1.2.1 射频识别（RFID）系统的架构、功能及通信原理

1.RFID系统架构

典型的RFID系统主要由阅读器、标签、RFID中间件和应用系统软件四个部分构成。RFID系统的工作原理如图1.12所示。

在实际的解决方案中，RFID 系统都包含一些基本组件，这些组件可分为硬件组件和软件组件。

从功能实现的角度来看，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分，边沿系统主要是完成信息的感知，属于硬件组件部分；软件系统完成信息的处理和应用；通信设备负责整个RFID系统的信息传递。RFID系统的基本组成如图1.13所示。

（1）标签。标签（Tag）也称为应答器或智能标签（Smart Label），是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。

（2）阅读器。阅读器是一个捕捉和处理RFID标签中数据的设备，它可以是单独的个体，也可以嵌入到其他系统中。阅读器也是构成RFID系统的重要部件之一，由于它能够将数据写入RFID标签中，因此也称为读写器。

阅读器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/执行器、报警器的输入/输出接口、通信接口及电源等部件组成。微处理器是阅读器有序工作的指挥中心，其主要功能是：与应用系统软件进行通信；执行从应用系统软件发来的动作指令；控制阅读器与标签的通信过程。其中，最重要的是对阅读器的控制操作。

天线是一种以电磁波形式接收或发射射频信号的设备，是电路与空间的接口，用来完成导波与自由空间波之间能量的转化。在RFID系统中，天线分为标签天线和阅读器天线两大类，分别用于接收射频信号和发射射频信号。

2.RFID系统功能分析

作为一种简单的无线系统，RFID 系统只有两个基本器件，一个是阅读器，另一个是标签，如图1.14所示。其基本工作原理是：阅读器以广播的方式连续地向周围发送携带能量的射频信号，感应到能量的标签通过调制电路信号以反射的方式向阅读器返回自身携带的数据，阅读器对接收到的数据进行解码，并传给主机进行处理。通过上述方式，RFID 系统能够提供有效的身份信息和地址信息。在物联网环境下，RFID 系统可以针对具体的应用需求，对被标识的物理对象进行合理有效的信息收集，为上层应用提供最基本的数据支持。

在RFID应用系统中，要从一个标签中读出数据或者向一个标签写入数据，需要非接触式的阅读器作为接口。阅读器与标签的所有动作均由应用软件控制，对一个标签的读写操作是严格按照主从原则进行的。在这个主从原则中，应用软件是主动方，阅读器是从动方，只对应用软件的读写指令做出反应。

1）阅读器

（1）阅读器的功能。阅读器的基本任务是启动标签，与标签建立通信，并在应用软件和标签之间非接触式地传送数据。非接触式的通信具体细节包括通信建立、冲突避免和身份验证等，均由阅读器来完成。如果应用软件向阅读器发出的一条读取命令，就会在阅读器与标签之间触发一系列的通信步骤，具体如下：

● 应用软件向阅读器发出一条读取标签信息的命令。

● 阅读器进行搜索，查看标签是否在阅读器的作用范围内。

● 标签向阅读器发送序列号。

● 阅读器对标签的身份进行验证。

● 阅读器通过对标签的身份验证后，读取该标签的信息。

● 阅读器将标签的信息送往应用软件。

（2）阅读器的分类。RFID 系统的工作原理与其所使用的射频信号频率有关，而射频信号频率的高低对阅读器的工作距离、数据传输速率、天线的方向性等都有直接的影响。通常，阅读器的工作频率越高，可识别标签的最远距离越大、数据传输速率越高，信号在传播过程中的衰减也越严重，对障碍物（如水、金属、电离体等）也越敏感；而阅读器的工作频率越低，可识别电子标签的最远距离越小、数据传输速率越低，信号在传播过程中的衰减越小。按照阅读器所使用的工作频率不同，可以将阅读器分为低频阅读器、高频阅读器、超高频阅读器和特高频阅读器等。我国无线电频率分布表（部分）如表1.1所示。

低频阅读器和高频阅读器通常采用电感耦合的方式工作，工作距离一般小于1m。典型的工作频率有125 kHz、135 kHz、13.56 MHz。在我国，13.56 MHz的高频阅读器、标签使用得比较广泛。

超高频阅读器和特高频阅读器的工作利用的是电磁反向散射原理，工作距离一般大于1 m，典型的工作频率有433 MHz、860～960 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz。其中860～960 MHz是EPC Global标准规定的阅读器和标签通信的标准频段。

2）标签

（1）标签的组成结构。从外观上看，标签由天线和芯片两部分组成，如图1.15所示。

其中，标签的天线尺寸决定了整个标签的大小。标签的天线主要功能是接收阅读器发送的射频信号并转交给标签进行处理，以及将标签保存的数据发送给阅读器。对无源标签来说，天线还负责为其工作提供能量。

标签最主要的功能就是存储一定量的数据，并以非接触的方式将数据发送给阅读器。为了能够存储数据，标签内部需要包含存储器，存储器的容量通常在几字节到几千字节，通常存储器需要能够提供读写操作。对无源标签来说，它要能够从阅读器的电磁场中吸收能量，所以就需要一个合适的天线。有些标签还提供数据的保护措施，这就要求标签要有访问控制机制。标签的功能可归纳为如下几点：

● 存储数据，即标签内存储了和物品相关的信息，如标识符、生产日期、生产厂家等。

● 非接触式读写，即标签可以在阅读器一定距离的范围内被识别。

● 能量获取，即标签可以从阅读器发射的电磁场中吸收能量，为自身工作供电。

● 安全加密，即标签和阅读器之间的通信遵循一定的安全协议。

● 碰撞退让，即多个标签和多阅读器场景下的响应机制。

（2）标签的分类。

① 按照封装形式分类。

卡形标签：使用卡形标签有很多好处，如便于携带、标签的天线可以得到较好的保护、防潮防水等。各种频段的标签都可以使用这种封装形式，如图1.16所示。

标签形标签：使用标签形标签一般是为了方便附着在其他物体上，如图1.17所示。因此，在进行封装的时候，背面一般会有类似黏合剂的物质，黏合剂的外层是一张薄纸膜，撕掉薄纸膜就可以直接将标签贴在物体上。这种标签主要应用在工业生产、物流管理等领域，用于标识物体。

植入型标签：使用植入型标签最普遍的领域是动/植物管理，如图 1.18 所示，该类标签体积小，质量仅为0.1 g左右，易于隐蔽，使用寿命超过20年，被广泛应用于珍贵鱼类、狗、猫等宠物管理。钉形标签则可被用于城市古树管理、混凝土防伪等；家畜耳标可以被用来追溯猪、羊等家禽的流通环节。

佩件形标签：使用佩件形标签一般是为了携带方便，同时又不影响美观，佩件的外观通常是为了符合人们的活动特点，如图1.19所示，RFID钥匙外观小巧玲珑，坚固耐用，而且还可以防水、防振。RFID衣扣可用于高档西服的防伪，这种衣扣的寿命可达10年以上，可防水、防振、防腐蚀。医用 RFID 腕带可用于电子病历系统，RFID 子/母腕带还可以用于产妇和新生儿的识别护理等。游泳RFID手牌的防水性能很好，可用于极为潮湿的环境。

② 按照能量来源分类。

有源标签：有源标签又称为主动标签。因为有源标签的能量并不是来自阅读器发送的电磁波，而是来自自身携带的电池，所以有源标签可以主动地向阅读器发送数据，但标签的寿命受限于电池的容量。通常，可将有源标签、传感器芯片以及控制电路集成在一起，共同协作完成某些任务。例如，传感器芯片将采集到的数据通过有源标签发送给阅读器，然后有源标签通过控制电路执行阅读器的相应命令。有源标签的工作距离可以达到几十米，甚至上百米。由于有源标签的通信距离远，功能相对复杂，存储容量一般也比无源标签大很多，所以其价格要比无源标签高很多，通常用于贵重资产的管理。

无源标签：无源标签又称为被动标签，自身没有能量，是依靠反射阅读器发射的电磁波来获得能量的。由于获得的能量十分有限，无源标签的通信距离比有源标签小得多，通常只有几米，能够传输的数据量也很有限。无源标签大多应用在物品统计、运输、跟踪以及医疗、防盗领域等。由于无源标签不需要更换电池，结构简单，成本低廉，使得它在某些应用场景下是非常有利的。例如，置于人体表皮组织内的标签，是不允许频繁更换电池的，此时使用无源标签就比较合适。

无源标签和有源标签可以相互结合、取长补短。在资产供应链管理的解决方案中，对物品移动变化较小、安全性、感知、存储要求不高的场景，使用无源标签可以降低成本；而在物品移动变化较大、安全措施要求复杂、数据存储能力要求较强的场景，使用有源标签可保证质量。

半无源标签：半无源标签就是有源标签和无源标签的一种结合，这种标签的集成电路板上也会含有电池，但这些电池只是一种辅助性的能量。与无源标签类似，半无源标签从阅读器发射的电磁波吸收能量来唤醒芯片并将数据传送给读取器。当标签吸收的能量不足以维持其工作的电压时，辅助电池才会提供工作能量，因此，这类标签有时也称为电池辅助型无源标签。

③ 按照工作频率分类。

低频段电子标签：低频段电子标签简称低频标签，其工作频率范围为30～300 kHz，安全保密性差。低频标签一般为无源标签，其工作能量是通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得的。当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。一般情况下，低频标签的阅读距离小于1m。低频标签的工作频率不受无线电频率管制约束，非常适合近距离、低速、数据量要求较少的识别应用等，如门禁、考勤以及动物的标识。低频标签的工作频率较低，可以穿透水、有机组织和木材，其外观可以做成耳钉式、项圈式、药丸式或注射式。

高频段电子标签：高频段电子标签（高频标签）的工作频率一般为300 Hz～30 MHz，典型工作频率为13.56 MHz，一般也采用无源方式，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得的。当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。典型应用包括电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗、小区物业管理、大厦门禁系统等。我国第二代身份证内嵌有符合ISO/IEC 14443 Type B协议的13.56 MHz的RFID芯片。

超高频标签与微波标签：这类标签的读写距离大，典型的工作频率为 860～960 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz。工作时，标签位于阅读器天线辐射场的远场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁反向散射方式，阅读器天线辐射场为标签提供能量，相应的RFID系统阅读距离一般大于1 m，典型情况为4～7 m，最大可达10 m以上。阅读器天线一般为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的标签才可被读写。超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。微波标签的典型应用包括移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用等。超高频标签的缺点是信号穿透水、金属等电离物质的能力非常弱。

3.RFID的通信原理

1）射频频谱与电磁波信号传输

电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量的，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。例如，收音机或者广播电视的天线中不断流过的电流最终会形成电磁波，电磁波在空间中辐射，最终被其他天线接收，这就是最简单的无线通信。

在现实生活中，手机、GPS定位、收音机、蓝牙、无线宽带等一系列的应用都在使用无线通信。但是，无线信道并非如同有线信道那样可靠，不同的无线信号之间会产生干扰，解决这一问题的方法就是将各种无线信号调制到不同频率的载波信号中传输，而每个应用只需要关注各自应用所在的载波频率就可以正确获得传输信号，调制在不同载波频率的信号之间根据载波频率的不同而可以被接收器正确区分，因此，为不同应用分配不同的载波频率将直接关系到此类应用是否会与其他应用发生冲突，以及能否满足应用需求。但是，无线频谱是稀缺资源，人们所能提供的频谱分配远远不能满足日益增长的无线通信应用。相关频谱分配如图1.20所示。

RFID使用的射频频谱在30 kHz的低频至30 GHz的甚高频这个频段内，但是并非遍布整个频段，而是根据具体应用使用特殊的载波频率。根据使用频率的不同，RFID 系统可分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波RFID系统。典型的RFID系统的工作频率包括低频的125 kHz、高频的13.56 MHz、超高频的915 MHz，以及微波段的2.4 GHz和5.8 GHz。

RFID 系统选取诸多工作频率段主要是因为不同频率信号的传输特性有一定差别。总体而言，由于波长较长，低频信号拥有较好的衍射能力，通常可以绕过大多数的障碍物，不影响传输距离，但低频信号的穿透力却较弱；相反，超高频的信号可以穿透木板、硬纸板等物质，但1 m左右的波长导致其衍射能力有限。低频的频率范围为30～300 kHz，一般采用无源标签，通信距离小于1 m，并且不受金属外任何材料干扰；高频的频率范围为3～30 MHz，通信距离一般也小于1 m，主要指13.56 MHz；超高频的频率范围为300 MHz～3 GHz，通信距离一般大于1 m，典型距离为4～6 m，但是该频段的电波穿透水、金属等电离体物质的能力非常弱；而工作在2.45 GHz和5.8 GHz上的一般是微波信号，通信距离最大也能达到10 m。

2）RFID的无线通信原理

在一个典型的RFID系统中，通常需要包含标签、阅读器，以及与之配套的天线，如图1.21所示。阅读器类似于询问机，而标签则充当应答机，天线用于传输射频信号。当阅读器和标签在无线环境下传输数据时，通常都需要一条双向通信信道和一个适当的载波频率。

无线信道的通信环境比有线信道复杂许多，能量衰减、标签的解码能力和环境影响等一系列问题都关系到RFID系统的性能。