1.3.2 RFID
1. 基本概念
RFID是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100ms。
RFID技术的优势不在于监测设备及环境状态，而在于“识别”。即通过主动识别进入磁场识别范围内的物体来做相应的处理。RFID不是传感器，它主要通过标签对应的唯一ID号识别标志物。而传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2. RFID系统组成
射频识别系统主要由三部分组成：电子标签、天线、阅读器。此外，还需要专门的应用系统对阅读器识别做相应处理，如图1-5所示。
图1-5 射频识别系统的组成结构
1）电子标签
电子标签也称射频标签、应答器，由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。
2）阅读器
阅读器是读取或读/写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。
3）天线
天线是标签与阅读器之间传输数据的发射/接收装置。
3. 基本工作原理
RFID电子标签技术是物联网的核心技术，是能够让物品自我介绍的一种技术。它采集物品的信息，并给它贴上特定的标签，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。
RFID技术的基本工作原理是：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
一套完整的RFID系统由阅读器（Reader）与电子标签（Tag）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三部分组成，其工作原理是Reader向Transponder发射一特定频率的无线电波能量，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader就依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。
RFID卡片阅读器及电子标签之间的通信及能量感应方式大致可以分成：感应耦合（Inductive Coupling）及后向散射耦合（Backscatter Coupling）两种，一般低频的RFID大都采用第一种方式，而较高频的RFID大多采用第二种方式。
（1）感应耦合：依据电磁感应定律，通过空间高频交变磁场实现耦合。感应耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离RFID系统。
（2）后向散射耦合：依据电磁波的空间传播规律，发射出去的电磁波碰到目标后发生反射，从而携带回相应的目标信息。后向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离RFID系统。
通俗的理解，感应耦合这种方式主要应用在低频（LF）、高频（HF）波段，由于低频RFID系统的波长更长，能量相对较弱，因此主要依赖近距离的感应来读取信息。后向散射耦合主要应用在高频、超高频（UHF）波段，由于高频率RFID系统的波长较短，能量较高。因此，阅读器天线可以向标签辐射电磁波，部分电磁波经标签调制后反射回阅读器天线，经解码以后发送到中央信息系统接收处理。
阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合元件（线圈、微带天线等）和微芯片组成的无源单元。
4. RFID系统分类
目前，按照RFID系统使用的频率范围，可将RFID系统划分为四个应用频段：低频、高频、超高频和微波，如表1-1所示。其中，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理（电磁感应），而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射（电磁传播）原理。
表1-1 RFID系统分类
1）低频射频标签
低频射频标签简称为低频标签，其工作频率范围为30～300kHz。典型工作频率有125kHz和133kHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需要位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1m。
典型应用：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。
2）高频射频标签
高频射频标签的工作频率一般为3～30MHz。典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。但另外，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。
高频标签一般也采用无源为主，其工作能量同低频标签一样，也通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。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。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1m。
典型应用：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）、小区物业管理、大厦门禁系统等。
3）超高频、微波射频标签
超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有433.92MHz、862（902）～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。
微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远场区内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4～6m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求。
典型应用：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。
5. 应用实例
1）交通管控
ETC系统，即通常所说的不停车收费系统，它是以现代通信技术、电子技术、自动控制技术、计算机和网络技术等高新技术为主导，实现车辆不停车自动收费的智能交通电子系统。
当装有RFID标签的车辆在0～10m范围内接近ETC读写器时，ETC读写器受控发出微波查询信号，安装在受查车辆固定位置的电子标签收到读写器的查询信号后，将此信号与电子标签自身的数据信息（如高速里程）反射回读卡器。这种技术可以减少人为的乱收费现象，同时提高通关速度、防止堵车。
ETC系统要求RFID能够实现至少10m的远距离识别。由于技术要求和实际情况的不同，所采用的读卡器的型号也不同。日本、美国、中国等大多数国家的标准定在5.8～5.9GHz频段。在我国选用5.8GHz频段，具有如下优点：首先，我国通信系统标准体系靠近欧洲体系，无线电频率资源的分配大致相同；其次，5.8GHz频段背景噪声小，而且解决该频段的干扰和抗干扰问题要比解决915MHz、2.45 GHz频段时容易。
2）监狱司法
监狱智能管理系统可以安全可靠地区分、识别劳动教育人员、管理人员，将管理系统中每个人的信息和现实中的每个人一一对应，从真正意义上实现劳教所管理信息化。其应用是服刑人员佩带腕式标签，在监狱的主要出入口装上阅读器和定位器，当服刑人员到达定位器的有效感应区域的时候，定位器就把自身的位置信息发送给腕式标签，腕式标签再将接收到的位置信号和自身的ID信息传递给阅读器，由阅读器将信息传递给计算机系统，并统一分析腕式标签的ID信息和地址信息是否正常、腕式标签的活动状态是否异常。如果发现异常，则发出警报，通知监狱管理人员。
感应式电子巡更通过采用RFID技术，将巡逻人员在巡更巡检工作中的时间、地点及情况自动准确记录下来。感应式电子巡更和标签无须接触，即可通过相互之间的电波对射达到读卡效果，避免接触带来的磨损。这种腕带能够实时监控服刑人员的个人信息和活动信息。但是，这种腕带是可摘除的，这对防止服刑人员逃逸似乎没什么作用。
3）流通领域
RFID技术使合理的产品库存控制和智能物流技术成为可能。它在物流行业的应用流程是：每个产品出厂时都被附上电子标签，然后通过读写器写入唯一的识别代码，并将物品的信息录入到数据库中。此后装箱销售、出口验证、到港分发、零售上架等各环节都可以通过读写器反复读写标签。标签就是物品的“身份证”。借助电子标签，可以实现对原料、半成品、成品、运输、仓储、配送、上架、最终销售，甚至退货处理等环节进行实时监控。RFID技术提高了物品分拣的自动化程度，降低了差错率，使整个供应链管理显得透明而高效。
4）防伪领域
目前，国际防伪领域逐渐兴起的RFID技术，其优势已经引起了广泛的关注：非接触、多物体、移动识别；企业加入防伪功能简单易行；防伪过程几乎不用人工干预；防伪过程中标签数据不可见、无机械磨损、防污损；支持数据的双向读写；与信息加密技术结合，使标签不易伪造；易于与其他防伪技术结合使用。
工作频率在UHF（860～960MHz）的RFID技术读写距离达到10m，而且无源被动式射频标签成本低，因此在供应链管理领域受到了广泛的关注。它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与其他防伪技术如激光防伪、数字防伪等技术相比，无线射频识别技术防伪的优点在于：每个标签都有一个全球唯一的ID号码——UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改，无法仿造；无机械磨损，防污损；读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理。
国际上，在护照防伪、电子钱包等方面已可以在标准护照封面或证件内嵌RFID标签，其芯片同时提供安全功能并支持硬件加密，符合ISO 14443的国际标准。国内在此领域也已经形成了相当规模的应用，二代身份证的推广应用就是此方面的典型代表。相信这一技术很快会在其他的重要证件发放管理中得到广泛应用。非法企业生产假冒伪劣产品、以次充好、牟取暴利，不法人员伪造证件等违法犯罪行为给社会造成了极大的危害，严重影响了社会秩序，影响了国家的经济建设。RFID防伪技术的广泛应用不仅将为企业带来直接的经济效益，还将为国家相关管理部门正确、及时、动态、有效地监管特殊物品生产经营单位的生产状况，打击和取缔非法生产活动，堵塞管理漏洞，消除安全隐患，保障国家和人民的生命财产安全，为国民经济持续发展提供有力的技术保障。