RFID技术:完整的概述

- S.A. Patil博士,A.D.Kadage

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RFID技术允许非接触的信息传递(很像我们熟悉的条形码),使得它在制造和其他条码标签无法生存的恶劣环境中有效。看看它是如何工作的,它的优点和缺点是什么。

射频识别(RFID)技术涉及在电磁频谱的射频部分使用电磁或静电耦合来唯一地识别一个物体、动物或人。由于具有跟踪移动物体的能力,它已在包括牲畜识别和自动车辆识别在内的广泛市场建立了自己的地位。该技术也已成为全球自动数据收集、识别和分析系统的主要组成部分。

RFID的架构和工作

RFID系统由三个部分组成:收发器(通常组合到读取器中),某种数据处理设备(例如计算机)和转发器(标签)。典型的RFID系统如图1所示。1。

图1:RFID架构和工作原理
图1:RFID架构和工作原理

射频识别标签

RFID标签,通常称为应答器,充当发射器以及RFID系统中的接收器。RFID标签的三个基本组件是天线,微芯片(存储器)和封装材料。

d71_table-1在一个典型的系统中,标签被附加到对象上。每个标签都有一定数量的内部内存(EEPROM),在其中存储关于对象的信息,比如它的惟一ID(序列号)号,或者在某些情况下更详细的信息,包括生产日期和产品组成。

当这些标签通过由读取器生成的字段时,它们将该信息发送回读取器,从而识别对象。天线使用射频波发送激活应答器的信号。激活时,标签将数据发送回天线。数据用于通知应采取操作的可编程逻辑控制器。该动作可以像培养访问门一样简单,或者与与数据库的连接一样复杂,以执行货币交易。

低频(30-500千赫)RFID系统传输距离短(一般小于1.8米)。高频(850-950 MHz和2.4-2.5 GHz) RFID系统提供更长的传输范围(超过27米)。一般来说,频率越高,系统越贵。RFID有时被称为专用短程通信。

图2:如何定义被动标签
图2:如何定义被动标签

RFID标签有两种类型

只读标记和读写标记。在只读标记中,在制造过程中,微芯片或存储器仅写入一次。信息以及只读标记上的序列号,永远不会更改。在读写标记中,在制造过程中只写入序列号。剩余的块可以由用户重新编写。

直到最近,RFID技术的焦点还主要集中在标签和读取器上,它们被用于涉及相对较少数据量的系统。这种情况现在正在改变,因为供应链中的RFID预计将产生大量的数据,这些数据将必须经过过滤并路由到后端IT系统。为了解决这个问题,公司开发了一种叫做savants的特殊软件包,作为RFID前端和IT后端之间的缓冲器。专家就相当于IT行业的中间件。

RFID阅读器

RFID读取器是用于从RFID标签传输和接收信息的设备。它也被称为“询问者”。它包括读取附近RFID标签的传感器。

读者向标记发送信息请求。标签与相应的信息响应,然后读取器向数据处理设备转发。标签和读取器通过射频信道彼此通信。在一些系统中,读取器和计算机之间的链接是无线的。

支持基础设施。支持基础架构包括RFID系统所需的相关软件和硬件。该软件管理RFID读取器与RFID标签之间的交互。

通信协议

读取器和标签之间的通信过程由几种协议之一管理和控制,如用于HF的ISO 15693和ISO 18000-3,或用于UHF的ISO 18000-6和EPC 18000-6。基本上,当读取器打开时,它开始在选定的频带发出信号(通常UHF为860-915 MHz或HF为13.56 MHz)。在阅读器附近的任何相应的标签都会检测到这个信号,并利用它的能量来唤醒它,并为它的内部电路提供操作电源。一旦标签将信号编码为有效,它就会回复阅读器,并通过调制(影响)阅读器字段来表明它的存在。

防撞

如果有很多标签,它们会同时回复。在读取器端,这被视为信号冲突和多个标记的指示。阅读器通过使用一种允许标签被分类和单独选择的反冲突算法来处理这个问题。有许多不同类型的算法(二叉树,阿罗哈等)被定义为协议标准的一部分。

可以识别的标签数量取决于使用的频率和协议,通常在50个标签/秒(HF)到200个标签/秒(UHF)之间。一旦选择了标签,读取器就能够执行许多操作,例如读取标签。这个过程在防碰撞算法的控制下继续进行,直到所有的标签都被选中。

电感耦合RFID标签

这些原始标签是金属线圈,天线和玻璃的复杂系统。电感耦合的RFID标签由由RFID读取器产生的磁场提供动力。电流具有电气分量和磁性分量,即电磁。名称“电感耦合”来自电线中电流的磁场。

RFID标签的优点

  1. RFID标签具有坚固耐用和强大,可以在恶劣的温度和环境中工作。RFID系统即使在不利条件下也适用于高速。
  2. RFID标签有不同的形状、大小、类型和材料。只读标签上的信息不能被修改或复制。读写标签可以重复使用。RFID标签总是读取没有任何错误。
  3. 标签与阅读器之间不需要直接的物理接触。通信采用射频技术。
  4. 可以同时读取多个RFID标签。RFID标签可以一次读取10到100个标签。读取标签是自动的,涉及没有劳动力。
  5. RFID系统可以识别和跟踪独特的物品,不像条形码系统只识别制造商和产品类型。
  6. 整个RFID系统非常可靠,允许使用RFID标签达到安全目的。
  7. RFID标签的存储容量比任何其他自动识别跟踪系统都要大。

RFID标签的缺点

  1. 与其他自动识别系统相比,RFID系统成本较高。如果RFID系统是为特定应用而设计的,成本还会进一步增加。
  2. 与条形码系统相比,标签的尺寸和重量更大。像天线、存储器和标签的其他部分这样的电子元件使它们体积庞大。
  3. 尽管标签在恶劣的环境下工作,但当某些类型的标签与某些金属或液体近距离接触时,它们的信号会受到影响。读取这些标签变得困难,有时读取的数据是错误的。
  4. 无法跟踪损坏的标签并替换为完好无损的标签。
  5. 虽然标签不需要视线通信,但只能在指定的范围内读取。

容性耦合标签

制造这些标签是为了降低这项技术的成本。这些是一次性标签,可以应用于较便宜的商品,并像条形码一样通用。电容耦合标签使用导电碳墨水代替金属线圈来传输数据。油墨印在纸标签上,由读者扫描。

摩托罗拉的BiStatix RFID标签

这些是这项技术的Frontrunners。它们使用硅芯片仅3毫米宽并存储96位信息。这项技术并没有达到零售商,2001年关闭了Bistatix。

电感耦合和电容耦合RFID标签目前不常用,因为它们价格昂贵且体积庞大。RFID行业中较新的创新包括有源、半有源和无源RFID标签。这些标签可以存储多达2千字节的数据,由微芯片、天线和电池(有源和半无源标签)组成。标签的组成部分被包裹在塑料、硅或玻璃中。表I给出了不同频率的被动标记的性能概述。

主动和被动标签

在考虑一个标签时,首先要在被动、半被动和主动之间进行选择。无源标签可以使用UHF频段从4-5米的距离读取,而其他类型的标签(半无源和有源)可以实现更大的通信距离,半无源标签可达100米,有源标签可达数公里。这种沟通表现上的巨大差异可以用以下方法来解释:

  1. 无源标签使用阅读器场作为芯片的能量来源,并用于与阅读器之间的通信。阅读器场的可用功率不仅随着距离的增加而迅速减少,而且受到严格的控制,在使用UHF频段(860-930 MHz)时,通信距离被限制在4-5米。
  2. 半被动(电池辅助后向散射)标签有内置电池,因此不需要从读取器领域获得能量来驱动芯片。这使得它们能够在更低的信号功率水平下工作,从而使它们能够在更大的距离下工作,最高可达100米。距离是有限的,主要是因为标签没有集成发射器,仍然必须使用阅读器场与阅读器通信。
  3. 有源标签是带有有源发射器的电池供电设备。不像被动标签,这些产生射频能量,并应用到天线.读取器的这种自主性意味着它们可以在数公里之外进行交流。
    高频和超高频最适合于供应链。超高频,由于其优越的读取范围,将成为主导频率。在某些情况下不使用LF和微波炉。

标签芯片

RFID标签ic的设计和制造使用了一些最先进和最小几何形状的硅工艺。当你考虑到UHF标签芯片的尺寸约为0.3 mm2时,结果令人印象深刻。

在计算能力方面,RFID标签非常愚蠢,仅包含能够解码简单指令的基本逻辑和状态机。这并不意味着它们易于设计。实际上,存在非常真实的挑战,例如实现非常低的功耗,管理嘈杂的RF信号并保持在严格的排放法规内。

其他重要的电路允许芯片从读取器信号场转移电源,并通过整流器将其转换为电源电压。芯片时钟通常也从读取器信号中提取出来。

图3:高频(13.56MHz)标签示例
图3:高频(13.56MHz)标签示例
图4:UHF(860-930MHz)标签示例
图4:UHF(860-930MHz)标签示例

标签上存储的数据量取决于芯片规格,从大约96位的简单标识符到包含多达32 kbit的产品更多信息。然而,更大的数据容量和存储(内存大小)导致更大的芯片尺寸,因此更贵的标签。

1999年,位于美国麻省理工学院的自动识别中心(现为EPC全球)与一些领先的公司一起,开发了一种称为电子产品代码(EPC)的独特电子标识码的想法。EPC在概念上类似于今天条形码中使用的通用产品代码。

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图5:基本标签IC架构
图5:基本标签IC架构

只要有一个高达256位的简单代码,就会导致更小的芯片尺寸,从而降低标签成本,这被认为是RFID在供应链中广泛采用的关键因素。只储存一个身份证号码的标签通常被称为牌照标签。

标签课程

对RFID标签进行分类的主要方法之一是通过它们读取和写入数据的能力。这将导致以下四个类:

类0(只读,工厂编程)

这些是最简单的标记类型,其中的数据(通常是一个简单的ID号(EPC))只在制造期间写入一次标记。然后,该内存将被禁止进行任何进一步的更新。第0类也被用来定义一类被称为电子物品监视或防盗装置的标签,这些标签没有身份标识,只有在通过天线场时才会宣布它们的存在。

第1类(只读一次写,工厂或用户编程)

在这种情况下,标签制造时没有将数据写入内存。数据可以由标签制造商或用户一次性写入。在此之后,不允许进一步写入,只能读取标记。这种类型的标记通常用作简单的标识符。

2级(读写)

这是最灵活的标记类型,用户可以在标记的内存中读写数据。它们通常用作数据记录器,因此包含的内存空间比一个简单的ID号所需的内存空间大。

类别3(带车载传感器的读写)

这些标签包含了用于记录温度、压力和运动等参数的传感器,这些参数可以写入标签的内存中。由于传感器读数必须在没有阅读器的情况下进行,因此标签要么是半被动的,要么是有源的。

第4类(集成发射机读写)

它们就像微型无线电设备,可以在没有读卡器的情况下与其他标签和设备进行通信。这意味着他们完全活跃与自己的电池电源。

选择一个标签

为特定RFID应用选择的正确标签是一个重要的考虑因素,并应考虑以下许多因素:

  1. 大小和形状因素-标签必须适合哪里?
  2. 标签之间的距离有多近?
  3. 耐久性-标签是否需要有一个强大的外部保护,以防止经常磨损和撕裂?
  4. 标签是否可重用?
  5. 耐恶劣(腐蚀,潮湿等)环境
  6. 偏振——标签相对于阅读器场的方向
  7. 暴露在不同的温度范围
  8. 通信距离
  9. 金属和液体等材料的影响
  10. 环境(电气噪音、其他无线电装置和设备)
  11. 工作频率(LF, HF或UHF)
  12. 支持通信标准和协议(ISO, EPC)
  13. 地区性(美国、欧洲和亚洲)法规
  14. 标签是否需要存储更多的ID号,如EPC?
  15. anti -collision -在字段中必须同时检测多少个标签和多快?
  16. 标签在阅读器中移动的速度有多快?
  17. 读者支持 - 哪些读者产品能够读取标签?
  18. 标签需要安检吗?

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图6:阅读器和标签之间能量和信息传递的两种不同方式
图6:阅读器和标签之间能量和信息传递的两种不同方式

标签如何交流

为了接收能量并与读卡器通信,无源标签使用图6所示的两种方法之一。它们分别是近场和远场,近场使用的是标签与环绕读取器天线的磁场(像变压器)的感应耦合,远场使用的技术类似于雷达(后向散射反射)通过与电场耦合。

近场通常用于低频和高频频段的RFID系统,远场用于长读距超高频和微波RFID系统。这两个场之间的理论边界取决于所使用的频率,实际上与l/2p成正比,其中l是波长。例如,高频系统约为3.5米,超高频系统约为5厘米,如果考虑到其他因素,两者都将进一步减少。

图7:不同天线配置下的高频标签定位
图7:不同天线配置下的高频标签定位

标签方向(极化)

标签的放置方式与阅读器的极化场有关,对高频和超高频标签的通信距离都有重大影响。这可能会导致操作范围减少50%,在标签位移90°的情况下(见图7),无法读取标签。

当两个天线线圈(读写器和标签)相互平行时,高频标签的最佳方向如图7所示。由于偶极子场的方向性,超高频标签对极化更加敏感。如表四所示,在阅读器或标签上采用不同的技术可以在很大程度上克服极化问题。

未来

RFID技术的发展继续带来更大的存储容量,更宽的读取范围和更快的处理。然而,这项技术最终取代条形码的可能性非常小。即使原材料不可避免地减少,加上规模经济,射频标签中的集成电路也永远不会像条形码标签那样具有成本效益。然而,RFID将在条形码或其他光学技术无效的领域继续增长,如化学容器和畜牧业。


本文于2013年3月20日首次发表,并于2021年9月9日更新

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