5米 不影响 很慢 电磁感应 门禁
高频(HF) 约13.56MHz 约20米 <1.5米 影响较小 较慢 电磁感应 会员卡
超高频(UHF) 约840-960MHz 约31~36厘米 3~10米 影响严重 较快 电磁传播 仓储管理
微波 约2.45GHz、5.8GHz 约12/5厘米 3~10米 影响严重 很快 电磁传播 道路收费系统 

表7 RFID系统频率分类

标签分类 特点 读取距离 使用寿命 传感器 成本
无源 标签能量完全来自阅读器。 >5年 无法集成
半无源 标签电池仅维持数据电路或者辅助支持,电池能量不转化为射频能量。 中等 1~5年 可以集成 较高
有源 标签电源完全来自内部电池,同时也转换为射频能量。 1~5年 可以集成

表8 RFID标签分类

    按照工作频率的不同,RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。其中,LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理(电磁感应),而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射(电磁传播)原理。

    1、低频射频标签

    低频段射频标签,简称为低频标签,其工作频率范围为30kHz~300kHz。典型工作频率有125KHz和133KHz。低频标签一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时,低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。

    典型应用:动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等。

    2、高频射频标签

    高频段射频标签的工作频率一般为3MHz~30MHz。典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签,因其工作原理与低频标签完全相同,即采用电感耦合方式工作,所以宜将其归为低频标签类中。但另一方面,根据无线电频率的一般划分,其工作频段又称为高频,所以也常将其称为高频标签。

    高频标签一般也采用无源为主,其工作能量同低频标签一样,也是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时,标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。

    典型应用:电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)、小区物业管理、大厦门禁系统等。

    3、UHF、微波射频标签

    超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签,其典型工作频率有433.92MHz、862(902)MHz~928MHz、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4m~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。由于阅读距离的增加,应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况,从而提出了多标签同时读取的需求。

    典型应用:铁路车辆自动识别、集装箱识别,还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。

   四、RFID与物联网

    RFID是物联网感知外界的的重要支撑技术。传感器可以监测感应到各种信息,但缺乏对物品的标识能力,而RFID技术恰恰具有强大的标识物品能力。因此,对于物联网的发展,传感器和RFID两者缺一不可。

    如果没有RFID对物体的识别能力,物联网将无法实现万物互联的最高理想。缺少RFID技术的支撑,物联网的应用范围将受到极大的限制。但另一方面,由于RFID射频识别技术只能实现对磁场范围内的物体进行识别,其读写范围受到读写器与标签之间距离的影响。因此,提高RFID系统的感应能力,扩大RFID系统的覆盖能力是当前亟待解决的问题。同时,考虑到传感网较长的有效距离能很好的拓展RFID技术的应用范围。未来实现RFID与传感网的融合将是一个必然方向。

    就目前RFID的发展情况而言,在很多工业行业中已经实现了RFID与传感网络应用的初步融合,两者取长补短的互补优势正在深化物联网应用,它们的相互融合和系统集成必将极大地推动整个物联网产业的发展,应用前景不可估量。

责任编辑:刘春晓
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