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浅谈RFID工作架构与原理
 

【作者: 王連興】2004年08月26日 星期四

浏览人次:【14955】

随着资讯科技之发展,日常生活中我们经常要使用各式各样之数位识别卡,例如:信用卡、电话卡、金融IC卡等。大部分的识别卡,都是与读卡机(Reader)作接触式之连接来读取数位资料,常见方法有磁条刷卡或IC晶片定点接触,这些用接触方式辨识的作法,在长期使用下容易因磨损而造成资料判别错误,而且接触式识别卡有特定之接点,卡片有方向性,使用者常会因为不当操作而无法正确判读资料。


而「无线射频身份识别系统(RFID)」乃是针对常用之接触式识别系统之缺点加以改良,采用射频讯号以无线方式传送数位资料,因此识别卡不必与读卡机接触就能读写数位资料,这种非接触式之RFID标签/卡与读卡机之间无方向性之要求,且卡片可置于口袋、皮包内,不必取出而能直接识别,免除现代人经常要从数张卡片中找寻特定卡片的烦恼。对于工业应用来说,由于RFID进行识别工作时不需人工介入,可以在油渍、高尘量的恶劣环境中运用。


认识RFID工作原理

RFID由标签、读卡机与天线三部分所组成。每一个标签具备唯一的电子编码(EPC)or (唯一ID),主要用途在于贴在物品上,做为该物品的资料识别。短距离RFID可运用在工厂自动化、货品销售;长距离RFID则可用在收费系统,或车辆身分识别等。


读卡机是读取标签资讯的设备,除了读取,部分读卡机还具备「写入」的功能。读卡机可设计为固定式或掌上型,目前一部读卡机约在2000美元以上。每家企业、据点使用的读卡机数量,约在数十到数百台之间。


现阶段RFID有待克服的部分包括技术、成本及国际标准的制定。在使用的无线频率上,可分为四个频率,分别是低频(125~134KHz)、高频(13.56MHz)、超高频(400MHz~1GHz),以及微波(1GHz以上)。许多厂商已投入此市场,其中Walmart、Tesco、Benetton、Philips、Gillette……,都是第一波的带动者。以下将简介RFID的工作架构与原理。


射频电路之工作原理

在RFID中射频电路主要之功能可分为两个部分,一是利用射频讯号充电,一是利用射频讯号以负载调变进行数据收发。


射频充电

读卡机与RFID装置间系以交流磁场相互耦合。借着此种耦合可以使「应答机(Transponder)」(含「发送器(Transmitter)」和「回应器(Responder)」)之天线产生感应电动能,并经由IC内部之二极体、电容做整流、滤波动作后,产生足够让Transponder工作所需之电源,并且使读卡机与Transponder间能够双向通信,如图一所示。


《图一 Transponder之线圈与读讯机之天线耦合》
《图一 Transponder之线圈与读讯机之天线耦合》

负载调变

在电路上,可将Transponder装置的感应线圈与读卡​​机之天线看成是一个耦合量极小的空心变压器。假设此变压器为理想之变压器,当开关S1开路时,如图二,变压器之二次侧并无电流流经,所以在变压器之一次侧亦无电流流过。而当开关闭合时,如图三。变压器之二次侧将并联一电阻R1,如此一来将会造成在变压器之二次侧有电流I1(t)流过。并且在变压器之一次侧也会有电流I2(t)流过。


《图二 理想的变压器在二次侧开路时,一次侧并无电流》
《图二 理想的变压器在二次侧开路时,一次侧并无电流》
《图三 当变压器二次侧有负载时,一次侧便会有电流》
《图三 当变压器二次侧有负载时,一次侧便会有电流》

若令开关S1之开关受资料所控制,如图四。当资料为1时,开关开路;当资料为0时,开关闭合。并在变压器之一次侧加入信号处理电路,将变压器一次侧上所流经之电流大小做侦测,如此一来便可以得到正确的资料。


《图四 RFID卷标将信息传递至卡片阅读机之原理图》
《图四 RFID卷标将信息传递至卡片阅读机之原理图》

读卡机之设计

由上一节可知,读卡机之主要功用为提供一稳定的射频讯号源,并送至天线,产生一稳定之交流磁场,使RFID标签能够将其射频讯号转为可使其动作之稳定电源,并且可以感测读卡机天线上微小的电流(或电压)变化,以接收来自RFID标签的资料。


在读卡机之设计考量步骤上,可区分为功能需求之构想、机构外观之需求、细部规格之定义、未来整合性之方式、天线需求说明等,详细项目请参考表一说明。读卡机工作区块的示意图则请参考图五。


《图五 卡片阅读机工作区块示意图》
《图五 卡片阅读机工作区块示意图》
表一 读卡机之设计考量步骤
考量步骤 考量要点
读卡机功能需求之构想         1.非接触式读取需求
2.可读取何种规格Tag
3.与Tag读取距离,10-25cm
4.可记忆资料笔数

5.蜂鸣器需求

6.是否需要LCD显示(显示方式)

7.KeyPad及Function Key需求
8.LED状态显示
9.期望成本
10.读到Tag时动作描述,无读到时如何动作
11.该产品市场应用范围及定位
12.市场说明及销售预测
13.操作环境及库存环境说明
读卡机机构外观之需求    1.固定式或手持式
2.挂壁式或桌上型
3.主要元件所需空间
4.产品设计外观其他需求
读卡机细部规格之定义         1.操作电源规格及耗电量
2.读取频率,载波方式
3.电信法规
4.记忆体大小
5.CPU规格
6.KeyPad规格
7.I/O介面规格(RS232/RS485/Wiegand)
8.U/O F/W 说明
9.可操作温湿度,保存温湿度
读卡机未来整合性    1.通讯整合架构 (单机型/多机型/跨网域型)
2.后台软体架构 (Client-Server, 3 Tier)
3.备援架构机制
4.认证机制
读卡机天线需求 1.RF output Power
2.Gain
3.操作频率/频宽
4.机构影响Fine-Tune

5.读取方式/距离/线性/圆极化/近场感应
6.期望Cost
7.Size
8.电信法规

结论

当RFID技术发展到一定程度,将形成极大的应用变革。举例来说,一位顾客挑选了装满整整一个购货车的商品,走到超市出口的时候,不需要任何条码扫描,几秒中的功夫,总货款被清清楚楚地显示在萤幕上;当一位主妇拿着要换洗的衣服置入洗衣机时,这时洗衣机的液晶显示,对这件衣服最好的洗涤方式不是使用洗衣机水洗,建议您要送干洗较好。这种贴心的设计不知您是否感到惊喜呢!!


RFID还具有广阔的应用空间:很多企业、组织的门禁系统、身份识别系统已经使用了RFID技术;RFID技术还可以应用在财产保护、汽车追踪、停车场和高速公路过桥计费等方面;物流业广泛使用RFID技术,从产品的生产、产品的运输到产品的销售将全面实现智慧化。 RFID将应用到汽车、药物、食品、运输、能源、军用等各个领域。从人到机器到商品,RFID所带来的商机无限,同时RFID管理平台的需求势必会让诸多SI厂商纷纷着手制定规格。


由此普遍的市场需求引发了技术发展:有关调查结果显示,在全球年销售额50亿美元以上的大企业中,有70%的企业表示已制定出RFID的相应计划,并将于未来的18个月内实施;而25%的企业表示今年将投资50万到100美元普及RFID技术。


RFID将是无所不在的技术,至于读卡机和标签的部分,笔者认为很明显的是一定要朝向专业客制化方向前进,不知各位的看法为何?


(作者为日晶科技软体研发部经理)


延 伸 阅 读

EPC的规范与标准
EPC系统复杂,涉及RFID、电脑软体、电脑网路等各领域技术,随着研究的不断深入,各个研究组织先后发布了一些EPC系统相关技术规范或草案,本文将这些技术规范与草案整理归纳,呈现给读者。

IC标签的现状及课题(上)、(中)、(下)
这三篇文章对RFID标签发展的现况及课题进行详细的剖析,包括成本、规格的标准化、应用限制及隐私权问题等,值得参考。
RFID标签厂商
Alien Technology
Checkpoint Systems Inc.
Escort Memory Systems
Intermec Technologies Corp.
Matrics Inc.
Omron Electronics Inc.
Philips Electronics North America Corp.
Rafsec Oy
Savi Technology Inc.
Siemens AG
Tagsys USA Inc.
Texas Instruments Inc.
RFID读卡机厂商
Alien Technology
Matrics Inc.
Samsys Technologies Inc.
Savi Technology
Siemens
Symbol Technologies Inc.
Texas Instruments Inc.
ThingMagic LLC
Tyco Integrated Systems Ltd.
软体/系统架构厂商
Data Brokers Inc.
GlobeRanger Corp.
IBM
Manhattan Associates Inc.
OatSystems
SAP
Sun Microsystems Inc.
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lufuchyuan发言于2006.02.06 06:16:31 PM
Wills Hwang 提到 :
通常那一類的廠商適合發展RFID呢?RFID的熱門應用好像也消退了很多,是什麼原因造成的呢?技術上是否有突破的地方?價格上還可以再降吧?


現在運用在物流葉,應該比較適當吧!現在應該是軟體發展還沒跟上,造成有硬體規格,沒有適用軟體使用,或太貴不用.技術上還有要克服的,例如被金屬物或液體檔到讀不到.只要有人大量使用,相信不久將來,就會像條碼一樣普遍!!!
Wills Hwang发言于2005.12.19 06:20:25 PM
通常那一類的廠商適合發展RFID呢?RFID的熱門應用好像也消退了很多,是什麼原因造成的呢?技術上是否有突破的地方?價格上還可以再降吧?
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