如何选择合适的频率设计RFID以及实际案例剖析

如何选择合适的频率设计RFID以及实际案例剖析

　　射频识别（radio frequency identification，以下简称RFID）是一种将数据存储在电子数据载体（如集成电路）上，并通过磁场或电磁场以无线方式进行应答器 / 标签（Transponder/Tag）和询问器 /读写器（Interrogator/Reader）之间双向通信，从而达到识别目的并交换数据的新兴技术该技术能实现多目标识别和运动目标识别;具有抗恶劣环境、高准确性、安全性、灵活性和可扩展性等诸多优点;便于通过互联网实现物品跟踪和物流管理，因而受到广泛的关注。

　　因此，RFID 被公认为本世纪最有发展前途的10项技术之一。

　　1.前言

　　RFID 系统实事上已经存在和发展了几十年，从供电状态来看可以分为“有源”和“无源”两大类;从工作频率来看，可以分为低频（125KHz~135KHz），高频（13.56MHz），超高频，微波（2.45GHz，5.8GHz）等几大类。不同的射频识别系统的硬件价格差别是巨大的，而系统本身的特性也各不相同，系统的成熟度也有所不同。很多问题，甚至连业内人员也不能轻易给出一个明确的解答因此用户在选择射频识别技术的时候常常觉得无所适从。笔者结合自身的开发和应用经验，同时在参考了相关的应用资料和技术数据基础上，力图通过本文给读者一个较为全面和客观的认识，希望能够给用户在选择合适频率的射频识别系统时提供一些帮助。

　　2 不同频段 RFID 技术特性简述

　　2.1 低频（Low Frequency） ：

　　使用的频段范围为 1 0 K H z ~ 1 M H z ，常见的主要规格有125KHz、135KHz 等。一般这个频段的电子标签都是被动式的，通过电感耦合方式进行能量供应和数据传输。低频的最大的优点在于其标签靠近金属或液体的物品上时标签受到的影响较小，同时低频系统非常成熟，读写设备的价格低廉。但缺点是读取距离短、无法同时进行多标签读取（ 抗冲突） 以及信息量较低，一般的存储容量在 128 位到 512 位。主要应用于门禁系统、动物芯片、汽车防盗器和玩具等。虽然低频系统成熟，读写设备价格低廉，但是由于其谐振频率低，标签需要制作电感值很大的绕线电感，并常常需要封装片外谐振电容，其标签的成本反而比其他频段高。

　　2.2 高频（High Frequency）：

　　使用的频段范围为 1MHz~400MHz，常见的主要规格为 13.156MHz这个 ISM 频段。这个频段的标签还是以被动式为主，也是通过电感耦合方式进行能量供应和数据传输。这个频段中最大的应用就是我们所熟知的非接触式智能卡。和低频相较，其传输速度较快，通常在100kbps 以上，且可进行多标签辨识（各个国际标准都有成熟的抗冲突机制）。

　　该频段的系统得益于非接触式智能卡的应用和普及，系统也比较成熟，读写设备的价格较低。产品最丰富，存储容量从 128 位到8K 以上字节都有，而且可以支持很高的安全特性，从最简单的写锁定，到流加密，甚至是加密协处理器都有集成。一般应用于身份识别、图书馆管理、产品管理等。安全性要求较高的RFID 应用，目前该频段是唯一选择。

　　2.3 超高频（Ultra High Frequency）：

　　使用的频段范围为 400MHz~1GHz，常见的主要规格有 433MHz、868~950MHz。这个频段通过电磁波方式进行能量和信息的传输。主动式和被动式的应用在这个频段都很常见，被动式标签读取距离约3 ~ 1 0 m 传输速率较快，一般也可以达到100kbps 左右，而且因为天线可采用蚀刻或印刷的方式制造，因此成本相对较低。由于读取距离较远、信息传输速率较快，而且可以同时进行大数量标签的读取与辨识，因此特别适用于物流和供应链管理等领域。但是，这个频段的缺点是在金属与液体的物品上的应用较不理想同时系统还不成熟，读写设备的价格非常昂贵，应用和维护的成本也很高。此外，该频段的安全性特性一般，不适合安全性要求高的应用领域。

　　2.4 微波（Microwave）：

　　使用的频段范围为 1GHz 以上，常见的规格有 2.45GHz、5.8GHz。微波频段的特性与应用和超高频段相似，读取距离约为 2 公尺，但是对于环境的敏感性较高。由于其频率高于超高频，标签的尺寸可以做得比超高频更小，但水对该频段信号的衰减较超高频更高，同时工作距离也比超高频更小。

　　一般应用于行李追踪、物品管理、供应链管理…等。

　　2.5 根据应用选择合适频段的射频识别技术

　　前一部分中，我们已经简要介绍了各个频段的射频识别技术的特点。这一部分中我们将重点说明如何来选择合适的射频识别技术。

　　第一，一个射频识别系统的成本，包含硬件成本、软件成本和集成成本等。而硬件成本不仅仅包括读写器和标签的成本，还包括安装成本。很多时候，应用和数据管理软件和集成是整个应用的主要成本。如果从成本出发考虑，一定要根据系统的整体成本进行，而不仅仅局限于硬件，如标签的价格。这里，我们不进一步讨论和分析这部分的问题，但读者需要对此有一个了解和认识。下面我们主要讨论从技术层面来看，如何选择合适的频段。

　　第二，我们知道，即使是在同一个频段内的射频识别系统，其通信距离也是差异很大的。因为通信距离通常依赖于天线设计、读写器输出功率、标签芯片功耗和读写器接收灵敏度等等。我们不能够简单地认为某一个频段的射频识别系统的工作距离大于另一个频段的射频识别系统。

　　第三，虽然理想的射频识别系统是长工作距离，高传输速率和低功耗的。然而，现实的情况下这种理想的射频系统是不存在的，高的数据传输率只能在相对较近的距离下实现。反之，如果要提高通信距离，就需要降低数据传输率。所以我们如果要选用通信距离远的射频识别技术，就必须牺牲通信速率。选择频段的过程常常是一种折中的过程。

　　第四，除了考虑通信距离以外，在我们选择一个射频系统时，通常还要考虑存储器容量、安全特性等因素。根据这些应用需求，才能够确定适合的射频识别频段和解决方案。从现有的解决方案来看，超高频和微波射频识别系统的操作距离最大（可以达到 3 到 1 0 米），并具有较快的通信速率，但是为了降低标签芯片的功耗和复杂度，并不实现复杂的安全机制，仅限于写锁定和密码保护等简单安全机制。

　　而且，该频段的电磁波能量在水中衰减严重，所以对于跟踪动物（体内含超过 50% 的水）、含有液体的药品等是不合适的。低频和高频系统的读写距离较小，通常不超过一米。高频频段为技术成熟的非接触式智能卡采用，非接触式智能卡能够支持大的存储器容量和复杂的安全算法。如前所述，囿于通信速率和安全性需求，非接触式智能卡的工作距离一般在10cm 左右。高频频段中的 ISO15693 规范通过降低通信速率使通信距离加大，通过大尺寸天线和大功率读写器，工作距离可以达到 1 米以上。低频频段由于载波频率低，比高频13.56MHz 低 100 倍以上，因此通信速率最低，而且通常不支持多标签的读取。