1.2.1 射頻識別（RFID）系統的架構、功能及通信原理

1.RFID系統架構

典型的RFID系統主要由閱讀器、標簽、RFID中間件和應用系統軟件四個部分構成。RFID系統的工作原理如圖1.12所示。

在實際的解決方案中，RFID 系統都包含一些基本組件，這些組件可分為硬件組件和軟件組件。

從功能實現的角度來看，可將RFID系統分成邊沿系統和軟件系統兩大部分，邊沿系統主要是完成信息的感知，屬于硬件組件部分；軟件系統完成信息的處理和應用；通信設備負責整個RFID系統的信息傳遞。RFID系統的基本組成如圖1.13所示。

（1）標簽。標簽（Tag）也稱為應答器或智能標簽（Smart Label），是一個微型的無線收發裝置，主要由內置天線和芯片組成。

（2）閱讀器。閱讀器是一個捕捉和處理RFID標簽中數據的設備，它可以是單獨的個體，也可以嵌入到其他系統中。閱讀器也是構成RFID系統的重要部件之一，由于它能夠將數據寫入RFID標簽中，因此也稱為讀寫器。

閱讀器的硬件部分通常由收發機、微處理器、存儲器、外部傳感器/執行器、報警器的輸入/輸出接口、通信接口及電源等部件組成。微處理器是閱讀器有序工作的指揮中心，其主要功能是：與應用系統軟件進行通信；執行從應用系統軟件發來的動作指令；控制閱讀器與標簽的通信過程。其中，最重要的是對閱讀器的控制操作。

天線是一種以電磁波形式接收或發射射頻信號的設備，是電路與空間的接口，用來完成導波與自由空間波之間能量的轉化。在RFID系統中，天線分為標簽天線和閱讀器天線兩大類，分別用于接收射頻信號和發射射頻信號。

2.RFID系統功能分析

作為一種簡單的無線系統，RFID 系統只有兩個基本器件，一個是閱讀器，另一個是標簽，如圖1.14所示。其基本工作原理是：閱讀器以廣播的方式連續地向周圍發送攜帶能量的射頻信號，感應到能量的標簽通過調制電路信號以反射的方式向閱讀器返回自身攜帶的數據，閱讀器對接收到的數據進行解碼，并傳給主機進行處理。通過上述方式，RFID 系統能夠提供有效的身份信息和地址信息。在物聯網環境下，RFID 系統可以針對具體的應用需求，對被標識的物理對象進行合理有效的信息收集，為上層應用提供最基本的數據支持。

在RFID應用系統中，要從一個標簽中讀出數據或者向一個標簽寫入數據，需要非接觸式的閱讀器作為接口。閱讀器與標簽的所有動作均由應用軟件控制，對一個標簽的讀寫操作是嚴格按照主從原則進行的。在這個主從原則中，應用軟件是主動方，閱讀器是從動方，只對應用軟件的讀寫指令做出反應。

1）閱讀器

（1）閱讀器的功能。閱讀器的基本任務是啟動標簽，與標簽建立通信，并在應用軟件和標簽之間非接觸式地傳送數據。非接觸式的通信具體細節包括通信建立、沖突避免和身份驗證等，均由閱讀器來完成。如果應用軟件向閱讀器發出的一條讀取命令，就會在閱讀器與標簽之間觸發一系列的通信步驟，具體如下：

● 應用軟件向閱讀器發出一條讀取標簽信息的命令。

● 閱讀器進行搜索，查看標簽是否在閱讀器的作用范圍內。

● 標簽向閱讀器發送序列號。

● 閱讀器對標簽的身份進行驗證。

● 閱讀器通過對標簽的身份驗證后，讀取該標簽的信息。

● 閱讀器將標簽的信息送往應用軟件。

（2）閱讀器的分類。RFID 系統的工作原理與其所使用的射頻信號頻率有關，而射頻信號頻率的高低對閱讀器的工作距離、數據傳輸速率、天線的方向性等都有直接的影響。通常，閱讀器的工作頻率越高，可識別標簽的最遠距離越大、數據傳輸速率越高，信號在傳播過程中的衰減也越嚴重，對障礙物（如水、金屬、電離體等）也越敏感；而閱讀器的工作頻率越低，可識別電子標簽的最遠距離越小、數據傳輸速率越低，信號在傳播過程中的衰減越小。按照閱讀器所使用的工作頻率不同，可以將閱讀器分為低頻閱讀器、高頻閱讀器、超高頻閱讀器和特高頻閱讀器等。我國無線電頻率分布表（部分）如表1.1所示。

低頻閱讀器和高頻閱讀器通常采用電感耦合的方式工作，工作距離一般小于1m。典型的工作頻率有125 kHz、135 kHz、13.56 MHz。在我國，13.56 MHz的高頻閱讀器、標簽使用得比較廣泛。

超高頻閱讀器和特高頻閱讀器的工作利用的是電磁反向散射原理，工作距離一般大于1 m，典型的工作頻率有433 MHz、860～960 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz。其中860～960 MHz是EPC Global標準規定的閱讀器和標簽通信的標準頻段。

2）標簽

（1）標簽的組成結構。從外觀上看，標簽由天線和芯片兩部分組成，如圖1.15所示。

其中，標簽的天線尺寸決定了整個標簽的大小。標簽的天線主要功能是接收閱讀器發送的射頻信號并轉交給標簽進行處理，以及將標簽保存的數據發送給閱讀器。對無源標簽來說，天線還負責為其工作提供能量。

標簽最主要的功能就是存儲一定量的數據，并以非接觸的方式將數據發送給閱讀器。為了能夠存儲數據，標簽內部需要包含存儲器，存儲器的容量通常在幾字節到幾千字節，通常存儲器需要能夠提供讀寫操作。對無源標簽來說，它要能夠從閱讀器的電磁場中吸收能量，所以就需要一個合適的天線。有些標簽還提供數據的保護措施，這就要求標簽要有訪問控制機制。標簽的功能可歸納為如下幾點：

● 存儲數據，即標簽內存儲了和物品相關的信息，如標識符、生產日期、生產廠家等。

● 非接觸式讀寫，即標簽可以在閱讀器一定距離的范圍內被識別。

● 能量獲取，即標簽可以從閱讀器發射的電磁場中吸收能量，為自身工作供電。

● 安全加密，即標簽和閱讀器之間的通信遵循一定的安全協議。

● 碰撞退讓，即多個標簽和多閱讀器場景下的響應機制。

（2）標簽的分類。

① 按照封裝形式分類。

卡形標簽：使用卡形標簽有很多好處，如便于攜帶、標簽的天線可以得到較好的保護、防潮防水等。各種頻段的標簽都可以使用這種封裝形式，如圖1.16所示。

標簽形標簽：使用標簽形標簽一般是為了方便附著在其他物體上，如圖1.17所示。因此，在進行封裝的時候，背面一般會有類似黏合劑的物質，黏合劑的外層是一張薄紙膜，撕掉薄紙膜就可以直接將標簽貼在物體上。這種標簽主要應用在工業生產、物流管理等領域，用于標識物體。

植入型標簽：使用植入型標簽最普遍的領域是動/植物管理，如圖 1.18 所示，該類標簽體積小，質量僅為0.1 g左右，易于隱蔽，使用壽命超過20年，被廣泛應用于珍貴魚類、狗、貓等寵物管理。釘形標簽則可被用于城市古樹管理、混凝土防偽等；家畜耳標可以被用來追溯豬、羊等家禽的流通環節。

佩件形標簽：使用佩件形標簽一般是為了攜帶方便，同時又不影響美觀，佩件的外觀通常是為了符合人們的活動特點，如圖1.19所示，RFID鑰匙外觀小巧玲瓏，堅固耐用，而且還可以防水、防振。RFID衣扣可用于高檔西服的防偽，這種衣扣的壽命可達10年以上，可防水、防振、防腐蝕。醫用 RFID 腕帶可用于電子病歷系統，RFID 子/母腕帶還可以用于產婦和新生兒的識別護理等。游泳RFID手牌的防水性能很好，可用于極為潮濕的環境。

② 按照能量來源分類。

有源標簽：有源標簽又稱為主動標簽。因為有源標簽的能量并不是來自閱讀器發送的電磁波，而是來自自身攜帶的電池，所以有源標簽可以主動地向閱讀器發送數據，但標簽的壽命受限于電池的容量。通常，可將有源標簽、傳感器芯片以及控制電路集成在一起，共同協作完成某些任務。例如，傳感器芯片將采集到的數據通過有源標簽發送給閱讀器，然后有源標簽通過控制電路執行閱讀器的相應命令。有源標簽的工作距離可以達到幾十米，甚至上百米。由于有源標簽的通信距離遠，功能相對復雜，存儲容量一般也比無源標簽大很多，所以其價格要比無源標簽高很多，通常用于貴重資產的管理。

無源標簽：無源標簽又稱為被動標簽，自身沒有能量，是依靠反射閱讀器發射的電磁波來獲得能量的。由于獲得的能量十分有限，無源標簽的通信距離比有源標簽小得多，通常只有幾米，能夠傳輸的數據量也很有限。無源標簽大多應用在物品統計、運輸、跟蹤以及醫療、防盜領域等。由于無源標簽不需要更換電池，結構簡單，成本低廉，使得它在某些應用場景下是非常有利的。例如，置于人體表皮組織內的標簽，是不允許頻繁更換電池的，此時使用無源標簽就比較合適。

無源標簽和有源標簽可以相互結合、取長補短。在資產供應鏈管理的解決方案中，對物品移動變化較小、安全性、感知、存儲要求不高的場景，使用無源標簽可以降低成本；而在物品移動變化較大、安全措施要求復雜、數據存儲能力要求較強的場景，使用有源標簽可保證質量。

半無源標簽：半無源標簽就是有源標簽和無源標簽的一種結合，這種標簽的集成電路板上也會含有電池，但這些電池只是一種輔助性的能量。與無源標簽類似，半無源標簽從閱讀器發射的電磁波吸收能量來喚醒芯片并將數據傳送給讀取器。當標簽吸收的能量不足以維持其工作的電壓時，輔助電池才會提供工作能量，因此，這類標簽有時也稱為電池輔助型無源標簽。

③ 按照工作頻率分類。

低頻段電子標簽：低頻段電子標簽簡稱低頻標簽，其工作頻率范圍為30～300 kHz，安全保密性差。低頻標簽一般為無源標簽，其工作能量是通過電感耦合的方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得的。當低頻標簽與閱讀器之間傳送數據時，低頻標簽需位于閱讀器天線輻射的近場區內。一般情況下，低頻標簽的閱讀距離小于1m。低頻標簽的工作頻率不受無線電頻率管制約束，非常適合近距離、低速、數據量要求較少的識別應用等，如門禁、考勤以及動物的標識。低頻標簽的工作頻率較低，可以穿透水、有機組織和木材，其外觀可以做成耳釘式、項圈式、藥丸式或注射式。

高頻段電子標簽：高頻段電子標簽（高頻標簽）的工作頻率一般為300 Hz～30 MHz，典型工作頻率為13.56 MHz，一般也采用無源方式，其工作能量同低頻標簽一樣，也是通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得的。當標簽與閱讀器進行數據交換時，標簽必須位于閱讀器天線輻射的近場區內。典型應用包括電子車票、電子身份證、電子閉鎖防盜、小區物業管理、大廈門禁系統等。我國第二代身份證內嵌有符合ISO/IEC 14443 Type B協議的13.56 MHz的RFID芯片。

超高頻標簽與微波標簽：這類標簽的讀寫距離大，典型的工作頻率為 860～960 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz。工作時，標簽位于閱讀器天線輻射場的遠場內，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁反向散射方式，閱讀器天線輻射場為標簽提供能量，相應的RFID系統閱讀距離一般大于1 m，典型情況為4～7 m，最大可達10 m以上。閱讀器天線一般為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束范圍內的標簽才可被讀寫。超高頻標簽主要用于鐵路車輛自動識別、集裝箱識別，還可用于公路車輛識別與自動收費系統中。微波標簽的典型應用包括移動車輛識別、電子身份證、倉儲物流應用等。超高頻標簽的缺點是信號穿透水、金屬等電離物質的能力非常弱。

3.RFID的通信原理

1）射頻頻譜與電磁波信號傳輸

電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞能量和動量的，其傳播方向垂直于電場與磁場構成的平面。例如，收音機或者廣播電視的天線中不斷流過的電流最終會形成電磁波，電磁波在空間中輻射，最終被其他天線接收，這就是最簡單的無線通信。

在現實生活中，手機、GPS定位、收音機、藍牙、無線寬帶等一系列的應用都在使用無線通信。但是，無線信道并非如同有線信道那樣可靠，不同的無線信號之間會產生干擾，解決這一問題的方法就是將各種無線信號調制到不同頻率的載波信號中傳輸，而每個應用只需要關注各自應用所在的載波頻率就可以正確獲得傳輸信號，調制在不同載波頻率的信號之間根據載波頻率的不同而可以被接收器正確區分，因此，為不同應用分配不同的載波頻率將直接關系到此類應用是否會與其他應用發生沖突，以及能否滿足應用需求。但是，無線頻譜是稀缺資源，人們所能提供的頻譜分配遠遠不能滿足日益增長的無線通信應用。相關頻譜分配如圖1.20所示。

RFID使用的射頻頻譜在30 kHz的低頻至30 GHz的甚高頻這個頻段內，但是并非遍布整個頻段，而是根據具體應用使用特殊的載波頻率。根據使用頻率的不同，RFID 系統可分為低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波RFID系統。典型的RFID系統的工作頻率包括低頻的125 kHz、高頻的13.56 MHz、超高頻的915 MHz，以及微波段的2.4 GHz和5.8 GHz。

RFID 系統選取諸多工作頻率段主要是因為不同頻率信號的傳輸特性有一定差別?？傮w而言，由于波長較長，低頻信號擁有較好的衍射能力，通?？梢岳@過大多數的障礙物，不影響傳輸距離，但低頻信號的穿透力卻較弱；相反，超高頻的信號可以穿透木板、硬紙板等物質，但1 m左右的波長導致其衍射能力有限。低頻的頻率范圍為30～300 kHz，一般采用無源標簽，通信距離小于1 m，并且不受金屬外任何材料干擾；高頻的頻率范圍為3～30 MHz，通信距離一般也小于1 m，主要指13.56 MHz；超高頻的頻率范圍為300 MHz～3 GHz，通信距離一般大于1 m，典型距離為4～6 m，但是該頻段的電波穿透水、金屬等電離體物質的能力非常弱；而工作在2.45 GHz和5.8 GHz上的一般是微波信號，通信距離最大也能達到10 m。

2）RFID的無線通信原理

在一個典型的RFID系統中，通常需要包含標簽、閱讀器，以及與之配套的天線，如圖1.21所示。閱讀器類似于詢問機，而標簽則充當應答機，天線用于傳輸射頻信號。當閱讀器和標簽在無線環境下傳輸數據時，通常都需要一條雙向通信信道和一個適當的載波頻率。

無線信道的通信環境比有線信道復雜許多，能量衰減、標簽的解碼能力和環境影響等一系列問題都關系到RFID系統的性能。