射频识别系统的组成及工作原理解析

一、什么是射频识别?

射频识别(RFID)是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。射频识别最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100毫秒。

射频识别技术的优势不在于监测设备及环境状态，而在于“识别”。即通过主动识别进入到磁场识别范围内的物体来做相应的处理。RFID不是传感器，它主要通过标签对应的唯一ID号识别标志物。而传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

二、射频识别系统组成及工作原理

1、射频识别系统组成

射频识别系统主要由三部分组成：标签、天线、阅读器。此外，还需要专门的应用系统对阅读器识别做相应处理。

图1 RFID系统按组成

1)标签：电子标签或称射频标签、应答器，由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。

2)阅读器：读取或读/写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。

3)天线：标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。

2、射频识别系统运行原理

电子标签进入天线磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签)，或者主动发送某一频率的信号(有源标签)，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

图2 阅读器获得读写指令

图3 阅读器射频调制器将信号发送到天线

图4 天线询问标签

图5 天线将获得的标签信息回传

此外，按照读写器与标签之间射频信号的耦合方式，可以把它们之间的通信分为：电感耦合和电磁反向散射耦合。

1)电感耦合：依据电磁感应定律，通过空间高频交变磁场实现耦合。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离RFID系统。

2)电磁反向散射耦合：依据电磁波的空间传播规律，发射出去的电磁波碰到目标后发生反射，从而携带回相应的目标信息。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离RFID系统。

图6 两种耦合方式对比

通俗的理解，电感耦合这种模式主要应用在低频(LF)、中频(HF)波段，由于低频RFID系统的波长更长，能量相对较弱，因此主要依赖近距离的感应来读取信息。电磁反向散射耦合主要应用在高频(HF)、超高频(UHF)波段，由于高频率的波长较短，能量较高。因此，阅读器天线可以向标签辐射电磁波，部分电磁波经标签调制后反射回阅读器天线，经解码以后发送到中央信息系统接收处理。

三、射频识别系统分类

目前，按照RFID系统使用的频率范围，可将RFID系统划分为四个应用频段：低频、高频、超高频和微波。

表7 RFID系统频率分类

表8 RFID标签分类

按照工作频率的不同，RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。其中，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理(电磁感应)，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射(电磁传播)原理。

1、低频射频标签

低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz～300kHz。典型工作频率有125KHz和133KHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。

典型应用：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗(带有内置应答器的汽车钥匙)等。

2、高频射频标签

高频段射频标签的工作频率一般为3MHz～30MHz。典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。但另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。

高频标签一般也采用无源为主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感(磁)耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。

典型应用：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)、小区物业管理、大厦门禁系统等。

3、UHF、微波射频标签

超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有433.92MHz、862(902)MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。

微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4m～6m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求。

典型应用：铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。

四、RFID与物联网

RFID是物联网感知外界的的重要支撑技术。传感器可以监测感应到各种信息，但缺乏对物品的标识能力，而RFID技术恰恰具有强大的标识物品能力。因此，对于物联网的发展，传感器和RFID两者缺一不可。

如果没有RFID对物体的识别能力，物联网将无法实现万物互联的最高理想。缺少RFID技术的支撑，物联网的应用范围将受到极大的限制。但另一方面，由于RFID射频识别技术只能实现对磁场范围内的物体进行识别，其读写范围受到读写器与标签之间距离的影响。因此，提高RFID系统的感应能力，扩大RFID系统的覆盖能力是当前亟待解决的问题。同时，考虑到传感网较长的有效距离能很好的拓展RFID技术的应用范围。未来实现RFID与传感网的融合将是一个必然方向。

就目前RFID的发展情况而言，在很多工业行业中已经实现了RFID与传感网络应用的初步融合，两者取长补短的互补优势正在深化物联网应用，它们的相互融合和系统集成必将极大地推动整个物联网产业的发展，应用前景不可估量。