經(jīng)過20多年的努力發(fā)展，超高頻RFID技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，每年的出貨量達(dá)到了200億的級別。在這個過程中，中國逐步成為超高頻RFID標(biāo)簽產(chǎn)品的主要生產(chǎn)國，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大力支持下，行業(yè)應(yīng)用和整個生態(tài)的發(fā)展十分迅猛。然而，至今國內(nèi)還沒有一本全面介紹超高頻RFID技術(shù)的書籍。

為了填補這方面的空缺，甘泉老師花費數(shù)年之功，撰寫的新書《物聯(lián)網(wǎng)UHF RFID技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用》正式出版發(fā)布，本書對UHF RFID最新的技術(shù)、產(chǎn)品與市場應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述，干貨滿滿!RFID世界網(wǎng)得到了甘泉老師獨家授權(quán)，在RFID世界網(wǎng)公眾號特設(shè)專欄，陸續(xù)發(fā)布本書內(nèi)容。

在我們了解了RFID的起源和發(fā)展歷程之后，大家一定想更加深入的了解RFID技術(shù)到底是什么樣的，有什么技術(shù)特點。本節(jié)將對RFID的系統(tǒng)及技術(shù)進(jìn)行講解。

1.3.1 RFID的系統(tǒng)構(gòu)成

一個典型的RFID系統(tǒng)如圖1-3所示。一般包括RFID標(biāo)簽(RFID Tag)、閱讀器或問詢器(Reader or Interrogator)和應(yīng)用 (Application )三個部分。閱讀器通過射頻信號給標(biāo)簽提供能量并“詢問”標(biāo)簽，標(biāo)簽被激活后將其存儲的標(biāo)簽信息發(fā)送給閱讀器，閱讀器再將讀取的標(biāo)簽信息發(fā)送給應(yīng)用系統(tǒng)以結(jié)合具體的應(yīng)用背景進(jìn)行數(shù)據(jù)的控制、存儲及管理。

RFID標(biāo)簽(RFID Tag)一般由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片組成。標(biāo)簽天線接收閱讀器發(fā)射過來的射頻信號并轉(zhuǎn)化為能量，獲取的能量給標(biāo)簽芯片供電。當(dāng)獲取的能量足夠時，標(biāo)簽芯片被激活，并根據(jù)閱讀器的詢問指令完成相應(yīng)的動作，將芯片上存儲的標(biāo)簽信息通過調(diào)制射頻載波的方法反射給閱讀器。每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，用于對附著物體的標(biāo)識。標(biāo)簽?zāi)軌虼鎯τ嘘P(guān)物體的數(shù)據(jù)信息，不同類型的芯片存儲空間和存儲方式不同。在RFID管理系統(tǒng)中，每一個標(biāo)簽中對應(yīng)著一個物體的屬性、狀態(tài)、編號等信息。標(biāo)簽通常安裝在物體表面，具有一定的無金屬遮擋的視角。本節(jié)只是簡單介紹標(biāo)簽的基本功能方便讀者了解RFID的系統(tǒng)構(gòu)成，在后面的章節(jié)我們會著重介紹RFID標(biāo)簽的細(xì)節(jié)。

RFID閱讀器(RFID Reader)內(nèi)部主要是由數(shù)據(jù)協(xié)議處理器和物理層詢問器組成，其中數(shù)據(jù)協(xié)議處理器負(fù)責(zé)整個RFID協(xié)議的協(xié)議棧處理、編解碼處理、邏輯存儲處理以及與應(yīng)用系統(tǒng)的通信處理;物理層詢問器，主要負(fù)責(zé)射頻信號處理、空中接口數(shù)據(jù)處理等。由閱讀器產(chǎn)生的射頻信號通過閱讀器天線發(fā)射給標(biāo)簽。標(biāo)簽的反射信號也通過閱讀器天線接收，并被閱讀器主機解析與識別。從而實現(xiàn)一次標(biāo)簽的清點(詢問)。

應(yīng)用(Application)主要負(fù)責(zé)對閱讀器的控制、設(shè)置及對讀取標(biāo)簽信息的管理，并結(jié)合具體應(yīng)用項目給出適當(dāng)?shù)呐袛嗯c顯示，或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲及管理。應(yīng)用系統(tǒng)一般與計算機網(wǎng)絡(luò)體系連接，網(wǎng)絡(luò)體系的各層結(jié)構(gòu)由各種RFID 中間件控制、訪問。

當(dāng)一個系統(tǒng)中同時存在RFID標(biāo)簽、RFID閱讀器和應(yīng)用時，才可以說這個RFID系統(tǒng)是一個完整的RFID系統(tǒng)，才能完成最簡單的RFID應(yīng)用。麻雀雖小五臟俱全，無論多么龐大的系統(tǒng)，都擺脫不了這個最基本的RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在后面的章節(jié)中會有許多復(fù)雜的案例，無論是幾十臺閱讀器還是幾百萬的標(biāo)簽，都是在此RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上演化而來的。

1.3.2 RFID技術(shù)的分類

前面介紹的RFID都是從系統(tǒng)的層面進(jìn)行分析，讀者可能不知道RFID其實是一個非常大的大家庭，那么RFID的種類有多少呢，它們之間的差異是什么呢?如圖1-4 RFID 技術(shù)分類圖：

從圖中我們可以看到根據(jù)工作頻率不同、協(xié)議不同、供電方式不同、功能不同、數(shù)據(jù)處理方式不同、數(shù)據(jù)格式不同，RFID可以分成各種各樣的種類。那么這么多不同種類分別有什么作用呢?這里就從最簡單的幾個概念開始講解。

RFID與工作頻率(Operation Frequency)

如圖1-5，為射頻頻譜圖。自然界中所有電磁波的分布圖如最上一排所示，頻率從低到高為：電力波(Electric Waves)、無線電波(RadioWaves)、紅外線(Infra-red)、可見光(VisibleLight)、紫外線(Ultra-Violet)、X射線(X-Rays)、Gamma射線(Gamma-Rays)、宇宙射線(Cosmic Rays)。其中，與RFID相關(guān)的只是無線電波(RadioWaves)部分。無線電波顧名思義就是可以輻射到外界的電波。從圖中可以看出無線電波的頻率范圍從9KHz到300GHz，分成超低頻VeryLow Frequency(VLF)、低頻Low Frequently(LF)、中頻MediumFrequency(MF)、高頻High Frequency(HF)、甚高頻VeryHigh Frequency(VHF)、超高頻Ultra High Frequency(UHF)、特高頻SuperHigh Frequency(SHF)、極高頻Extremely High Frequency(EHF)。

不難看出，頻段的分割點，分別在30kHz、300KHz、…..300GHz。那么，為什么是用3XXHz來作為分割點呢?基于光速和波長的關(guān)系：λ=c/f，其中λ代表波長，c代表光速(3×108 m/s)，f代表頻率，那么f=c×λ。人們在進(jìn)行天線設(shè)計的時候，天線尺寸的單位通常采用毫米、厘米、米等，而天線的長度一般與波長相關(guān)。于是，人們?yōu)榱朔奖憔陀瞄L度單位來定義一類電磁波。如厘米波(1cm到10cm波長)，那么對應(yīng)的頻率則是3GHz到30GHz。在我們的日常生活中，無線電波無處不在,如表1-1。例如，我們聽的收音機FM就是VHF頻段，我們的手機是UHF頻段。

在RFID應(yīng)用中最常見的頻率為LF(125KHz、134KHz)、HF(13.56MHz)、UHF(800M-900MHz)以及2.4GHz和5.8GHz。

2. RFID與數(shù)據(jù)傳輸方式(Transmission)

RFID的數(shù)據(jù)傳輸方式主要有三種，如圖1-6所示。

這三種方式為：電容耦合(Capacitive Coupling)、電感耦合(Inductive Coupling)、電磁場傳播(EM-WavePropagation)。

(1) 電容耦合

這種方式是利用電容的電場變化原理來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，但是這種方式的局限性很強。首先，Reader和Tag天線之間的距離要非常近，這樣才有電容效應(yīng)，Reader電壓的變化才能使Tag識別到;其次需要Reader和Tag天線面積很大，這樣才能提供足夠的傳輸能量。由于電容耦合技術(shù)弊端非常多，現(xiàn)在已經(jīng)很難看得到這樣的應(yīng)用了。

(2) 電感耦合

這種技術(shù)是現(xiàn)在最常見的RFID傳輸技術(shù)之一，使用廣泛、方法簡單，即Reader天線和Tag天線都是閉合線圈，根據(jù)之間的電感耦合進(jìn)行傳輸。根據(jù)諧振頻率、匹配不同以及兩個天線之間的距離，可以計算出兩個天線之間的耦合系數(shù)(在不考慮諧振匹配的情況下距離越近，線圈的匝數(shù)越多其耦合系數(shù)越高)。Reader在傳輸數(shù)據(jù)的同時，能量也可以傳輸給Tag。此種電感耦合的工作方式，一般都是近距離(Near Filed)通信技術(shù)。正常情況下Tag的工作距離為10厘米左右，只有非常特殊的情況下可以工作到1米左右的距離，如15693協(xié)議(13.56MHz)下在門型天線的工作環(huán)境中可以實現(xiàn)中距離的標(biāo)簽讀取。電感耦合的傳輸方式使用于各種頻率，包括從低頻到超高頻的所有頻率。這里重點說一下，在UHF超高頻的應(yīng)用中，有許多環(huán)境中需要近場的應(yīng)用，最簡單的實現(xiàn)方式就是用近場的Reader天線配合近場的標(biāo)簽天線，在后面的應(yīng)用中我們會著重介紹近場的RFID方案。

(3) 電磁波傳播

電磁波傳播也分兩種模式，一種是利用反向散射電磁波傳播(EM-Wave propagation back-scattering)技術(shù)，另外一種是主動收發(fā)技術(shù)(Bidirectional EM propagation)。這兩種技術(shù)都是利用電磁波的傳播，都可以遠(yuǎn)距離工作，一般工作距離都可以超過3m，最遠(yuǎn)可以到達(dá)幾十米或者上百米。其中反向散射技術(shù)多應(yīng)用于無源超高頻技術(shù)，其特點是標(biāo)簽為無源，其能量從閱讀器輻射的電磁波中獲得。當(dāng)標(biāo)簽對閱讀器進(jìn)行通信時，閱讀器不能停止工作，要不停地向標(biāo)簽發(fā)射射頻載波(RF Continue Waves)，標(biāo)簽通過調(diào)制并反射閱讀器的射頻載波使閱讀器接收到標(biāo)簽發(fā)射的數(shù)據(jù)。這種利用反向散射技術(shù)的無源RFID技術(shù)一般標(biāo)簽成本最低，工作距離大概8米左右，只有在非常特殊的環(huán)境中可以達(dá)到20米左右(如在車輛交通管理中，使用超標(biāo)發(fā)射的大天線可以達(dá)到20米左右的距離)。主動發(fā)射或者雙工發(fā)射的技術(shù)主要用于有源標(biāo)簽的應(yīng)用中，其特點是每一個標(biāo)簽都是一個有源的收發(fā)器，其能量不來自閱讀器而來源于自身攜帶的電池。當(dāng)閱讀器發(fā)出命令后，標(biāo)簽主動發(fā)出應(yīng)答。該技術(shù)有較遠(yuǎn)的通信距離，讀取穩(wěn)定性強，但是價格貴且由于電池的原因壽命短，同樣由于電池的原因其高低溫環(huán)境的要求很高。常用的工作頻率有433MHz、800-900MHz、2.4GHz、5.8GHz。

3. RFID與供電方式(Power supply)

RFID標(biāo)簽的供電方式有3種，無源標(biāo)簽、有源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽。根據(jù)標(biāo)簽上是否帶有電池，可以將標(biāo)簽分為無源標(biāo)簽(Passive tags)、有源標(biāo)簽(Active tags)和半有源(Semi—active tags)標(biāo)簽。無源標(biāo)簽也稱為被動式標(biāo)簽，是通常意義上的RFID標(biāo)簽，即由閱讀器詢問信號提供能量，標(biāo)簽通過反射方式進(jìn)行信號傳輸。無源RFID標(biāo)簽無須外加電池，當(dāng)其處于閱讀器的有效讀取范圍內(nèi)時，閱讀器產(chǎn)生的詢問電磁波在RFID標(biāo)簽天線上產(chǎn)生的能量即可驅(qū)動芯片完成解碼、解析、編碼及反向調(diào)制等功能。與有源RFID 標(biāo)簽相比，無源RFID標(biāo)簽體積更小、成本更低、壽命更長。但是，由于無源RFID標(biāo)簽自身不帶電池，必須要處于閱讀器有效讀取范圍內(nèi)才能工作。因此，其距離一般比較短。低頻及高頻的RFID標(biāo)簽讀取距離只有幾十厘米，超高頻RFID標(biāo)簽最遠(yuǎn)也就十幾米的范圍(不超標(biāo)情況下)。隨著集成電路設(shè)計工藝的改進(jìn)，更低功耗的標(biāo)簽芯片會被設(shè)計出來，到時其最大讀取距離會更遠(yuǎn)些。

有源RFID標(biāo)簽也稱為主動式標(biāo)簽。標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，使用專用的射頻芯片，一般具有較遠(yuǎn)的閱讀距離(上百米)，并定時主動發(fā)射信號。不足之處是電池的壽命有限，一般小于一年。而且有源電子標(biāo)簽的體積較無源的要大，成本要高，目前一般應(yīng)用于車輛管理、航運管理及礦井管理等特殊的場合。

半有源RFID標(biāo)簽也稱為半無源RFID標(biāo)簽。標(biāo)簽內(nèi)部也有電池，但其電池只供接收或傳感電路進(jìn)行工作，標(biāo)簽的應(yīng)答仍然與無源的方式相似，即反射調(diào)制。由于有電池輔助，半有源RFID標(biāo)簽的讀取距離比無源RFID標(biāo)簽要遠(yuǎn)。而且，只需很少的能量就可以維持比較長的使用壽命。通過使用超薄電池，可以大大減小標(biāo)簽的體積。典型的代表有德國KSW公司，其制造的半有源的RFID智能標(biāo)簽傳感器VarioSensBasic采用1.5V 薄膜電池，使用時間約為1.5年。產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域為化學(xué)行業(yè)的化學(xué)品監(jiān)控、醫(yī)療行業(yè)的藥品和易腐爛食品的運輸監(jiān)測等。

無源標(biāo)簽、有源標(biāo)簽及半有源標(biāo)簽的工作原理如圖1-7所示。由于無源標(biāo)簽、有源標(biāo)簽及半有源標(biāo)簽具有各自的成本或性能上的特征，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也各不一樣。無源標(biāo)簽、有源標(biāo)簽及半有源標(biāo)簽的區(qū)別如表1-2所示。

4. RFID與空口協(xié)議(Air Protocol)

空中接口通信協(xié)議規(guī)范是讀寫器與電子標(biāo)簽之間信息交互的規(guī)范，目的是解決不同廠家設(shè)備之間的互聯(lián)互通性。ISO/IEC制定五種頻段的空中接口協(xié)議，這種思想充分體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的相對性，一個標(biāo)準(zhǔn)是對相當(dāng)廣泛的應(yīng)用系統(tǒng)的共同需求，可以滿足更大范圍的應(yīng)用需求。

ISO/IEC 18000-1信息技術(shù)-基于單品管理的射頻識別-參考結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的參數(shù)定義。它規(guī)范空中接口通信協(xié)議中共同遵守的讀寫器與標(biāo)簽的通信參數(shù)表、知識產(chǎn)權(quán)基本規(guī)則等內(nèi)容。這樣每一個頻段對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不需要對相同內(nèi)容進(jìn)行重復(fù)規(guī)定。

ISO/IEC 18000-2信息技術(shù)-基于單品管理的射頻識別-適用于中頻125～134KHz，規(guī)定在標(biāo)簽和讀寫器之間通信的物理接口，讀寫器應(yīng)具有與Type A(FDX)和TypeB(HDX)標(biāo)簽通信的能力;規(guī)定協(xié)議和指令再加上多標(biāo)簽通信的防碰撞方法。

ISO/IEC 18000-3信息技術(shù)-基于單品管理的射頻識別-適用于高頻段13.56MHz，規(guī)定讀寫器與標(biāo)簽之間的物理接口、協(xié)議和命令再加上防碰撞方法。關(guān)于防碰撞協(xié)議可以分為兩種模式，而模式1又分為基本型與兩種擴(kuò)展型協(xié)議(無時隙無終止多應(yīng)答器協(xié)議和時隙終止自適應(yīng)輪詢多應(yīng)答器讀取協(xié)議)。模式2采用時頻復(fù)用FTDMA協(xié)議，共有8個信道，適用于標(biāo)簽數(shù)量較多的情形。

ISO/IEC 18000-4信息技術(shù)-基于單品管理的射頻識別-適用于微波段(雖然2.4GHz是在UHF頻段的，但是在大家的約定俗成中，稱之為微波段，同理5.8GHz的RFID應(yīng)該是SHF頻段的，也算在微波段內(nèi))2.45GHz，規(guī)定讀寫器與標(biāo)簽之間的物理接口、協(xié)議和命令再加上防碰撞方法。該標(biāo)準(zhǔn)包括兩種模式，模式1是無源標(biāo)簽工作方式是讀寫器先講;模式2是有源標(biāo)簽，工作方式是標(biāo)簽先講。

ISO/IEC 18000-6信息技術(shù)-基于單品管理的射頻識別-適用于超高頻段860～960MHz，規(guī)定讀寫器與標(biāo)簽之間的物理接口、協(xié)議和命令再加上防碰撞方法。它包含Type A、TypeB、Type C和TypeD四種無源標(biāo)簽的接口協(xié)議，通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10m。其中TypeC是由EPC global起草的，并于2006年7月獲得批準(zhǔn)，它在識別速度、讀寫速度、數(shù)據(jù)容量、防碰撞、信息安全、頻段適應(yīng)能力、抗干擾等方面有較大提高。2006年遞交V4.0草案，它針對帶輔助電源和傳感器電子標(biāo)簽的特點進(jìn)行擴(kuò)展，包括標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲方式和交互命令。帶電池的主動式標(biāo)簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強的通信可靠性，不過其尺寸較大，價格也更貴一些。

ISO/IEC 18000-7適用于超高頻段433.92MHz，屬于有源電子標(biāo)簽。規(guī)定讀寫器與標(biāo)簽之間的物理接口、協(xié)議和命令再加上防碰撞方法。有源標(biāo)簽識讀范圍大，適用于大型固定資產(chǎn)的跟蹤。

根據(jù)協(xié)議不同，閱讀器和標(biāo)簽的誰先說話也有很大不同，標(biāo)簽先說話(Tag talk first TTF)、閱讀器先說話(Readertalk first RTF)。最常見的是RTF，基本多數(shù)的RFID都是遵循RTF;但是也有少數(shù)的協(xié)議是遵循TTF，如18000-6D協(xié)議以及18000-4的模式2都是標(biāo)簽先說話，標(biāo)簽先說的好處是采集速度快，靈敏度高，實時性強，同時缺點也是很明顯的，比如傳輸數(shù)據(jù)量小，功能簡單。

5. RFID技術(shù)分類總結(jié)：

表1-3為多種RFID技術(shù)對比總結(jié)。

從中我們可以看出，并不是像很多人認(rèn)為的頻率高通信速率就快，當(dāng)然頻率高可以獲得更高的帶寬，但是最重要的是看協(xié)議如何規(guī)定的。