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电子标签系统

2019-08-03 22:30 来源: 震仪

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  电子标签即RFID标签,是RFID的俗称。RFID是Radio Frequency Identification(无线电射频识别)的缩写。沃尔玛、SAP、BEA、Intel、SensiTech、Swisslog等国际机构在各自行业中对射频识别技术的推广应用,证明和揭示了该项技术巨大的发展潜力和广泛的应用前景。RFID技术和因特网技术的有机结合更是全球IT行业最具革命性的增长点之一。为了推动RFID技术在中国的普及应用,2006年6月9日中国科技部和信息产业部等15个部委联合颁布了《中国射频识别(RFID)技术政策白皮书》。

  电子标签是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号来识别目标对象并获取相关数据,识别工作无需人工干预,作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。电子标签的编码方式、存储及读写方式与传统标签(如条码)或手工标签不同,电子标签编码的存储是在集成电路上以只读或可读写格式存储的;特别是读写方式,电子标签是用无线电子传输方式实现的。RFID电子标签突出的技术特点是:可以识别单个的非常具体的物体,而不像条形码那样只能识别一类物体;可以同时对多个物体进行识读,而条形码只能一个一个地读;存储的信息量很大;采用无线电射频,可以透过外部材料读取数据,而条形码必须靠激光或红外在材料介质的表面读取信息。

  (1)标签(Tag)。由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,高容量电子标签有用户可写入的存储空间,附着在物体上标识目标对象。

  (2)阅读器(Reader)。手持或固定式读取(有时还可以写人)标签信息的设备。

  RFID技术的基本工作原理并不复杂。标签进入阅读器发出的磁场后,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(PassiveTag,无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag,有源标签或主动标签);解读器读取信息并解码后,送至系统的信息处理中心进行有关数据处理。

  电子标签依内部保存信息注入方式的不同,可将其分为集成电路固化式、现场有线改写式和现场无线改写式三大类;根据读取电子标签数据的技术实现手段,可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大类;按能量供给方式(电池供电)的不同,射频识别技术又可分为有源、无源和半有源三种。RFID通常流行的分类方法是,按照工作频率(单位:Hz)的不同,分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波频段(MW)4种。

  (1)低/高频系统一般其工作频率30MHz,典型的工作频率有125kHz、225kHz、13.56MHz(非接触式IC卡——射频卡的工作频率)等。基于这些频点的射频识别系统一般都有相应的国际标准,其基本特点是:电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短(无源情况,典型阅读距离为10cm),电子标签外形多样(卡状、环状、钮扣状、笔状),阅读天线)超高频/微波系统一般其工作频率400MHz,典型的工作频段有915MHz、2450MHz、5800MHz等。系统在这些频段上也有众多的国际标准予以支持,基本特点是:电子标签及阅读器成本较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远(可达几米至十几米),适应物体高速运动性能好,外形一般为卡状,阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。

  (3)有源电子标签内装有电池,一般具有较远的阅读距离。不足之处是电池的寿命有限(3~10年);无源电子标签内无电池,它接收到阅读器(渎出装置)发出的微波信号后,将部分微波能量转化为直流电供自己工作,一般可做到免维护。相比有源系统,无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。

  (4)集成固化式电子标签内的信息,一般在集成电路生产时即将信息以ROM工艺模式注入,其保存的信息是一成不变的;现场有线改写式电子标签一般将电子标签保存的信息写入其内部E2存储区中,改写时需要专用的编程器或写入器,改写过程中必须为其供电;现场无线改写式电子标签一般适用于有源类电子标签,具有特定的改写指令,电子标签内保存的信息也位于其中的E2存储区。一般情况下改写电子标签数据所需时间远大于读取电子标签数据所需时间。通常,改写所需时间为秒级,阅读时间为毫秒级。

  (5)广播发射射频识别系统。电子标签必须采用有源方式工作,并实时将其存储的标识信息向外广播,阅读器相当于一个只收不发的接收机。这种系统的缺点是:电子标签因为要不断地向外发射信息,既费电,又对环境造成了电磁污染,而且系统的安全保密性差。倍频式射频识别系统实现起来有一定难度。一般情况下,阅读器发出射频查询信号,电子标签返回的信号载频为阅读器发出射频的倍频。这种工作模式对阅读器接收处理回波信号提供了便利。但是,对无源电子标签来说,电子标签将接收的阅读器射频能量转换为倍频回波载频时,其能量转换效率较低。提高转换效率需要较高的微波技巧,这就意味着更高的电子标签成本。同时这种系统工作须占用两个工作频点,一般较难获得无线电频率管理委员会的产品应用许可。

  (6)反射调制式射频识别系统的实现主要是要解决同频收发问题。系统工作时,阅读器发出微波查询(能量)信号,电子标签(无源)将部分接收到的微波查询能量信号整流为直流电供电子标签内的电路工作,另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制(ASK)后反射回阅读器。阅读器接收到反射回的幅度调制信号后,从中解出电子标签所保存的标识性数据信息。系统工作过程中,阅读器发出微波信号与接收反射回的幅度调制信号是同时进行的。反射回的信号强度较发射信号要弱得多,因此技术实现上的难点在于同频接收。

  电子标签耦合就是用不同的方法传送不同的信号。射频识别系统中射频标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中的一个重要问题,通常情况下这种作用距离定义为射频标签与读写器之间能够可靠交换数据的距离。射频识别系统的作用距离是一项综合指标,与射频标签及读写器的匹配情况密切相关。根据射频识别系统作用距离的远近情况,射频标签天线与读写器天线之间的耦合可分为三类。

  (1)密耦合系统。系统的典型作用距离范围为0~lcm。实际应用中,通常需要将射频标签插入阅读器中或将其放置到读写器天线的表面。密耦合系统利用的是射频标签与读写器天线无功近场区之间的电感耦合(闭合磁路)构成的无接触的空间信息传输射频通道工作的。密耦合系统的工作频率一般局限在30MHz以下的任意频率。由于密耦合方式的电磁泄露很小、耦合获得的能量较大,适合安全性要求较高、作用距离无要求的应用系统(如电子门锁)。

  (2)遥耦合系统。遥耦合系统的典型作用距离可以达到lm。遥耦合系统又可细分为近耦合系统(典型作用距离为15cm)与疏耦合系统(典型作用距离为lm)两类。遥耦合系统的典型工作频率为13.56MHz,也有一些其他频率,如6.75MHz、27.125MHz等。遥耦合系统与密耦合系统的主要区别在于电感耦合的功率不同,从而使耦合距离不同。目前遥耦合系统仍然是低成本射频识别系统的主流。

  (3)远距离系统。远距离系统的典型作用距离1~10m,个别的系统具有更远的作用距离。所有的远距离系统均是利用射频标签与读写器天线辐射远场区之问的电磁耦合(电磁波发射与反射)构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。远距离系统的典型工作频率为915MHz、2.45GHz、5.8GHz,此外,还有一些其他频率,如433MHz等。远距离系统的射频标签根据其中是否包含电池分为无源射频标签(不含电池)和半无源射频标签(内含电池)。一般情况下,包含电池的射频标签的作用距离较无电池的射频标签的作用距离要远一些。半无源射频标签中的电池并不是为射频标签和读写器之间的数据传输提供能量的,而是只给射频标签芯片提供能量,为读写存储数据服务。远距离系统一般情况下均采用反射调制工作方式实现射频标签到读写器方向的数据传输。远距离系统一般具有典型的方向性,射频标签与读写器成本目前还处于较高的水平。从技术角度来说,满足以下特点的远距离系统是理想的射频识别系统:射频标签无源,可无线读写;射频标签与读写器支持多标签读写;适合应用于高速移动物体的识别(物体移动速度大于80kin/h);远距离(读写距离大于5--10m);低成本(可满足一次性使用要求)。

  电子标签直接继承了雷达的概念,并由此发展成为一项生机勃勃的新技术——RFID技术。20世纪中期,无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。1948年,哈里·斯托克曼发表的理论文章“利用反射功率的通信”,奠定了射频识别RFID的理论基础。由此可知,RFID技术的发展已走过了整整60年的历程,以10年为界可划分如下。

  1941~1950年。雷达的改进和应用催生了RFID技术,1948年奠定了RFID技术的理论基础。

  1951~1960年。早期RFID技术的探索阶段,主要处于实验室的实验研究。

  1961~1970年。RFID技术的理论得到了发展,开始了一些应用尝试。

  1971~1980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期,各种技术的测试加速,出现了一些最早的RFID应用。

  1981~1990年。RFID技术及产品进入商业应用阶段,各种规模的应用开始出现。

  1991~2000年。RFID技术标准化问题得到愈来愈多的重视,RFID的产品得到广泛采用,逐渐成为人们生活中的一部分。

  ·2001年2018年。RFID产品种类更加丰富,电子标签成本不断降低,规模应用行业扩大。

  几十年来RFID技术的理论得到了丰富和完善,有源、无源及半无源电子标签均得到了飞速发展,单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正在成为现实。目前电子标签的应用领域包括以下几个方面。

  物流业:物流过程中的货物追踪,信息自动采集,仓储应用,港口应用,邮政快递。

  零售业:商品销售数据的实时统计,补货,防盗。·制造业:生产数据的实时监控,质量追踪,自动化生产。

  (1)成本。RFID电子标签毕竟是电子产品,每个标签都是一个完整的电子线路,其成本比条码、磁条高几倍或几十倍。这是造成电子标签几乎所有身份识别的场合都有需求,但真正实现的却很少的主要原因。如一次性使用的场合就不便使用,如零售业的超市商品,可能有些商品本身的价值还没有一个电子标签的价值高,这样的场合目前使用电子标签就不太现实。而制造业的生产线上,可以将电子标签装到“拖盘”上重复使用,这样摊到每个部件上的成本就相对很低了。再如不停车收费的标签,虽然不是“拖盘”式的重复使用,但可以长期使用,摊到每次使用的成本也很低,这些场合就容易实现电子标签的应用。

  (2)数据基础。RFID电子标签技术的应用是基于数据库的管理,这就要求对应的管理应用系统必须要有规范、统一的数据形式,需要对所有管理数据进行一次变革。

  (3)业务流程。由于高科技手段的采用,RFID电子标签的使用或大或小地对原有的手工标签数据处理的流程要求有所提高,一定程度上需要使用者再造流程。

  (4)技术基础。RFID电子标签系统是一个完整的IT系统,要保持系统的正常运行,就必须要有一支强有力的系统维护的技术队伍长期存在。

  (5)标准化问题。2007年国家标准局开始制定我国RFtD电子标签的应用技术标准,但还没有发布,因此现阶段电子标签的应用还没有统一的标准,不能形成不同领域、不同场合的一致标准。虽然存在这些使用中成本、技术和标准的问题,但为了提高管理效率,RFID电子标签的应用已是大势所趋。同时随着应用的不断扩展,其成本会不同程度地下降,技术应用的适应度也会不断改善,标准的统一已指日可待。所以RFID电子标签的应用前景非常广阔,就目前的应用情况来看,还没有不成功的,只有不成熟或不适应的。

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