選擇適合的頻率設計RFID系統(tǒng)

　　1.前言

　　射頻識別（radio frequency identification，以下簡稱RFID）是一種將數(shù)據(jù)存儲在電 子 數(shù) 據(jù)載體（如集成電路）上，并通過磁場或電磁場以無線方式進行應答器 / 標簽（Transponder/Tag）和詢問器 /讀寫器（Interrogator/Reader）之間雙向通信，從而達到識別目的并交換數(shù)據(jù)的新興技術該技術能實現(xiàn)多目標識別和運動目標識別;具有抗惡劣環(huán)境、高準確性、安全性、靈活性和可擴展性等諸多優(yōu)點;便于通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品跟蹤和物流管理，因而受到廣泛的關注。因此，RFID 被公認為本世紀最有發(fā)展前途的10項技術之一。

　　RFID 系統(tǒng)實事上已經(jīng)存在和發(fā)展了幾十年，從供電狀態(tài)來看可以分為“有源”和“無源”兩大類;從工作頻率來看，可以分為低頻（125KHz~135KHz），高頻（13.56MHz），超高頻，微波（2.45GHz，5.8GHz）等幾大類。不同的射頻識別系統(tǒng)的硬件價格差別是巨大的，而系統(tǒng)本身的特性也各不相同，系統(tǒng)的成熟度也有所不同。很多問題，甚至連業(yè)內(nèi)人員也不能輕易給出一個明確的解答因此用戶在選擇射頻識別技術的時候常常覺得無所適從。筆者結合自身的開發(fā)和應用經(jīng)驗，同時在參考了相關的應用資料和技術數(shù)據(jù)基礎上，力圖通過本文給讀者一個較為全面和客觀的認識，希望能夠給用戶在選擇合適頻率的射頻識別系統(tǒng)時提供一些幫助。

　　2 不同頻段 RFID 技術特性簡述

　　2.1 低頻（Low Frequency） ：

　　使用的頻段范圍為 1 0 K H z ~ 1 M H z ，常見的主要規(guī)格有125KHz、135KHz 等。一般這個頻段的電子標簽都是被動式的，通過電感耦合方式進行能量供應和數(shù)據(jù)傳輸。低頻的最大的優(yōu)點在于其標簽靠近金屬或液體的物品上時標簽受到的影響較小，同時低頻系統(tǒng)非常成熟，讀寫設備的價格低廉。但缺點是讀取距離短、無法同時進行多標簽讀?。?抗沖突） 以及信息量較低，一般的存儲容量在 128 位到 512 位。主要應用于門禁系統(tǒng)、動物芯片、汽車防盜器和玩具等。雖然低頻系統(tǒng)成熟，讀寫設備價格低廉，但是由于其諧振頻率低，標簽需要制作電感值很大的繞線電感，并常常需要封裝片外諧振電容，其標簽的成本反而比其他頻段高。

　　2.2 高頻（High Frequency）：

　　使用的頻段范圍為 1MHz~400MHz，常見的主要規(guī)格為 13.156MHz這個 ISM 頻段。這個頻段的標簽還是以被動式為主，也是通過電感耦合方式進行能量供應和數(shù)據(jù)傳輸。這個頻段中最大的應用就是我們所熟知的非接觸式智能卡。和低頻相較，其傳輸速度較快，通常在100kbps 以上，且可進行多標簽辨識（各個國際標準都有成熟的抗沖突機制）。該頻段的系統(tǒng)得益于非接觸式智能卡的應用和普及，系統(tǒng)也比較成熟，讀寫設備的價格較低。產(chǎn)品最豐富，存儲容量從 128 位到8K 以上字節(jié)都有，而且可以支持很高的安全特性，從最簡單的寫鎖定，到流加密，甚至是加密協(xié)處理器都有集成。一般應用于身份識別、圖書館管理、產(chǎn)品管理等。安全性要求較高的RFID 應用，目前該頻段是唯一選擇。

　　2.3 超高頻（Ultra High Frequency）：

　　使用的頻段范圍為 400MHz~1GHz，常見的主要規(guī)格有 433MHz、868~950MHz。這個頻段通過電磁波方式進行能量和信息的傳輸。主動式和被動式的應用在這個頻段都很常見，被動式標簽讀取距離約3 ~ 1 0 m 傳輸速率較快，一般也可以達到100kbps 左右，而且因為天線可采用蝕刻或印刷的方式制造，因此成本相對較低。由于讀取距離較遠、信息傳輸速率較快，而且可以同時進行大數(shù)量標簽的讀取與辨識，因此特別適用于物流和供應鏈管理等領域。但是，這個頻段的缺點是在金屬與液體的物品上的應用較不理想同時系統(tǒng)還不成熟，讀寫設備的價格非常昂貴，應用和維護的成本也很高。此外，該頻段的安全性特性一般，不適合安全性要求高的應用領域。

　　2.4 微波（Microwave）：

　　使用的頻段范圍為 1GHz 以上，常見的規(guī)格有 2.45GHz、5.8GHz。微波頻段的特性與應用和超高頻段相似，讀取距離約為 2 公尺，但是對于環(huán)境的敏感性較高。由于其頻率高于超高頻，標簽的尺寸可以做得比超高頻更小，但水對該頻段信號的衰減較超高頻更高，同時工作距離也比超高頻更小。

　　一般應用于行李追蹤、物品管理、供應鏈管理…等。

　　2.5 根據(jù)應用選擇合適頻段的射頻識別技術

　　前一部分中，我們已經(jīng)簡要介紹了各個頻段的射頻識別技術的特點。這一部分中我們將重點說明如何來選擇合適的射頻識別技術。

　　第一，一個射頻識別系統(tǒng)的成本，包含硬件成本、軟件成本和集成成本等。而硬件成本不僅僅包括讀寫器和標簽的成本，還包括安裝成本。很多時候，應用和數(shù)據(jù)管理軟件和集成是整個應用的主要成本。如果從成本出發(fā)考慮，一定要根據(jù)系統(tǒng)的整體成本進行，而不僅僅局限于硬件，如標簽的價格。這里，我們不進一步討論和分析這部分的問題，但讀者需要對此有一個了解和認識。下面我們主要討論從技術層面來看，如何選擇合適的頻段。

　　第二，我們知道，即使是在同一個頻段內(nèi)的射頻識別系統(tǒng)，其通信距離也是差異很大的。因為通信距離通常依賴于天線設計、讀寫器輸出功率、標簽芯片功耗和讀寫器接收靈敏度等等。我們不能夠簡單地認為某一個頻段的射頻識別系統(tǒng)的工作距離大于另一個頻段的射頻識別系統(tǒng)。

　　第三，雖然理想的射頻識別系統(tǒng)是長工作距離，高傳輸速率和低功耗的。然而，現(xiàn)實的情況下這種理想的射頻系統(tǒng)是不存在的，高的數(shù)據(jù)傳輸率只能在相對較近的距離下實現(xiàn)。反之，如果要提高通信距離，就需要降低數(shù)據(jù)傳輸率。所以我們?nèi)绻x用通信距離遠的射頻識別技術，就必須犧牲通信速率。選擇頻段的過程常常是一種折中的過程。

　　第四，除了考慮通信距離以外，在我們選擇一個射頻系統(tǒng)時，通常還要考慮存儲器容量、安全特性等因素。根據(jù)這些應用需求，才能夠確定適合的射頻識別頻段和解決方案。從現(xiàn)有的解決方案來看，超高頻和微波射頻識別系統(tǒng)的操作距離最大（可以達到 3 到 1 0 米），并具有較快的通信速率，但是為了降低標簽芯片的功耗和復雜度，并不實現(xiàn)復雜的安全機制，僅限于寫鎖定和密碼保護等簡單安全機制。而且，該頻段的電磁波能量在水中衰減嚴重，所以對于跟蹤動物（體內(nèi)含超過 50% 的水）、含有液體的藥品等是不合適的。低頻和高頻系統(tǒng)的讀寫距離較小，通常不超過一米。高頻頻段為技術成熟的非接觸式智能卡采用，非接觸式智能卡能夠支持大的存儲器容量和復雜的安全算法。如前所述，囿于通信速率和安全性需求，非接觸式智能卡的工作距離一般在10cm 左右。高頻頻段中的 ISO15693 規(guī)范通過降低通信速率使通信距離加大，通過大尺寸天線和大功率讀寫器，工作距離可以達到 1 米以上。低頻頻段由于載波頻率低，比高頻13.56MHz 低 100 倍以上，因此通信速率最低，而且通常不支持多標簽的讀取。

　　3 案例分析

　　3 。 1 動物跟蹤管理

　　動物跟蹤和管理傳統(tǒng)上是采用低頻頻段的射頻識別技術，并且有國際規(guī)范規(guī)范編碼及空間信號接口，相應的國際規(guī)范分別為ISO11784 和 ISO11785。由于高頻和低頻的射頻識別技術各有優(yōu)缺點，所以現(xiàn)在國際上關于動物跟蹤管理的頻段也存在著爭論。支持采用低頻技術方案的理由主要有：

　?。?）事實上存在的國際規(guī)范，兼容性要求。

　　（2）如果采用單天線的解決方案，通常低頻系統(tǒng)比高頻系統(tǒng)的讀寫距離要大 20% 到 30%。因為低頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率低，所以標簽芯片的功耗可以做到微瓦以下。

　?。?）雖然低頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率低，但是鑒于其信號的強壯性，在實際應用中讀取效率并不低。

　?。?）低頻系統(tǒng)可以穿透動物組織，是植入式的電子標簽唯一的頻率選擇。而支持高頻技術方案的理由

　　主要有：

　?。?）國際標準 ISO11784 的動物編碼方式完全可以實現(xiàn)在高頻和超高頻頻段的解決方案中，在應用和系統(tǒng)的層面看來并不存在區(qū)別。

　?。?）由于頻率差異，低頻標簽需要繞制繞線電感來構成標簽天線，制作標簽的成本要高于高頻標簽。高頻標簽對于信用卡大小的尺寸來說，通常只須繞制 3 圈左右，而且可以采用低成本的印刷工藝。高頻標簽的整體成本更低。這一點是公認的事實。

　　（3）如果實現(xiàn)合理，高頻系統(tǒng)也能夠取得和低頻系統(tǒng)相當?shù)淖x寫距離。而且高頻讀寫器可以通過門式天線來控制作用范圍，利于準確而快速地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

　?。?）完備的抗沖突機制，可以快速而準確地實現(xiàn)多目標讀取。效率和準確性都要高于采用低頻手持機進行數(shù)據(jù)采集。

　?。?）高頻的頻率使用已經(jīng)成為全球統(tǒng)一的規(guī)范，采用高頻系統(tǒng)在世界各地都不會面臨兼容問題。編者更加支持在生豬等不需植入 RFID 的動物跟蹤管理中采用高頻的技術方案。主要原因是基于系統(tǒng)的成本考慮。我國的農(nóng)產(chǎn)品價格和利潤空間都非常低，在生豬等動物跟蹤管理中硬件的消耗成本主要來自于標簽。從降低這部分成本出發(fā)應該采用高頻技術。同時，考慮到生豬養(yǎng)殖等生產(chǎn)單位通常不具備寬帶連接電子標簽上有可能不僅僅存放一個標號信息，也可能存放一定的相關數(shù)據(jù)。而高頻解決方案中常見的存儲空間可以達到1k 位以上。其次，目前我國主要的 RFID基礎設施是基于高頻技術的，采用兼容的技術系統(tǒng)在安裝成本和可靠性等方面都是有優(yōu)勢的。高頻技術從芯片、標簽封裝、讀寫機具、系統(tǒng)集成等環(huán)節(jié)來看，我國擁有上百家供應商，這一點是低頻技術不能比擬的。另外，在生豬管理等應用中，并不需要植入式的電子標簽，可以采用動物耳標的形式。當然，在動物跟蹤管理中采用高頻技術方案和傳統(tǒng)的高頻射頻系統(tǒng)還是有所不同的，需要在降低環(huán)境對操作距離的影響、專用讀寫設備開發(fā)方面開展研發(fā)工作，使得高頻的技術在操作距離和可靠性方面達到系統(tǒng)要求。

　　3.2 藥品管理

　　即使到 2 0 0 6 年的今天，專家仍然認為在消費品領域實現(xiàn)物品級的跟蹤管理還是一個需要 3 到 5 年才有可能達到的目標。但是，相對價值較高的藥品采用射頻識別技術實現(xiàn)單品管理已經(jīng)是正在發(fā)生的現(xiàn)實了。美國食品和藥品管理局（FDA）要求在2007 年實現(xiàn)對藥品的單品全流程跟蹤和管理，實現(xiàn)從原料到家庭藥箱的全程管理。對于藥品管理的單品管理而言，目前看來采用高頻技術更具有綜合優(yōu)勢，具體為：

　?。?）高頻和超高頻都是通過電磁場實現(xiàn)能量和信號的傳遞的，超高頻是通過電場來進行能量和信號的傳遞的，系統(tǒng)一般工作在遠場，對于相距很近的單個物品，標簽的失諧會造成標簽（物品）的漏讀。而高頻系統(tǒng)是工作在近場范圍內(nèi)的（即電磁場仍然是束縛在系統(tǒng)內(nèi)部的，并沒有形成電磁波發(fā)射出去）能量和信號是通過磁場來進行的，對于系統(tǒng)內(nèi)部的標簽能夠準確地進行識別（當然，作用距離僅僅在 1 米以內(nèi)），有更好地抗電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）能力。

　　（2）液體和金屬的影響。高頻信號較超高頻而言在水中的衰減小，更適合用在含有液體的容器上，而藥品中有相當一部分是液體形態(tài)的。

　?。?）存儲容量，高頻標簽的存儲容量可以達到 8K 字節(jié)，因此可以在標簽上存儲更多信息而實現(xiàn)一“移動數(shù)據(jù)庫”而不僅僅是一個電子號碼。這在目前的超高頻解決方案上還沒有如此大容量的電子標簽。

　?。?）高頻 13.56MHz 為國際通用的 ISM 頻段，沒有兼容性問題。而超高頻到目前為止全球還不是所有的地區(qū)都有相應的射頻識別標簽頻段可以使用。我國的超高頻頻段就在制定過程中。

　　4 總結

　　綜上所述，各個頻段的RFID 技術各有自身的特點。即使是在同一個頻段內(nèi)的射頻識別系統(tǒng)，其通信距離也是差異很大的。我們不能夠簡單地認為某一個頻段的射頻識別系統(tǒng)的工作距離大于另一個頻段的射頻識別系統(tǒng)。而在實際選擇射頻系統(tǒng)時，需要考慮一個RFID 系統(tǒng)的整體成本，以及存儲器容量、安全特性等因素，根據(jù)這些來綜合選擇合適的RFID 頻段。