《物聯(lián)網(wǎng)工程及應(yīng)用》課件第3章

第3章無線射頻識(shí)別技術(shù)3.1無線射頻識(shí)別技術(shù)概述3.2RFID及相關(guān)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)3.3RFID基本工作原理3.4RFID的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議3.5RFID的頻率標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)規(guī)范3.6RFID標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)3.7無線射頻識(shí)別的應(yīng)用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3.8系統(tǒng)選擇與性能評(píng)估3.9本章小結(jié)

3.1無線射頻識(shí)別技術(shù)概述

3.1.1無線射頻識(shí)別技術(shù)的基本概念和特點(diǎn)

無線射頻識(shí)別技術(shù)(RadioFrequencyIdentification，RFID)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合(電感或電磁耦合)實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。

為了完成RFID系統(tǒng)的主要功能，RFID需要系統(tǒng)具有兩個(gè)基本的構(gòu)成部分，即電子標(biāo)簽(Tag)和閱讀器(Reader)。電子標(biāo)簽(或稱應(yīng)答器)由耦合元件及芯片組成，其中包含加密邏輯、串行電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(ElectricErasableandProgrammableRead-OnlyMemory，EEPROM)、微處理器以及射頻收發(fā)電路。電子標(biāo)簽具有智能讀寫和加密通信的功能，可通過無線電波與讀寫設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它工作的能量由閱讀器發(fā)生的射頻脈沖提供。閱讀器有時(shí)也稱為查詢器、讀寫器或讀出裝置，主要由無線收發(fā)模塊、天線、控制模塊及接口電路等組成。閱讀器可將主機(jī)的讀寫命令傳送到電子標(biāo)簽，把從主機(jī)發(fā)往電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)加密，或?qū)㈦娮訕?biāo)簽返回的數(shù)據(jù)解密后送到主機(jī)。圖3-1所示為一個(gè)典型的RFID應(yīng)用系統(tǒng)的組成圖。圖3-1RFID應(yīng)用系統(tǒng)組成圖3.1.2無線射頻識(shí)別技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展

RFID技術(shù)的前身可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)(約1940年)期間。當(dāng)時(shí)英軍用于識(shí)別敵我雙方飛機(jī)采用的方法是在英方飛機(jī)上裝識(shí)別標(biāo)簽(類似于現(xiàn)在的主動(dòng)式標(biāo)簽)，當(dāng)雷達(dá)發(fā)出微波查詢信號(hào)時(shí)，裝在英方飛機(jī)上的識(shí)別標(biāo)簽就會(huì)作出相應(yīng)的回答，使得發(fā)出微波查詢信號(hào)的系統(tǒng)能夠判別出飛機(jī)的身份，此系統(tǒng)稱為敵我識(shí)別(IdentityFriendorFoe，IFF)系統(tǒng)。目前世界各地使用的飛行管制系統(tǒng)仍是以此為基礎(chǔ)建立的。1948年，早期研究RFID技術(shù)的一篇具有里程碑意義的論文——《CommunicationbyMeansofReflectedPower》發(fā)表。到20世紀(jì)60年代則出現(xiàn)了一系列的RFID技術(shù)論文、專利及文獻(xiàn)。同一時(shí)期，還出現(xiàn)了商用RFID系統(tǒng)——電子商品監(jiān)視(ElectronicArticleSurveillance，EAS)設(shè)備。EAS被認(rèn)為是RFID技術(shù)最早且最廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域的系統(tǒng)。

20世紀(jì)70年代，RFID技術(shù)成為人們研究的熱門課題，出現(xiàn)了一系列的研究成果，并被成功應(yīng)用于自動(dòng)汽車識(shí)別(AutomaticVehicleIdentification，AVI)的電子計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、動(dòng)物跟蹤以及工廠自動(dòng)化等。

20世紀(jì)80年代是充分使用RFID技術(shù)的10年。雖然世界各地開發(fā)者的方向有所不同，但是美國、法國、意大利、西班牙、挪威以及日本等國家都在不同應(yīng)用領(lǐng)域安裝和使用了RFID系統(tǒng)。第一個(gè)實(shí)用的RFID電子收費(fèi)系統(tǒng)于1987年在挪威正式使用。1989年美國達(dá)拉斯南路高速公路也開始使用不停車收費(fèi)系統(tǒng)。在此期間，紐約-新澤西港務(wù)局開始在林肯路的汽車入口使用RFID系統(tǒng)。

20世紀(jì)90年代是RFID技術(shù)繁榮發(fā)展的10年，主要體現(xiàn)在美國大量設(shè)置了電子收費(fèi)系統(tǒng)。1991年在俄克拉荷馬州(Oklahoma)建成了世界上第一個(gè)高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)，汽車可以高速通過計(jì)費(fèi)站。世界上第一個(gè)包括電子收費(fèi)系統(tǒng)和交通管理的系統(tǒng)于1992年安裝在休斯頓(Houston)，該系統(tǒng)中首次使用了Title21標(biāo)簽，而且這套系統(tǒng)和安裝在俄克拉荷馬州的RFID系統(tǒng)相兼容。同一時(shí)期，在歐洲也廣泛使用了RFID技術(shù)，如不停車收費(fèi)系統(tǒng)、道路控制和商業(yè)上的應(yīng)用。實(shí)際RFID技術(shù)已經(jīng)在許多國家或地區(qū)的公路不停車收費(fèi)、火車車輛跟蹤與管理中得到應(yīng)用，如澳大利亞、中國、菲律賓、巴西、墨西哥、加拿大、日本、馬來西亞、新加坡、新西蘭、南非、韓國等。借助于電子收費(fèi)系統(tǒng)，出現(xiàn)了一些具有新功能的RFID技術(shù)。為適應(yīng)數(shù)字化信息社會(huì)發(fā)展的需求，RFID技術(shù)的研究與開發(fā)還在突飛猛進(jìn)地發(fā)展。在美國、日本及歐洲等國家和地區(qū)正在研究新的RFID技術(shù)。各種新的RFID系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。

從20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，RFID技術(shù)中的一個(gè)重大的突破就是微波肖特基(Schottky)二級(jí)管可以被集成在CMOS(ComplementaryMetal-OxideSemiconductor)集成電路上。這一技術(shù)使得微波RFID的電子標(biāo)簽只含有一個(gè)集成芯片成為可能。在這方面，IMB、Tagmaster、Micron、SingleChipSystem(SCS)、Motorola、Siemens、Microchip、Transco(兼并了Amtech公司組成了Intermec)以及日本的Hitach、Mexell等公司表現(xiàn)積極。目前，Microchip、Hitachi、Maxell、Transcore和Tagmaster等公司已有單一芯片的不同頻段的電子標(biāo)簽供應(yīng)市場(chǎng)，而且已加入防碰撞協(xié)議(Anti-CollisionProtocol)，使得一個(gè)閱讀器可以同時(shí)讀出至少40個(gè)微波電子標(biāo)簽的內(nèi)容信息，同時(shí)也增加了許多功能，如電子錢包需要的低功耗讀寫功能、數(shù)據(jù)加密功能等，為RFID系統(tǒng)的應(yīng)用提供更加廣泛的應(yīng)用前景。

RFID技術(shù)在我國也獲得了一定范圍的應(yīng)用。1993年我國政府頒布實(shí)施“金卡工程”計(jì)劃，加速了我國國民經(jīng)濟(jì)信息化的進(jìn)程。由此，各種射頻識(shí)別技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用十分迅猛。1996年1月北京首都機(jī)場(chǎng)高速公路天竺收費(fèi)站安裝了不停車收費(fèi)系統(tǒng)，該設(shè)備從美國AMTECH公司引進(jìn)。為適應(yīng)全國信息化技術(shù)的要求，我國鐵道部于1999年開始投資建設(shè)自動(dòng)車號(hào)識(shí)別系統(tǒng)，并于2000年開始正式投入使用，作為電子清算的依據(jù)。該項(xiàng)目由蘭州遠(yuǎn)望公司和哈爾濱鐵路科學(xué)研究所共同研制。2001年7月上海虹橋國際機(jī)場(chǎng)組合式不停車電子收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)試驗(yàn)開通，被國家經(jīng)貿(mào)委和交通部確定為“高等級(jí)公路電子收費(fèi)系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新”項(xiàng)目的示范工程。深圳市的機(jī)荷、梅觀高速公路的不停車收費(fèi)系統(tǒng)在2002年12月已進(jìn)入試運(yùn)行。在我國西部四川宜賓市建立了國內(nèi)第一個(gè)RFID實(shí)驗(yàn)工程用于市內(nèi)車輛交通管理與不停車收費(fèi)。在2001年，我國交通部宣布開發(fā)使用電子車牌管理系統(tǒng)的計(jì)劃，給RFID技術(shù)的應(yīng)用增添了新的活力。

3.1.3無線射頻識(shí)別技術(shù)的分類

1.根據(jù)標(biāo)簽的供電形式分類

在實(shí)際應(yīng)用中，必須給標(biāo)簽供電它才能工作，盡管它的電能消耗非常低(一般是百萬分之一毫瓦級(jí)別)。按照標(biāo)簽獲取電能方式的不同，可以把標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽和半有源標(biāo)簽。

(1)有源標(biāo)簽。有源標(biāo)簽內(nèi)部自帶電池進(jìn)行供電，它的電能充足，工作可靠性高，信號(hào)傳送距離遠(yuǎn)。另外，有源標(biāo)簽可以通過設(shè)計(jì)電池的不同壽命對(duì)標(biāo)簽的使用時(shí)間或使用次數(shù)進(jìn)行限制，也可以用在需要限制數(shù)據(jù)傳輸量或者使用數(shù)據(jù)有限制的地方，比如，一年內(nèi)標(biāo)簽只允許讀寫有限次。有源標(biāo)簽的缺點(diǎn)主要是標(biāo)簽的使用壽命受到限制，而且隨著標(biāo)簽內(nèi)電池電力的消耗，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x會(huì)越來越小，從而影響系統(tǒng)的正常工作。

(2)無源標(biāo)簽。無源標(biāo)簽內(nèi)部不帶電池，要靠外界提供能量才能正常工作。無源標(biāo)簽典型的產(chǎn)生電能的裝置是天線與線圈，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入系統(tǒng)的工作區(qū)域時(shí)，天線接收到特定的電磁波，線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，再經(jīng)過整流電路給標(biāo)簽供電。無源標(biāo)簽具有永久的使用期，常用在標(biāo)簽信息需要每天讀寫或頻繁讀寫多次的地方，而且無源標(biāo)簽支持長時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸和永久性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。無源標(biāo)簽的缺點(diǎn)主要是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x比有源標(biāo)簽短。無源標(biāo)簽依靠外部的電磁感應(yīng)供電，它的電能比較弱，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和信號(hào)強(qiáng)度受到限制，需要靈敏度比較高的信號(hào)接收器(閱讀器)才能可靠識(shí)讀。

(3)半有源標(biāo)簽。半有源標(biāo)簽介于兩者之間，雖然帶有電池，但是電池的能量只激活系統(tǒng)，系統(tǒng)激活后無需電池供電，直接進(jìn)入無源標(biāo)簽工作模式。

2.根據(jù)標(biāo)簽的工作方式分類

標(biāo)簽的工作方式即是標(biāo)簽通過何種形式或方法與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，據(jù)此，RFID可分為主動(dòng)式、被動(dòng)式和半主動(dòng)式。

(1)主動(dòng)式。通常來說，主動(dòng)式RFID系統(tǒng)為有源系統(tǒng)，即主動(dòng)式電子標(biāo)簽用自身的射頻能量主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器，在有障礙物的情況下，只需穿過障礙物一次。因此主動(dòng)方式工作的電子標(biāo)簽主要用于有障礙物的應(yīng)用中，距離較遠(yuǎn)(可達(dá)30m)。

(2)被動(dòng)式。被動(dòng)式系統(tǒng)必須利用讀寫器的載波來調(diào)制自身的信號(hào)，標(biāo)簽產(chǎn)生電能的裝置是天線和線圈。標(biāo)簽進(jìn)入RFID系統(tǒng)工作區(qū)域后，天線接收到特定電磁波，線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而給標(biāo)簽供電，在有障礙物的情況下，讀寫器的能量必須來回穿過障礙物兩次。該類系統(tǒng)一般適合用在門禁或交通領(lǐng)域應(yīng)用中，因?yàn)樽x寫器可以確保只激活一定范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽。

(3)半主動(dòng)式。半主動(dòng)式RFID系統(tǒng)雖然本身帶有電池，但是標(biāo)簽并不通過自身能量主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給閱讀器，電池只負(fù)責(zé)對(duì)標(biāo)簽內(nèi)部電路供電。標(biāo)簽需要被閱讀器的能量激活，然后才通過反向散射調(diào)制方式傳送自身數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)標(biāo)簽的工作頻率分類

從應(yīng)用概念來說，電子標(biāo)簽的工作頻率也就是射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率，是其最重要的特點(diǎn)之一。電子標(biāo)簽的工作頻率不僅決定著射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理(電感耦合還是電磁耦合)、識(shí)別距離，還決定著電子標(biāo)簽及讀寫器實(shí)現(xiàn)的難易程度和設(shè)備的成本。

工作在不同頻段或頻點(diǎn)上的電子標(biāo)簽具有不同的特點(diǎn)。射頻識(shí)別應(yīng)用占據(jù)的頻段或頻點(diǎn)在國際上有公認(rèn)的劃分，即位于ISM波段之中。典型的工作頻率有125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等，它們分別屬于低頻、中頻和高頻RFID系統(tǒng)，如圖3-2所示。圖3-2不同頻率的RFID系統(tǒng)

(1)低頻段電子標(biāo)簽。

低頻段電子標(biāo)簽，簡稱低頻標(biāo)簽，其工作頻率范圍為30～300kHz。典型工作頻率有125kHz、133kHz(也有接近的其他頻率，如TI公司使用134.2kHz)。低頻標(biāo)簽一般為無源標(biāo)簽，其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場(chǎng)中獲得。低頻標(biāo)簽與閱讀器之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，低頻標(biāo)簽需要位于閱讀器天線輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。低頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下小于1m。

低頻標(biāo)簽的典型應(yīng)用有動(dòng)物識(shí)別、容器識(shí)別、工具識(shí)別、電子閉鎖防盜(帶有內(nèi)置應(yīng)答器的汽車鑰匙)等。低頻標(biāo)簽的主要優(yōu)勢(shì)是：標(biāo)簽芯片一般采用普通的CMOS工藝，具有省電、廉價(jià)的特點(diǎn)；工作頻率不受無線電頻率管制約束；可以穿透水、有機(jī)組織、木材等；非常適合近距離、低速度、數(shù)據(jù)量要求較少的識(shí)別應(yīng)用(例如動(dòng)物識(shí)別)等。

低頻標(biāo)簽的劣勢(shì)主要是：標(biāo)簽存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較??；只適合低速、近距離識(shí)別應(yīng)用；與高頻標(biāo)簽相比，標(biāo)簽天線匝數(shù)更多，成本更高一些。

(2)中頻段電子標(biāo)簽。

中頻段電子標(biāo)簽的工作頻率一般為3～30MHz，典型工作頻率為13.56MHz。該頻段的電子標(biāo)簽從射頻識(shí)別應(yīng)用角度來說，一方面因?yàn)槠涔ぷ髟砼c低頻標(biāo)簽完全相同，即采用電感耦合方式工作，所以宜將其歸為低頻標(biāo)簽類；另一方面，根據(jù)無線電頻率的一般劃分，其工作頻段又稱為高頻，所以也常將其稱為高頻標(biāo)簽。

中頻電子標(biāo)簽一般也采用無源方式，其工作能量同低頻標(biāo)簽一樣，也是通過電感(磁)耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場(chǎng)中獲得。標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，標(biāo)簽必須位于閱讀器天線輻射的近場(chǎng)區(qū)內(nèi)。中頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下也小于1m(最大讀取距離為1.5m)。中頻標(biāo)簽可方便地做成卡的形狀，其典型應(yīng)用包括電子車輛、電子身份證、電子閉鎖防盜(電子遙控門鎖控制器)等。

中頻標(biāo)準(zhǔn)的基本特點(diǎn)與低頻標(biāo)準(zhǔn)相似，隨著其工作頻率的提高，可以選用較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。電子標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，標(biāo)簽一般制成標(biāo)準(zhǔn)卡片形狀。

(3)高頻段電子標(biāo)簽。

高頻段電子標(biāo)簽的工作頻段處于超高頻(UHF)或微波頻段，因此，高頻段電子標(biāo)簽也可稱為超高頻或微波頻段電子標(biāo)簽，又可稱為微波電子標(biāo)簽，其典型工作頻率為433.92MHz、862(902)～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。

微波電子標(biāo)簽可分為有源標(biāo)簽與無源標(biāo)簽兩類。工作時(shí)，電子標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場(chǎng)的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射為無源標(biāo)簽提供射頻能量，將有源標(biāo)簽喚醒。相應(yīng)的射頻識(shí)別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1m，典型情況范圍為4～7m，最大可達(dá)10m。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波速范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽可被讀/寫。隨著閱讀距離的增加，應(yīng)用中有可能存在閱讀區(qū)域中同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)電子標(biāo)簽的情況，從而提出了多標(biāo)簽同時(shí)讀取的需求，這種需求進(jìn)而發(fā)展成為一種潮流。目前，先進(jìn)的射頻識(shí)別系統(tǒng)均將多標(biāo)簽識(shí)讀問題作為系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。

以目前技術(shù)水平來說，無源微波電子標(biāo)簽比較成功，其產(chǎn)品相對(duì)集中在902～928MHz的工作頻段上。2.45GHz和5.8GHz射頻識(shí)別系統(tǒng)多以半無源微波電子標(biāo)簽產(chǎn)品面世。半無源標(biāo)簽一般采用紐扣電池供電，具有較遠(yuǎn)的閱讀距離。

4.根據(jù)標(biāo)簽的可讀性分類

根據(jù)電子標(biāo)簽內(nèi)部使用的存儲(chǔ)器類型的不同，電子標(biāo)簽可分為三種，即可讀和寫(ReadandWrite，RW)標(biāo)簽、一次寫入多次讀出(WriteOnceReadMany，WORM)標(biāo)簽和只讀(ReadOnly，RO)標(biāo)簽，可讀寫標(biāo)簽一般比多次讀出標(biāo)簽和只讀標(biāo)簽的成本高很多。

(1)只讀標(biāo)簽。只讀標(biāo)簽內(nèi)部只有只讀存儲(chǔ)器(ReadOnlyMemory，ROM)和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RandomAccessMemory，RAM)。ROM用于存儲(chǔ)發(fā)射器操作系統(tǒng)程序和安全性要求較高的數(shù)據(jù)，它與內(nèi)部的處理器或邏輯處理單元共同完成內(nèi)部的操作控制功能，如響應(yīng)延遲時(shí)間控制、數(shù)據(jù)流控制等。另外，只讀標(biāo)簽的ROM中還存儲(chǔ)有標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)信息。這些信息可以在標(biāo)簽制造過程中由制造商寫入ROM，也可以在標(biāo)簽開始使用時(shí)由使用者根據(jù)特定的應(yīng)用目的寫入。這種信息可以只簡單地代表二進(jìn)制中的“0”或者“1”，也可以像二維條碼那樣，包含相當(dāng)復(fù)雜、豐富的信息。只讀標(biāo)簽中的RAM用于存儲(chǔ)標(biāo)簽反應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸過程中臨時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。另外，只讀標(biāo)簽中除了ROM和RAM外，一般還有緩沖存儲(chǔ)器，用于暫時(shí)存儲(chǔ)調(diào)制后等待向天線發(fā)送的信息。

(2)可讀寫標(biāo)簽?？勺x寫標(biāo)簽內(nèi)部的存儲(chǔ)器除了ROM、RAM和緩沖存儲(chǔ)器之外，還有非活動(dòng)可編程記憶存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器除了有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能外，還具有在適當(dāng)?shù)臈l件下允許多次寫入數(shù)據(jù)的功能。非活動(dòng)可編程記憶存儲(chǔ)器有許多種，EEPROM是比較常用的一種，這種存儲(chǔ)器在加電的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原有數(shù)據(jù)的擦除以及數(shù)據(jù)的重新寫入。

(3)一次寫入多次讀出標(biāo)簽。一次寫入多次讀出標(biāo)簽是用戶可以一次性寫入的標(biāo)簽，但寫入后數(shù)據(jù)不能再改變。

5.根據(jù)標(biāo)簽中存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力分類

根據(jù)標(biāo)簽中存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的不同，可以把標(biāo)簽分成僅用于標(biāo)識(shí)目的的標(biāo)識(shí)標(biāo)簽與便攜式數(shù)據(jù)文件標(biāo)簽兩種。對(duì)于標(biāo)識(shí)標(biāo)簽來說，一個(gè)數(shù)字或者多個(gè)數(shù)字、字母、字符串存儲(chǔ)在標(biāo)簽中是為了識(shí)別或者是作為進(jìn)入信息管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫的鑰匙(Key)。條碼技術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)碼制的號(hào)碼，如EAN/UPC碼、混合編碼，或者標(biāo)簽使用者按照特別方法編的號(hào)碼，都可以存儲(chǔ)在標(biāo)識(shí)標(biāo)簽中，標(biāo)識(shí)標(biāo)簽中存儲(chǔ)的只是標(biāo)識(shí)號(hào)碼，用于特定的標(biāo)識(shí)項(xiàng)目，如人、物、地點(diǎn)等，關(guān)于被標(biāo)識(shí)項(xiàng)目詳細(xì)的、特定的信息，只能在與系統(tǒng)相連接的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查找。顧名思義，便攜式數(shù)據(jù)文件標(biāo)簽就是說標(biāo)簽中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量非常大，足以看做是一個(gè)數(shù)據(jù)文件。這種標(biāo)簽一般都是用戶可編程的，標(biāo)簽中除了存儲(chǔ)有標(biāo)識(shí)碼外，還存儲(chǔ)有大量的被標(biāo)識(shí)項(xiàng)目及其他的相關(guān)信息，如包裝說明、工藝過程說明等。在實(shí)際應(yīng)用中，關(guān)于被標(biāo)識(shí)項(xiàng)目的所有信息都是存儲(chǔ)在標(biāo)簽中的，讀標(biāo)簽就可以得到關(guān)于被標(biāo)識(shí)項(xiàng)目的所有信息，而不用再連接到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行信息讀取。另外，隨著標(biāo)簽存儲(chǔ)能力的提高，它還可以提供組織數(shù)據(jù)的能力，在讀標(biāo)簽的過程中，可以根據(jù)特定的應(yīng)用目的控制數(shù)據(jù)的讀出，實(shí)現(xiàn)在不同的情況下讀出不同的數(shù)據(jù)部分。

6.根據(jù)標(biāo)簽和閱讀器之間的通信工作時(shí)序分類

時(shí)序是指標(biāo)簽和閱讀器的工作次序問題，即是閱讀器先講(ReaderTalkFirst，RTF)，還是標(biāo)簽先講(TagTalkFirst，TTF)的方式。

對(duì)于無源標(biāo)簽來講，一般是閱讀器先講的形式；對(duì)于多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀來講，可以采用閱讀器先講的形式，也可以采用標(biāo)簽先講的形式。多標(biāo)簽的同時(shí)識(shí)讀，只是相對(duì)的概念。為了實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽無沖撞同時(shí)識(shí)讀，對(duì)于閱讀器先講的形式，閱讀器先對(duì)一批標(biāo)簽發(fā)出間隔指令，使得閱讀器識(shí)讀范圍內(nèi)的多個(gè)電子標(biāo)簽被隔離，最后只保證一個(gè)標(biāo)簽處于活動(dòng)狀態(tài)與閱讀器建立無沖撞的通信聯(lián)系。通信結(jié)束后指令該標(biāo)簽進(jìn)入休眠，然后指定一個(gè)新的標(biāo)簽執(zhí)行無沖撞通信指令。如此往復(fù)，完成多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)讀。對(duì)于標(biāo)簽先講的方式，標(biāo)簽在隨機(jī)的時(shí)間內(nèi)反復(fù)發(fā)送自己的識(shí)別ID，不同的標(biāo)簽可在不同的時(shí)間段內(nèi)被閱讀器正確識(shí)讀，完成多標(biāo)簽的同時(shí)識(shí)別。

7.按數(shù)據(jù)通信方式劃分

按數(shù)據(jù)在RFID閱讀器與電子標(biāo)簽之間的通信方式，RFID系統(tǒng)可以劃分為三種，即半雙工系統(tǒng)、全雙工系統(tǒng)和時(shí)序系統(tǒng)，如圖3-3所示。圖3-3半雙工、全雙工與時(shí)序系統(tǒng)示意圖

(1)半雙工系統(tǒng)。在半雙工(HDX)系統(tǒng)中，從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸與從閱讀器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸是交替進(jìn)行的。當(dāng)頻率在300MHz以下時(shí)常常使用負(fù)載調(diào)制的半雙工法，有沒有負(fù)載都可以，其電路也很簡單。與此很相近的方式是來源于雷達(dá)技術(shù)的調(diào)制反射截面的方法，工作頻率在100MHz以上。負(fù)載調(diào)制和調(diào)制反射截面直接影響由閱讀器產(chǎn)生的磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)，因此被稱做諧波處理法。

(2)全雙工系統(tǒng)。在全雙工(FDX)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在電子標(biāo)簽和閱讀器之間的雙向傳輸是同時(shí)進(jìn)行的。其中，電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)所用頻率為閱讀器的幾分之一，即采用分諧波，或是用一種完全獨(dú)立的非諧波頻率。

(3)時(shí)序系統(tǒng)。在時(shí)序(SEQ)系統(tǒng)中，從閱讀器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸和能量供給與從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸在時(shí)間上是交叉的。

半雙工與全雙工兩種方式的共同點(diǎn)是，從閱讀器到電子標(biāo)簽的能量供給是連續(xù)的，與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较驘o關(guān)。相反，在使用時(shí)序系統(tǒng)的情況下，從閱讀器到電子標(biāo)簽的能量供給總是在限定的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行的，從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸是在電子標(biāo)簽的能量供給間歇時(shí)進(jìn)行的。這三種通信方式的時(shí)間過程說明如圖3-3所示，其中，從閱讀器到電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸定義為下行，而從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸定義為上行。

3.2RFID及相關(guān)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

3.2.1條形碼簡介

1.條形碼技術(shù)產(chǎn)生的背景

早期的信息系統(tǒng)大部分?jǐn)?shù)據(jù)是通過人工的方式輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。由于數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)輸入的勞動(dòng)強(qiáng)度大，人工輸入的誤差率高，嚴(yán)重影響到生產(chǎn)與決策的效率。很多發(fā)達(dá)國家的企業(yè)每天要產(chǎn)生非常大的數(shù)據(jù)量，而人工錄入的費(fèi)用又很高，因此他們往往將數(shù)據(jù)錄入的工作外包到發(fā)展中國家。在這種背景下，如何解決數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)識(shí)別問題就成為交通、物流、安全與防偽領(lǐng)域中大型信息系統(tǒng)發(fā)展和運(yùn)行的瓶頸?；跅l形碼、磁卡、IC卡、射頻標(biāo)簽(RFID)的數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的研究就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。圖3-4給出了數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的發(fā)展與分類。圖3-4數(shù)據(jù)采集方式的發(fā)展過程與分類

2.條形碼基本工作原理

條形碼或條碼(barcode)是將寬度不等的多個(gè)黑條(或黑塊)和空白，按照一定的編碼規(guī)則排列，用以表達(dá)一組信息的圖形標(biāo)識(shí)符。常見的一維條形碼是由黑條(簡稱條)和白條(簡稱空)排成的平行線圖案。條形碼可以標(biāo)出物品的生產(chǎn)國、制造廠家、商品名稱、生產(chǎn)日期、圖書分類號(hào)、郵件起止地點(diǎn)、類別、日期等信息，因而在商品流通、圖書管理、郵政管理、銀行系統(tǒng)等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)條形碼識(shí)讀器中的掃描器光源發(fā)出的光在條形碼上反射后，反射光照射到條碼掃描器內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換器上。光電轉(zhuǎn)換器根據(jù)強(qiáng)弱不同的反射光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。電信號(hào)輸出到條形碼掃描器的放大電路之后，再送到整形電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。條形碼圖形中的白條、黑條的寬度不同，相應(yīng)的電信號(hào)持續(xù)時(shí)間長短也不同。譯碼器測(cè)量脈沖數(shù)字電信號(hào)“0”與“1”的數(shù)目和順序。識(shí)讀器根據(jù)編碼規(guī)則對(duì)條形碼規(guī)定的“0”與“1”的數(shù)字序列值進(jìn)行識(shí)讀，將條形碼的圖形信息換成相應(yīng)的數(shù)字、字符信息，然后送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。1970年，第一個(gè)商業(yè)化的條形碼設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)，但是當(dāng)時(shí)包括條形碼打印設(shè)備和識(shí)讀器在內(nèi)的全套設(shè)備價(jià)格大約需要5000美元，高昂的價(jià)格嚴(yán)重地影響了條形碼技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。隨著微處理器技術(shù)和激光二極管、發(fā)光二極管技術(shù)的成熟，條形碼打印設(shè)備和識(shí)讀器技術(shù)日趨成熟，價(jià)格大大降低，這才使得條形碼技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大到幾乎所有的物品流通行業(yè)。

3．條形碼的類型

一維條形碼只是在一個(gè)方向(一般是水平方向)表達(dá)信息，而在垂直方向不表達(dá)任何信息。一維條形碼的優(yōu)點(diǎn)是編碼規(guī)則簡單，條形碼識(shí)讀器造價(jià)較低。但是它的缺點(diǎn)是：數(shù)據(jù)容量較小，一般只能包括字母和數(shù)字；條形碼尺寸相對(duì)較大，空間利用率較低；條形碼一旦出現(xiàn)損壞將被拒讀。多數(shù)一維條形碼所能表示的字符集不過是10個(gè)數(shù)字、26個(gè)英文字母及一些特殊字符，條碼字符集最大所能表示的字符個(gè)數(shù)為128個(gè)ASCII符。二維條形碼是在二維空間水平和垂直方向都存儲(chǔ)信息的條形碼。它的優(yōu)點(diǎn)是信息容量大，譯碼可靠性高，糾錯(cuò)能力強(qiáng)，制作成本低，保密與防偽性能好。條形碼的信息容量與編碼規(guī)則相關(guān)。以常用的便攜數(shù)據(jù)文件(PortableDataFile，PDF)格式的二維條形碼為例，PDF417碼可以表示字母、數(shù)字、ASCII字符與二進(jìn)制數(shù)；擴(kuò)展的字母數(shù)字壓縮格式可容納1850個(gè)字符：二進(jìn)制/ASCII格式可容納1108個(gè)字節(jié)；數(shù)字壓縮格式可容納2710個(gè)數(shù)字。二維條形碼的糾錯(cuò)功能是通過將部分信息重復(fù)表示(冗余)來實(shí)現(xiàn)的。例如在PDF417碼中，某一行除了包含本行的信息外，還有一些反映其他位置的糾錯(cuò)碼信息。這樣，即使條形碼的某個(gè)部分遭到一定程度的損壞，也可以通過存在于其他位置的糾錯(cuò)碼將損失的信息還原出來。

2009年12月10日，我國鐵道部對(duì)火車票進(jìn)行了升級(jí)改版。新版火車票最明顯的變化是車票下方的一維條碼變成二維防偽條碼，火車票的防偽功能更強(qiáng)。進(jìn)站口檢票時(shí)，檢票人員通過二維條碼識(shí)讀設(shè)備對(duì)車票上的二維條形碼進(jìn)行識(shí)讀，系統(tǒng)自動(dòng)辨別車票的真?zhèn)尾⑾鄳?yīng)信息存入系統(tǒng)中。圖3-5給出了我國使用的一維條形碼與二維條形碼火車票的比較。圖3-5我國使用的一維條形碼與二維條形碼火車票的比較

4．條形碼數(shù)據(jù)采集設(shè)備

條形碼數(shù)據(jù)的采集是通過固定的或手持的條形碼掃描器完成的。條形碼掃描器有三種類型：光掃描器、光電轉(zhuǎn)換器、激光掃描器。光掃描器采用最原始的掃描方式，它需要手工移動(dòng)光筆，并且還要與條形碼圖形區(qū)域接觸。光電轉(zhuǎn)換器是以LED作為發(fā)光光源的掃描器。在一定范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描，并且可以閱讀各種材質(zhì)及不平表面上的條碼，成本也較為低廉。激光掃描器是以激光作為光源，多用于手持式掃描器，其掃描遠(yuǎn)，準(zhǔn)確性高。但是，無論是哪種類型的條形碼掃描器，都只適用于近距離、靜態(tài)、小數(shù)據(jù)量的商業(yè)物品銷售與倉庫的物資管理、醫(yī)院管理、身份證等應(yīng)用，動(dòng)態(tài)、快速、大數(shù)據(jù)量以及有一定距離要求的大型物流信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需要采用基于無線技術(shù)的射頻標(biāo)簽。3.2.2磁卡與IC卡簡介

1.磁卡的特點(diǎn)與應(yīng)用

磁卡(MagneticCard)是一種卡片狀的磁性記錄介質(zhì)，如圖3-6所示，利用磁性載體記錄字符與數(shù)字信息，與各種讀卡、讀寫器配合，用來標(biāo)識(shí)身份或其他用途。

通常磁卡的一面印刷有提示性信息，如插卡方向；另一面則有磁層或磁條，具有2～3個(gè)磁道以記錄有關(guān)信息數(shù)據(jù)。磁條是一層薄薄的磁性材料，磁卡受壓、被折、長時(shí)間磕碰、曝曬、高溫、磁條劃傷弄臟，或者受到外部磁場(chǎng)的影響，都會(huì)造成磁卡消磁、丟失數(shù)據(jù)而不能使用。圖3-6磁卡與磁卡讀卡器示意圖

2．IC卡的特點(diǎn)與應(yīng)用

1)?IC卡的基本概念與特點(diǎn)

IC卡(IntegratedCircuitcard)也叫做智能卡(SmartCard)，如圖3-7所示，它是通過在集成電路芯片中所寫的數(shù)據(jù)來進(jìn)行識(shí)別的。IC卡與IC卡讀寫器，以及后臺(tái)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)組成了IC卡應(yīng)用系統(tǒng)。圖3-7給出了幾種IC卡與讀寫器的示意圖。

IC卡的外形與磁卡相似，它與磁卡的區(qū)別主要在于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒介的不同。磁卡是通過卡上磁條來存儲(chǔ)信息的，IC卡是通過嵌入卡中的集成電路芯片來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。因此，與磁卡相比較，IC卡有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)存儲(chǔ)容量大。磁卡的存儲(chǔ)容量大約在200個(gè)字符左右，而IC卡的存儲(chǔ)容量根據(jù)型號(hào)而定，小到幾百個(gè)字符，大到上百萬個(gè)字符。

(2)安全保密性好。IC卡在使用時(shí)，必須要通過與讀寫設(shè)備間特有的雙向密鑰認(rèn)證。出廠時(shí)，先對(duì)IC卡進(jìn)行初始化加密；待交付使用時(shí)還需通過IC卡發(fā)行系統(tǒng)為各用戶卡生成自己的專用密鑰。

(3)?IC卡讀寫方便，使用壽命長。IC卡上的數(shù)據(jù)能夠隨意讀取、修改、擦除，但都需要密碼。IC卡在與讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、解密，以確保抽象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠，這是磁卡不能做到的。同時(shí)，磁條劃傷、磨損、弄臟或者受到外部磁化的影響會(huì)造成磁卡失效，而IC卡的數(shù)據(jù)至少可以保持10年，讀寫次數(shù)能夠達(dá)到10萬次以上。因此磁卡的使用壽命與使用的方便程度遠(yuǎn)不如IC卡。(a)接觸式IC卡讀卡器(b)接觸式IC卡與讀卡器圖(c)?IC卡圖3-7IC卡與讀卡器

2)?IC卡的分類

IC卡分類方法主要三種。

第一種方法是根據(jù)IC卡讀卡器是否需要接觸才能夠讀寫數(shù)據(jù)來分類：IC卡可以分為接觸式IC卡與非接觸式IC卡兩類。

接觸式IC卡在使用時(shí)必須將IC卡插入到IC卡讀卡器中，完成IC卡與讀卡器之間的物理連接之后，才能讀取寫入數(shù)據(jù)。

非接觸式IC卡又稱射頻卡，它是以無線通信的方式與讀卡器進(jìn)行能信。當(dāng)讀卡器向IC卡發(fā)出一組固定頻率的電磁波時(shí)，卡內(nèi)電路將收電磁波能量轉(zhuǎn)換成電能，驅(qū)動(dòng)IC卡的電路。當(dāng)讀卡器發(fā)出“讀取”數(shù)據(jù)的指令時(shí)，卡內(nèi)的電路將數(shù)據(jù)發(fā)射到讀卡器；如果讀卡器發(fā)出“寫入”的指令時(shí)，卡內(nèi)的電路接收讀卡器寫入數(shù)據(jù)。非接觸式IC卡可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。主動(dòng)式非接觸式IC卡需要使用者主動(dòng)將卡靠近讀卡器，用戶需要將卡在讀卡器上晃過才能夠完成數(shù)據(jù)交換的過程；被動(dòng)式則不用出示卡片，只要走過讀卡器的范圍，即可完成數(shù)據(jù)交換的過程。

第二種方法是根據(jù)IC卡是否有微處理器來分類：如果IC卡中有存儲(chǔ)芯片而沒有微處理器芯片，則稱做存儲(chǔ)卡；如果IC卡中有存儲(chǔ)芯片和微處理器芯片，則稱做智能卡。電話IC卡一般使用的是存儲(chǔ)卡，而銀行的IC卡一般使用的是智能卡。

第三種方法是根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域來分類：IC卡可以分為金融卡和非金融卡兩種。金融卡又分為信用卡和現(xiàn)金儲(chǔ)值卡；非金融卡是指應(yīng)用于醫(yī)療、通信、交通等非金融領(lǐng)域的IC卡。目前IC卡已是當(dāng)今國際電子信息產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)產(chǎn)品之一，除了在商業(yè)、醫(yī)療、保險(xiǎn)、交通、能源、通信、安全管理、身份識(shí)別等非金融領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用外，在金融領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛，未來的發(fā)展趨勢(shì)將是用IC卡逐步取代磁卡。

3.2.3射頻電子標(biāo)簽

射頻標(biāo)簽就是近年來常提到的RFID標(biāo)簽(也稱電子標(biāo)簽、射頻卡、射頻卷標(biāo)或應(yīng)答器)。電子標(biāo)簽廣泛應(yīng)用于商品流通、物流管理和眾多與普通百姓密切相關(guān)的領(lǐng)域，為了便于和其他形式的標(biāo)簽互相區(qū)別，采用通俗的“電子標(biāo)簽”的稱呼有助于其推廣和應(yīng)用。射頻標(biāo)簽便于大規(guī)模生產(chǎn)，并能做到日常免維護(hù)使用。讀出設(shè)備采用獨(dú)特的微波技術(shù)，其收發(fā)電路成本低，性能可靠，收發(fā)天線采用微帶平板天線，便于各種應(yīng)用場(chǎng)合安裝且易于生產(chǎn)，天線環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)械、電氣特性好，是近距離自動(dòng)設(shè)備識(shí)別技術(shù)實(shí)施的好方案。

RFID技術(shù)正在給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來革命性的變化。其中，面臨最大挑戰(zhàn)的當(dāng)屬條形碼。條形碼雖然在提高商品流通效率方面立下了汗馬功勞，但自身也有一些不可克服的缺陷。例如，掃描儀必須“看到”條形碼才能讀取，因此工作人員必須親手掃描每件商品，這不僅效率較低，而且容易出現(xiàn)差錯(cuò)。另外，如果條形碼撕裂、污損或丟失，掃描儀將無法掃描進(jìn)而無法識(shí)別商品。條形碼的信息容量有限，通常只能記錄生產(chǎn)廠商和商品類別。目前普遍使用的二維條形碼雖然能有效地進(jìn)行分類，而且能傳達(dá)眾多物品信息，但是數(shù)據(jù)容量最大的PDF417最多也只能存儲(chǔ)2725個(gè)數(shù)字，對(duì)于沃爾瑪或聯(lián)邦快遞這樣的超級(jí)條形碼使用者已經(jīng)捉襟見肘。更大的缺陷在于條形碼必須用紅外掃描設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，無法編號(hào)也難以通過無線的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心來統(tǒng)計(jì)庫存。

RFID之所以被重視，關(guān)鍵在于可以讓物品實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化管理。在RFID的標(biāo)簽中存儲(chǔ)著規(guī)范的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)可以將其自動(dòng)采集到中央信息系統(tǒng)，RFID磁條可以以任意形式附帶在包裝中，不需要像條形碼那樣占用固定空間。另一方面，RFID不需要人工識(shí)別標(biāo)簽，讀卡器只需250ms就可以從射頻標(biāo)簽中讀出位置和商品相關(guān)數(shù)據(jù)。

1．電子標(biāo)簽的組成和技術(shù)特征

RFID射頻電子標(biāo)簽附著在被識(shí)別物體上作為特定的標(biāo)識(shí)，其在RFID應(yīng)用系統(tǒng)中是一種耗損件。在目前各個(gè)廠家制造的RFID系統(tǒng)中，除了個(gè)別廠家以外，絕大多數(shù)廠家的產(chǎn)品都互不兼容。對(duì)于較大的應(yīng)用系統(tǒng)而言，標(biāo)簽的成本決定著整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)成本，因?yàn)殚喿x器的數(shù)量與標(biāo)簽的數(shù)量相比較可以忽略不計(jì)。

電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線、芯片等采用特殊的封裝工藝封裝而成。雖然電子標(biāo)簽的封裝形式不一樣，但是其構(gòu)造卻基本一致。典型的電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示。

根據(jù)電子標(biāo)簽的技術(shù)特征，可以將各種射頻識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行比較完整的分類，如表3-1所示。圖3-8典型的電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖表3-1射頻識(shí)別系統(tǒng)的分類

2．雙頻標(biāo)簽與雙頻系統(tǒng)

無線射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率對(duì)系統(tǒng)的工作性能具有很強(qiáng)的支配作用，也就是說，從識(shí)別距離、穿透能力等特性來看，不同射頻頻率的表現(xiàn)存在較大的差異，特別是在低頻和高頻兩個(gè)頻段的特性上，具有很大的差異性。

簡單來講，低頻具有較強(qiáng)的穿透能力，能夠穿透水、金屬、動(dòng)物包括人的軀體等導(dǎo)體材料，但是在同樣功率下，其傳播的距離很近。而高頻或超高頻則具有較遠(yuǎn)的傳播距離，同時(shí)也很容易被上述導(dǎo)體媒介所吸收。如何利用它們各自的長處來設(shè)計(jì)識(shí)別距離較遠(yuǎn)又具有較強(qiáng)穿透能力的產(chǎn)品，這就用到了混頻和雙頻技術(shù)?；祛l特別是雙頻產(chǎn)品，既具有低頻的穿透能力，又有高頻的識(shí)別距離。能夠廣泛地運(yùn)用在動(dòng)物識(shí)別、導(dǎo)體材料干擾及潮濕的環(huán)境中。目前市場(chǎng)上所能見到的混頻或雙頻產(chǎn)品的工作形式有兩種：有源系統(tǒng)和無源系統(tǒng)。

1)有源系統(tǒng)

(1)中國深圳世紀(jì)潮雙頻產(chǎn)品。對(duì)于標(biāo)簽來說，上行就是接收，下行就是發(fā)送。在這種雙頻系統(tǒng)中，發(fā)送和接收采用不同的工作頻率。有源雙頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。圖3-9有源雙頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)射天線：用于發(fā)射低頻無線電信號(hào)以激活雙頻標(biāo)簽。

接收天線：接收雙頻標(biāo)簽發(fā)出的高頻無線電信號(hào)。

閱讀器：不斷產(chǎn)生低頻編碼電磁波信號(hào)，經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去，用來激活進(jìn)入該區(qū)域的雙頻標(biāo)簽，同時(shí)把接收天線接收來的雙頻標(biāo)簽的高頻載波信號(hào)經(jīng)過放大后，進(jìn)行解調(diào)、解碼，提取有效的數(shù)字信號(hào)，通過標(biāo)準(zhǔn)串口RS-232或RS-485給下一級(jí)工作站。雙頻標(biāo)簽：由嵌入式處理器及其軟件、卡內(nèi)發(fā)射和接收天線、收發(fā)電路和高能電池組成，其工作在兩個(gè)頻點(diǎn)上，全雙工通信。雙頻標(biāo)簽平時(shí)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)工作區(qū)后，被發(fā)射天線發(fā)出的低頻無線電信號(hào)激活，發(fā)射出唯一的加密識(shí)別碼無線電信號(hào)?？▋?nèi)高能電池為標(biāo)識(shí)卡正常工作和發(fā)射高頻電磁波提供能量。

工作原理：閱讀器將低頻的加密數(shù)據(jù)載波信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)送；雙頻標(biāo)簽進(jìn)入低頻的發(fā)射天線工作區(qū)域后被激活，同時(shí)將加密的載有目標(biāo)識(shí)別碼的高頻加密載波信號(hào)經(jīng)標(biāo)簽內(nèi)的高頻發(fā)射模塊發(fā)射出去；接收天線接收到射頻卡發(fā)來的載波信號(hào)，經(jīng)閱讀器接收處理后，提取出目標(biāo)識(shí)別碼送至計(jì)算機(jī)，完成預(yù)設(shè)的系統(tǒng)功能和自動(dòng)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)化管理。

(2)?Savi公司的EchoPoint(反射點(diǎn))雙頻產(chǎn)品。由Savi公司開發(fā)的EchoPoint(反射點(diǎn))技術(shù)同樣也是有源雙頻技術(shù)。EchoPoint采用了多頻率設(shè)計(jì)和三元素系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠的長距離通信與短距離定位功能。與傳統(tǒng)的標(biāo)簽比較，EchoPoint增加了一個(gè)第三元素——路標(biāo)。由路標(biāo)在123?kHz激活標(biāo)簽，發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽，標(biāo)簽和閱讀器之間在長距離的UHF頻段(433.92?MHz)進(jìn)行通信，發(fā)送其位置信息以及特殊標(biāo)志，其工作原理如圖3-10所示。

路標(biāo)可以固定在某個(gè)地點(diǎn)，也可以移動(dòng)或手持，當(dāng)標(biāo)志物的標(biāo)簽通過路標(biāo)標(biāo)識(shí)區(qū)域時(shí)，路標(biāo)可以識(shí)別標(biāo)簽的位置。

EchoPoint能夠有效跟蹤貨物和獲取長距離的準(zhǔn)確定位效果。(a)?Savi公司的路標(biāo)(b)?Savi公司的雙頻產(chǎn)品工作原理圖圖3-10Savi公司的雙頻產(chǎn)品

2)無源系統(tǒng)

目前iPico公司是世界上較大的無源RFID雙頻技術(shù)與產(chǎn)品提供商，其產(chǎn)品無源雙頻系統(tǒng)采用低頻和高頻兩個(gè)頻率進(jìn)行工作，將兩個(gè)頻率特性集成到單一的雙頻標(biāo)簽(DFTags)和雙頻閱讀器(DFReaders)，構(gòu)成雙頻無源系統(tǒng)。無源雙頻系統(tǒng)的實(shí)物如圖3-11所示。

采用雙頻技術(shù)的射頻識(shí)別系統(tǒng)同時(shí)具有低頻和高頻系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，既具有較強(qiáng)的穿透能力，又具有較遠(yuǎn)的識(shí)別距離。無源雙頻標(biāo)簽體積可以制造得很小(信用卡標(biāo)簽和半卡標(biāo)簽)，廣泛應(yīng)用于人員管理、運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)、動(dòng)物識(shí)別、礦井、有干擾的環(huán)境(如金屬物品識(shí)別)等場(chǎng)合。與有源雙頻系統(tǒng)相比，無源雙頻系統(tǒng)具有體積小、系統(tǒng)緊湊、成本低廉等特點(diǎn)。(a)雙頻閱讀器(b)雙頻標(biāo)簽圖3-11無源雙頻系統(tǒng)圖3-12所示是一個(gè)實(shí)際的雙頻系統(tǒng)及其天線，適用于會(huì)議簽到、門禁控制、人員自由流跟蹤等環(huán)境。由于雙頻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，人員佩帶胸卡形式的標(biāo)簽無須刷卡就可以自由通過，甚至可以將電子標(biāo)簽放到衣袋中、錢夾里，無須掏出卡片，也可以做到準(zhǔn)確快速識(shí)別，這在超高頻的系統(tǒng)中是無法實(shí)現(xiàn)的。另外，這種雙頻系統(tǒng)也具有良好的多目標(biāo)識(shí)別能力。也可以根據(jù)用戶的需要進(jìn)行天線設(shè)計(jì)與施工。圖3-12雙頻讀寫器及其天線

3．電子標(biāo)簽的封裝形式

1)電子標(biāo)簽的封裝形式

根據(jù)射頻識(shí)別系統(tǒng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合以及不同的技術(shù)性能參數(shù)，考慮到應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)簽成本、環(huán)境要求等，可以將電子標(biāo)簽封裝成不同厚度、不同大小、不同形狀的標(biāo)簽，如圓形、條形、信用卡形、半信用卡形等。另外，電子標(biāo)簽的封裝材料也可以是紙、PP(塑料聚丙烯)、PET(滌綸樹脂)、PVC(聚氯乙烯)等。

圖3-13～圖3-24所示的是多種不同形式的電子標(biāo)簽。圖3-13各種信用卡標(biāo)簽圖3-14各種動(dòng)物標(biāo)簽圖3-15信用卡紙標(biāo)簽圖3-16耐高溫紐扣標(biāo)簽圖3-17抗金屬電子標(biāo)簽圖3-18高性能陶瓷標(biāo)簽圖3-19微型標(biāo)簽(a)雙頻卡(b)雙頻卡(c)三頻卡圖3-20多頻復(fù)合卡電子標(biāo)簽圖3-21UHF塑料電子標(biāo)簽圖3-22螺栓形電子標(biāo)簽圖3-23迷你形密匙卡RFID標(biāo)簽(a)CPU材質(zhì)一次性標(biāo)簽(b)一次性手腕帶紙質(zhì)標(biāo)簽(c)一次性扎帶標(biāo)簽(d)扎帶標(biāo)簽圖3-24一次性電子標(biāo)簽

(1)不同封裝材質(zhì)的電子標(biāo)簽。為了保護(hù)標(biāo)簽芯片與天線，并便于用戶使用，電子標(biāo)簽必須利用某種基材進(jìn)行封裝，不同封裝形式的標(biāo)簽針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

①紙電子標(biāo)簽如圖3-15所示，可以粘貼在被識(shí)別物品上。這種標(biāo)簽價(jià)格比較便宜，一般由面層、芯片線路層(Inlay)、膠層、底層組成。

面層一般由紙構(gòu)成，紙面上可以印刷公司或使用者的信息。芯片線路層和膠層黏合在一起，膠層起到固定芯片和天線的作用，同時(shí)也將標(biāo)簽粘貼到被識(shí)別物體的表面。底層則是電子標(biāo)簽在未使用前的保護(hù)層。

成品的紙質(zhì)電子標(biāo)簽可以是單張的，也可以是連續(xù)的紙卷形式。在使用時(shí)，將底層撕下，將標(biāo)簽粘貼在被識(shí)別物體的表面上。在巴西全國ITS項(xiàng)目中，用于車輛識(shí)別的標(biāo)簽就是這種形式的紙標(biāo)簽，可貼在汽車的擋風(fēng)玻璃上。

②塑料電子標(biāo)簽。塑料電子標(biāo)簽是采用特定的工藝將芯片和天線用塑料基材封裝成不同的標(biāo)簽形式，如博彩籌碼、鑰匙牌、手表形標(biāo)簽、狗牌、信用卡等形式，如圖3-14、圖3-21、圖3-23所示。常用的塑料基材包括PVC和PSP基材。塑料標(biāo)簽結(jié)構(gòu)包括面層、芯片層(Inlay層)與底層。

③玻璃電子標(biāo)簽。玻璃電子標(biāo)簽應(yīng)用于動(dòng)物識(shí)別與跟蹤，將芯片、天線采用一種特殊的固定物質(zhì)植入一定大小的玻璃容器中，封裝成玻璃標(biāo)簽。玻璃標(biāo)簽用注射器或其他方式植入動(dòng)物體內(nèi)。

(2)不同封裝形狀的電子標(biāo)簽。根據(jù)標(biāo)簽應(yīng)用場(chǎng)合的不同可以將標(biāo)簽封裝成不同的形狀，使之具有不同的應(yīng)用特性。下面是電子標(biāo)簽常見的幾種封裝形式。

①信用卡與半信用卡電子標(biāo)簽：信用卡標(biāo)簽是射頻電子標(biāo)簽常見的形式，其大小等同于信用卡，厚度一般不超過3mm，如圖3-13、圖3-20所示。

②線形電子標(biāo)簽：物流線形標(biāo)簽如圖3-21所示。為了加強(qiáng)車輛在高速行駛中的識(shí)別能力，提高識(shí)別距離和準(zhǔn)確度，將RFID電子標(biāo)簽封裝成特殊的車用電子標(biāo)簽，用鉚釘?shù)妊b置固定在卡車的車架上。這種標(biāo)簽也適用于集裝箱等大型貨物的識(shí)別上。③圓形電子標(biāo)簽：圓形電子標(biāo)簽如圖3-14、3-23所示。

④自粘電子標(biāo)簽：具有自粘能力的標(biāo)簽可以方便地附著在需要識(shí)別的物體上。可以做成具有一次性粘貼或者可多次粘貼等不同應(yīng)用需求的標(biāo)簽。

⑤鑰匙和鑰匙扣電子標(biāo)簽：將電子標(biāo)簽封裝成鑰匙的形狀。

⑥一次性電子標(biāo)簽：具有攜帶方便、美觀實(shí)用等特點(diǎn)，可用于門禁、娛樂等系統(tǒng)中，如圖4-21所示。

⑦其他電子標(biāo)簽：其他電子標(biāo)簽如圖3-16所示。

2)電子標(biāo)簽的封裝加工

電子標(biāo)簽主要由電子數(shù)據(jù)載體和根據(jù)功能造型的殼體組成，其制作技術(shù)主要包括芯片、模塊和天線封裝與標(biāo)簽加工三個(gè)方面。目前國內(nèi)已經(jīng)形成了比較成熟的IC卡模塊封裝產(chǎn)業(yè)，部分企業(yè)已在電子標(biāo)簽的封裝形式上進(jìn)行了新的嘗試，促進(jìn)了電子標(biāo)簽成本的進(jìn)一步降低。

(1)模塊制造。電子標(biāo)簽使用的微型芯片是采用通用的半導(dǎo)體芯片制造方法生產(chǎn)的。芯片測(cè)試結(jié)束后，利用金剛石刀將晶片劃開，得到單個(gè)的電子標(biāo)簽芯片。為了防止在劃片過程中各個(gè)芯片的散落，在劃開之前首先在晶片的背面貼上一層塑料薄膜。然后，將各個(gè)芯片從塑料薄膜上取下，并固定在一個(gè)模塊內(nèi)，通過壓焊與應(yīng)答器線圈模塊連接起來，再在芯片周圍噴上澆鑄物，減少硅片芯片碎裂的可能性。對(duì)于非常小的芯片，例如用于只讀應(yīng)答器的芯片(芯片面積為1～2mm2)，出于體積和成本的考慮，一般是將線圈壓焊在芯片上，而不是放置在模塊內(nèi)。

(2)電子標(biāo)簽半成品。接下來是使用自動(dòng)繞線機(jī)制造應(yīng)答器線圈。在所用的銅線上除了涂覆常用的絕緣漆之外，還將涂上一層附加的低熔點(diǎn)烤漆。在繞制過程中，繞制工具會(huì)被加熱到烤漆熔點(diǎn)的溫度。這樣，在繞制過程中烤漆就會(huì)熔化，并且當(dāng)從繞制工具上取下線圈后它又會(huì)迅速凝結(jié)，從而使應(yīng)答器線圈上的線黏合在一起。利用這種方式可以確保在以后的安裝工序中應(yīng)答器線圈具有足夠的機(jī)械穩(wěn)定度。

應(yīng)答器線圈一旦繞制完成，就用電焊機(jī)將線圈的連接處與應(yīng)答器模塊的連接面焊接到一起。根據(jù)以后的成品標(biāo)簽的制作形狀來確定標(biāo)簽線圈的形狀與大小。對(duì)于未固定到一個(gè)模塊中的芯片，也可以使用合適的方法將銅線直接壓焊到芯片上。但前提條件是應(yīng)答器線圈的導(dǎo)線要盡可能細(xì)。將標(biāo)簽線圈的觸點(diǎn)接通之后，電子標(biāo)簽就具有了其應(yīng)有的電功能。這道工序之后還要進(jìn)行非接觸的功能測(cè)試，要將以前工序中受到損傷的標(biāo)簽分離出來。此時(shí)尚未加裝外殼的標(biāo)簽成為標(biāo)簽半成品，經(jīng)過后續(xù)加工以選配各種不同形狀的外殼。

(3)整合成品。在標(biāo)簽的最后一道工序中，將標(biāo)簽半成品安裝到外殼中，或者裝入玻璃管內(nèi)。這道工序可以通過噴注(如注入ABS)、澆注、黏合等方法完成。

4．電子標(biāo)簽的天線

電子標(biāo)簽的天線必須滿足以下性能要求：

(1)足夠的小以至于能夠嵌入到本來就很小的電子標(biāo)簽上；

(2)有全向或半球覆蓋的方向性；

(3)提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片，并給標(biāo)簽供應(yīng)能量；

(4)無論標(biāo)簽處于什么方向，天線的極化都能與閱讀器的詢問信號(hào)相匹配；

(5)具有魯棒性；

(6)作為耗損件的一部分，天線的價(jià)格必須非常便宜。因此，在選擇電子標(biāo)簽的天線時(shí)必須考慮以下因素：

(1)天線的類型；

(2)天線的阻抗；

(3)在應(yīng)用到電子標(biāo)簽上時(shí)的RF性能；

(4)在有其他物品圍繞貼標(biāo)簽物品時(shí)的RF性能。

在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，標(biāo)簽的使用有兩種基本形式，一種是標(biāo)簽移動(dòng)，通過固定式閱讀器來進(jìn)行識(shí)別；一種是標(biāo)簽不動(dòng)，通過手持機(jī)等移動(dòng)的閱讀器來進(jìn)行識(shí)別。在超高頻RFID標(biāo)簽中，可以選擇表3-2所示的天線。天線的增益是有限的，增益的大小取決于輻射模式的類型，全向天線峰值增益從0～2dB；方向性天線的增益可以達(dá)到6dB。增益的大小影響著天線的作用距離。表中前三類的天線是線極化的，但是微帶面天線可以是圓極化的，對(duì)數(shù)螺旋天線只能是圓極化的。由于RFID標(biāo)簽的方向性是不可控的，所以閱讀器天線必須是圓極化的。

考慮到天線的阻抗、輻射模式、局部結(jié)構(gòu)、作用距離等因素的影響，為了以最大功率傳輸，射頻識(shí)別標(biāo)簽天線的阻抗必須與標(biāo)簽芯片的輸入阻抗共軛匹配?？紤]到這個(gè)要求，在電子標(biāo)簽中不應(yīng)該使用全向天線，應(yīng)該使用方向性天線，它具有更少的輻射模式和更少的返回?fù)p耗干擾。表3-2可選的幾種標(biāo)簽天線針對(duì)不同應(yīng)用的電子標(biāo)簽，需要采取不同形式的標(biāo)簽天線，因而也會(huì)具有不同的性能。實(shí)際電子標(biāo)簽采用的天線形式有如圖3-25、圖3-26所示的多種形式。

圖3-25偶極子天線的變種圖3-26貼上對(duì)數(shù)螺旋天線的瓶子 3.3RFID基本工作原理

3.3.1RFID的基本原理

1．RFID的基本交互原理

RFID的基本原理框圖如圖3-27所示。圖3-27RFID的基本原理框圖讀寫器(在只讀的情況下經(jīng)常稱為閱讀器)在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)射射頻能量形成電磁場(chǎng)，作用距離和范圍的大小取決于發(fā)射功率和天線。標(biāo)簽通過這一區(qū)域時(shí)被觸發(fā)，發(fā)送存儲(chǔ)在標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，或根據(jù)讀寫器的指令改寫存儲(chǔ)在標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。讀寫器可以與標(biāo)簽建立無線通信，向標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)及從標(biāo)簽接收數(shù)據(jù)，并能通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)了射頻識(shí)別系統(tǒng)的順利工作。

應(yīng)答器為集成電路芯片，它的工作需要由閱讀器提供能量，閱讀器產(chǎn)生的射頻載波用于為應(yīng)答器提供能量。

閱讀器和應(yīng)答器之間的信息交互通常采用詢問—應(yīng)答的方式進(jìn)行，因此必須有嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系，時(shí)序由閱讀器提供。應(yīng)答器和閱讀器之間可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換，應(yīng)答器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息采用對(duì)載波的負(fù)載調(diào)制方式向閱讀器傳送，閱讀器給應(yīng)答器的命令和數(shù)據(jù)通常采用載波間隙、脈沖位置調(diào)制、編碼調(diào)制等方法實(shí)現(xiàn)傳送。

2．RFID的耦合方式

根據(jù)射頻耦合方式的不同，RFID可以分為電感耦合方式(磁耦合)和反向散射耦合方式(電磁場(chǎng)耦合)兩大類。

3．RFID的工作頻率

RFID系統(tǒng)的工作頻率劃分為下述頻段。

(1)低頻(LF，頻率范圍為30～300kHz)：工作頻率低于135kHz，最常用的是125kHz。

(2)高頻(HF，頻率范圍為3～30MHz)：工作頻率低于13.56MHz?±?7kHz。

(3)特高頻(UHF，頻率范圍為300MHz～3GHz)：工作頻率為433MHz，866～960MHz和2.45GHz。

(4)超高頻(SHF，頻率范圍為3～30GHz)：工作頻率為5.8GHz和24GHz，但目前24GHz基本沒有采用。其中，后三個(gè)頻段為ISM(IndustrialScientificMedical)頻段。ISM頻段是為工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療應(yīng)用而保留的頻率范圍，不同的國家可能會(huì)有不同的規(guī)定。UHF和SHF都在微波頻率范圍內(nèi)，微波頻率范圍為300MHz～300GHz。

在RFID技術(shù)的術(shù)語中，有時(shí)稱無線電頻率在LF和HF內(nèi)時(shí)為RFID低頻段，在UHF和SHF內(nèi)時(shí)為RFID高頻段。

RFID技術(shù)涉及無線電的低頻、高頻、特高頻和超高頻頻段。在無線電技術(shù)中，這些頻段的技術(shù)實(shí)現(xiàn)差異很大，因此可以說，RFID技術(shù)的空中接口覆蓋了無線電技術(shù)的全頻段。3.3.2射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作過程

1.?RFID應(yīng)用系統(tǒng)的組成

RFID應(yīng)用系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3-28所示，它由閱讀器、應(yīng)答器和高層等部分組成。最簡單的應(yīng)用系統(tǒng)只有單個(gè)閱讀器，它一次對(duì)一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行操作，如公交汽車上的票務(wù)操作。較復(fù)雜的應(yīng)用需要一個(gè)閱讀器可同時(shí)對(duì)多個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行操作，即要具有防碰撞(也稱為防沖突)的能力。更復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)要解決閱讀器的高層處理問題，包括多閱讀器的網(wǎng)絡(luò)連接。圖3-28RFID應(yīng)用系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

2.應(yīng)答器(射頻卡和標(biāo)簽)

從技術(shù)角度來說，射頻識(shí)別技術(shù)的核心在應(yīng)答器，閱讀器是根據(jù)應(yīng)答器的性能而設(shè)計(jì)的。雖然在RFID系統(tǒng)中應(yīng)答器的價(jià)格遠(yuǎn)比閱讀器低，但通常情況下，應(yīng)用中應(yīng)答器的數(shù)量是很大的，尤其是在物流應(yīng)用中，應(yīng)答器不僅用量大而且可能是一次性使用，而閱讀器的數(shù)據(jù)相對(duì)要少很多。

1)射頻卡和標(biāo)簽

應(yīng)答器在某種應(yīng)用場(chǎng)合還有一些專有的名稱，如射頻卡(也稱為非接觸卡)、標(biāo)簽等，可統(tǒng)稱為應(yīng)答器。

(1)射頻卡(RFCard)。射頻卡的外形多種多樣，如盤型、卡型、條型、鑰匙扣型、手表型等，不同的形狀適應(yīng)于不同的應(yīng)用。

如果將應(yīng)答器芯片和天線塑封成像銀行的銀聯(lián)卡和電信的電話卡那樣，塑料卡的物理尺寸符合ID-1型卡的規(guī)范，那么這類應(yīng)答器稱為射頻卡或非接觸卡，如圖3-29所示。

ID-1是國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC7810中規(guī)定的三種磁卡尺寸規(guī)格中的一種，其寬度×高度×厚度為(85.6mm×53.98mm×0.76mm)±容許誤差。

射頻卡的工作頻率為135kHz或13.56MHz，采用電感耦合方式實(shí)現(xiàn)能量和信息的傳輸。射頻卡通常用于身份識(shí)別和收費(fèi)。圖3-29射頻卡

(2)標(biāo)簽(Tag)。除了卡狀外形，應(yīng)答器還具有很多其他形狀，可用于動(dòng)物識(shí)別、高品貨物識(shí)別、集裝箱識(shí)別等，在這些應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)答器常稱為標(biāo)簽。

圖3-30所示為幾種典型標(biāo)簽的外形。應(yīng)答器芯片安放在一張薄紙膜或塑料膜內(nèi)，這種薄膜往往和一層紙膠合在一起，背面涂上黏膠劑，這樣就很容易粘貼到被識(shí)別的物體上。

圖書標(biāo)簽電子車牌標(biāo)簽物流標(biāo)簽超高頻不干膠標(biāo)簽圖3-30標(biāo)簽

2)應(yīng)答器的主要性能參數(shù)

應(yīng)答器的主要性能參數(shù)有工作頻率、讀/寫能力、編碼調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率、存儲(chǔ)容量、工作距離、多應(yīng)答器識(shí)讀能力、安全性能(密鑰、認(rèn)證)等。

3)應(yīng)答器的分類

根據(jù)應(yīng)答器是否需要加裝電池及電池供電的作用，可將應(yīng)答器分為無源(被動(dòng)式)、半無源(半被動(dòng)式)和有源(主動(dòng)式)三種類型。

(1)無源應(yīng)答器。無源應(yīng)答器不附帶電池。在閱讀器的閱讀范圍之外，應(yīng)答器處于無源狀態(tài)；在閱讀器的閱讀范圍之內(nèi)，應(yīng)答器從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取工作所需的電能。采用電感耦合方式的應(yīng)答器多為無源應(yīng)答器。

(2)半無源應(yīng)答器。半無源應(yīng)答器內(nèi)裝有電池，但電池僅起輔助作用，它對(duì)維持?jǐn)?shù)據(jù)的電路供電或?qū)?yīng)答器芯片工作所需的電壓作輔助支持。應(yīng)答器電路本身耗能很少，平時(shí)處于休眠狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)答器進(jìn)入閱讀器的閱讀范圍時(shí)，受閱讀器發(fā)出的射頻能量的激勵(lì)而進(jìn)入工作狀態(tài)，它與無源應(yīng)答器一樣，用于傳輸通信的射頻能量源自閱讀器。

(3)有源應(yīng)答器。有源應(yīng)答器的工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時(shí)內(nèi)部電池能量也部分地轉(zhuǎn)換為應(yīng)答器與閱讀器通信所需的射頻能量。

4)應(yīng)答器電路的基本結(jié)構(gòu)和作用

應(yīng)答器電路的基本結(jié)構(gòu)如圖3-31所示。它由天線電路、編/解碼器、電源電路、解調(diào)器、存儲(chǔ)器、控制器和負(fù)載調(diào)制電路組成。

(1)應(yīng)答器組成電路的復(fù)雜度和應(yīng)答器所具有的功能相關(guān)。按照應(yīng)答器的功能來分類，應(yīng)答器可分為存儲(chǔ)器應(yīng)答器(又可分為只讀應(yīng)答器和可讀/寫應(yīng)答器)、具有密碼功能的應(yīng)答器和智能應(yīng)答器。

(2)能量獲取。天線電路用于獲取射頻能量，由電源電路整流穩(wěn)壓后為應(yīng)答器電路提供直流工作電壓。對(duì)于可讀/寫應(yīng)答器，如果存儲(chǔ)器是EEPROM，電源電路還需要產(chǎn)生寫入數(shù)據(jù)時(shí)所需的直流高電壓。圖3-31應(yīng)答器電路的基本結(jié)構(gòu)

(3)時(shí)鐘。天線電路獲取的載波信號(hào)的頻率經(jīng)分頻后，可作為應(yīng)答器的控制器、存儲(chǔ)器、編/解碼器等電路工作時(shí)所需的時(shí)鐘信號(hào)。

(4)數(shù)據(jù)的輸入/輸出。從閱讀器送來的命令，通過解調(diào)、解碼器送到控制器，控制器實(shí)現(xiàn)命令所規(guī)定的操作；從閱讀器送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)解調(diào)、解碼后在控制器的管理下寫入存儲(chǔ)器。應(yīng)答器送至閱讀器的數(shù)據(jù)，在控制器的管理下從存儲(chǔ)器輸出，經(jīng)編碼器、負(fù)載調(diào)制電路輸出。

(5)存儲(chǔ)器。RFID應(yīng)答器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量通常在幾字節(jié)到幾千字節(jié)之間。簡單系統(tǒng)的應(yīng)答器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量不大，通常多為序列號(hào)碼(如唯一識(shí)別號(hào)UID、電子商品碼EPC等)。此號(hào)碼在芯片生產(chǎn)時(shí)寫入，以后就不能改變。

在可讀/寫的應(yīng)答器中，除了固化數(shù)據(jù)外，還需支持?jǐn)?shù)據(jù)的寫入，為此有三種常用的存儲(chǔ)器：EEPROM(電可擦除只讀存儲(chǔ)器)、SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)和FRAM(鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器)。

EEPROM使用較廣，但其寫入過程中的功耗大，擦寫壽命約為10萬次，是電感耦合方式應(yīng)答器主要采用的存儲(chǔ)器。SRAM寫入數(shù)據(jù)很快，但為了保存數(shù)據(jù)需要用輔助電池進(jìn)行不中斷的供電，因此SRAM用在一些微波頻段自帶電池的應(yīng)答器中。FRAM是一種新的非瞬態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)。FRAM存儲(chǔ)的基本原理是鐵電效應(yīng)，即一種材料在電場(chǎng)消失的情況下保持其電極化的能力。

FRAM與EEPROM相比，其寫入功耗低(約為EEPROM功耗的1/100)，寫入時(shí)間短(約為0.1μs，比EEPROM快1000倍)，因此FRAM在RFID系統(tǒng)中極有應(yīng)用前景。FRAM目前存在的問題是，把它與CMOS微處理器、射頻前端模擬電路集成到單獨(dú)一塊芯片上仍存在困難，這妨礙了FRAM在RFID中的廣泛應(yīng)用。

在具有密碼功能的應(yīng)答器中，存儲(chǔ)器中還存儲(chǔ)密碼，以供加密信息和提供認(rèn)證。由于篇幅有限，有關(guān)RFID中的加密、認(rèn)識(shí)技術(shù)，這里不再詳細(xì)說明，有興趣的讀者可以參閱有關(guān)文獻(xiàn)。

(6)控制器。控制器是應(yīng)答器芯片有序工作的指揮器。只讀應(yīng)答器的控制器電路比較簡單。

如果應(yīng)答器上帶有微控制器(MCU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，成為智能應(yīng)答器，則對(duì)于更改的應(yīng)對(duì)會(huì)更為靈活方便，而且還增加了很多運(yùn)算和處理能力。隨著MCU和DSP功耗的不斷降低，智能應(yīng)答器在身份識(shí)別、金融等領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)不斷擴(kuò)大。

3.閱讀器(讀寫器和基站)

閱讀器也有一些其他稱呼，如讀寫器、基站等。本書中沒有對(duì)它們加以區(qū)別，即閱讀器并不是僅具有讀功能，而是泛指其具有讀/寫功能?；疽辉~是用于無線移動(dòng)通信的術(shù)語，閱讀器具有相當(dāng)于基站的功能。實(shí)際上在RFID系統(tǒng)中,也可將應(yīng)答器固定安裝，而使閱讀器處于移動(dòng)狀態(tài)。

圖3-32所示為幾種典型閱讀器的實(shí)物圖。圖3-22閱讀器

1)閱讀器的功能

雖然因頻率范圍、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸方法的不同，各種閱讀器在一些方面會(huì)有很大的差異，但閱讀器通常都應(yīng)具有下述功能：

以射頻方式向應(yīng)答器傳輸能量；

從應(yīng)答器中讀出數(shù)據(jù)或向應(yīng)答器寫入數(shù)據(jù)；

完成對(duì)讀取數(shù)據(jù)的信息處理并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用操作；

若有需要，應(yīng)能和高層處理單元交互信息。

2)閱讀器電路的組成

閱讀器電路的組成框圖如圖3-33所示，各部分的作用簡述如下。圖3-33閱讀器電路的組成框圖

(1)振蕩器。振蕩器電路產(chǎn)生符合RFID系統(tǒng)要求的射頻振蕩信號(hào)，一路經(jīng)時(shí)鐘電路產(chǎn)生MCU所需的時(shí)鐘信號(hào)，另一路經(jīng)載波形成電路產(chǎn)生閱讀器工作的載波信號(hào)。例如，振蕩器的振蕩頻率為4MHz，經(jīng)整形后提供MCU工作的4MHz時(shí)鐘，經(jīng)分頻(32分頻)產(chǎn)生125kHz的載波。

(2)發(fā)送通道。發(fā)送通道包括編碼、調(diào)制和功率放大電路，用于向應(yīng)答器傳送命令和寫數(shù)據(jù)。

(3)接收信道。接收信道包括解調(diào)、解碼電路，用于接收應(yīng)答器返回的應(yīng)答信息和數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)答器的防碰撞能力的設(shè)置，還應(yīng)考慮防碰撞電路的設(shè)計(jì)。

(4)微控制器(MCU)。MCU是閱讀器工作的核心，完成收/發(fā)控制、向應(yīng)答器發(fā)送命令與寫數(shù)據(jù)、應(yīng)答器數(shù)據(jù)讀取與處理、與應(yīng)用系統(tǒng)的高層進(jìn)行通信等任務(wù)。

MCU的動(dòng)作控制包括與聲、光、顯示部件的接口，通信接口可采用RS-232、USB或其他通信接口。

4.天線

閱讀器和應(yīng)答器都需要安裝天線，應(yīng)用天線的目的是取得最大的能量傳輸效率。選擇天線時(shí)，需要考慮天線類型、天線的阻抗、應(yīng)答器附著物的射頻特性、閱讀器與應(yīng)答器周圍的金屬物體等因素。

5.高層

1)高層的作用

對(duì)于獨(dú)立的應(yīng)用，閱讀器可以完成應(yīng)用的需求，例如，公交車上的閱讀器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)公交卡的驗(yàn)讀和收費(fèi)。但是對(duì)于由多閱讀器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的信息系統(tǒng)，高層(或后端)是必不可少的。即針對(duì)RFID的具體應(yīng)用，需要在高層將多閱讀器獲取的數(shù)據(jù)有效地整合起來，提供查詢、歷史檔案等相關(guān)管理和服務(wù)。更進(jìn)一步，通過對(duì)數(shù)據(jù)的加工、分析和挖掘，為正確決策提供依據(jù)。這就是信息管理系統(tǒng)和決策系統(tǒng)。

2)中間件與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

在RFID網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，企業(yè)通常最想問的第一個(gè)問題是：如何將現(xiàn)有的系統(tǒng)與RFID閱讀器連接？針對(duì)這個(gè)問題的解決方案就是利用RFID中間件(MiddleWare)。

RFID中間件是介于RFID閱讀器和后端應(yīng)用程序之間的獨(dú)立軟件，能夠與多個(gè)RFID閱讀器和多個(gè)后端應(yīng)用程序連接。應(yīng)用程序使用中間件所提供的一組通用應(yīng)用程序接口(API)連接到RFID閱讀器，讀取RFID應(yīng)答器數(shù)據(jù)。這樣一來，即使當(dāng)存儲(chǔ)應(yīng)答器信息的數(shù)據(jù)庫軟件改變、后端應(yīng)用程序增加或由其他軟件取代、閱讀器種類增加等情況發(fā)生時(shí)，應(yīng)用端不需要修改也能應(yīng)對(duì)這些變化，從而減輕了多對(duì)多連接的設(shè)計(jì)與維護(hù)的復(fù)雜性。

圖3-34所示為利用中間件的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。圖3-34利用中間件的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)

3.4RFID的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

3.4.1數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與方式

從讀寫器到標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸過程中，所有數(shù)字調(diào)制方法都可以選用，與工作頻率和耦合方式無關(guān)。常用的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方式有幅度調(diào)制鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)和相移鍵控(PSK)等。為了簡化電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)并降低成本，多數(shù)射頻識(shí)別系統(tǒng)采用ASK調(diào)制方式。數(shù)據(jù)編碼一般又稱為基帶數(shù)據(jù)編碼，一方面便于數(shù)據(jù)傳輸，另一方面可以對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密。常用的數(shù)據(jù)編碼方式有反向不歸零碼(NRZ)、曼徹斯特編碼(Manchester)、單極性歸零編碼(UnipolarRZ)、差動(dòng)雙相編碼(DBP)、米勒編碼(Miller)、差動(dòng)編碼、脈沖寬度編碼(PulseWidthModulation，PWM)、脈沖位置編碼(PulsePositionModulation，PPM)等方式，如圖3-35所示。圖3-35射頻識(shí)別系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)編碼(傳遞的數(shù)據(jù)為10110010)

(1)?NRZ編碼(Non-Return-to-Zero)。NRZ編碼用“高”電平表示1，“低”電平表示0。

(2)曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼在半個(gè)比特周期時(shí)的負(fù)跳變表示1，半個(gè)比特周期時(shí)的正跳變表示0。曼徹斯特編碼在采用負(fù)載波的負(fù)載調(diào)制或者反相散射調(diào)制時(shí)，通常用于從標(biāo)簽到讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)檫@有利于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤。

(3)單極性歸零編碼。單極性歸零編碼在第一個(gè)半比特周期內(nèi)的“高”表示1，而持續(xù)整個(gè)比特周期的“低”表示0。

(4)差動(dòng)雙相編碼。差動(dòng)雙相編碼在半個(gè)比特周期內(nèi)的任意邊沿跳變表示0，而沒有邊沿跳變表示1。由于在每個(gè)比特周期的開始電平都要反相，因此對(duì)于接收器來說，位同步重建比較容易。

(5)米勒編碼。米勒編碼在半個(gè)比特周期內(nèi)的任意邊沿表示1，而經(jīng)過下一個(gè)比特周期內(nèi)不變的電平表示0。一連串的零在比特周期開始時(shí)產(chǎn)生跳變。對(duì)于接收器來說，要建立位同步也比較容易。

(6)變形米勒編碼。變形米勒編碼是相對(duì)于米勒編碼來說的，將其每個(gè)邊沿都用負(fù)脈沖代替。由于負(fù)脈沖的時(shí)間很短，可以保證數(shù)據(jù)傳輸過程中從高頻場(chǎng)中連續(xù)給標(biāo)簽提供能量。變形米勒編碼在電感耦合的射頻識(shí)別系統(tǒng)中用于從讀寫器到射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸。

(7)差動(dòng)編碼。采用差動(dòng)編碼時(shí)，每個(gè)要傳輸?shù)亩M(jìn)制1將引起信號(hào)電平的改變，而對(duì)于0則保持信號(hào)電平不變。

(8)脈沖——間歇編碼。對(duì)脈沖位置編碼來說，在下一脈沖前的暫停持續(xù)時(shí)間t表示二進(jìn)制1，而下一脈沖前的暫停持續(xù)時(shí)間2t表示二進(jìn)制0，如圖3-36所示。

在系統(tǒng)中，采用的“開始”和“同步”用不同間隔t的脈沖來表示。圖3-36脈沖——間歇編碼

(9)脈沖位置編碼。脈沖位置編碼與上述的脈沖間歇編碼類似，不同的是，在脈沖位置編碼方式中，每個(gè)數(shù)據(jù)比特的寬度是一致的。其編碼方式如圖3-37所示，其中，脈沖在第一個(gè)時(shí)間段表示00，第二個(gè)時(shí)間段表示01，第3個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)脈沖表示10，第4個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)脈沖表示11。

在射頻識(shí)別系統(tǒng)選擇一種合適的信號(hào)編碼系統(tǒng)時(shí)，最重要的是調(diào)制后的信號(hào)頻譜，以及對(duì)傳輸錯(cuò)誤的敏感度。此外，對(duì)無源標(biāo)簽來講，不允許因?yàn)樾盘?hào)編碼與調(diào)制方法的不適當(dāng)而導(dǎo)致能量供應(yīng)的中斷。圖3-37脈沖位置編碼3.4.2數(shù)據(jù)安全性

在選擇射頻識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況考慮是否選擇具有密碼功能的系統(tǒng)。在一些對(duì)安全功能沒有要求的應(yīng)用中，如工業(yè)自動(dòng)控制、工具識(shí)別、動(dòng)物識(shí)別等應(yīng)用領(lǐng)域，如果引用密碼過程，會(huì)使費(fèi)用增高。與此相反，在高安全性的應(yīng)用中(例如車票、支付系統(tǒng))，如果省略密碼過程，可能會(huì)由于使用假冒的應(yīng)答器來獲取未經(jīng)許可的服務(wù)，從而形成非常嚴(yán)重的疏漏。

高度安全的射頻識(shí)別系統(tǒng)對(duì)于以下單項(xiàng)攻擊應(yīng)能夠予以防范：

為了復(fù)制或改變數(shù)據(jù)，未經(jīng)授權(quán)地讀取數(shù)據(jù)載體。

將外來的數(shù)據(jù)載體置入某個(gè)讀寫器的詢問范圍內(nèi)，企圖得到非授權(quán)出入建筑物或不付費(fèi)的服務(wù)。

為了假冒真正的數(shù)據(jù)載體，竊聽無線電通信并重放數(shù)據(jù)。

射頻識(shí)別系統(tǒng)常用的系統(tǒng)安全手段有許多種，下面分別進(jìn)行介紹。

1．對(duì)稱算法

對(duì)稱算法是指加密密鑰和解密密鑰一樣，這種算法的安全程度依賴于密鑰的保密程度，而且密鑰的分發(fā)困難。讀寫器和標(biāo)簽之間的相互鑒別是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO9798—2“三通相互鑒別”的基礎(chǔ)上的。雙方在通信中互相檢測(cè)另一方的密碼。

在這個(gè)過程中，所有標(biāo)簽和讀寫器構(gòu)成了某項(xiàng)應(yīng)用的一部分，具有相同的密鑰K(對(duì)稱加密過程)。當(dāng)某個(gè)標(biāo)簽首先進(jìn)入閱讀器的詢問范圍時(shí)，它無法斷定參與通信的對(duì)方是否屬于同一個(gè)應(yīng)用。一方面，讀寫器需要防止假冒的偽造數(shù)據(jù)；另一方面，標(biāo)簽同樣需要防止未經(jīng)認(rèn)可的數(shù)據(jù)讀取或重寫。

相互鑒別的過程從讀寫器發(fā)送“查詢”口令給標(biāo)簽開始，如圖3-38所示。圖3-38標(biāo)簽和讀寫器相互鑒別的過程在標(biāo)簽中產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)A，并回送給讀寫器。讀寫器收到A后，產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)B，使用共同的密鑰K和共同的密碼算法ek，讀寫器算出一個(gè)加密的數(shù)據(jù)塊，用令牌1(Token1)表示。Token1包含了兩個(gè)隨機(jī)數(shù)及附加的控制數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)塊發(fā)送給標(biāo)簽。

在標(biāo)簽中，收到的Token1被譯碼，并將從明碼報(bào)文中取得的隨機(jī)數(shù)A1與原先發(fā)送的隨機(jī)數(shù)A進(jìn)行比較。如果二者一致，則標(biāo)簽確認(rèn)兩個(gè)公有的密鑰是一致的。射頻標(biāo)簽中另行產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)A2，并用于算出一加密的數(shù)據(jù)塊，用令牌2(Token2)表示，其中也包含有B和控制數(shù)據(jù)，Token2由標(biāo)簽發(fā)送給讀寫器。讀寫器將Token2譯碼，檢查原先發(fā)送的B與剛收到的是否一致。如果兩個(gè)隨機(jī)數(shù)一致，則證明了兩個(gè)公有的密鑰是一致的。

綜上所述，對(duì)稱算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

密鑰從不經(jīng)過空間傳輸，只是傳輸加密的隨機(jī)數(shù)。

兩個(gè)隨機(jī)