无线射频识别技术手册

目录

1. 引言：什么是RFID？

   
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   • 1 定义与基本原理
   • 2 RFID vs. 条形码
   • 3 RFID系统的核心优势

2. RFID系统组成

   • 1 标签
     • 1.1 标签的构成
     • 1.2 标签的分类（按供电方式）
     • 1.3 标签的分类（按工作频率）
   • 2 读写器
     • 2.1 读写器的构成
     • 2.2 读写器的分类
   • 3 天线
     • 3.1 天线的作用
     • 3.2 天线的类型
   • 4 中间件/软件系统

3. RFID工作频率

   • 1 低频
   • 2 高频
   • 3 超高频
   • 4 微波
   • 5 频率选择指南

4. RFID工作原理

   • 1 通信流程（读写器到标签）
   • 2 通信流程（标签到读写器）
   • 3 反向散射耦合原理

5. 关键技术参数

   
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   • 1 读取距离
   • 2 读取速率
   • 3 标签容量
   • 4 环境适应性（液体、金属）
   • 5 安全与隐私

6. RFID标准

   • 1 ISO/IEC 标准
   • 2 EPC Global 标准
   • 3 其他重要标准

7. RFID应用领域

   • 1 物流与供应链管理
   • 2 零售业
   • 3 资产追踪与管理
   • 4 交通与票务
   • 5 身份识别与安全门禁
   • 6 医疗保健
   • 7 动物识别
   • 8 工业自动化

8. 实施RFID项目的步骤

   • 1 需求分析与目标定义
   • 2 技术选型（频率、标签、读写器）
   • 3 环境评估与测试
   • 4 系统集成与部署
   • 5 培训与运维

9. 挑战与未来趋势

   
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   • 1 面临的挑战（成本、标准、隐私）
   • 2 未来发展趋势
     • 2.1 物联网的使能技术
     • 2.2 柔性与印刷电子标签
     • 2.3 超高频技术持续演进
     • 2.4 智能传感器标签

引言：什么是RFID？

1 定义与基本原理

无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无需人工干预。

其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感耦合或电磁耦合）的传输特性，实现读写器和标签之间的无接触信息传递，每个标签中存储着唯一或特定的电子编码，附着在物体上，作为该物体的“电子身份证”。

2 RFID vs. 条形码

3 RFID系统的核心优势

• 非视距识别：无需看到标签即可读取。
• 批量读取：一次可读取多个标签,极大提高效率。
• 穿透性强：可穿透纸张、木材、塑料等非金属材料。
• 数据可读写：信息可动态更新,适应多变需求。
• 环境适应性强：封装后的标签非常耐用,适用于恶劣环境。

RFID系统组成

一个完整的RFID系统主要由三部分组成：标签、读写器、天线，以及配套的中间件/软件系统。

1 标签

标签是数据载体,附着在待识别的物体上。

• 1.1 标签的构成
  • 芯片：存储电子编码，负责调制、解调射频信号。
  • 天线：用于接收读写器发出的射频信号,并返回标签自身的数据。
  • 基材：用于封装芯片和天线，可以是纸、塑料、陶瓷等。
• 1.2 标签的分类（按供电方式）
  • 无源标签：自身不带电池，通过接收读写器发出的电磁波获取能量进行工作。优点是成本低、体积小、寿命长。缺点是读取距离近、需要较大功率的读写器,是应用最广泛的类型。
  • 有源标签：内置电池，主动发射信号给读写器。优点是读取距离远、可读写、数据容量大。缺点是成本高、体积大、寿命有限。
  • 半有源标签：内置电池仅为芯片供电，通信时仍需从读写器获取能量，结合了无源和有源的部分优点，读取距离比无源标签远,但比有源标签近。
• 1.3 标签的分类（按工作频率）
  • 低频标签：如125/134.2 kHz。优点是穿透性强（对水、人体等），抗干扰性好。缺点是读取距离短，数据速率低，常用于动物识别、门禁控制。
  • 高频标签：如13.56 MHz。优点是读取距离适中，技术成熟，支持防冲突协议。缺点是易受金属和液体影响，常用于公交卡、身份证、图书管理。
  • 超高频标签：如860-960 MHz。优点是读取距离远、数据速率快、支持批量读取。缺点是易受金属和液体影响，不同国家频段不同，是物流、供应链管理的主流选择。
  • 微波标签：如2.45 GHz/5.8 GHz。优点是读取距离非常远，定向性好。缺点是绕射能力差，易受环境干扰,常用于电子收费系统。

2 读写器

读写器是信息控制和处理中心，负责与标签进行通信,并将读取到的数据传送给后台系统。

• 2.1 读写器的构成
  • 射频模块：负责发射和接收射频信号。
  • 控制单元：负责协议处理、数据编码和解码。
  • 接口单元：负责与外部设备（如PC、服务器）进行数据交换。
• 2.2 读写器的分类
  • 固定式读写器：安装在固定位置，用于对特定区域（如门口、传送带）进行持续扫描。
  • 手持式读写器：集成天线和电池，由操作人员手持移动使用,灵活性高。

3 天线

天线是标签和读写器之间射频信号的收发装置。

• 3.1 天线的作用
  • 在读写器端,将电流信号转换为电磁波并发射出去。
  • 在标签端，接收电磁波并将其转换为电流信号,激活标签。
• 3.2 天线的类型
  • 线极化天线：信号在一个平面内振动,方向性强。
  • 圆极化天线：信号在多个平面内振动，能更好地适应标签的不同朝向,应用更广泛。

4 中间件/软件系统

这是RFID应用的“大脑”,负责处理从读写器传来的海量数据。

• 主要功能：
  • 数据过滤与聚合：去除重复、错误的数据。
  • 设备管理：管理网络中的多个读写器。
  • 业务逻辑集成：将RFID事件（如“货物A通过门口”）与企业业务流程（如“更新库存”）关联起来。
  • 数据接口：提供标准接口，与企业ERP、WMS等系统对接。

RFID工作频率

选择合适的工作频率是RFID系统成功的关键。

RFID工作原理

以最普遍的无源标签为例,其工作流程分为两步：

1 通信流程（读写器到标签）

1. 激活：读写器通过天线发射特定频率的电磁波,形成一个电磁场。
2. 供电：当无源标签进入这个电磁场时，其天线线圈会感应出电流,为标签芯片提供工作所需的能量。
3. 指令：读写器通过调制电磁波的振幅、相位或频率，向标签发送指令（如“读取数据”）。

2 通信流程（标签到读写器）

1. 响应：标签芯片被激活后，根据收到的指令，将自身存储的数据进行编码（如改变负载阻抗）。
2. 反向散射：标签通过改变其天线与芯片连接处的负载，导致天线反射的电磁波特性发生微小变化，这个过程称为“反向散射”。
3. 解调：读写器接收到这些带有微弱变化的反射波，并对其进行解调,最终还原出标签发送的数据。

关键技术参数

• 1 读取距离：指读写器能够成功读取标签的最大距离，受标签类型、读写器功率、天线增益、环境因素（金属、液体）影响。
• 2 读取速率：指读写器在单位时间内能够成功读取的标签数量,与标签防冲突算法和通信协议有关。
• 3 标签容量：指标签芯片可以存储的数据量，通常以位为单位，只读标签容量固定,可读写标签容量可变。
• 4 环境适应性：
  • 金属：对UHF信号有强烈的屏蔽和反射作用,需使用抗金属标签或特殊天线。
  • 液体：对UHF信号有很强的吸收作用，会缩短读取距离,需选择特殊设计的标签或频率。
• 5 安全与隐私：
  • 加密：对标签和读写器之间的通信进行加密,防止数据被窃听。
  • 认证：确保读写器和标签的合法性。
  • 杀死：一种不可逆的功能，使标签永久失效，常用于零售领域,防止被再次扫描。
  • 隐私：防止未授权的读写器获取个人敏感信息。

RFID标准

标准是确保不同厂商设备之间互操作性的基础。

• 1 ISO/IEC 标准：国际标准化组织制定的标准，覆盖了所有频段和应用。
  • ISO/IEC 11784/11785：动物识别。
  • ISO/IEC 14443： proximity cards（非接触式IC卡），如身份证、公交卡。
  • ISO/IEC 15693： vicinity cards（ vicinity cards）,读取距离稍远。
  • ISO/IEC 18000：系列标准,覆盖了不同频段的空中接口协议。
• 2 EPC Global 标准：专注于物品管理的全球性行业标准。
  • EPC Gen2 (ISO/IEC 18000-6C)：是目前全球UHF RFID事实上的标准,广泛应用于物流和零售。
  • EPC编码体系：定义了全球唯一的物品编码标准。
• 3 其他重要标准：
  • NFC Forum标准：基于ISO/IEC 14443，定义了近距离通信的规范，用于手机支付、数据交换等。

RFID应用领域

RFID技术已渗透到社会生活的方方面面。

• 1 物流与供应链管理：从生产、入库、仓储到出库、运输、配送，全程自动化追踪，提高效率,减少差错。
• 2 零售业：无人商店、智能试衣间、库存盘点、防盗（EAS）。
• 3 资产追踪与管理：追踪IT设备、工具、医疗设备、贵重仪器等，防止丢失,优化使用。
• 4 交通与票务：电子不停车收费、公交卡、地铁票、电子护照。
• 5 身份识别与安全门禁：员工门禁卡、校园卡、身份证。
• 6 医疗保健：病人身份识别、药品追溯、医疗器械管理、婴儿防盗。
• 7 动物识别：为宠物、牲畜植入芯片,实现身份识别和溯源。
• 8 工业自动化：在生产线上追踪工件,实现自动化生产和质量追溯。

实施RFID项目的步骤

• 1 需求分析与目标定义：明确要解决的问题（如提高盘点效率99%）、要追踪的对象、期望达到的精度和速度。
• 2 技术选型：根据需求选择合适的频率（UHF为主流）、标签类型（是否需要抗金属）、读写器（固定式/手持式）和天线。
• 3 环境评估与测试：在实际环境中进行小规模测试，评估金属、液体等干扰因素,确定最佳的标签摆放位置和读写器部署方案。
• 4 系统集成与部署：将RFID硬件与现有软件系统（如ERP、WMS）通过中间件进行集成,并进行大规模部署。
• 5 培训与运维：对操作人员进行培训，建立日常维护和故障排除流程,确保系统长期稳定运行。

挑战与未来趋势

1 面临的挑战

• 成本：虽然成本在下降，但对于大规模应用,标签和设备成本仍是重要考量。
• 标准不统一：不同国家和地区对UHF频段的规定存在差异,给全球部署带来麻烦。
• 隐私与安全：大规模使用引发了对个人隐私和数据安全的担忧。
• 环境干扰：金属和液体仍然是影响UHF RFID性能的主要障碍。

2 未来发展趋势

• 2.1 物联网的使能技术：RFID是构建物联网最基础、最核心的技术之一，为海量物品提供“身份”和“感知”能力。
• 2.2 柔性与印刷电子标签：将RFID天线和芯片印刷在柔性基材（如纸张、塑料薄膜）上，成本极低，形态多样,可集成到产品包装中。
• 2.3 超高频技术持续演进：更高性能的芯片、更智能的天线、更强大的防冲突算法,将进一步提升读取距离和速度。
• 2.4 智能传感器标签：将RFID与传感器（如温度、湿度、压力）结合，不仅能识别身份，还能监测物品的环境状态，实现“会说话的标签”。

手册结束