射频识别技术原理、优点、局限性及其应用外文翻译资料

International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol.3, No.1, February, 2011

1793-8163

RFID Technology Principles, Advantages, Limitations amp; Its Applications

Mandeep Kaur, Manjeet Sandhu, Neeraj Mohan and Parvinder S. Sandhu

Abstract—This paper gives an overview of the current state of radio frequency identification (RFID) technology. Aside from a brief introduction to the principles of the technology, major current and envisaged fields of application, as well as advantages, and limitations of use are discussed. Radio frequency identification (RFID) is a generic term that is used to describe a system that transmits the identity (in the form of a unique serial number) of an object or person wirelessly, using radio waves. Its grouped under the broad category of automatic identification technologies. RFID is increasingly used with biometric technologies for security. In this paper Basic Principles of RFID technology along with its types are discussed.

Index Terms—RFID Technology, RFID Principles, Components of RFID, Benefits , Limitations, Applications.

1. INTRODUCTION

In recent years, radio frequency identification technology has moved from obscurity into mainstream applications that help speed the handling of manufactured goods and materials. RFID(Radio Frequency Identification) enables identification from a distance, and unlike earlier bar-code technology , it does so without requiring a line of sight. RFID tags support a larger set of unique IDs than bar codes and can incorporate additional data such as manufacturer, product type, and even measure environmental factors such as temperature. Furthermore, RFID systems can discern many different tags located in the same general area without human assistance. In contrast, consider a supermarket checkout counter, where you must orient each bar-coded item toward a reader before scanning it. So why has it taken over 50 years for this technology to become mainstream? The primary reason is cost. For electronic identification technologies to compete with the rock-bottom pricing of printed symbols, they must either be equally low-cost or provide enough added value for an organization to recover the cost elsewhere. RFID isnrsquo;t as cheap as traditional labeling technologies, but it does offer added value and is now at a critical price point that could enable its large-scale adoption for managing consumer retail goods. Here, we introduce the principles of RFID, discuss its primary technologies and applications, and review the

Manuscript received July 30, 2010.

Mandeep Kaur and Manjeet Sandhu are associated with Sant Baba Bhag Singh Institute of Engg. And Tech., Padhiana, Jalandhar, Punjab, INDIA.

Neeraj Mohan is working as Asstt. Prof. in Deptt. of CSE at Rayat amp; Bahra Institute of Engg. amp; Bio-Tech., Sahauran, Mohali, Punjab, INDIA.

Dr. Parvinder S. Sandhu is associated as Professor with Deptt. of CSE at Rayat amp; Bahra Institute of Engineering amp; Bio-Technology, Sahauran, Mohali, Punjab, INDIA. Email: parvinder.sandhu@gmail.com

challenges organizations will face in deploying this technology.

RFID is used to automatic data capture allowing contact less identification of objects using radio frequency.

RFID compared to BAR CODES

• Similarly - a support tool to automate processes and to improve operations management.
• Reduces labor, eliminates human errors.
• Puts a wealth of data at your fingertips. Different, in that:
• Tags can be embedded and hidden with no need for line-of-sight. They can be read through wood, plastic, cardboard, any material except metal.
• Tags can reprogrammed on-the-fly.
• Applicable in harsh environments, such as outdoors, around chemicals, moisture and high temperatures.

1. RFID PRINCIPLES

Many types of RFID exist, but at the highest level, we can divide RFID devices into two classes: active and passive.

Active tags require a power source—theyrsquo;re either connected to a powered infrastructure or use energy stored in an integrated battery. In the latter case, a tagrsquo;s lifetime is limited by the stored energy, balanced against the number of read operations the device must undergo. One example of an active tag is the transponder attached to an aircraft that identifies its national origin [1].

Passive RFID is of interest because the tags donrsquo;t require batteries or maintenance. The tags also have an indefinite operational life and are small enough to fit into a practical adhesive label. A passive tag consists of three parts: an antenna, a semi- conductor chip attached to the antenna, and some form of encapsulation. The tag reader is responsible for powering and communicating with a tag. The tag antenna captures energy and transfers the tagrsquo;s ID (the tagrsquo;s chip coordinates this process). The encapsulation maintains the tagrsquo;s integrity and protects the antenna and chip from environmental conditions or reagents [8].

Two fundamentally different RFID design approaches exist for transferring power from the reader to the tag: magnetic induction and electromagnetic (EM) wave capture. These two designs take advantage of the EM properties associated with an RF antenna—the near field and the far field.

Both can transfer enough power to a remote tag to sustain its operation—typically between 10 micro;W and 1 mW, depending on the tag type. (For comparison, the nominal power an Intel XScale processor consumes is approximately

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500 mW, and an Intel Pentium 4 consumes up to 50 W.) Through various modulation techniques, near- and far-field-based signals can also transmit and receive data [1].

A. Near

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射频识别技术原理、优点、局限性及其应用

Mandep Kaur、Manjeet Sandhu、Neeraj Mohan、Parvinder S.Sandhu

本文综述了射频识别技术的发展现状。除了简要介绍该技术的原理外，还讨论了该技术目前的主要应用领域和设想的应用领域，以及其优点和局限性。射频识别（RFID）是一个通用术语，用于描述使用无线电波无线传输物体或人的身份（以唯一序列号的形式）的系统。它被归入自动识别技术的广泛范畴。为了安全起见，RFID越来越多地与生物识别技术一起使用。本文讨论了射频识别技术的基本原理及其类型。

关键词：RFID技术、RFID原理、RFID组件、优点、局限性、应用。

一、引言

近年来，射频识别技术已从默默无闻转向有助于加快处理制成品和材料的主流应用。RFID（射频识别）能够远距离识别，与早期的条形码技术不同，它不需要视线就可以识别。RFID标签支持比条码更大的一组唯一ID，可以包含其他数据，如制造商、产品类型，甚至测量环境因素，如温度。此外，无线射频识别系统可以在没有人帮助的情况下识别位于同一一般区域的许多不同标签。与此相反，考虑一下超市的收银台，在扫描每一个条形码商品之前，你必须将它朝向一个阅读器。那么，为什么这项技术要过50年才成为主流呢？主要原因是成本。为了使电子识别技术与印刷符号的最低价竞争，它们要么同样低成本，要么为组织提供足够的附加值，以便在其他地方收回成本。RFID并不像传统的标签技术那么便宜，但它确实提供了附加值，现在处于一个关键的价格点，可以使其大规模采用来管理消费品零售。在这里，我们介绍了RFID的原理，讨论了它的主要技术和应用，并回顾了组织在部署这种技术时将面临的挑战。

RFID用于自动数据捕获，允许使用射频对物体进行无接触识别。与条形码相比的RFID不同之处在于：（1）、类似一种支持工具，用于自动化流程和改进运营管理。（2）、减少劳动力，消除人为错误。（3）、将大量数据置于指尖。标签可以嵌入和隐藏，无需视线。它们可以通过木头、塑料、纸板、除金属以外的任何材料来阅读。(4)、标签可以重新编程。（5）、适用于恶劣环境，如室外、化学品周围、潮湿和高温。

二、射频识别原理

存在许多类型的RFID，但在最高级别上，我们可以将RFID设备分为两类：主动和被动。活动标签需要一个电源，它们要么连接到一个供电的基础设施，要么使用集成电池中存储的能量。在后一种情况下，标签的寿命受存储能量的限制，与设备必须经历的读取操作数量相平衡。活动标签的一个例子是附在飞机上的转发器，该转发器标识飞机的国籍[1]。 由于标签不需要电池或维护，无源射频识别（RFID）很受关注。这些标签还具有不确定的使用寿命，并且足够小以适合实际的粘合剂标签。被动式标签由三部分组成：天线、附在天线上的半导体芯片和某种形式的封装。标签阅读器负责为标签供电并与之通信。标签天线捕获能量并传输标签的ID（标签的芯片协调这个过程）。封装保持标签的完整性，保护天线和芯片不受环境条件或试剂的影响[8]。存在两种从根本上不同的RFID设计方法，用于将电源从读卡器传输到标签：磁感应和电磁（EM）波捕获。这两种设计利用了射频天线近场和远场的电磁特性。根据标签类型的不同，两者都可以向远程标签传输足够的电源，以维持其运行，通常在10微瓦到1兆瓦之间。（相比之下，“英特尔XScale”处理器消耗的额定功率大约为 一百五十毫瓦，IntelPentium4消耗高达50瓦）通过各种调制技术，近场和远场信号也可以发送和接收数据[1]。

A、近场射频识别

法拉第磁感应原理是近场耦合的基础。读卡器通过一个读卡线圈传递一个大的交流电流，从而在其所在位置产生一个交变磁场。如果您在此字段中放置一个包含一个较小线圈的标签，则会在标签上显示交流电压。如果这个电压被整流并耦合到一个电容器上，电荷就会积聚起来，然后你就可以用它为标签芯片供电。使用近场耦合的标签使用负载调制将数据发送回读卡器。因为从标签线圈引出的任何电流都会产生其自身的小磁场，而磁场会与读卡器的磁场相反，所以读卡器线圈可以检测到这是流过标签线圈的电流的微小增加。此电流与施加在标签线圈上的负载成比例. 此电流与施加在标签线圈上的负载成比例（因此负载调制）。这与目前大多数家庭使用的电力变压器的原理相同，尽管通常变压器的一次线圈和二次线圈紧密缠绕在一起，以确保有效的电力传输。然而，当磁场扩展到初级线圈之外时，次级线圈仍然可以在一定距离内获得一些能量，类似于读卡器和标签。然后，读卡器可以通过监测通过读卡器线圈的电流变化来恢复该信号。根据所需的ID位数量、数据传输速率和代码中的额外冗余位，可以进行各种调制编码，以消除通信信道中噪声造成的错误。近场耦合是实现无源射频识别系统最直接的方法。

然而，近场通信有一些物理限制。我们可以使用磁感应的范围近似于c/2pi;f，其中c是常数（光速），f是频率。因此，随着操作频率的增加，近场耦合可以操作的距离减小。另一个限制是感应能量是与读卡器线圈距离的函数。磁场以1/r3的系数下降，其中r是标签和读卡器的分离，沿着垂直于线圈平面的中心线。因此，由于应用程序需要更多的ID位以及 同一位置的多个标签在固定的读取时间内，每个标签都需要更高的数据速率，因此操作频率更高[1]。这些设计压力导致了基于远场通信的新型无源RFID设计。

B.远场射频识别

基于远场发射的射频识别标签捕获从附在阅读器上的偶极天线传播的电磁波。标签中的一个较小的偶极天线接收这个能量作为一个在偶极臂上出现的交流电位差[1]。二极管可以整流这个电位并将其连接到电容器上，电容器将导致能量积累，从而为其电子设备供电。商用远场射频识别标签的设计技术是背散射。如果他们设计了一个尺寸精确的天线，它可以被调谐到特定的频率，并吸收以该频率到达的大部分能量。然而，如果在这个频率下发生阻抗失配，天线会将一些能量（如微小的波）反射回读卡器，读卡器随后可以使用灵敏的无线电接收器检测能量。通过随时间改变天线的阻抗，标签可以以编码标签ID的模式反射或多或少的传入信号。实际上，您可以通过在标签的偶极子上放置晶体管，然后部分打开和关闭标签天线来实现此目的。作为一个粗略的设计指南，使用远场原理的标签在100兆赫以上工作，通常在超高频（UHF）波段（如2.45兆赫）工作；低于这个频率的是基于近场耦合的RFID领域。远场系统的范围受限于从读卡器到达标签的能量量以及读卡器的无线电接收器对反射信号的敏感程度。实际返回信号非常小，因为它是两次衰减的结果，每个衰减都基于平方反比定律，第一次衰减发生在电磁波从读卡器辐射到标签时，第二次是反射波从标签返回到读卡器时。因此返回能量是1/r4（同样，r是标签和读卡器的分离）。

幸运的是，由于摩尔定律和半导体制造业的特征尺寸不断缩小，以给定频率为标签供电所需的能量持续下降（目前只有几微瓦）。因此，利用现代半导体，我们可以设计出比少数人更远距离阅读的标签。此外，廉价的无线电接收机已经开发出来，具有更高的灵敏度，因此它们现在可以以合理的成本检测信号，2.4 GHz频段的功率级约为-100 dBm。一个典型的远场阅读器可以在3米外成功地查询标签，一些RFID公司声称他们的产品的读取范围可达6米。

三、射频识别（RFID）工作原理

RFID系统由三个组成部分组成，分为两种组合：收发器（发射器/接收器）和天线通常作为RFID读卡器组合在一起。一个转发器（发射器/应答器）和天线结合在一起形成一个RFID标签[22]。当读卡器发出激活收发器的无线电信号，并将数据发送回收发器时，就会读取RFID标签。

基本的射频识别系统由三个部分组成：

bull;天线或线圈

bull;收发器（带解码器）

bull;无线电频率收发器（射频标签），电子编程，具有独特的信息

有两种类型的转发器，它们与两种主要类型的射频识别标签相关。

bull;无源转发器和RFID标签本身没有能源，依赖于读卡器释放的能量来响应。更便宜的被动式射频识别标签最有可能用于消费品。

bull;有源转发器或标签具有内部电源，用于产生响应读卡器的信号。主动应答机比被动应答机更昂贵。它们可以像普通的无线电通信一样在数英里之外进行通信。它们通常用于商用和私人飞机的导航系统。

如今，这种技术在我们周围有许多用途，尽管用户往往看不到它们。你可能会发现你已经携带并使用了一个射频识别标签，甚至几个。在最基本的层面上，RFID是一种无线链接，可以唯一地识别物体或人。它有时被称为专用短程通信（DSRC）。RFID系统包括称为转发器或标签的电子设备，以及与标签通信的读卡器电子设备。这些系统通过无线电信号进行通信，这些信号可以是单向的，也可以是双向的。如图3所示，[22]当转发器进入读区时，它的数据被读卡器捕获，然后可以通过标准接口传输到主机、打印机或可编程逻辑控制器进行存储或操作。

bull;天线发出无线电信号以激活标签，并向其读取和写入数据。

bull;读卡器发射的无线电波范围从1英寸到100英尺或更多，取决于其功率输出和所用的无线电频率。当射频识别标签通过电磁区时，它检测读卡器的激活信号。

bull;读卡器对标签集成电路（硅片）中编码的数据进行解码，并将数据传送到主机进行处理。

RFID系统的目的是使数据能够通过称为标签的便携式设备传输，标签由RFID读卡器读取，并根据特定应用程序的需要进行处理。标签传输的数据可以提供标识或位置信息，或标签产品的具体信息，如价格、颜色、购买日期等。射频识别技术已经被数千家公司使用了十多年。.rfid因其跟踪移动物体的能力而迅速受到关注。随着这项技术的不断完善，人们正在研究更广泛的、更具侵入性的RFID标签应用。

一个典型的RFID标签是由一个微型芯片连接到一个安装在基板上的无线电天线上。该芯片可以存储多达2千字节的数据。

要检索存储在RFID标签上的数据，您需要一个读卡器。典型的阅读器是一种设备，它有一个或多个天线，可以发射无线电波并从标签接收信号。然后，读卡器将数字形式的信息传递给计算机系统。

一旦在一个项目上建立了一个具有唯一ID的链接，那么各种流程的自动化就可以确保。

四、RFID的好处

虽然在不久的将来，RFID不太可能完全取代常用的条形码，但以下优点建议在识别的附加值中额外应用RFID：

bull;无需人工干预的标签检测降低了就业成本，消除了数据收集中的人为错误， bull;由于不需要视线，因此标签放置受到的限制较小，

bull;RFID标签的读取范围比条形码等更长，

bull;标签可以具有读/写内存功能，而条形码则不能，

bull;RFID标签可以将大量数据存储在唯一标识符之外，

bull;与条形码相比，使用RFID更容易实现唯一的项目标识，

bull;能够单独而非一般地识别物品。

bull;标签对不利条件（灰尘、化学品、物理损伤等）不太敏感，

bull;许多标签可以同时读取，

bull;RFID标签可与传感器结合使用，

bull;多处自动读取可减少库存中的时间滞后和不准确，

bull;标签可以本地存储附加信息。

五、结论

本文综述了射频识别技术的现状和发展趋势。尽管许多限制和未解决的问题仍然阻碍了射频识别的广泛应用。尽管存在这些挑战，RFID仍在继续进军库存控制系统，而组件成本下降到足以使RFID成为具有吸引力的经济主张只是时间问题。此外，为了克服当前的技术限制，建立准确可靠的标签读取系统，正在进行大量的工程设计工作。我们也可能开始看到来自更大分销商的经济压力，以修改产品包装及其相关材料，以更有效地集成RFID。最后，在这个微妙的阶段，当大公司正在试验这项技术时，媒体的反应和直言不讳的隐私团体会影响我们使用这项技术的规则。

RFID的潜在好处是巨大的，我们肯定会看到许多新的应用在未来，其中一些我们甚至无法想象。进入RFID读卡器和标签的组件是简单的无线电通信，但它们较小的尺寸和广泛的部署增强了技术的力量，并引起了对RFID部署的隐私影响的关注。这些担忧通常是基于不太可能的假设，即技术将走向何处以及如何使用。

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