一文详解RFID技术的原理、分类与应用

一、RFID

1.1介绍

射频识别技术（RFID）又称电子标签、无线射频识别、感应电子芯片、非接触卡，是一种通过射频信号自动识别目标物体并获取相关数据的非接触自动识别技术。RFID技术可以在各种恶劣的环境中工作，无需人为干预。

此外，它能同时识别高速运动物体和识别多个标签，操作方便快捷。短程射频产品不怕油渍、灰尘污染和其他恶劣环境，因此在这种环境下，它们可以代替条形码，例如跟踪工厂装配线上的物体。长距离射频产品主要应用于交通领域，其识别距离可达数十米，如自动充电或车辆识别等。

1.2分类

根据电源的可用性，RFID分为无源和有源两种。

1） 被动标记：被动传感器本身没有电源。它的电源是由一个传感器产生的，传感器通过从读卡器发射频率来激活，数据最终被传输回读卡器。被动式标签薄而短，使用寿命长，但感应距离相对较短。

2） 主动标记：价格相对较高，体积比被动式标签大，因为内置电池。使用寿命长，传感距离长。

根据频率，射频识别可分为三种类型：低频、高频、超频：

1） 低频RFID（100～500KHz）：低频RFID感应距离较短，读取速度较慢。低频射频识别一般采用125KHz，穿透能力强。

2） 高频RFID（10~15MHz）：高频RFID感应距离较长，读取速度相对较高。射频识别主要使用13.56MHz的高频。

3） 超高频RFID（850950MHz2.45GHz）：超高频RFID传感距离最长，读取速度最快，但穿透能力差。

二、系统架构

根据功能的不同，RFID系统可分为边缘系统和软件系统。边缘系统主要完成信息感知，属于硬件组成部分。软件系统完成信息处理和应用。通信设备负责整个RFID系统的信息传输。

RFID系统的基本组成

2.1电子标签

电子标签又称应答器或智能标签，是一种主要由内置天线和芯片组成的微型无线收发器。

2.2读写器

读写器是一种捕捉和处理RFID标签数据的设备，可以作为一个单独的或嵌入到其他系统中。读写器也是RFID系统的重要组成部分之一，它的名字来源于它可以将数据写入RFID。读写器的硬件通常由收发器、微处理器、存储器、外部传感器/执行器、报警输入/输出接口、通信接口和电源组成。

2.3控制器

控制器是读卡器芯片有序运行的指挥中心。其主要功能：

• 与应用系统软件通信；
• 执行应用系统软件发出的动作指令；
• 控制与标签的通信过程；
• 基带信号的编解码；
• 实现防碰撞算法；
• 对读取器和标签之间传输的数据进行加密和解密；
• 实现读卡器与电子标签之间的身份认证；
• 控制其他外部设备，如键盘和显示设备。
• 控制读卡器芯片的操作（最重要的）。

2.4读卡器天线

天线是以电磁波的形式接收或辐射前端射频信号的装置。它是电路与空间的接口器件，用于实现导波与自由空间波能量的转换。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和阅读器天线，分别承担接收能量和发射能量的功能。读卡器天线的特点是：

• 小到可以依附于需要的东西
• 全向或半球覆盖的方向性
• 能够为芯片提供最大可能的信号
• 无论方向如何，天线的极化都能与卡的询问信号相匹配
• 稳定性好
• 价格便宜

2.5通信设施

通信设备为不同的RFID系统管理提供安全的通信连接，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串行通信接口，供读卡器和控制器连接到计算机。无线网络可以是个人局域网（例如蓝牙技术）、局域网（例如802.11x、WiFi）或广域网（例如GPRS、3G技术）和卫星通信网络（例如同步轨道卫星L波段RFID系统）。

三、RFID天线类型

RFID有三种基本类型：线圈型、微带贴片型和偶极子型。其中，短距离应用系统使用的1米以下的RFID天线一般采用线圈式天线，工艺简单，成本低。它主要工作在中低频段。在应用系统中，1米以上的RFID天线通常采用微带贴片式或偶极子式。它们工作在高频和微波频率级。这些天线的原理是不同的。

① 线圈天线

当RFID线圈天线进入读写器产生的交变磁场时，RFID天线和读写器天线之间的相互作用与变压器相似，两者的线圈相当于变压器的一次线圈和二次线圈。射频识别线圈天线形成的谐振回路如下图所示。

包括RFID天线的线圈电感L、寄生电容Cp和并联电容C2，其谐振频率为：

电容C是Cp和C2的并联等效电容。RFID应用系统通过该频率载波实现双向数据通信。ID1非接触式IC卡外观为小型塑料卡（85.72mm×54.03mm×0.76mm），天线线圈谐振频率一般为13.56MHz。目前已开发出一个最小面积为0.4mm×0.4mm线圈天线的短程RFID应用系统。

一些应用要求RFID天线线圈的形状较小，并且需要一定的工作距离，例如用于动物识别的RFID。当天线线圈面积较小时，RFID与阅读器之间的互感明显不适合实际应用。RFID天线线圈通常采用高导磁性的铁氧体材料来增加互感，补偿线圈截面的减小。

②微带天线

微带天线是一种由微带线或同轴探头在薄介质衬底上馈电的天线。一面附着一层薄金属层作为接地板，另一面用光刻蚀刻法制作出具有一定形状的金属贴片。微带天线可分为两种类型：①微带贴片天线② 微带缝隙天线

四、RFID工作原理

基本原则射频识别技术：读写器发送的射频信号经过编码后加载到高频载波信号上，再通过天线发出。进入读写器工作区的电子标签接收信号。卡中芯片的相关电路进行倍压整流、调制、解码、解码，然后判断命令请求、口令、权限等，最后根据指令进行标签处理。

4.1基础

从电子标签与阅读器之间的通信和能量传感角度来看，系统一般可分为两类，即感应耦合系统和电磁后向散射耦合系统。根据电磁感应定律，利用空间高频交变磁场实现感应耦合；电磁背散射耦合，即雷达原理模型：发射的电磁波击中目标后反射，并携带目标信息，这是基于电磁波在空间中传播的规律。

4.2感应耦合RFID系统

RFID的感应耦合符合ISO/iec14443协议。感应耦合电子标签由电子数据载体组成，电子数据载体通常由单个微芯片和大面积线圈构成的天线组成。

几乎所有的感应耦合方式的标签都是被动工作的，标签中的微芯片工作所需的全部能量都是由读卡器传输的感应电磁能量提供的。阅读器的天线线圈产生高频强电磁场，穿过线圈的横截面和周围空间，使附近的电子标签产生电磁感应。

感应耦合射频识别系统工作原理图

4.3反向散射耦合RFID系统

① 背散射调制

雷达技术为RFID的后向散射耦合提供了理论和实践依据。当电磁波遇到空间目标时，一部分能量被目标吸收，另一部分能量以不同强度向不同方向散射。在散射能量中，反射回发射天线并由天线接收的一小部分（回波）（因此发射天线也是接收天线）。对接收到的信号进行放大处理，得到目标的相关信息。在雷达技术中，这种反射波可以用来测量目标的距离和方位。

在RFID系统中，利用电磁波的反射，可以将电子标签上的数据传输给阅读器。这种工作模式主要用于915MHz、2.45GHz或更高频率的系统。

②射频识别后向散射耦合模式

目标反射电磁波的频率由其横截面决定。截面与目标的尺寸、形状、材料、电磁波的波长和偏振方向等一系列参数有关，因为目标的反射性能通常随着频率的增加而增强，射频识别的后向散射耦合方式采用UHF和UHF，应答器与读卡器之间的距离大于1米。读卡器、电子标签和天线构成了一个收发器通信系统。

4.4 RFID技术特点

① 优势：

• 快速扫描：RFID识别器可以同时读写多个RFID标签，读取速度非常快。有源RFID系统的草图功能可以用于交互式服务，如过程跟踪和维护跟踪。
• 小型化和形状多样化：RFID标签向小型化和多样化方向发展，以适应不同的产品。信息的读取不受芯片尺寸和形状的限制，也不需要与纸张的固定尺寸或打印质量相匹配才能准确读取。此外，RFID标签正朝着小型化和多样化方向发展，以应用于不同的产品中。
• RFID标签是将数据存储在芯片中：RFID芯片和RFID读卡器对水、油和化学物质有很强的抵抗力，不仅不受污染，而且易于保存。
• 可重复使用：RFID标签反复添加、修改、删除RFID卷标中存储的数据，方便信息的更新。
• 穿透和无载读数：射频识别技术比传统智能芯片更精确，识别距离更灵活。它可以实现穿透和无障碍读取。射频识别技术可以穿透纸张、木材和塑料等材料，以穿透通信。它还可以通过雪、雾、冰、油漆、灰尘等恶劣环境读取标签，如条形码无法使用。
• 大存储容量：RFID的最大容量是几兆字节，可以大量记录。随着技术的进步，产能也在增加。
• 安全性：由于RFID携带电子信息，其数据内容可通过密码进行保护，使其内容难以伪造和篡改。

② 缺点：

• 技术成熟度还不够：RFID技术是一种新兴技术，在技术上还不是很成熟。由于超高频RFID标签具有反向反射特性，很难应用于金属、液体等商品。
• 高成本：与普通条形码标签相比，RFID电子标签相对昂贵，后者的成本是普通条形码标签的几十倍。如果使用量大，成本就太高，这大大降低了市场使用RFID技术的积极性。
• 技术标准不统一：RFID技术尚未形成统一的标准。市场上多种标准并存，导致不同企业产品的不兼容。RFID系统的主要制造商提供专用系统，这导致不同的应用和行业采用不同制造商的频率和协议标准。不兼容的标准导致了RFID技术应用的混乱，制约了RFID技术的整体发展。

③ 前景：

近十年来，RFID技术发展迅速，在工业自动化、商业自动化、交通管理等领域得到了广泛的应用。随着技术的发展，RFID技术的种类会越来越丰富，应用也会越来越广泛。可以预见射频识别技术未来几年将继续保持快速发展。

总的来说，当前RFID的发展趋势是标准化、低成本、低误码率、高安全性和低功耗。

• 标准化：行业标准和相关产品标准不统一，到目前为止全球电子标签还没有正式形成统一（包括各个阶段）的国际标准。
• 低成本：目前，美国电子标签的最低价格约为20美分，不能适用于某些低价值的单项商品。只有当电子标签的单价降到10美分以下时，才能大规模应用于商品。
• 低误码率：虽然RFID标签的单一技术已经成熟，但整体产品技术还不够成熟，仍然存在较高的误读率（RFID误读率有时高达20%）。在集成应用中，还需要解决大量的技术问题。
• 高安全性：目前广泛使用的无源RFID系统没有非常可靠的安全机制，不能对数据进行保密。RFID数据容易受到攻击，主要是由于RFID芯片本身的原因。而芯片在读写数据的过程中很容易被黑客利用。

五、RFID技术应用领域

访问控制：人员访问控制管理。

动物监测：动物管理，宠物识别，野生动物生态跟踪。

物流管理：航空行李识别、库存和物流运输管理。

自动控制：汽车、家电、电子行业的分类及流水线管理。

医疗应用：医院病案系统、仪器设备的管理。

物料控制：工厂物料的自动库存和控制系统。

质量跟踪：产品质量跟踪和反馈。

资源回收：堆垛板、可回收容器的管理。

安全应用：超市、图书馆或书店的安全管理。

废物处理：垃圾收集和处理，废物控制系统。

联名票：多功能智能卡。

危险品：对军械、火器、雷管和爆炸物的管制。

六、常见问题

1.什么是RFID技术？它是如何工作的？

RFID是一种数据收集方法，涉及通过低功率无线电波自动识别对象。数据通过由RFID标签、天线、RFID读取器和收发器组成的系统进行发送和接收。

2.RFID在哪里使用？

RFID用于零售商店的商品级标记。除了库存控制之外，这还通过使用电子物品监控系统（EAS）提供防止顾客和员工盗窃（商店盗窃）和客户自助结账流程。

3.RFID技术安全吗？

RFID信用卡被认为与EMV芯片卡一样安全，与RFID卡有关的数据被盗是不常见的。这是因为这些卡片是如何传递信息的，哪些信息是共享的。

4.什么是RFID系统？

射频识别（RFID）是指由两个组件组成的无线系统：标签和阅读器。读卡器是一种具有一个或多个天线的设备，这些天线发射无线电波并接收来自射频识别标签的信号。。。读卡器没有电池供电。

5.RFID的缺点是什么？

•金属和液体等材料会影响信号。

•有时不如条形码扫描仪准确可靠。

•成本——RFID阅读器比条形码阅读器贵10倍。

•实施可能困难且耗时。

6.射频识别芯片可以移除吗？

另一方面，植入的RFID芯片，就像数字纹身或胸前贴片已经代表了第二阶段的机器化一样，这是因为不管有什么危险的东西说，它们都不能像你的闪光T恤那样在一天结束时那么容易被移除。

7.NFC和RFID哪个更好？

RFID最适合于物流功能中的资产跟踪和定位。NFC代表近场通信。NFC也基于RFID协议。RFID的主要区别在于NFC设备不仅可以充当读卡器，还可以作为标签（卡片模拟模式）。

8.RFID会干扰WiFi吗？

交叉干扰最有可能发生在RFID系统和WIFI或个人局域网（WPAN）之间，如蓝牙，但只有当设备共享公共或相邻频段时。。。11 WIFI标准与按照相同标准运行的WIFI网络一起使用时可能会遇到困难。

9.如何检测RFID？

•在专门的在线或本地电子零售商处获取RFID芯片阅读器。

•打开RFID芯片阅读器，扫描您认为存在RFID芯片的区域附近。

•随着来自RFID芯片读取器的蜂鸣音增加，信号强度也随之增加。

10.什么是RFID及其类型？

根据射频识别标签用于数据传输的频率范围，可将其分为三类：低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）。一般来说，射频识别系统的频率越低，读取范围越短，数据读取速率越慢。