RFID射频识别技术详解之RFID系统构架与基本原理

物联网已被确定为中国战略性新兴产业之一，《物联网“十二五”发展规划》的出台，无疑给正在发展的中国物联网又吹来一股强劲的东风，而RFID技术作为物联网发展的关键技术，其应用市场必将随着物联网的发展而扩大。

RFID射频识别技术

RFID的英文全称是Radio FrequencyIdentification，射频识别，又称电子标签，无线射频识别，感应式电子晶片，近接卡、感应卡、非接触卡、电子条码。

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。

RFID系统构架

典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件4部分构成，一般我们把中间件和应用软件统称为应用系统。 

FRID的系统结构

在实际RFID解决方案中，RFID系统都包含一些基本组件。组件分为硬件组件和软件组件。

从功能实现的角度观察，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分， 边沿系统主要是完成信息感知，属于硬件组件部分；软件系统完成信息的处理和应用；通信设施负责整个RFID系统的信息传递。 

射频识别系统基本组成

1、电子标签

电子标签（Electronic Tag）也称也称应答器或智能标签（Smart Label），是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。 

2、读写器

读写器是一个捕捉和处理RFID标签数据的设备，它可以是单独的个体，也可以嵌入到其他系统之中。读写器也是构成RFID系统的重要部件之一，由于它能够将数据写到RFID标签中，因此称为读写器。

读写器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/执行器，报警器的输入/输出接口、通信接口及电源等部件组成。

读写器组成示意图

3、控制器

控制器是读写器芯片有序工作的指挥中心，主要功能是：

与应用系统软件进行通信；

执行从应用系统软件发来的动作指令；

控制与标签的通信过程；

基带信号的编码与解码；

执行防碰撞算法；

对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密；

进行读写器与电子标签之间的身份认证；

对键盘、显示设备等其他外部设备的控制。

其中，最重要的是对读写器芯片的控制操作。

4、读写器天线

天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的设备，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。

RFID系统读写器天线的特点是：

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；

能够给标签的芯片提供最大可能的信号；

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；

价格便宜。

在选择读写器天线时应考虑的主要因素有：

天线的类型；

天线的阻抗；

应用到物品上的RF的性能；

在有其他物品围绕贴标签物品时RF的性能。 

5、通信设施

通信设施为不同的RFID系统管理提供安全通信连接，是RFID系统的重要组成部分。通信设施包括有线或无线网络和读写器或控制器与计算机连接的串行通信接口。无线网络可以是个域网（PAN）（如蓝牙技术）、局域网（如802.11x、WiFi），也可以是广域网（如GPRS、3G技术）或卫星通信网络（如同步轨道卫星L波段的RFID系统）。

RFID系统的基本原理

1、基本原理

从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分成两类，即电感耦合（InductiveCoupling）系统和电磁反向散射耦合（Backscatter Coupling）系统。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。 

2、电感耦合型RFID系统

RFID的电感耦合方式对应于ISO/IEC 14443协议。电感耦合电子标签由一个电子数据载体，通常由单个微芯片及用做天线的大面积的线圈等组成。

电感耦合方式的电子标签几乎都是无源工作的，在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿越线圈横截面和线圈的周围空间，以使附近的电子标签产生电磁感应。 

电感耦合型RFID系统的工作原理图

3、电磁反向散射RFID系统

（1）反向散射调制 

雷达技术为RFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用基础。当电磁波遇到空间目标时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被天线接收（因此发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大和处理，即可获得目标的有关信息。

当电磁波从天线向周围空间发射时，会遇到不同的目标。到达目标的电磁波能量的一部分（自由空间衰减）被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线，称之为回波。在雷达技术中，可用这种反射波测量目标的距离和方位。

对RFID系统来说，可以采用电磁反向散射耦合工作方式，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输。这种工作方式主要应用在915MHz、2.45GNz或更高频率的系统中。

（2）RFID反向散射耦合方式 

一个目标反射电磁波的频率由反射横截面来确定。反射横截面的大小与一系列的参数有关，如目标的大小、形状和材料，电磁波的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以RFID反向散射耦合方式采用特高频和超高频，应答器和读写器的距离大于1 m。读写器、应答器（电子标签）和天线构成了一个收发通信系统。 

RFID反向散射耦合方式的原理

4、声表面波标签的识别原理

（1）声表面波器件

声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器件以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。SAW器件的体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较宽，并且可以采用与集成电路工艺相同的平面加工工艺，制造简单，重获得性和设计灵活性高。

声表面波器件具有广泛的应用，如通信设备中的滤波器。在RFID应用中，声表面波应答器的工作频率目前主要为2.45GHz。

声表面波应答器的基本结构

（2）声表面波RFID的原理

SAW标签由叉指换能器和若干反射器组成，换能器的两条总线与电子标签的天线相连接。阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲，在电子标签天线的接收范围内，被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波，并在晶体表面传播。反射器组成对入射表面波部分反射，并返回到叉指换能器，叉指换能器又将反射脉冲串转变成高频电脉冲串。由于声表面波的传播速率低，有效的反射脉冲串在经过及微妙的延迟时间后才回到阅读器。 

声表面波的传播

（3）声表面波RFID系统的关键技术

标签编码容量与作用距离

应答器和读写器的配合

应用小型低成本且适合待识别物品的电子标签天线

封装

由于标签附着的物品和使用环境千差万别，所以其封装结构各有特色，它们都必须达到以下几个要求。

保证压电芯片在工作寿命期间能耐受外部环境应力及其变化，不造成性能恶化。

至少不能影响或极少影响标签天线的高频电磁波接收效果。

固定于待识别物的方法简单、附着牢靠，不明显损伤该物品。

外型美观，对于待识别物和谐，并满足安全和保护环境等要求。

（4）声表面波RFID的优点

由于SAW器件本身工作在射频波段，无源且抗电磁干扰能力强，所以SAW技术实现的电子标签具有一定的独特优势，是对集成电路（IC）技术的补充。

声表面波RFID的主要特点有：

读取范围大且可靠，可达数米；

可使用在金属和液体产品上；

标签芯片与天线的匹配简单，制作工艺成本低；

不仅能识别静止的物体，而且能识别速度达300km/h的高速运动物体。

可在高温差（-100℃～300℃）、强电磁干扰等恶劣环境下使用。

RFID技术的优缺点

1、优点：

RFID芯片与RFID读卡器对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。

信息的读取上并不受芯片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，而且，RFID标签正往小型化与多样形态发展，以应用于不同产品。

RFID技术识别相比传统智能芯片更精确，识别的距离更灵活。可以做到穿透性和无屏障阅读。

RFID芯片标签可以重复地新增、修改、删除内部储存的数据，方便信息的更新。

内部数据内容经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造。

RFID芯片数据容量很大，而且随着技术发展，容量还有增大的趋势。

2、缺点：

技术成熟度不够。RFID技术出现时间较短，在技术上还不是非常成熟。由于超高频RFID电子标签具有反向反射性特点，使得其在金属、液体等商品中应用比较困难。

成本高。RFID电子标签相对于普通条码标签价格较高，为普通条码标签的几十倍，如果使用量大的话，就会造成成本太高，在很大程度上降低了市场使用RFID技术的积极性。

安全性不够强。RFID技术面临的安全性问题主要表现为RFID电子标签信息被非法读取和恶意篡改。

技术标准不统一。RFID技术目前还没有形成统一的标准，而且市场上多种标准并存，致使不同企业产品的RFID标签互不兼容，进而在一定程度上造成RFID技术的应用的混乱。

RFID技术的发展现状和前景

随着RFID设备成本的不断降低，标准的逐步统一，数字信息技术在各行业的深入广泛应用，规模应用行业的扩大，RFID技术将会有更广阔的发展前景，其潜在的价值将会发挥出来，RFID 技术产业将逐步壮大与成熟。

1、射频识别的发展历史

RFID技术诞生于二战期间，最早被英国皇家空军用于识别自家和盟军的战机。英国为了识别返航的飞机，就在盟军的飞机上装备了一个无线电收发器，进而当控制塔上的探询器向返航的飞机发射一个询问信号后，飞机上的收发器接收到这个信号后，回传一个信号给探询器，探询器根据接收到的回传信号来识别敌我。这是有记录的第一个RFID敌我识别系统，也是第一个RFID的第一次实际应用。

之后，RFID技术也被陆续应用于野生动物跟踪，公路收费系统等领域。20世纪90年代以后，随着集成电路制造和信息技术的飞速发展，RFID技术日趋成熟，其成本也越来越低，开始逐渐引起人们的关注。

2、射频识别的发展前景

RFID射频识别技术已经逐步发展成为独立跨学科的专业领域。RFID射频识别技术将大量的来自完全不同的专业领域的技术（例如，高频技术、电磁兼容技术、半导体技术、数据保护和密码学技术、电信技术、制造技术等）综合起来。

近十多年来，RFID射频识别技术得到了快速发展，逐步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的溯源和防伪应用领域。而随着技术进步，基于RFID射频识别技术产品的种类将越来越丰富，应用也将越来越广泛，可预计，在今后的几年中，RFID射频识别技术将持续保持高速发展的势头。

总体而言，RFID射频识别技术当前发展趋于标准化、低成本、低差错率、高安全性、低功耗。

标准化

行业标准以及相关产品标准还不统一，电子标签迄今为止全球也还没有正式形成一个统一的(包括各个频段)国际标准。

低成本

目前美国一个电子标签最低的价格是20美分左右，这样的价格是无法应用于某些价值较低的单件商品，只有电子标签的单价下降到10美分以下，才可能大规模应用于整箱整包的商品。

低差错率

虽然在RFID电子标签的单项技术上已经趋于成熟，但总体上产品技术还不够成熟，还存在较高的差错率(RFID被误读的比率有时高达20％)，在集成应用中也还需要攻克大量的技术难题。

高安全性

当前广泛使用的无源RFID系统还没有非常可靠的安全机制，无法对数据进行很好的保密，RFID数据还容易受到攻击，主要是因为RFID芯片本身，以及芯片在读或者写数据的过程中都很容易被黑客所利用。

RFID技术的应用领域

门禁管制： 人员出入门禁监控管理

动物监控： 畜牧动物管理、宠物识别、野生动物生态的追踪

交通运输： 高速公路的收费系统

物流管理： 航空运输的行李识别，存货、物流运输管理

自动控制： 汽车、家电、电子业之分类、组装生产线管理

医疗应用： 医院的病历系统、仪器仪表设备管理

物料管控： 工厂物料的自动化盘点及控制系统

质量追踪： 成品质量追踪、回馈

资源回收： 栈板、可回收容器等管理

防盗应用： 超市、图书馆或书店的防盗管理

防仿假冒： 名牌烟酒及贵重物品的打假防伪

废物处理： 垃圾回收处理、废弃物管控系统

联合票证： 多种用途的智能型储值卡、一卡通等

危险物品： 军械枪支、雷管炸药管制

RFID将构建虚拟世界与物理世界的桥梁。可以预见，在不久的将来，RFID技术不仅会在各行各业被广泛采用，最终RFID技术将会与普适计算技术相融合，对人类社会产生深远影响。 

作为全球的制造业基地，中国将是未来全球最大的RFID应用市场。这对于国内的科研机构和企业将是一次难得的机遇。