1.4 RFID系统的组成、工作流程和分类
1.4.1 RFID系统的组成
1.4 RFID系统的组成、工作流程和分类
作为物联网的核心技术之一，RFID技术的应用领域非常广泛。不同领域的应用需求不同，造成了目前多种标准和协议的RFID设备共存的局面，这就使得应用系统架构复杂程度大为提高，但就基本的RFID系统来说，其组成相对简单而清晰，主要包括RFID标签、读写器、天线、中间件和应用软件5部分。
（1）RFID标签
RFID标签俗称为电子标签，也称为应答器（Transponder Respond er，TAG），根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类。被动式是RFID系统是目前研究的重点。被动式RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通信。RFID标签中存储一个唯一编码，通常为64bit、96bit甚至更高。其地址空间大大高于条形码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。图1-6所示是一款RFID标签芯片的内部结构框图，主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和E2PROM存储单元4部分。
图1-6 一款RFID标签芯片的内部结构框图
（2）读写器
读写器又称为阅读器（Reader）或询问器（Ingerrogator），是对RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字处理单元两部分。一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块并转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调并返回信息，完成对RFID标签的识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传，在上传数据时，读写器会对RFID标签数据进行去重过滤或简单的条件过滤，因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统，实现一部分中间件的功能，如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化的趋势。在物联网系统中，读写器将成为同时具有通信、控制盒、计算（Communication，Control，Computing）功能的核心设备。
（3）天线
天线（Antenna）是RFID标签与读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通信连接的设备。RFID系统包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，与RFID标签集成为一体；另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中，又可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。在实际应用中，天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。对高性能的天线，不仅要求其具有良好的阻抗匹配特性，而且需要根据应用环境的特点对其方向特性、极化特性和频率特性进行专门设计。
（4）中间件
中间件（Middleware）是一种面向消息的、可以接收应用软件端发送的请求，对指定的一个或多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。中间件在RFID应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、使用标准造成的可靠性和稳定性问题，还可以为上层应用软件提供多层次、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。
（5）应用软件
应用软件（Application Software）是直接面向最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原始数据转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。
1.4.2 RFID系统的工作流程
RFID系统工作流程图如图1-7所示。读者希望获得经过某个位置的RFID标签列表，即在应用软件端向与该位置相关的逻辑读写器ID发出读取RFID标签指令。该指令传送到中间件后，将逻辑读写器ID转换为映射表中的物理读写器ID，并按照该物理读写器的通信协议向其发出指令。读写器接收到该指令后，通过天线散射一定频率的射频信号，当RFID标签进入天线工作区域时产生感应电流，RFID标签获得能量被激活。处于激活状态的RFID标签将返回应答信号。天线接收到从RFID标签发送来的载波信号后传送到读写器，读写器进行解调和过滤后将RFID标签ID信息返回给中间件。中间件首先将来自不同物理读写器的信息格式进行统一，然后存入内存数据库中，并根据预先设定的过滤规则将读写器事件转化为满足用户请求的信息，发送给应用软件端，并将RFID标签列表展现给使用者。
图1-7 RFID系统工作流程图
1.4.3 RFID系统的分类
自RFID技术诞生以来，在使用频率、交互原理以及供电方式等方面都呈现出多样化的趋势，可将RFID系统按照以下几种类型进行分类。
1.按照使用频率进行分类
RFID系统主要依赖电磁波传播，除了交互原理外，不同的发射频率还会在RFID系统的读写距离、数据传输速率和可靠性等参数上产生比较大的差异。可以说，RFID系统的工作频率是决定系统性能和可行性的主导因素。
目前，国际上常用的RFID系统大多工作在供工业、科研及医疗机构（Industrial、Scientific and Medical，ISM）使用的专用频段，即ISM频段。RFID系统主要工作在以下4个频段。
（1）低频（LF，135kHz）
低频这个频段的识别距离只有几厘米，但由于该频段的信号能穿透动物体内的高湿环境，因此被广泛应用于动物识别。
（2）高频（HF，13.56MHz）
高频是一个开放频段，标签的识别距离最远为1～1.5m，写入距离最远也可达1m。在这个频段运行的标签绝大部分是无源的，依靠读写器供给能源，我国的第二代身份证采用这个频段的RFID产品。
（3）超高频（UHF，433MHz、860～960MHz）
超高频这个频段的标签和读写器在空气中的有效通信距离最远。这个频段的信号虽然不能穿透金属、液体、湿气等悬浮颗粒物质，但是数据传输速率更快，并可同时读取多个标签。但这个频段在各国均被发配为移动通信专用频段，频谱资源比较紧张，不同国家之间会产生一定程度的频率冲突。
（4）微波（MW，2.45GHz、5.8GHz）
微波这个频段的优势在于其受各种强电磁场（如电动机、焊接系统等）的干扰小，识别距离介于高频和超高频系统之间，且可以将标签设计得很小，但成本较高。
RFID常用频段特性的对比和主要应用方面如表1-2所示。
表1-2 RFID常用频段特性的对比和主要应用方面
2.根据交互原理进行分类
在目前广泛应用的RFID技术体系中，电感耦合和电磁反向散射耦合是RFID标签与读写器数据交互的主要技术原理，此外还有声表面波技术和有机RFID技术等。
（1）电感耦合
读写器线圈的近场辐射通过电感耦合的方式供给标签能量，同时通过负载调制方法读取标签内容，由于近场辐射强度随着距离增加有很大的衰减，采用这种技术的RFID系统只能在近距离范围内（小于1m），其原理与变压器的工作原理系统相同，因此又被称为变压器模型。
读写器天线产生一个电磁场，标签线圈通过该磁场感应出电压，以提供给标签工作的能量，从读写器到标签的数据传输室是通过改变传输场的一个参数（幅度、频率或相位）来实现的。从标签返回的数据传输是通过改变传输场的负载来实现（幅度和相位）的。
（2）电磁反向散射耦合
电磁反向散射耦合主要用于远距离读取的超高频和微波系统中。远场的电磁传播基于电磁波的空间传播规律，发射后的电磁波遇到目标后，一部分能量被标签吸收用来对内部芯片进行供电；另一部分能量通过电磁反向散射的方式被反射回读写器中，同时带回目标信息。其工作原理与雷达工作原理相同，因此又称为雷达模型。
（3）声表面波
声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波，由英国物理学家瑞利在19世纪80年代研究地震波的过程中偶尔发现。利用声表面波原理设计的RFID标签最早出现于20世纪80年代，其基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器，分别作为输入换能器和输出换能器。换能器的两条总线与RFID标签天线相连，在换能器之间的晶体表面设有按照特定规律设计的反射器，以表示编码信息。
在声表面波RFID标签接收到高频脉冲后，输入换能器将高频脉冲转换为声表面波，并沿晶体表面的反射器组传播，反射器组对入射表面波部分反射，再经过输出换能器将反射声脉冲串重新转换为高频脉冲串，从而达到数据交互的目的。
（4）有机RFID标签技术
有机RFID标签技术采用有机薄膜晶体管（OTFT），又称为塑料晶体管，与MOS晶体管的最大不同在于OTFT采用有机半导体材料取代MOS中的无机半导体材料。有机RFID标签通过印制电子技术使用金属和有机墨水将有机薄膜晶体管直接制备在同一基底上形成标签芯片和天线，再通过印制技术批量生产，使制造工艺得到简化，制造成本大大降低。
有机印制标签其基本交互原理与基于硅片制备的RFID标签一样，也是基于电感或电磁耦合实现自动识别，二者的主要区别在于基底材料和加工工艺不同。
3.根据RFID产品供电方式进行分类
根据RFID产品供电方式进行分类，可分为3大类，即无源RFID产品、有源RFID产品和半有源RFID产品。
（1）无源RFID产品
无源RFID产品发展最早，也是发展最成熟、市场应用最广的产品。比如，公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡和二代身份证等，这些应用在人们的日常生活中随处可见，属于近距离接触式识别类。其产品的主要工作频率有低频125kHz、高频13.56MHz、超高频433MHz和超高频915MHz。
（2）有源RFID产品
有源RFID产品是近几年发展起来的，其远距离自动识别的特性，决定了其巨大的应用空间和市场潜质。在远距离自动识别领域（如智能监狱、智能医院、智能停车场、智能交通、智慧城市、智慧地球及物联网等）有重大应用。有源RFID在这个领域异军突起，属于远距离自动识别类。产品主要工作频率有超高频433MHz、微波2.45GHz和5.8GMHz。
（3）半有源RFID产品
半有源RFID产品结合了有源RFID产品及无源RFID产品的优势，在低频125kHz频率的触发下，让微波2.45GHz发挥优势。半有源RFID技术也可以叫作低频激活触发技术，利用低频近距离精确定位，微波远距离识别和上传数据来解决单纯的有源RFID和无源RFID没有办法实现的功能。简单来说，就是近距离激活定位、远距离识别及上传数据。
半有源RFID是一项易于操控、简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术，识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式，又可支持读写工作模式，且无须接触或瞄准；可在各种恶劣环境下自由工作，短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。该产品集有源RFID和无源RFID的优势于一体，在门禁进出管理、人员精确定位、区域定位管理、周界管理、电子围栏及安防报警等领域有着很大的优势。