射频识别技术之RFID系统设计

射频识别技术(RFID)又称电子标签、无线射频识别、感应电子芯片、非接触卡，是一种通过射频信号自动识别目标物体并获取相关数据的非接触自动识别技术。RFID技术可以在各种恶劣的环境中工作，无需人为干预。

此外，它能同时识别高速运动物体和识别多个标签，操作方便快捷。短程射频产品不怕油渍、灰尘污染和其他恶劣环境，因此在这种环境下，它们可以代替条形码，例如跟踪工厂装配线上的物体。长距离射频产品主要应用于交通领域，其识别距离可达数十米，如自动充电或车辆识别等。

根据电源的可用性，RFID分为无源和有源两种。

1) 被动标记：被动传感器本身没有电源。它的电源是由一个传感器产生的，传感器通过从读卡器发射频率来激活，数据最终被传输回读卡器。被动式标签薄而短，使用寿命长，但感应距离相对较短。

2) 主动标记：价格相对较高，体积比被动式标签大，因为内置电池。使用寿命长，传感距离长。

根据频率，射频识别可分为三种类型：低频、高频、超频：

1) 低频RFID(100～500KHz)：低频RFID感应距离较短，读取速度较慢。低频射频识别一般采用125KHz，穿透能力强。

2) 高频RFID(10~15MHz)：高频RFID感应距离较长，读取速度相对较高。射频识别主要使用13.56MHz的高频。

3) 超高频RFID(850950MHz2.45GHz)：超高频RFID传感距离最长，读取速度最快，但穿透能力差。

根据功能的不同，RFID系统可分为边缘系统和软件系统。边缘系统主要完成信息感知，属于硬件组成部分。软件系统完成信息处理和应用。通信设备负责整个RFID系统的信息传输。

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RFID系统的基本组成

电子标签又称应答器或智能标签，是一种主要由内置天线和芯片组成的微型无线收发器。图片

读写器是一种捕捉和处理RFID标签数据的设备，可以作为一个单独的或嵌入到其他系统中。读写器也是RFID系统的重要组成部分之一，它的名字来源于它可以将数据写入RFID。读写器的硬件通常由收发器、微处理器、存储器、外部传感器/执行器、报警输入/输出接口、通信接口和电源组成。

控制器是读卡器芯片有序运行的指挥中心。其主要功能：

天线是以电磁波的形式接收或辐射前端射频信号的装置。它是电路与空间的接口器件，用于实现导波与自由空间波能量的转换。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和阅读器天线，分别承担接收能量和发射能量的功能。读卡器天线的特点是：

通信设备为不同的RFID系统管理提供安全的通信连接，是RFID系统的重要组成部分。通信设施包括有线或无线网络和串行通信接口，供读卡器和控制器连接到计算机。无线网络可以是个人局域网(例如蓝牙技术)、局域网(例如802.11x、WiFi)或广域网(例如GPRS、3G技术)和卫星通信网络(例如同步轨道卫星L波段RFID系统)。

RFID有三种基本类型：线圈型、微带贴片型和偶极子型。其中，短距离应用系统使用的1米以下的RFID天线一般采用线圈式天线，工艺简单，成本低。它主要工作在中低频段。在应用系统中，1米以上的RFID天线通常采用微带贴片式或偶极子式。它们工作在高频和微波频率级。这些天线的原理是不同的。

① 线圈天线

当RFID线圈天线进入读写器产生的交变磁场时，RFID天线和读写器天线之间的相互作用与变压器相似，两者的线圈相当于变压器的一次线圈和二次线圈。射频识别线圈天线形成的谐振回路如下图所示。

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包括RFID天线的线圈电感L、寄生电容Cp和并联电容C2，其谐振频率为：

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电容C是Cp和C2的并联等效电容。RFID应用系统通过该频率载波实现双向数据通信。ID1非接触式IC卡外观为小型塑料卡(85.72mm×54.03mm×0.76mm)，天线线圈谐振频率一般为13.56MHz。目前已开发出一个最小面积为0.4mm×0.4mm线圈天线的短程RFID应用系统。

一些应用要求RFID天线线圈的形状较小，并且需要一定的工作距离，例如用于动物识别的RFID。当天线线圈面积较小时，RFID与阅读器之间的互感明显不适合实际应用。RFID天线线圈通常采用高导磁性的铁氧体材料来增加互感，补偿线圈截面的减小。

②微带天线

微带天线是一种由微带线或同轴探头在薄介质衬底上馈电的天线。一面附着一层薄金属层作为接地板，另一面用光刻蚀刻法制作出具有一定形状的金属贴片。微带天线可分为两种类型：①微带贴片天线② 微带缝隙天线

基本原则射频识别技术：读写器发送的射频信号经过编码后加载到高频载波信号上，再通过天线发出。进入读写器工作区的电子标签接收信号。卡中芯片的相关电路进行倍压整流、调制、解码、解码，然后判断命令请求、口令、权限等，最后根据指令进行标签处理。

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从电子标签与阅读器之间的通信和能量传感角度来看，系统一般可分为两类，即感应耦合系统和电磁后向散射耦合系统。根据电磁感应定律，利用空间高频交变磁场实现感应耦合;电磁背散射耦合，即雷达原理模型：发射的电磁波击中目标后反射，并携带目标信息，这是基于电磁波在空间中传播的规律。

RFID的感应耦合符合ISO/iec14443协议。感应耦合电子标签由电子数据载体组成，电子数据载体通常由单个微芯片和大面积线圈构成的天线组成。

几乎所有的感应耦合方式的标签都是被动工作的，标签中的微芯片工作所需的全部能量都是由读卡器传输的感应电磁能量提供的。阅读器的天线线圈产生高频强电磁场，穿过线圈的横截面和周围空间，使附近的电子标签产生电磁感应。