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1、RFID应用系统培训教材二零零九年十月目 录项目一 项目准备111射频识别技术的特点112射频识别技术的应用现状及发展趋势313射频识别技术的应用领域414射频识别技术的市场展望6项目二 RFID的工作原理721RFlD技术的物理学原理7211RFID的电磁理论基础7212能量耦合和数据传输8213反向散射的能量传递1122RFID标签11221RFID标签的分类12222射频标签与条形码的区别13223射频标签的发展趋势1423 RFID标签读写器15231 读写器的工作原理15232读写器的功能特征15233读写器的分类17234读写器的结构形式17235读写器的选择1924 RFID的工
2、作原理19241射频识别的基本工作流程19242 RFID的工作原理1925中间件20251 RFID中间件20252RFlD中间件的分类20253RFID中间件的特征21254 RFID中间件的发展阶段22项目三 RFID的技术实现2431RFlD系统特征24311RFlD系统的基本模型24313 RFID系统的分类29项目四 RFID的标准体系3141我国RFID标准的制定情况31项目五 RFID系统架构3251 选择标准3252 频率选择33521使用的频率范围33522工作频率与应用范围34523频率特性34524频率选择35525我国频率分配现状3553系统部件的选择36531电子标
3、签的选择36532读写器的选择3654系统要求3755系统架构39项目六 RFID在产品仓储中的应用4061RFlD在仓储中的应用方案40611方案应用目标40612总体方案设计4162 RFID仓储系统操作流程42621货品入库操作42622货品出库操作43623库存盘点操作4363 RFID仓储软件模块44632出入库操作管理模块44634手持设备管理模块45635库存报警模块4564 RFI D应用于人造板库存管理46641RFID应用系统46642系统流程4765 RFI D在危险化学品仓储管理中的应用47651系统构成48652系统实施48项目七 RFID在配送中心的应用5171物流
4、配送中心模型5172传统物流配送中心存在的几个问题527.3 RFID技术在供货配送中心的具体应用5374 RFI D物流配送中心的流程设计53741整个供应环节的流程设计53742系统总体功能设计54743主要流程模块设计5475RFID应用于配送中心的意义5676 RFlD在物流配送中心的应用案例57761流程创新的多个层面57762以RFlD为核心技术57763实施效果58IIRFID应用系统培训教材项目一 项目准备射频识别技术(Radio Freguency Identification，RFID)是无线电技术在自动识别领域应用中的具体运用。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据
5、。近年来，随着，芯片技术、天线技术以及计算机技术的不断发展，RFID系统的体积和功耗越来越小，成本越来越低，功能日趋灵活，操作快捷方便，加上其擅长多目标识别、运动目标识别、方便物品跟踪和物流管理的突出特点，RFID系统日益广泛地应用于各种生产生活场所，扮演着越来越重要的角色，被评为“带来了一个进化的无线市场”。本章导读射频识别技术的特点射频识别技术的应用现状及发展趋势射频识别技术的应用领域射频识别技术的市场展望11射频识别技术的特点 Radio Frequency Identification(RFID)通称电子标签技术，作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，被列
6、为21世纪十大重要技术之一。RFID技术通过对实体对象(包括零售商品、物流单元、集装箱、货运包装、生产零部件等)的唯一有效标识，被广泛应用于生产、零售、物流、交通等各个行业。RFID技术已逐渐成为企业提高物流供应链管理水平、降低成本、企业管理信息化、参与国际经济大循环、增强企业核心竞争力不可缺少的技术工具和手段。RFID技术的兴起并不是因为它是一项新技术，而是因为这项技术已经开始成熟并逐渐具备了走向实际应用的能力。 RFID技术是从20世纪90年代兴起的一项自动识别技术。它是通过磁场或电磁场，利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据，可识别高速运动物体并可同时识别多个目标。
7、与传统识别方式相比，RFID技术无须直接接触、无须光学可视、无须人工干预即可完成信息输入和处理，操作方便快捷。能广泛用于生产、物流、交通运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域，被认为是条形码标签的未来替代品。自动识别的方法有多种，如图11所示，每种方法各有其特点和应用领域。图11 自动识别方法综合示意图 自动识别的优势及特点主要表现在：(1)快速扫描条形码一次只能有一个条形码受到扫描；RFID读写器可同时辨识读取数个RFID标签。 (2)体积小型化、形状多样化 RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外，RFI
8、D标签更可向小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。 (3)抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强的抵抗性。此外，由于条形码是附以塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损：RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。 (4)可重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改和删除。RFID卷标内储存的数据，可方便信息的更新。 (5)穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，RFID能穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质，并能进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况
9、下，才可辨读条形码。 (6)数据的记忆容量大 一维条形码的容量是SOBytes，二维条形码最大的容量可储存23()()0字符，RFID最大的容量则有数MegaBytes。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。 (7)安全性 RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及更改。近年来，RFID因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。它不仅可以帮助企、业大幅提高货物、信息管理的效率，还可以使销售企业和制造企业信息互联，从而更加准确地接收反馈信息，控制需求信息，优化整个供应链。在统
10、一的标准平台上，RFID标签在整条供应链内任何时候都可提供产品的流向信息，让每个产品信息有了共同的沟通语言。通过计算机互联网就能实现物品的自动识别和信息交换与共享，进而实现对物品的透明化管理，实现真正意义上的“物联网”。 RFID的历史可算“老兵新姿”，RFID并不是一个崭新的技术，RFID在历史上的首次J应用可以追溯到第二次世界大战期间(约20世纪40年代)，其当时的功能是用于分辨出敌方机与我方飞机。到了20世纪70年代末期，美国政府通过Los A1anlos科学实验室将lHD技术转移到民间。I1D技术最先在商业上的应用是在牲畜身上。到了20世纪80年代，美国与欧洲的几家公司开始着手生产RF
11、ID卷标。当前，RFID技术已经被广泛应用于各个领域，从门禁管制、牲畜管理，到物流管理，都可以见到其踪迹。RFID技术的发展基本可按10年期分为以下几个阶段，如图12所示。图12 自动识别技术的比较从分类上看，经过多年的发展，1356MHz以下的RFID技术己相对成熟，目前业界最关注的是位于中高频段的I冰ID技术，特别是860960MHz(uHF频段)的远距离RFID技术发展的最快。而245GHz和58GHz频段由于产品拥挤，易受干扰，技术相对复杂，其相关的研究和应用仍处于探索阶段。12射频识别技术的应用现状及发展趋势 射频识别(Radio FIequency Identification，R
12、FlD)技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，RFID技术进入商业化应用阶段(中国射频识别(RFID)技术政策白皮书)。由于具有非接触识别、多目标识别和高速移动物体识别等特点，RFID技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一，已得到全球业界的高度重视。中国拥有产品门类最为齐全的装备制造业，又是全球IT产品最重要的生产加工基地和消费市场，也是世界第三大贸易国。这些都为我国电子标签产业与应用的发展提供了巨大的市场空间，带来了难得的发展机
13、遇，RFID技术与电子标签应用必将成为我国信息产业发展和信息化建设的一个新机遇，成为国民经济新的增长点。 产品，并且各有特点，自成系列。RFID己被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。随着成本的下降和标准化的实现，RFID技术的全面推广和普遍应用将具有不可逆转的趋势。 目前RFID标签的天线制造以蚀刻冲压天线为主，其材料一般为铝或铜，随着新型导电油墨的开发，印刷天线的优势越来越突出。RFID标签封装以低温倒装键合工艺为主，也出现了流体自
14、装配、振动装配等新的标签封装工艺。我国低成本、高可靠性的标签制造装备和封装工艺正在研发中。 RFID读写器产品类型较多，部分先进产品可以实现多协议兼容。我国已经推出了系列RFID读写器产品，小功率读写模块已达到国外同类水平，大功率读写模块和读写器片上系统(SoC)尚处于研发阶段。 在应用系统集成和数据管理平台等方面，某些国际组织提出基于RFID的应用体系架构，各大软件厂商也在其产品中提供了支持RFID的服务及解决方案，相关的测试和应用推广工作正在进行中。我国在RFID应用架构、公共服务体系、中间件、系统集成以及信息融合和测试工作等方面取得了初步成果，建立国家RFID测试中心已经被列入科技发展规
15、划。 我国已经将RFID技术应用于铁路车号识别、第二代身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通以及生产过程管理等多个领域。对于改善人们的生活质量、提高企业经济效益、加强公共安全以及提高社会信息化水平产生了重要影响。 根据预测，RFID技术将在未来25年逐渐开始大规模应用，到2008年RFID标签仅在全球供应链领域的市场需求将达到40亿美元。ForTester Reseatrch研究机构称RFID技术构建的“物联网”将为世界带来革命性的变化。正是看到RFff)巨大的市场潜力，IBM、SAP、微软等IT巨头早就开始投入重金于此项技术和解决方案的开发，试图从中分一杯羹。 在未来几年
16、中，RFID技术将继续保持高速发展的势头。电子标签、读写器、系统集成软件、公共服务体系、标准化等方面都将取得新的进展。随着关键技术的不断进步，RFID产品的种类将越来越丰富，应用和衍生的增值服务也将越来越广泛。 RFID芯片设计与制造技术的发展趋势是芯片功耗更低，作用距离更远，读写速度与可靠性更高，成本不断降低。芯片技术将与应用系统整体解决方案紧密结合。 RFID标签封装技术将和印刷、造纸、包装等技术结合，导电油墨印制的低成本标签天线、低成本封装技术将促进RFID标签的大规模生产，并成为未来一段时问内决定产业发展速度的关键因素之一。 RFTD读写器设计与制造的发展趋势是读写器将向多功能、多接口
17、、多制式，并向模块化、小型化、使携式、嵌入式方向发展。同时，多读写器协调与组网技术将成为未来发展方向之一。 RFID技术与条码、生物识别等自动化识别技术，以及与互联网、通信、传感网络等信息技术融合，构筑成一个无所不在的网络环境。海量RFID信息处理、传输和安全对RFID的系统集成和应用技术提出了新的挑战。RFID系统集成软件将向嵌入式、智能化、可重组方向发展，通过构建RFID公共服务体系，将使RFID信息资源的组织、管理和利用更为深入和广泛。13射频识别技术的应用领域 2004年全球最大的零售连锁机构Walmart提出“要求前100家供应商在2005年1月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用
18、RFID技术”，尽管最终Waltmart推迟了这一要求的实施，但是基于RFlD在物流及供应链管理领域所存在的巨大市场空间，RFID迅速成为业界关注的焦点。2004年初，美国有线新闻网公布了即将对人类生活产生巨大影响的十大技术，RFID名列第三。RFID会得到如此重视，皆源于无线射频识别技术适合在物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集与交换和要求频繁改变数据内容的场合运用。 RFID的应用领域非常广泛，包括：交通运输、市场流通、物流领域、信息、食品、医疗卫生、商品防伪、金融、养老、残疾事业、教育文化、劳动就业、智能家电、犯罪监视等。 RFlD技术在供应链管理上得到了非常广泛的应用。供应
19、链(Supply Chain，sc)就是“生产及流通过程中，涉及将产品或服务提供给最终用户活动的上游与下游企业所形成的网络结构”。供应链上的业务流程和环节包括从供货商选择、采购、仓储、生产、包装、卸载、流通加工、配送、销售到客户服务等。供应链管理(Supply Chain Management，SCM)则是“杀IJ用计算机网络技术全面规划供应链中的商流、物流、信息流、资金流等，进行计划、组织、协调与控制”。 物流与供应链管理被认为是智能电子标签应用最大的舞台。成功的供应链管理能无缝整合所有供应活动，将所有合作者(包括供应商、配送商、运输商、第三方物流公司和信息提供商)整合到供应链中。在供应链运
20、转时，企业必须随时实地、精确地掌握供应链上的商流、物流、信息和资金的流向，才能够使企业发挥出最大的效率和效益。但实际上，物体在流动的各种环节过程中处于松散的状况，商流、物流、信息流和资金流常常随着时问和位置的变化而变化，使企业对这四种流向的控制能力大大下降，从而产产生失误，造成不必要的损失。 虽然现行TT和自动化技术大大提高了该领域的效率，但是很多工作仍主要依靠人工来完成，例如货物的清点、盘库和数据录入等，而手持式条码识别器等辅助工具，效率低下、差错率高等问题仍然无法得到有效的解决。而信息的准确性和及时性是供应链与物流管理的关键，这恰恰是RFlD技术最突出的优点之一。 RFID技术将解决物流与
21、供应链管理中信息采集的自动化问题。RFID技术正是有效解决供应链上各项业务运作资料的输入与输出、业务过程的控制与跟踪，以及减少出错率等难题的一种技术。贴在单个商品、包装箱或托盘上的RFlD标签，可以提供物流管管理中产品流和信息流的双向通信，并通过互联网传输从标签采集到的数据。如果每件商品都贴上了智能标签，无须打开产品的外包装，系统就可以对其整箱整包地进行识别，从而准确地随时获得产品的相关信息，例如种类、生产商、生产时间、生产地点、颜色、尺寸，等等。智能电子标签系统可以实现对商品从原料、半成品、成品、运输、仓储、配送、上架、最终销售，甚至退货处理等所有环节进行实时监控，不仅能极大地提高自动化程度
22、，而且可以大幅降低差错率，大幅削减用来获取产品信息的人工成本，显著提高供应链的透明度，使物流各个环节操作自动化。 RFID在供应链各个节点的基本作业过程有：给产品加上射频识别标签、出厂、配送中心内部作业、送货车抵达零售商处等。技术实现模式是将RFID标签贴在托盘、包装箱或兀器件上，进行元器件规格、序列号等信息的自动存储和传递。 在RFID的供应链应用中，主要的应用模式是物品追踪识别应用。 如果在行李、快件或者包裹标签中贴上智能标签，不仅可以实现分拣过程的全自动化，而且能够跟踪包裹在递送过程中所处的位置，当这些物品到达某个地方，标签信息就会被自动读入系统，供顾客或企业查询。不仅能够提供包裹的位置
23、，而且位置更加准确、成本也要低得多。 在航空领域，为保证每件行李的安全，防止出错和旅客利用转机夹带非法物品，安装使用RFID技术与设备。旅客安检时不再需要使用扫描条码器，即可达到简化手续流程目的。英国航空、日本航空、新加坡航空和美国德尔塔航空(Delta Air Lines)以及最新投入使用的首都机场3号航站楼行李系统都成功地使用电子标签跟踪行李。 另外还可以用智能标签保护和跟踪财产。将智能标签贴在重要物资如计算机、传真机、义件、复印机或其他实验室用品上，公司可以自动跟踪管理这些有价值的财产，可以跟踪一个物品从某一建筑物离开，或是用报警的方式限制物品离开某地，如集装上安装射频电子关封，一旦货柜
24、被非法打开，将在几秒之内自动报警。 使用RFID还可追踪产品的生命周期，提供更多、更深入的产品记录，实施分类管理，提高市场效益。RFID标签可嵌入到有时限要求的产品包装上，以便在货物从仓运往商店上架的过程中、检测温度、震动、时间及其他参数。， RFID技术突破了供应链、物流和IT的概念，是一门交叉应用科学技术，未来的RFID应用的发展趋势是向高频化、网络化方向发展，兼容性越来越强，而且数据处理量越来越大。14射频识别技术的市场展望 RFID已经拥有较长的应用历史，数字信息技术在各行各业的广泛应用为RFID技术提供了更广阔的发展前景。未来，RFID一旦在零售、医疗等行业甚至在政府部门等应用领域普
25、及开来，各厂商产品之间的产品标准化问题也会得到相应的解决。另外，随着RFID投术在安全性和成本方面的全面进展，其潜在的商用价值被逐渐发挥出来。 据美国的杨基集团(Yankee Group)对无线IC(RFID)基础设施市场的调查结果，2008年RFID基础设施市场的销售额将达到42亿美元。随着导入RFID的规模扩大，提供RFIE标签、读取设备、网络装置等的厂商将明显受益。另外，数据库、企业应用、企业间通信、系统集成等领域也将出现无限商机。 一项由麻省理工学院(MIT)和IBM针对自动化识别系统(AutoID)与新型无线射频识别技术对目前企业使用现状的调查报告显示：有71的企业已于2005年底前
26、应用自动化识别系统；而有75的制造业在2006年底前应用了这种系统。MIT在芝加哥召开的EPC研讨会上首次公开展示其研发了近5年的EPC网络。这种下一代条形码系统可用一块微型芯片替换目前大多数商品上的条形码。目前这种电子标签的价格约为50美分，随着应用市场的进一步扩大，价格将逐步降为25美分甚至5美分。 随着RFID技术的发展演进以及成本的降低，未来几年内RFID技术主要以供应链的应用为赢利的主体，全球开放的市场将为RFID带来巨大的商机。简单米讲，从采购、仓储生产、包装、卸载、流通加工、配送、销售到服务，这些是供心链上的业务流程和环节。在供应链运转时，企业必须及时地精确掌握供应链上的商流、物
27、流、信息和资金的流向，才能使企业发挥出最大的效率和效益。但实际上，物体在流动环节中处于松散的状况，商流、物流、信息和资金常常随着时间和位置的变化而变化，使企业对这四种流向的控制大大下降，从而产生失误，造成不必要的损失。RFIID技术正是有效解决供应链上各项业务运作资料的输入输出、业务过程的控制和跟踪，以及减少错率等难题的一种技术。例如，香港工业工程师学会及香港生产力促进局开展一项能为“提升制造及工业工程师应用无线标签来实施供应链管理”的项目。该项目主要是为香港港制造及工业工程师设计项目包括一系列的工业及技术专题研讨会、工作坊等，香港政府这是借助RFID技术在产品应供链上的每个环节发挥的效用，实
28、现物料应、生产、储存、包装，以及物流、货运处境、船务运输、存货控制及零售等各个环节的管理，帮助企业加快物流速度，改善生产效率，促进贸易活动。 据Deloitte研究中心的分析和预测，从2006年开始，供应链将成为推动RFID的主要产业，而且每年都在高速成长，推动RFID产业前进。至2009年，约70的RFID应用都在供应链产业中。事实上，供应链的每一个环节在使用RFID之后，就会变得更加顺畅。相对地，其他产业所占的比例也只有30而已。- 61 -项目二 RFID的工作原理 RFID技术的基础主要是大规模集成电路技术、计算机软硬件技术、数据库技术以及无线电技术。最基本的RFID硬件系统由标签、读
29、写器和天线三部分组成。 标签(Tag)由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，部分标签的样式如图2一l所示。 读写器(Reader)是写入、读取标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)在标签和读写器间传递射频信号。本章导读RFID技术的物理学原理RFlD标签读写器中间件RFID标签RFID的工作原21RFlD技术的物理学原理 射频识别(RFID)是一种易于操控、简单实用且特别适用于自动化控制的应用技术，其基本原理是利用射频信号耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。 RF(Radio Frequency，
30、射频)专指具有一定波长可用于无线电通信的电磁波。电磁波可由其频率表述为kHz(千赫)、MHz(兆赫)及GHz(吉赫)，其频率范围为vLF(Very LOWFrequency，甚低频)至EHF(Extlremely High Frequency，极高频)。211RFID的电磁理论基础 了解电磁传播规律有助于更好地理解和应用射频识别系统。 1天线场的概念 射频标签和读写器通过各自的天线构建起两者之间的非接触信息传输通道，这种空间信息传输通道的性能完全由天线周围的场区特性决定，是电磁传播的基本规律。射频信号加载到天线之后，在紧邻天线空间中，除了辐射场之外，还有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，
31、随着离开天线的距离增大迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，因而将此区域称为电抗近场区，它的外界约为一个波长。超过电抗近场区就到了辐射场区，按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。因而根据观测点距离天线距离的不同，天线周围的场呈现出的性质也不相同。通常可以根据观测点与天线的距离将天线周围的场区分为三个区域。 (1)无功近场区 无功近场区又称电抗近场区，它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中，电抗性储能场占支配地位，该区域的界限通常取为距天线口径表面)处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中电场与磁场的转化就像变压器中电场与磁场的转化。如果在无功近
32、场区附近还有其他金属物体，这些物体将会以类似电容、电感耦合的方式影响储能场，因而也可以将这些金属物看做是组合天线(原天线与这些金属物组成新的天线)的一部分。在该区域中束缚于天线的电磁场未曾做功(只是进行相互转换)，因而将该区域称为无功近场区。 (2)辐射近场区 超过电抗近场就到了辐射场区，辐射场区的电场已经脱离了天线的束缚，并作为电磁波进入空间。按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。对于通常的天线，此区域也称为菲涅尔区域。由于大型天线的远场测试距离很难满足，因而研究该区域中场的角度分布对大型天线
33、的测试非常重要。 (3)辐射远场区 辐射远场区即通常所说的远场区，又称为弗朗荷费区。在该区域中；辐射场的角分布与距离无关。严格地讲，只有离天线无穷远处才能达到天线的远场区。但在某个距离上，辐射场的角度分布与无穷远处的角度分布误差在允许的范围内时，即把该点至无穷远的区域称为天线远场区。 2天线的方向性图 天线的方向性图是指该辐射区域中辐射场的角度分布，因而远场区是天线辐射区中最重要的一个。公认的辐射近场区与远场区的分解距离尺为 R=2Dr式中，D为天线直径；r为天线波长；Dr。 对于天线而言，当天线的最大尺寸L小于波长r时，天线周围只存在无功近场区与辐射远场区，没有辐射近场区。无功近场区的外界约
34、为r/，超过这个距离辐射场就占主要优势，通常将满足L1,1的天线称为小天线。 对标签和射频识别系统而言，由于对标签尺寸的限制，以及读写器天线应用时尺寸的限制，绝大多数情况下，采用LA1或LA1的天线结构模式，因而天线的无功近场区和辐射远场区的距离可以根据波长进行估算。 对于给定的工作频率，无功近场区的外界基本上由波长决定，辐射远场区的内界应满足大于无功近场区外界的条件。当天线尺寸(D或L)与波长之比远大于波长时，其辐射近场的区域大致在无功近场区外界与辐射远场区内界之间。 有关天线场区的划分，一方面表示天线周围场的分布特点，即辐射场中的能量以电磁波的形式向外传播，无功近场区中的射频能量以磁场、电
35、场的形式相互转换并不向外传播；另一方面表示了天线周围的场强分布情况，距离天线越近，场强越强。212能量耦合和数据传输 射频识别系统中的射频标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中的一个重要问题，通常情况下这种作用距离定义为射频标签与读写器之间能够可靠交换数据的距离。射频识别系统的作用距离是一项综合指标，与射频标签和读写器的配合情况密切相关。 1耦合类型 根据射频识别系统作用距离远近情况，标签天线与读写器天线之间耦合可以分为三类：密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。 (1)密耦合系统 又称紧密耦合系统，是具有很小作用距离的射频识别系统，其典型作用距离范围为01cm。在实际应用中，通常需要将
36、射频标签插入到读写器中，或者将其放置到读写器天线表面。密耦合系统是利用射频标签与读写器天线的无功近场区之间的电感耦合(闭合磁路)构成的无接触空间信息传输射频通道进行工作。密耦合系统的工作频率一般局限于30MHz以下频率。 密耦合系统可以使用介于直流和30MHz交流之间的任意频率进行工作，且标签工作时不必发射电磁波。数据载体与读写器之问的紧密耦合能够提供较大能量，甚至可供电流消耗较大的微处理器进行工作。由于密耦合方式的电磁泄漏很小，耦合获得的能量较大，因而适用于安全性要求较高、作用距离无要求的应用系统，例如电子门锁系统或带有计数功能的非接触IC卡系统。目前，密耦合标签只作为ID一1格式的非接触I
37、C卡使用。 (2)遥耦合系统 遥耦合系统的典型作用距离可以达到1m。所有遥耦合系统在读写器与标签之间都是电感(磁)耦合，因此也将这些系统称做电感无线电装置。目前在用的射频识别系统的90，95都属于电感(磁)耦合系统。 遥耦合系统的发电频率通常使用135ki-z以下的频率，或使用675MHz、1356M。Hz以及27125MHz频率。根据标签和读写器的距离来估算，通过电感耦合可传输的能量是很小的，以至往往只使用耗电很少的只读数据载体。使用微处理器的高档标签也属于电感耦合系统。 遥耦合系统又可以分为近耦合系统(典型的作用距离为15cm)与疏耦合系统(典型的作用距离为lm)两类，如图22所示。近耦合
38、系统利用射频标签与读写器天线的无功近场区之间的电感耦合(闭合磁路)构成的无接触空间信息传播射频通道进行工作。遥耦合系统的典型工作频率为1356MHz，也有一些其他频率(如675MHz、275MHz等)。遥耦合系统目前是低成本射频识别系统的主流。图 22遥耦合系统的分类 (3)远距离系统 远距离系统的典型作用距离为110m，个别系统具有更远的作用距离。所有的远距离系统均是利用标签与读写器天线辐射远场区之问的电磁耦合(电磁波的发射与反射)所构成的无接触空间信息传输通道进行工作的。远距离系统的典型工作频率为915M：Hz(这在欧洲是不允许的)、245 GHz和58GHz，此外，还有一些其他频率，如4
39、33MHz等。 远距离系统的射频标签根据其中是否包含电池分为无源射频标签(不含电池)和有源射频标签(内含电池)。一般情况下，内含电池的射频标签的作用距离较无电池的射频标签的作用距离要远。 为使微型芯片进行工作，必须对标签供应足够的能量，光靠传输的能量是绝对不够的。因此，远距离系统(从表面波标签来看)具有一个辅助电池。这个辅助电池并不是为标签和读写器之问的数据传输提供能量，而只是为微型芯片提供能量，为读写存储数据服务的。 为建立标签和读写器之间的联系，只能使用高频能量，该能量由读写器接收。因此，可将反向散射方法作为由标签到读写器数据传输的标准方法。 远距离系统一般情况下均采用反射调制工作方式实现
40、射频标签到读写器方向的数据传输。远距离系统一般具有典型的方向性，射频标签与读写器成本目前还处于较高的水平。从技术角度来说，满足以下特点的远距离系统是理想的射频识别系统：射频标签无源；射频标签可无线读写；射频标签与读写器支持多标签读写；适用于高速移动物体的识别(物体移动速度大于80kmh)；远距离(读写距离510m)；低成本(可满足一次性使用要求)。现实的远距离系统一般均只能满足其中的几项要求。 2数据传输原理 射频识别系统一般包括读写器、标签和天线等几个部分，读写器和标签之间的通信通过电磁波来实现，按照通信距离可分为远场和近场。读写器和标签之间数据交换方式也相应地称为负载调制和反向散射调制。
41、(1)负载调制 近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合来实现的。在这种情况下，读写器和标签之问数据交换方式类似于变压器结构，称为负载调制。这种调制方式在125kHz和1356MHz射频识别系统中得到广泛应用。 (2)反向散射调制 在典型的远场，如915MHz和24GHz射频识别系统中，读写器和标签之间的距离为几米，而载波波长仅有几到几十厘米。读写器和射频标签之间的能量传输方式为反向散射调制。反向散射调制技术是指无源RFID射频标签将数据发送回读写器所采用的通信方式。射频标签返回数据方式是控制天线的阻抗，控制射频标签天线阻抗的方式有多种，都是基于一种称为“阻抗开关”的方法。实际采用的几种阻抗
42、开关有变容二极管、逻辑门、高速开关等，其原理如图23所示。图23射频标签阻抗控制方式 要发送的数据信号是具有两种电平的信号，通过一个简单的混频器(逻辑门)与中频信号完成调制，调制结果连接到一个阻抗开关，由阻抗开关改变天线的反射系数，从而对载波信号完成调制。 这种数据调制方式和普通的数据通信方式有较大的区别，在整个数据通信链路中，仅存在一个发射机，却完成了双向的数据通信。射频标签根据要发送的数据来控制天线开关，从而改变匹配程度。例如，要发送的数据为“0”时，天线开关打开，标签天线处于失配状态，辐射到标签的电磁能量大部分被反射回读写器；当要发送的数据为“l”时，天线开关关闭，标签天线处于匹配状态，
43、辐射到标签的电磁能量大部分被吸收，从而反射回的电磁能量相应地减少。这样从标签返回的数据就被调制到返回的电磁波幅度上，有些类似于幅移键控(Amplitude Shift Keying，ASK)调制。 对于无源射频标签来讲，还涉及波束供电技术，无源射频标签工作所需要的能量要直接从射频电磁波束中获取。与有源射频识别系统相比，无源系统需要较大的发射功率，射频电磁波在射频标签上经过射频检波、倍压、稳压存储电路处理，转化为射频标签工作所需要的工作电压。213反向散射的能量传递 电磁波从天线向周围空问发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁能量一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量
44、的一部分最终返回发射天线。在雷达技术中，用这种反射测量目标的距离和方位。对射频识别系统来说，可以采用反向散射调制的系统，利用电磁波反射完成从射频书签到读写器的数据传输。这主要是应用在915MHz、245GHz或者更高频率的系统中。 1读写器到射频标签的能量传输 无源射频识别系统标签通过电磁场供电，标签功耗越大，读写距离越短，性能越差。射频标签能否工作主要由射频标签的工作电压来决定，这也限制了无源射频识别系统的识别距离。现代低功耗IC卡涉及技术能够使标签本身的功耗逐步降低。目前，典型的低功耗射频标签的工作电压约为12v，标签本身的功耗已经降低至50gw，甚至5“w。这使得uHF(ultra Hi
45、gh Frequency，特高频)无源射频标签的识别距离在无线电发射功率限制下，可以达到10m以上的识别距离。 2射频标签到读写器的能量传输 射频标签返回的能量与其雷达散射截面(Radar CrOSS Section，RCS)盯成正比，它是目标反射电磁波能力的侧度指标。散射截面取决于一系列的参数，例如目标的大小、形状、材料、表面结构、波长和极化方向等。22RFID标签 射频识别(REID)这项技术可以用来追踪和管理几乎所有物理对象。因此，越来越多零售商和制造商都在关心和支持这项技术的发展和应用。RFID标签通常由三部分组成：读出器、硅芯片以及相关的天线。读出器天线发射无线电信号给堡签，RFID
46、标签通过自己的专用天线接收此信号，利用它从信号得到的能量(有的RFID标签上装有电源)启动标签上的集成电路芯片工作。读出器也是由天线、信号收发报机与译码器组成。一旦RFID标签上的芯片被激活启动后，就会进行需要的读出、写入薮据操作，读出器可把通过天线得到的标签芯片中的数据，经过译码送往主计算机处理。 天线是标签与读出器收发报机之间的管道，通过天线来控制系统信号的获得与交换。天譬的形状和大小有多种多样，例如可以装在门框上，接收从该门通过的人或物品的相关数据。还可安装在适当地点监控道路上的交通情况等。RFID标签可以做成动物跟踪标签，嵌入在动物的皮肤下，直径比铅笔芯还小，长度只有05in(英寸，下同)；RFID标答也可以做成卡的形状，还有许多商店在售卖的商品上附有硬塑料RFID标签用于防盗。除此以外，5in4inx2