第五章 电子标签

射频识别技术RFIDTechnology第五章电子标签25.1电子标签简介5.1.1电子标签的特点与组成无线标签技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。无线标签技术可识别高速运动物体并可识别多个标签，操作快捷方便。RFID标签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、存储数据量大、存储信息可以修改等优点。电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型小标签。标签中保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，无线标签附着在待识别物体表面。存储在芯片中的数据，由阅读器以无线电波的形式非接触的读取，并通过阅读器的处理器，进行信息解读并进行相关的管理。因此说，电子标签是一种非接触式的自动识别技术，是目前使用的条形码的无线版本。电子标签的应用将给零售、物流等产业带来革命性的变化。电子标签十分方便于大规模生产，并能够做到日常免维护。读写设备采用微波技术，同时收发电路成本低，性能可靠，是近距离自动识别技术实施的好方案。收发天线采用微带平板天线，便于各种场合安装且易于生产，天线环境适应性强，机械、电气性能好。RFID技术给零售、物流等产业带来了革命性的变化，因此条形码技术就受到了极大的冲击。条形码技术的主要突出问题和缺陷主要有：视距问题、信息容量小的问题、红外扫描识别带来的问题等。RFID技术关键在于可以让物品实现真正的自动化管理，不再像条形码那样需要逐个扫描。在RFID标签中存储着规范可互用的信息，通过无线数据通讯网络可以自动采集并连接到中央信息系统，RFID标签可以以任意形式附加在包装中，不需要像条形码那样占用固定空间。此外，RFID不需要人工识别标签，读卡器每250ms就可以从射频标签中读出位置和商品的信息。系统工作时，阅读器发出微波查询信号，电子标签收到微波查询能量信号后，将其一部分整流为直流电源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。阅读器接收反射回的幅度调制信号，从中提取出的电子标签中保存的标识性数据信息。1特点电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体目标对象上。电子标签内编写的程序可按具体需要进行随时读取和改写。电子标签中的内容也可在被改写的同时可以被永久锁死、进行保护。通常电子标签的芯片体积很小，厚度一般不超过0.35mm，可印制在纸张、塑料、木材、玻璃、纺织品等包装材料上，也可以直接制作在商品标签上。总之，电子标签的特点有：（1）具有一定的存储容量，存储被识别物品的相关信息。（2）在一定工作环境及技术条件下，能够对电子标签的存储数据进行读取和写入操作。（3）维持对识别物品的识别及相关信息的完整。（4）具有可编程操作，对于永久性数据不能进行修改。（5）对于有源标签，通过读写器能够显示电池的工作状况。2组成电子标签与读写器之间通过电磁波进行通信，与其他通信系统一样，电子标签可以看做一个特殊的收发信机（Transceiver）。电子标签可以分为两个部分，即标签芯片和标签天线。标签天线的功能是收集阅读器发射到空间的电磁波，和将芯片本身发射的能量以电磁波的方式发射出去。标签芯片的功能是对标签接收的信号进行解调、解码等各种处理，并把电子标签需要返回的信号进行编码、调制等各种处理。5.1.2标签的技术参数RFID射频标签附着在待识别物体上，在RFID系统中，这是一种损耗件。在目前各个厂家制造的RFID系统中，除了个别厂家之外，绝大多数厂家的产品都互不兼容。对于较大的应用系统而言，标签的成本决定着整个系统的建设成本。射频电子标签由标签天线、芯片等采用特殊的封装工艺封装而成。根据射频标签的技术特征，针对标签的技术参数有：能量需求、读写速度、封装形式、内存、工作频率、传输速率和数据的安全性等。下面逐一介绍。（1）标签的能量需求标签的能量需求指激活标签芯片电路所需要的能量范围。在一定距离内的标签，激活能量太低就无法激活标签。（2）标签的传输速率标签的传输速率指的是标签向读写器反馈所携带的数据的传输速率及接收来自读写器的写入数据命令的速率。（3）标签的读写速度标签的读写速度由标签被读写器识别和写入的时间决定，一般为毫秒级，因此携带UHF标签的物体运动速度可以达到1~100m/s，即可以达到360km/h的速度。（4）标签的工作频率标签的工作频率指的是标签工作时采用的频率，即低频、中频、高频、超高频或微波等。（5）标签的容量标签的容量指的是射频标签携带的可供写入数据的内存量，一般可以达到1KB（1024Byte）的数据量。（6）标签的封装形式标签的封装形式主要取决于标签天线的形状，不同的天线可以封装成不同的标签形式，运用在不同的场合，并且具有不同的识别性能。表5-1射频识别系统的技术特征技术特征分类工作方式全双工系统/半双工系统/时序系统数据量大于1bit/电子标签可否编程读头/编程器数据载体EEPROM/FRAM/SRAM状态模式状态机/微处理器能量供应有源系统/无源系统（电池供电/射频场供电）频率范围低频/中高频/超高频/微波标签-读头数据传输方式次谐波/反向散射(负载调制)/其他标签应答频率n，1/n倍/1:1/多样化5.1.3电子标签的分类1按照供电方式分类概念：双频标签与双频系统无线识别系统的工作频率对系统的工作特性影响比较大。从识别距离、穿透能力等特性看，不同的射频频率使得系统之间有着较大的工作能力差异，下面以低频和高频为例，来说明这个差异。简单来讲，低频具有较强的穿透力，能够穿透水、金属、动物，人的躯体等导体材料。但是在同样功率下，传播的距离很近。但高频或超高频具有较远的传播距离，但也很容易被上述导体媒质所吸收。因此，对于可导的这些障碍物，影响到系统的工作能力。如何利用低频和高频这两个频段的长处，结合起来设计具有较远识别距离，又具有较强穿透能力的产品，这就发展出混频和双频技术。混频和双频产品能够广泛的运用在动物识别、导体材料干扰的环境及潮湿的环境中。混频和双频产品的工作形式有两种：有源系统和无源系统。例1：有源双频系统工作原理：读头（阅读器）将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送；双频标签进入低频的发射天线工作区域后被激活，同时将加密的载有目标识别码的高频加密载波信号经标签内的高频发射模块发射出去；接收天线接收到射频卡发来的载波信号，经读头接收处理后，提取出目标识别码送至计算机，完成预设的系统功能和自动识别，实现目标的自动化管理。1例2：无源双频系统iPico公司的专利产品无源双频系统，采用低频和高频两个频段进行工作，将两个频率特性集成到单一的双频标签和双频读头上，构成了双频无源系统。右图为一个门禁无源双频系统及天线。其体积小、系统紧凑，成本低廉，适用于会议签到、门禁控制、人员跟踪、人员管理等环境。人员可以通过佩戴胸卡或放置于衣袋中等形式的标签，无须刷卡系统就可以准确快速识别出标签，而且也具有良好的多目标识别能力。图5-2门禁无源双频系统2按工作频率分类（1）低频标签：典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。（2）高频标签：工作频率高于低频标签，无线电波较长（一般为几米），亦是典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。（3）超高频和微波标签：工作频率远高于低频和高频标签，工作波长较短（分米级或厘米量级），工作方式为电磁反向散射耦合方式。3按封装形式分类根据射频系统不同的应用场合及不同的技术性能参数，考虑到标签的成本、环境要求等，可以将射频识别标签封装成不同厚度、不同大小、不同形状的标签。此外，根据标签封装材质的不同，可以将标签制成以纸、PP、PET、PVC等材料形式。如，在物流管理中最好使用单面的不干胶标签；在门禁系统中最好使用ISO卡片形式的标签；在矿井安全管理中最好使用全封闭的塑料标签。下面进行详细介绍。（1）封装材质为了保护标签芯片和天线，同时也便于用户使用，射频电子标签必须利用某种基材进行封装，不同的封装性质的标签针对不同的场合。主要有纸标签、塑料标签和玻璃标签。①纸标签：一般都具有自粘功能，用来黏贴在待识别物品上。这种标签比较便宜，一般由面层、芯片线路层、胶层、底层组成。②塑料标签：采用特定的工艺将芯片和天线用特定的塑料基材封装成不同的标签形式，如钥匙牌、手表形标签、狗牌、信用卡等形式。常用的塑料基材有PVC和PSP，标签结构包括面层、芯片层和底层。③玻璃标签：应用于动物识别与跟踪，将芯片、天线采用一种特殊的固定物质植入一定大小的玻璃容器中，封装成玻璃标签。（2）封装形状常见的有信用卡标签，一般厚度不超过3mm。圆形标签、钥匙和钥匙扣标签、手表标签、物流线性标签等。4按照作用距离分类（1）密耦合标签：作用距离小于1cm的标签。（2）近耦合标签：作用距离约为15cm的标签。（3）疏耦合标签：作用距离约为1m的标签。（4）远距离标签：作用距离从1m到10m甚至更远的标签。5无芯片标签和SAW标签一般意义上的电子标签都包含有电子标签天线及标签电路。标签电路经过集成后，降低了电子标签的生产成本和整体功耗。以IC芯片为主要特征的电子标签不是唯一的电子标签形式。近年来，随着技术的发展，出现了无芯片标签。（1）声表面波SAW标签声表面波标签以声表面波器件为核心，克服了IC芯片工作时要求直流电源供电的缺陷，同样实现了电子标签的数据保存功能及无接触空间无限通信的功能。声表面波标签的工作原理：天线接收到的射频能量信号经SAW标签内部的变换器后形成激荡SAW存储数据条纹的脉冲，SAW激励神经脉冲经存储数据条纹图形反射后形成数据脉冲，数据脉冲再经过变换器体现为天线负载调制，阅读器经过解调反射的负载调制信号提取SAW电子标签的数据。例：RFSAWInc公司生产的SAW电子标签，采用铌化锂晶体作为声表面波器件的基地材料，适应射频读取的工作频率范围为1.7~2.5GHz。每个标签具有不可更改的唯一的标识UID。发射的高频脉冲响应信号天线叉指换能器反射器压电晶体图5-3声表面波标签其主要特点有：①成本比半导体RFIDIC芯片更低。②克服了半导体RFIDIC电子标签的成本、性能等限制。③具有可满足实用需要的足够长的电子标签识别代码UID。④具有足够远的阅读距离，具有取代条形码的优势。（2）无芯片电子标签无芯RFID标签指的是不含有IC芯片的射频识别标签。最具有前景的无芯标签的主要潜在优势在于其最终能以0.1美分的花费直接印在产品和包装上，才有可能在诸如包装消费品、邮递物品、药品和书籍等最大的RFID应用领域内全面实施，以更灵活可靠的特性取代每年十万亿使用量的条形码。无芯片电子标签最适宜使用的场合有物品管理（工厂名册、图书馆、洗衣店、药品、消费品、档案、邮件），大容量安全文档、空运包裹等高价值物流。无芯片电子标签的特点是超薄、低成本，存储数据量少。典型的实现技术有远程磁学技术（RemoteMagnetics）、层状非晶体管电路技术（LaminarTransistorlessCircuits）、层状晶体管电路技术等。5.2电子标签天线5.2.1电子标签天线简介天线具有将导行波与自由空间波相互转换的功能，它存在于一个由波束范围、立体弧度和立体角构成的三维世界中。无线发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来，并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备。作为射频电子标签的天线必须满足一下的性能要求：（1）足够小以至于能够嵌入制造到本身就很小的电子标签上。（2）有全向或半球覆盖的方向性。（3）提供最大可能的信号给标签的芯片，并给标签提供能量。（4）无论标签处于什么方向，天线的极化都能与阅读器的询问信号相匹配。（5）具有鲁棒性。（6）作为损耗件的一部分，天线的价格必须非常便宜。因此，在选择天线的时候，必须考虑如下因素：（1）天线的类型。（2）天线的阻抗。（3）在应用到电子标签上时的射频性能。（4）在有其他的物品围绕标签物