摘要　本文从射频识别（RFID）技术的基本概念讲起,简述了RFID的硬件组成、工作原理、基本分类、以及广泛的应用,使读者对这一新技术有了较为清晰的了解。最后,介绍了上海贝岭股份有限公司最新研发设计并制造的一款射频识别芯片,并展望了我国发展这一技术的广阔前景。

　　RFID硬件组成

　　最基本的RFID系统由三部分组成：

　　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数据,附着在物体上标识目标对象。

　　2) 读写器(Reader) ：
　　也称为阅读器。用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线
　　电射频信号,经处理后获取标签数据信息,有时还可以写入标签信息的设备。读写器的收发距离
　　可长可短,根据它本身的输出功率和使用频率的不同,从几厘米到几十米不等。

　　3) 天线(Antenna) ：
　　在标签和读写器间传递射频信号,控制数据的获取和通讯。一般而言,天线都会
　　与读写器整合在一起,可设计为手持式或固定式。
　　以最常见的交通卡为例,卡内嵌有一个电子标签,公交车上的读卡器内置了一个读写器和一根天线,其读写距离为10厘米左右,属于低频产品,成本相对较低。

　　RFID工作原理

　　当标签进入磁场时,接收到读写器通过天线发送的一定频率的射频信号,就能产生感应电流从而获得能量,发送出存储在芯片中的自身编码等信息（被动式标签）,或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）,读写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。这样,读写器通过天线可实现无接触地读取并识别标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别物体的目的。RFID基本原理图如图1所示。

　　RFID标签分类

　　按照不同的分类标准,标签有多种不同的分类。根据工作方式分：

　　1)主动式标签（Active tags）
　　也称为有源标签。主动式标签内部自带电池进行供电,具有可读写的特性。它的优点是发射半径较大,因此读/写距离较远;缺点是与被动式标签相比体积较大,成本较高,寿命只有3～10年,而且随着标签内电池电力的消耗,数据传输的距离会越来越小,影响系统的正常工作。主动式标签可以通过设计电池的不同寿命对标签的使用时间或使用次数进行限制,它可以用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的地方,比如,一年内,标签只允许读写有限次。

　　2) 被动式标签（Passive tags）
　　也称为无源标签。被动式标签内部不带电池,通过读写器产生的磁场中获得工作所需的能量。它的优点是体积较小,成本很低,而且寿命理论上说是无限的;缺点是发射半径较小,因此读写距离较近,需要读写器具有较强的发射功率才能可靠识读。被动式标签常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方,并且支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。

　　通常读写器发送时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率。根据工作频率分：

　　1) 低频（30kHz-300kHz）
　　该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作,也就是在读写器线圈和标签线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用,在标签天线中感应的电压被整流,可作供电电压使用。虽然该频率的磁场区域下降很快,但是能够产生相对均匀的读写区域。相对于其他频段的RFID产品,该频段数据传输速率比较慢,标签的价格相对来说便宜。低频系统主要用于短距离（无源情况,典型阅读距离为10cm）、低成本的应用中,如门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪、存取控制、POS应用等。常见的低频频率有125kHz和134.2kHz。

　　2) 中高频（3MHz-30MHz）
　　在该频率的标签不再需要线圈进行绕制,可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。标签一般通过负载调制的方式进行工作,也就是通过标签上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化,实现用远距离标签对天线电压进行振幅调制。同样,该频率的磁场区域下降很快,但是能够产生相对均匀的读写区域。数据传输速率比低频要快,但价格不是很贵。中频系统用于门禁控制和需要传送大量数据的应用系统,如项目级跟踪、图书管理、智能货架等。常见的中频频率主要有13.56MHz。

　　3) 超高频（300MHz-5.8GHz）
　　超高频系统通过电场来传输能量。该频段读取距离比较远,无源可达10m 左右。主要是通过电磁耦合的方式进行实现。该频段有很高的数据传输速率,在很短的时间可以读取大量的电子标签;有好的读取距离,但是对读取区域很难进行定义;电子标签及阅读器成本均较高。高频系统应用于需要较长的读写距离（可达几米至几十米）和高读写速度的场合,应用于火车监控、高速公路收费、航空包裹管理等系统。常见的高频频率有433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。

　　RFID应用前景

　　RFID标签相当于条形码技术中的条形码符号,用来存储需要识别传输的信息。但与条形码相比,它有着不可比拟的优势：防水、防磁、耐高温、体积小型化、形状多样化、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,不需要光源、可以透过外部材料读取数据,能够同时处理多个标签、可以对所附着的物体进行追踪定位等。

　　如果RFID技术能与电子供应链紧密联系,那它很有可能在几年内取代条形码扫描技术。除此之外,RFID技术更可广泛应用于需要对物品跟踪或分类管理的任何场合。

　　1) 供应链与物流管理
　　供应链与物流管理被认为是RFID技术最大的舞台。信息的准确性和及时性是物流及供应链管理的关键因素,对此RFID技术能够提供充分的保证。RFID系统使供应链的透明度大大提高,物品能在供应链的任何地方被实时的追踪,同时消除了以往各环节上的人工错误。安装在工厂、配送中心、仓库及商场货架上的读写器能够自动记录物品在整个供应链的流动—从生产线到最终的消费者。

　　另外,由于RFID标签的存储容量是2的96次方以上,所以物流行业第一次发现他们可以将世界上所有的商品每一个都以惟一的代码表示。

　　2) 生产制造与过程控制
　　现代生产方式对各个环节的协同提出了越来越高的要求,任何一个环节的脱节,都可能导致整条生产线乃至整个生产流程的瘫痪。如何管理并且准确找到规格纷繁复杂的零部件,并将其及时运送到生产线上,这不仅困扰着复杂设备的生产商,同时也是困扰着所有采用流水线作业的企业的一个难题。借助RFID技术,就能够实现存货管理的自动化。不仅零部件的位置一目了然,其数量也全在掌控之中。

　　3) 货物的跟踪与管理
　　很多国家的航空公司将射频识别技术应用于旅客行李管理中,大大提高了分拣效率,降低了出错率。使用RFID技术,对于类似行李、邮件和包裹的处理,都会变的更有效率。

　　4) 身份识别与门禁系统
　　RFID作为一种识别技术,顺理成章地可以用来验证和检查人群与物品的身份。其显著的优点之一,就是它的无线读取方式大大提高了有效识别的距离,从而更加高效地处理有关数据,或者为对特殊情况做出反应赢得更多的时间。RFID技术为智能身份证计划的实施提供了解决方案。

　　射频识别系统可以应用于大型停车场、军事重地、 金融系统等地方的人员出入管理。将与名片大小相仿的电子标签贴附在汽车风挡玻璃或挂在人的身上,当有人员或车经过读写器时,读写器即可快速、准确地记录下所通过的车辆或人员信息及通过的时间。同时还可以对是否允许通过做出判断,自动控制出入大门开关,做到出入严格管理。

　　5) 文档追踪与图书馆管理
　　由于图书馆和档案馆等类似机构的应用环境相对稳定,数据也比较简单,所以RFID技术在这里得到了充分的展示。目前,已经有澳大利亚、印度、荷兰和马来西亚等十余个国家的将近100家机构采用了这项技术。其中新加坡国家图书馆堪称其中的典范：读者自助借书还书无需排队,可以用现金卡自动支付超期罚款等各种费用,以及自行查看借书记录;另外,该系统还可以对该归还的书籍进行半自动或自动分类,从而把图书管理员从简单的重复劳动中解放出来,为读者提供更人性化的服务。

　　6) 交通管理与城市规划
　　在射频卡应用方面,我国主要应用于智能交通领域,不仅节约了劳动力成本,而且可以大大提高乘客的通行速度。RFID系统甚至可以收集乘客分布和流向的有关数据,从而优化公交系统的行车路线与车次安排。射频卡另外一个应用项目就是第二代公民身份证。

　　RFID芯片

　　近期,上海贝岭股份有限公司自主研发设计并制造了一款远距离读写的射频识别芯片BL75R02,可制造成电子标签或非接触卡。该芯片工作频率为13.56 MHz,其优点在于单边天线读写距离可以达到70cm,配合适当的天线其有效作用距离可达1.5m ,512bit EEPROM,具备防冲突功能和电子商品防盗功能（EAS）,读写器能同时处理多个芯片,大大增加了电子标签的适用领域。支持PHILIPS,TI公司ISO15693标准读卡机,用户可用该芯片开发读写器。主要适用于航空包裹和行李识别、邮件分选、商品流通控制、电子防伪防盗、工业控制、门禁系统、军事跟踪、路桥收费、畜牧养殖、图书文档管理和金融票据等领域。

　　该款电子标签产品是被动式标签,主要特点是电路本身不包含电源,工作所需电源全部来自读卡机天线发出的电磁波,工作时芯片需外接一个电感（天线）,电感和其内部的并联电容构成一谐振电路以便接收读卡机的信号。电路框图如图2所示。

　　针对这款电子标签进行了低功耗设计,包括天线耦合、抗干扰、电源控制、信号的调制和解调电路、数据的读写控制逻辑电路、数据校验和加解密电路以及存储电路,实现了电子标签综合性能的提高,在读写距离等关键指标上超过国外同类产品。

　　结论

　　尽管我国射频识别技术应用状况还处于初级阶段,但市场前景非常广阔。相信在不久的将来,射频识别技术的应用将在生产线自动化、仓储管理、电子物品监视系统、货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面会有很大的突破。

作者简介：
钱国平：上海交通大学微电子学院工程硕士研究生
黄其煜博士：上海交通大学微电子学院研究生导师