RFID系統(tǒng)工作原理初學者指南
RFID是“無線射頻識別”(Radio Frequency Identification)的縮寫,意思是利用無線電波以非接觸方式傳輸數(shù)據(jù),從而識別物體、動物或人類。一個完整的RFID系統(tǒng)通常由RFID讀寫器、RFID標簽和天線組成。RFID廣泛應用于醫(yī)療保健、零售、酒店、制造等各類行業(yè)。它類似于條形碼技術(shù),但不受視線限制。
在本RFID初學者指南中,我們將為您解答關(guān)于RFID的常見問題,例如:RFID是什么、RFID技術(shù)的含義、RFID如何工作、RFID有哪些用途等。
RFID倉儲貨架識別方案是基于RFID技術(shù),以RFID讀寫終端、RFID標簽等為載體對倉庫貨架上的貨物進行庫存盤點,對貨架上貨物的數(shù)據(jù)進行自動化識別采集,保證貨物在庫內(nèi)數(shù)據(jù)的準確性與實時性,及時掌握庫存的真實數(shù)據(jù),提高倉庫管理的工作效率。
RFID技術(shù)介紹
RFID如何工作?
通過為物品貼上RFID標簽,用戶可以自動且唯一地識別和追蹤庫存與資產(chǎn)。RFID通過RFID天線發(fā)送無線電波信號給周圍的RFID標簽。RFID讀寫器會放大信號并調(diào)制數(shù)據(jù)信息,通過天線電纜將能量發(fā)射到連接的RFID天線上。
每個RFID標簽中都包含唯一識別信息,因此即使兩個物理上相同的物品也可以通過讀取標簽輕松區(qū)分。與傳統(tǒng)自動識別技術(shù)相比,RFID的優(yōu)勢在于:無需視線即可讀取,且可實現(xiàn)30米以上的讀取距離。RFID技術(shù)最早可追溯至二戰(zhàn)時期,用于識別敵我飛機。如今,RFID不斷進步,系統(tǒng)部署成本也日益降低,使其變得更加經(jīng)濟高效。
RFID有哪些用途?
RFID的應用范圍廣泛,從庫存管理到供應鏈管理,幾乎涵蓋各行各業(yè),還可以針對特定需求做個性化應用,如IT資產(chǎn)追蹤、布草管理、租賃物品追蹤等。
相比其他系統(tǒng),RFID的優(yōu)勢在于能快速、高效地唯一識別每一個物品。以下是一些典型應用場景:
比賽計時
供應鏈管理
藥品追蹤
庫存管理
IT資產(chǎn)管理
洗衣和紡織品追蹤
文件追蹤
可回收運輸容器追蹤
活動與人員追蹤
出入口門禁
RFID頻率類型
了解RFID技術(shù)時,必須注意一個關(guān)鍵點:RFID有三種主要頻率類型,每種頻率的讀取距離和應用場景都不相同。在電磁頻譜中,RFID使用的頻段主要有三類:
低頻(LF RFID)
高頻(HF RFID)
超高頻(UHF RFID)
低頻(Low Frequency, LF)RFID頻段
頻率范圍(常規(guī)):30 - 300 kHz
主要頻率范圍:125 - 134 kHz
讀取距離:接觸到約10厘米
每個標簽的平均成本:$0.75 - $5.00
典型應用:動物追蹤、門禁控制、汽車鑰匙感應器、含有大量液體或金屬的場景
優(yōu)點:在液體和金屬環(huán)境下表現(xiàn)良好,具備全球標準
缺點:讀取距離極短、內(nèi)存容量有限、數(shù)據(jù)傳輸速率低、生產(chǎn)成本較高
高頻(High Frequency, HF)RFID頻段
主要頻率范圍:13.56 MHz
讀取距離:近距離接觸至30厘米
每個標簽的平均成本:$0.20 - $10.00
典型應用:DVD自助機、圖書館圖書、個人身份證、撲克牌/游戲籌碼、NFC應用
優(yōu)點:支持NFC全球協(xié)議、可選內(nèi)存容量較大、具備全球標準
缺點:讀取距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率低
超高頻(Ultra-High Frequency, UHF)RFID頻段
頻率范圍(常規(guī)):300 - 3000 MHz
主要頻率范圍:433 MHz,860 - 960 MHz
超高頻RFID分為兩種類型:主動式(Active RFID)和被動式(Passive RFID)
主動式RFID(Active RFID)介紹
主要頻率范圍:433 MHz(也可使用2.45 GHz,屬極高頻范圍)
讀取距離:30米 - 超過100米
每個標簽的平均成本:$15.00 - $50.00
典型應用:車輛追蹤、汽車制造、礦業(yè)、建筑工地、資產(chǎn)追蹤、集裝箱追蹤、建筑工具管理
優(yōu)點:讀取距離極遠、基礎設施成本較低(相較于被動式RFID)、內(nèi)存容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高
缺點:標簽成本高、有電池限制運輸、軟件系統(tǒng)較復雜、易受金屬和液體干擾、缺乏統(tǒng)一的全球標準
被動式RFID(Passive RFID)介紹
主要頻率范圍:860 - 960 MHz
讀取距離:接觸至約25米
每個標簽的平均成本:$0.08 - $20.00
典型應用:制造業(yè)、醫(yī)藥追蹤、自動收費、庫存管理、比賽計時、資產(chǎn)追蹤、供應鏈管理、IT資產(chǎn)管理、工具追蹤、布草追蹤、圖書館管理、門禁控制、用戶體驗優(yōu)化
優(yōu)點:讀取距離長、標簽成本低、標簽形狀和尺寸多樣、具備全球標準、數(shù)據(jù)傳輸速率高
缺點:設備成本高、內(nèi)存容量中等、易受金屬和液體干擾
被動式RFID重點(Passive RFID Focus)被動式RFID的主要子頻段雖然860 - 960 MHz 這一較寬的頻率范圍被公認為超高頻(UHF)被動式RFID的“全球標準”,但由于其較晚普及,最終被進一步細分為兩個主要子頻段:
865 - 868 MHz
902 - 928 MHz
RFID標簽和設備可根據(jù)制造商及其所在地區(qū),選擇在其中一個子頻段工作,或者支持整個全球頻段。
865 - 868 MHz —— ETSI 標準(歐洲)ETSI(歐洲電信標準協(xié)會) 是歐洲的管理機構(gòu),負責為多種通信通道(包括射頻通信)制定和維護統(tǒng)一標準。根據(jù)ETSI規(guī)定,為了避免干擾其他無線通信形式,RFID設備和標簽只能使用865 - 868 MHz這一較小的頻率段。當購買支持歐洲標準的標簽和設備時,這一標準常被標識為 ETSI 或 EU,表示“歐洲”。
902 - 928 MHz —— FCC 標準(北美)FCC(美國聯(lián)邦通信委員會) 是美國的管理機構(gòu),負責為包括RFID在內(nèi)的多種電磁通信形式制定統(tǒng)一標準。FCC規(guī)定:RFID標簽和設備僅可在902 - 928 MHz的頻段內(nèi)運行,其余頻段分配給其他通信用途。符合FCC認證或標有“北美頻段(NA)”的RFID設備或標簽,可以在整個北美地區(qū)使用。
其他射頻使用情況由于ETSI與FCC是最早制定RFID頻段標準的組織,許多國家要么選擇采納其中之一,要么制定了基于這兩個頻段子集的本地標準。例如:
阿根廷:采用FCC標準頻段902 – 928 MHz
亞美尼亞:采用ETSI頻段中的一個更小子段865.6 – 867.6 MHz
雖然我們通常以頻率范圍討論區(qū)域標準,但各國還有更多細節(jié)管控,例如:
最大輻射功率(ERP或EIRP)
是否要求跳頻(frequency hopping)
是否必須申請許可才能使用RFID
部分國家對RFID的使用環(huán)境和方式要求更加嚴格。如需了解各國具體RFID使用規(guī)范,請參閱《如何遵守各地區(qū)RFID法規(guī)指南》。
RFID系統(tǒng)包含哪些組成部分?
雖然每個RFID系統(tǒng)在設備類型和復雜度上可能有所不同,但傳統(tǒng)的(固定式)RFID系統(tǒng)至少包含以下四個基本組件:
讀寫器(Reader)
天線(Antenna)
標簽(Tag)
連接線纜(Cables)
例外情況:如果系統(tǒng)采用的是移動式/手持式/USB型RFID讀寫器或其他集成式讀寫器,那么讀寫器、天線和線纜通常被集成在一個設備中。
一個最簡單的RFID系統(tǒng)由一臺內(nèi)置天線的手持式RFID讀寫器和RFID標簽組成;而更復雜的系統(tǒng)則可能包含:
多端口讀寫器
天線切換器(參閱:天線多路復用器如何節(jié)省大量成本)
GPIO擴展盒
輔助功能設備(如:報警燈)
多個天線和連接線纜
RFID標簽
完整的軟件系統(tǒng)
什么是RFID標簽?
以Smartrac Belt RFID標簽為例。RFID標簽最基礎的結(jié)構(gòu)包括兩個部分:
天線:用于發(fā)送和接收信號
芯片(又稱集成電路 IC):用于存儲標簽ID及其他信息
RFID標簽通常被貼附在物品上,借助RFID讀寫器和天線實現(xiàn)物品的自動識別和跟蹤。RFID標簽通過無線電波將芯片中的信息發(fā)送至讀寫器/天線組合。大多數(shù)RFID標簽是無源的,即不帶電池(除非標注為主動式(Active)或BAP標簽)。這些無源標簽通過讀取器發(fā)出的射頻信號獲取能量。當標簽接收到讀寫器發(fā)出的信號時,能量經(jīng)過標簽的內(nèi)部天線傳輸至芯片,芯片被激活后將信息調(diào)制并發(fā)送回讀寫器。
RFID芯片包含的四個存儲區(qū):
EPC區(qū):可寫入識別信息(如編碼)
TID區(qū):存儲標簽出廠信息和唯一ID,不可更改
用戶區(qū)(User):可存儲附加數(shù)據(jù)
保留區(qū)(Reserved):用于特殊操作,如鎖定標簽、擴展EPC長度等
市場上已有數(shù)百種不同形狀和尺寸的RFID標簽,適配各種應用場景、材質(zhì)表面及環(huán)境條件。
選擇最合適的標簽對于確保讀寫性能至關(guān)重要。
RFID標簽的類型
由于RFID應用種類繁多,相應地也存在各種各樣的RFID標簽及分類方式。其中一種常見的分類方法是**軟標簽(Inlay)與硬標簽(Hard Tag)**的區(qū)分:
軟標簽(Inlay)價格較低,通常在$0.09 - $1.75之間,具體取決于其功能特性。
硬標簽(Hard Tag)則更堅固、耐用,具有較強的抗候性,價格大約在$1.00 - $20.00之間。
標簽的常見分類方式如下:
外形類別(Form Factor):軟標簽(Inlay)、標簽紙(Label)、卡片(Card)、胸卡(Badge)、硬標簽(Hard Tag)
頻率類型(Frequency Type):低頻(LF)、近場通信(NFC)、高頻(HF)、超高頻無源(UHF Passive:902–928 MHz、865–868 MHz 或 865–960 MHz)、BAP標簽、主動標簽(Active)
環(huán)境適應性(Environmental Factors):防水、耐磨、耐高低溫、耐化學腐蝕
可定制性(Customizable):外形、尺寸、印刷內(nèi)容、編碼方式
特定功能/應用(Specific Features/Applications):洗衣標簽、帶傳感器標簽、可嵌入式標簽、可高溫高壓消毒標簽(Autoclavable Tags)、車輛標簽、大容量存儲標簽
特定表面材料(Specific Surface Materials):金屬表面專用標簽、玻璃表面標簽、適用于液體容器的標簽
什么是RFID讀寫器?
RFID讀寫器是RFID系統(tǒng)的大腦,是系統(tǒng)運行不可或缺的核心組件。讀寫器(也稱為詢問器 Interrogator)是一種通過發(fā)射和接收無線電波,與RFID標簽進行通信的設備。
根據(jù)移動性/靈活性,RFID讀寫器通常分為三種類型:
一、固定式讀寫器(Fixed RFID Readers)
固定讀寫器安裝在一個固定的位置,如墻面、桌面、門禁通道等。大多數(shù)固定讀寫器具備外部天線接口,可連接1至8個天線。若配合多路復用器使用,有些讀寫器甚至可連接多達64個天線。
所需天線數(shù)量取決于應用所需的覆蓋區(qū)域。例如:文件進出管理只需較小的讀取區(qū)域,一個天線即可;而類似比賽終點識別這種需要廣覆蓋的場景,通常需要多個天線建立識別區(qū)域。
二、移動式讀寫器(Mobile RFID Readers)
移動讀寫器為手持設備,具有靈活性,可隨時讀取標簽并與主機或智能終端通信。它們大多為無線設備,依靠電池供電,通過Wi-Fi或藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸。
移動讀寫器主要分為兩類:
帶有內(nèi)置計算機的移動終端(Mobile Computing Devices)
通過藍牙或輔助接口與手機/平板配合使用的手柄式讀寫器(Sleds)
三、USB讀寫器(USB Readers)
USB讀寫器是固定與移動之間的特殊類型。它雖然連接在電腦上,但無需插墻電源,因此比傳統(tǒng)固定讀寫器更具靈活性。
USB讀寫器常用于桌面場景,特別適合對單個RFID標簽的讀取與寫入。
集成式讀寫器(Integrated Readers)
這是固定或移動讀寫器中的一個子集。大多數(shù)移動讀寫器為集成式,固定讀寫器也有集成式和非集成式之分。集成式讀寫器內(nèi)置天線,無需外接天線,通常外觀美觀,適用于室內(nèi)、低流量標簽的應用環(huán)境。
RFID讀寫器的分類方式:
最常見的分類方式是按移動性區(qū)分。此外,還可以根據(jù)以下維度區(qū)分:
頻率范圍:
美國/FCC:902 – 928 MHz
歐洲/ETSI:865 – 868 MHz
移動性:
固定讀寫器、移動讀寫器、USB讀寫器
連接方式:
Wi-Fi、藍牙、以太網(wǎng)LAN、串口、USB、輔助接口
可用功能/拓展模塊:
HDMI、GPS、攝像頭、GPIO、1D/2D條碼識別、蜂窩通信等
處理能力:
帶本地處理功能 / 無本地處理功能
供電方式:
電源適配器、PoE以太網(wǎng)供電、電池、車載供電、USB
天線端口數(shù)量:
無外接端口、1口、2口、4口、8口、16口等
如何選擇RFID讀寫器?
選擇時建議參考以下幾個關(guān)鍵問題:
您需要的讀取距離是多少?
應用環(huán)境是否存在極端條件?例如高溫、嚴寒、潮濕或沖擊等?
是否需要將讀寫器接入網(wǎng)絡?
讀寫器將被安裝在哪里?是固定位置,還是移動設備上(如車載)?
讀寫器是否需要具備移動性?
預計會有多少個讀取點/讀取區(qū)域?
一次需要讀取多少個標簽?
標簽通過讀取區(qū)域的速度快慢如何?是緩慢移動的傳送帶還是快速移動的傳送帶?
什么是 RFID 天線?
以 Vulcan RFID UHF RFID 天線為例
RFID 天線是 RFID 系統(tǒng)中必不可少的組成部分,它的作用是將 RFID 讀寫器發(fā)出的信號轉(zhuǎn)換為射頻(RF)波,從而被 RFID 標簽接收。無論是集成在讀寫器內(nèi)部,還是作為外部組件,沒有 RFID 天線,讀寫器都無法與標簽正常通信。
與 RFID 讀寫器不同,RFID 天線被稱為“啞設備”,主要有兩個原因:一是它本身無法通電或存儲電能,二是它沒有任何計算能力。讀寫器將能量傳輸給天線后,天線生成一個射頻場(RF field),并將信號發(fā)送到附近的標簽。天線將能量以特定方向有效傳播的能力被稱為“增益”(Gain)。簡單來說,增益越高,天線產(chǎn)生的射頻場就越強、傳輸距離就越遠。
RFID 天線最常見的分類方式是基于其發(fā)射射頻波的方式,即“極化方式”(Polarity)。線極化(Linear Polarization)天線以水平或垂直平面?zhèn)鞑ド漕l波;而圓極化(Circular Polarization)天線則以旋轉(zhuǎn)的方式在水平和垂直平面之間傳播射頻波。
線極化天線(Linearly-Polarized Antennas)
線極化 RFID 天線在水平或垂直的平面上發(fā)射射頻波。如果射頻場為水平面,則稱為水平線極化,垂直面則為垂直線極化。
使用線極化天線時,極化方向?qū)ψx取距離有顯著影響。為了最大化讀取距離,天線的極化方向需與 RFID 標簽的極化方向匹配。例如,如果天線為垂直線極化,而標簽的天線為水平放置,讀取距離會大幅減少。標簽的極化方向通??梢酝ㄟ^觀察其天線的放置方向判斷 —— 通常標簽較長的一邊表示其極化方向。線極化天線的極化方向可通過測試確定,也有部分產(chǎn)品會標注極化方向。
不過,在購買設備時無需太過關(guān)注水平或垂直極化,因為在安裝時可以通過旋轉(zhuǎn)天線或標簽來匹配方向。
圓極化天線(Circularly-Polarized Antennas)
圓極化天線會連續(xù)在水平與垂直方向之間切換其射頻波方向,從而提升對 RFID 標簽朝向的兼容性。這種靈活性意味著標簽可以以不同朝向被可靠讀取。但由于能量被分配在兩個方向上,相同增益下,圓極化天線的讀取距離會短于線極化天線。
RFID 天線的分類方式
與大多數(shù) RFID 設備類似,天線也可以按多種維度分類,用于選擇適合具體應用的產(chǎn)品。最常見的分類方式包括極化方式(圓極化或線極化)與環(huán)境適應性(室內(nèi)或室外)。
頻率范圍:美國/FCC 902–928 MHz,歐洲/ETSI 865–868 MHz,全球通用 860–960 MHz
極化方式:圓極化、線極化
適用環(huán)境:室內(nèi)(IP防護等級),室外(IP防護等級)
讀取距離:近距離(近場),遠距離(遠場)
安裝方式:貨架型、地面型、面板型、門禁型