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从RFID的物理特性分析用在金属上的可行方案

作者:宫磊 来源:e-works 2005-12-07 10:18:28

摘要:本文介绍了在低频、高频和超高频三个频段做金属表面可行方案的分析。 现阶段对金属件标识的方法有三种,一种是在高频和低频用到的隔离金属与标签的方法,成本比较高;另一种就是合理设计标签,使标签天线离开金属表面适当距离;第三种就是附着标识,包括挂牌子、标识承载被标识物的非金属托盘或者容器等办法。可能将来随着制作工艺的进步,可以把标签的天线和金属做在一起,把被标识金属导体作为天线的一部分从而轻易地解决导体敏感问题;

关键词:物理特性[0篇]  金属[0篇]  125KHz[0篇]  134KHz[0篇]  13.56MHz[0篇]  超高频[2篇]  UHF[5篇]  


    目前大多数厂商对于金属的问题主要处于试验阶段,并且大都没有成熟的产品。低频和高频对金属导体没有太多的办法,只能通过铁氧体或者离开金属一段距离来增加磁通量,或者说减少金属给射频信号所带来的负面效应,这是由它们的物理特性决定的。而超高频(UHF)的波长较短,当金属表面离标签的距离比较合适的时候,信号可以被金属表面反射而增加信号强度,已经公布其金属专用标签的只有Intermec等为数不多的几家。

    针对几个频段的工作原理和物理特性,做一下在金属表面的可行方案分析:

    一、低频频段(125KHz、134KHz)

    该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作, 也就是在读写器(Reader)线圈和感应器(tag,即标签)线圈间存在着变压器耦合作用.通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流,可作供电电压使用. 磁场区域能够很好的被定义,但是场强下降的太快。该频段的波长大约为2200m。

    RFID技术首先在这个频段得到广泛的应用和推广。这个频段的磁场下降太快,决定了其识别距离非常近,但是能够产生相对均匀的读写区域,而且衰减的快不会影响其他磁场,因而工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制;波长较长,能够使这个频段穿过除了金属和液体的任意材料而不降低它的读取距离,但是数据传输速率比较慢。这个频段的技术较为成熟,感应器可以做到不同的封装形式,但是普通标签的价格相对于读写器要贵一些。该频段的感应器一般不提供防冲撞算法,并且市场上的大部分是只读的,只提供ID号;飞利浦有一款Hitag S 感应器是可写,虽然其读头模块支持防冲撞算法,但是真正做的不多。

    低频的作用方式依据的是电磁感应定律,是通过空间交变磁场实现耦合,如果把感应器直接贴在金属表面,会干涉读写器和感应器形成的交变磁场,从而影响数据的读取。解决的办法是在感应器和金属之间加隔离层,目前市场上流行的一种叫铁氧体的物质,可以很好的隔离金属,增加感应器线圈附近的磁通量。但是铁氧体的成本较高,目前批量使用并不合适。

    主要应用领域:畜牧业、门禁、身份识别等。

    二、高频(13.56MHz)

    在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制,可以通过附着或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化,实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果通过数据控制负载电压的接通和断开,那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。该频率的波长大概为22m。

    由于这个频段的波长较长,除了金属材料外,射频信号可以穿过大多数的材料,但是往往会降低读取距离,而且感应器需要离开金属一段距离。虽然该频率的磁场区域下降很快,但是仍然能够产生相对均匀的读写区域;该频段在全球都得到认可,而且并没有特殊的限制。高频感应器一般以电子标签的形式,系统具有防冲撞特性,可以同时读取多个电子标签。信号传输速率比低频要快,价格不是很贵,并且一般提供一定的存储量。
该频段的工作原理大致和低频一样,并且对金属的敏感度比低频高,所以必须建立一个隔离层使感应器与金属隔离,否则读写器根本读不到感应器。

    高频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用,例如一卡通(可以在图书馆应用,也可以在食堂用,这是由于感应器芯片的存储空间分好几个扇区,在图书馆的信息储存在一个扇区中,而作为饭卡用的信息储存在另一个扇区中)、瓦斯钢瓶的管理、医药物流系统的管理等。

    三、超高频(工作频率为860MHz到960MHz之间)

    超高频系统通过电场来传输能量。读写器和电子标签之间的射频信号的耦合类型是电磁反向散射耦合,雷达模型原理,发射出去的电磁波碰到目标后反射,同时携带回目标的信息,依据的是电磁波的空间传播规律;电场的能量下降的不是很快,但是读取的区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远,无源可达10m 左右。主要是通过电容耦合的方式进行实现。

    这个频段是目前人们期待应用潜力最大的,它的标准制定和技术进步都会给RFID这个行业带来影响。目前焦点为EPC标准和Gen 2,UHF Gen 2只是EPCglobal开发的多个标准之一,所使用的频率和能源完全符合现行的各种法律法规,标准涉及到信息系统中的中间件以及信息系统间的通信方式等等(现在可能还没有制定完全),简单的说就像internet的各种类似域名解析、各种网络通信协议等等;此外,为了更好的保护存储在标签和相应数据库中的数据,基于UHF Generation 2标准的产品将采用先进的加密技术、密码保护和认证机制。EPC编码一般是96位bits,中国标准制定委员会较为倾向于EPC。UHF全球的定义不是很相同,欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz,北美定义的频段为902 到905MHz 之间,在日本建议的频段为950 到956 之间。之所以关注EPC,EPC较多的强调通信、网络协议和各种接口,对于现在波音模式的制造模式会十分有用,在装配厂的仓库管理和运输管理中可能用,并且这种模式较好的解决产品的可追溯性。
该频段的波长大概为30cm 左右,信号不能通过许多材料,特别是水,灰尘,雾等悬浮颗粒物资。相对于高频的电子标签来说,该频段的电子标签不需要和金属分开来。它可以利用雷达原理,如果标签和金属表面的距离适当,不仅不会影响标签的读取,并且还会加强信号。

    该频段有很高的数据传输速率,在很短的时间可以读取大量的电子标签。Alien声称他们已经能够达到360片/秒,并且在40km/秒的移动速率下也能正确读取。RFID技术之所以在产生几十年后得到重视,是因为来自美国国防部和沃尔玛强力支持。而这两种典型的应用,物流和供应链管理正是RFID超高频频段的优势,超高频有读取距离和速率的优势,对于批量读取、移动读取和远距离读取相对于低频和高频非常好。

    主要应用领域:供应链上的管理和应用,生产线自动化的管理和应用,航空包裹的管理和应用,集装箱的管理和应用,后勤管理系统的应用。

    综上所述,现阶段对金属件标识的方法有三种,一种是在高频和低频用到的隔离金属与标签的方法,成本比较高;另一种就是合理设计标签,使标签天线离开金属表面适当距离;第三种就是附着标识,包括挂牌子、标识承载被标识物的非金属托盘或者容器等办法。可能将来随着制作工艺的进步,可以把标签的天线和金属做在一起,把被标识金属导体作为天线的一部分从而轻易地解决导体敏感问题;但是现在对于直接标识金属件,没有读取距离要求的可以采用直接黏附在表面,有距离要求的最好还是用合理设计的超高频标签或者附着标识的办法。

    参考文献

    [1] 游战清 [等] 编著 无线射频识别技术 (RFID) 理论与应用 北京-电子工业出版社 2004

   本文系e-works授权专稿,未经授权严禁转载。
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