無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（ＲＦＩＤ）是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間電磁耦合傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。

射頻識(shí)別系統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成，即非接觸ＩＣ卡（應(yīng)答器Ｔａｇ）和閱讀器（讀頭Ｒｅａｄｅｒ）。在無(wú)線射頻識(shí)別的實(shí)際應(yīng)用中，非接觸ＩＣ卡附著在被識(shí)別的物體上，當(dāng)非接觸ＩＣ卡通過其可識(shí)讀范圍時(shí)，閱讀器自動(dòng)以無(wú)接觸的方式將非接觸ＩＣ卡中的約定識(shí)別信息取出來，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品或自動(dòng)收集物品標(biāo)志信息的功能。

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的分類

根據(jù)非接觸ＩＣ卡的供電形式可分為有源系統(tǒng)和無(wú)源系統(tǒng)兩種。有源射頻非接觸ＩＣ卡使用非接觸ＩＣ卡內(nèi)電池的能量，識(shí)別距離較長(zhǎng)，可達(dá)幾十米甚至上百米，但是它的壽命有限并且價(jià)格較高。無(wú)源射頻非接觸ＩＣ卡不含電池，利用耦合的閱讀器發(fā)射的電磁場(chǎng)能量作為自己的能量，識(shí)別距離較短，一般是幾厘米到幾十厘米，它的重量輕，體積小，壽命長(zhǎng)，價(jià)格便宜，可以制成各種各樣的薄卡或鈕扣卡。

根據(jù)非接觸ＩＣ卡的工作頻率可分為低頻、高頻及超高頻和微波系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)一般工作在１００－５００ｋＨｚ，常見的工作頻率有１２５ｋＨｚ，１３４．２ｋＨｚ；高頻系統(tǒng)工作在１０－１５ＭＨｚ之間，常見的高頻工作頻率為１３．５６ＭＨｚ；超高頻工作頻率為８５０－９６０ＭＨｚ，常見的超高頻工作頻率為９１５ＭＨｚ；微波工作在２．４－５ＧＨｚ的微波段。低頻系統(tǒng)用于小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用中；高頻系統(tǒng)用于傳送大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用中；超高頻系統(tǒng)應(yīng)用于需要較長(zhǎng)的讀寫距離和較高的讀寫速度的場(chǎng)合。

根據(jù)非接觸ＩＣ卡的可讀寫性分為只讀和讀寫兩種。只讀非接觸ＩＣ卡內(nèi)部只有只讀存儲(chǔ)器（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ，ＲＯＭ）。ＲＯＭ用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，其中的信息無(wú)法更改，只能輸出；可讀可寫非接觸ＩＣ卡內(nèi)部的存儲(chǔ)器由ＥＥＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ（電可擦除存儲(chǔ)器）組成，這種存儲(chǔ)器在加電的情況下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原有數(shù)據(jù)的擦除以及數(shù)據(jù)的重新寫入。

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)基本原理

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)涉及很多領(lǐng)域，有多種技術(shù)方案，我們以工作頻率為１３．５６ＭＨｚ，符合ＩＳＯ１４４４３國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的ＴｙｐｅＢ類非接觸ＩＣ卡技術(shù)方案為例，描述無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本架構(gòu)和原理。

為了讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)，必須在非接觸ＩＣ卡和閱讀器之間能夠傳輸數(shù)據(jù)。非接觸ＩＣ卡和閱讀器通過各自的天線構(gòu)建起二者之間非接觸無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)基本原理傳輸通道。數(shù)據(jù)傳輸使用半雙工的方法，即從非接觸ＩＣ卡到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸與從閱讀器到非接觸ＩＣ卡的數(shù)據(jù)傳輸是交替進(jìn)行的。

１、非接觸ＩＣ卡的能量供應(yīng)

非接觸ＩＣ卡是用一個(gè)電子數(shù)據(jù)作載體，通常由單個(gè)微型芯片以及用作天線用的大面積的線圈等組成。在這個(gè)數(shù)據(jù)載體上，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量可達(dá)數(shù)千字節(jié)。

非接觸ＩＣ卡幾乎都是無(wú)源工作的。這意味著微型芯片工作所需要的全部能量必須由閱讀器供應(yīng)。高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，這種電磁場(chǎng)穿過非接觸ＩＣ卡線圈橫截面和線圈周圍的空間。我們可以把非接觸ＩＣ卡到閱讀器天線的距離間的電磁場(chǎng)當(dāng)作簡(jiǎn)單的交變磁場(chǎng)來對(duì)待。

發(fā)射磁場(chǎng)的一小部分磁力線穿過距閱讀器天線線圈一定距離的非接觸ＩＣ卡天線線圈，通過感應(yīng)，在非接觸ＩＣ卡的天線線圈上產(chǎn)生一１非接觸ＩＣ卡的能量供應(yīng)個(gè)電壓Ｕｉ。將其整流后作為數(shù)據(jù)載體（微型芯片）的電源。將一個(gè)電容Ｃｒ與閱讀器的天線線圈并聯(lián)，構(gòu)成一個(gè)并聯(lián)諧振電路，將電路的諧振頻率調(diào)到１３．５６ＭＨｚ。該回路諧振時(shí)，閱讀器天線線圈產(chǎn)生非常大的電流，這種方法可用于產(chǎn)生供遠(yuǎn)距離非接觸ＩＣ卡工作所需要的場(chǎng)強(qiáng)。

非接觸ＩＣ卡的天線線圈和電容Ｃ１構(gòu)成振蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過該回路諧振，非接觸ＩＣ卡線圈上的電壓Ｕ達(dá)到最大值。

兩個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)也可以解釋作變壓器（變壓器的耦合），變壓器的兩個(gè)線圈之間只存在很弱的耦合。閱讀器的天線線圈和非接觸ＩＣ卡之間的功率傳輸效率與工作頻率與非接觸ＩＣ卡線圈的匝數(shù)、被非接觸ＩＣ卡線圈包圍的面積、兩個(gè)線圈的相對(duì)角度以及它們之間的距離成比例。

２、非接觸ＩＣ卡至閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸

如果把非接觸ＩＣ卡放入閱讀器天線的交變磁場(chǎng)中，那么非接觸ＩＣ卡就從磁場(chǎng)取得能量。閱讀器中射頻電路可以通過電路內(nèi)阻Ｒｉ上的壓降測(cè)得非接觸ＩＣ卡的附加功耗。非接觸ＩＣ卡天線上的負(fù)載電阻的接通和斷開促使閱讀器天線上的電壓發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)用遠(yuǎn)距離非接觸ＩＣ卡對(duì)閱讀器天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。如果人們通過數(shù)據(jù)控制負(fù)載電壓的接通和斷開，那么這些數(shù)據(jù)就能從非接觸ＩＣ卡傳輸?shù)介喿x器。這種數(shù)據(jù)傳輸方式稱作負(fù)載調(diào)制。

由于閱讀器天線與非接觸ＩＣ卡天線之間的耦合很弱，閱讀器天線上表示有用信號(hào)的電壓波動(dòng)在數(shù)量級(jí)上比閱讀器的輸出電壓小。實(shí)踐中，對(duì)１３．５６ＭＨｚ的系統(tǒng)來說，當(dāng)閱讀器天線上的電壓為１００Ｖ時(shí)，只能得到大約１０ｍＶ的有用信號(hào)。檢測(cè)這些很小的電壓變化需在電路上花費(fèi)巨大開銷，為解決這個(gè)問題，人們利用有非接觸ＩＣ卡天線電壓振幅調(diào)制所產(chǎn)生的調(diào)制波邊帶。如果非接觸ＩＣ卡的附加負(fù)載電阻以很高的時(shí)鐘頻率ｆｈ接通或斷開，那么在閱讀器發(fā)送頻率＋／－ｆｈ的距離上產(chǎn)生兩條頻譜線，它們是容易檢測(cè)到的。這種新的頻率稱作副載波。

通過使用副載波的負(fù)載調(diào)制，在閱讀器天線上能產(chǎn)生在工作頻率１３．５６ＭＨｚ兩側(cè)的兩條調(diào)制波邊帶。通過在兩個(gè)頻率１３．５６＋／－ｆｈ之一的帶通濾波器，這兩條調(diào)制波邊帶可以與閱讀器的較強(qiáng)的信號(hào)分開，在放大后，可以很容易地解調(diào)副載波信號(hào)。

３、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和方式

閱讀器和非接觸ＩＣ卡之間相互通信是由閱讀器啟動(dòng)的，閱讀器先進(jìn)行信號(hào)編碼生成基帶編碼信號(hào)，再將編碼信號(hào)調(diào)制到發(fā)射頻率１３．５６ＭＨｚ上，通過天線發(fā)送出去；非接觸ＩＣ卡天線接收１３．５６ＭＨｚ載波信號(hào)，由解調(diào)器解調(diào)從載頻中恢復(fù)基帶編碼信號(hào)，３數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和方式譯碼電路再?gòu)幕鶐Ь幋a信號(hào)中恢復(fù)原來的信息。

在ＴｙｐｅＢ非接觸卡系統(tǒng)中，編碼和調(diào)制是按表１所示規(guī)定進(jìn)行的。

４、數(shù)據(jù)完整性

使用非接觸卡技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，很容易遇上干擾，使傳輸數(shù)據(jù)發(fā)生改變從而導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤。通常采用數(shù)據(jù)查錯(cuò)與糾錯(cuò)算法來解決。

常采用的方法有奇偶校驗(yàn)，縱向沉余校驗(yàn)，循環(huán)沉余校驗(yàn)等。這些方法用于識(shí)別傳輸錯(cuò)誤，并啟動(dòng)校正措施，或者舍棄錯(cuò)誤傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，或者要求重新傳輸有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)塊。

在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作時(shí)，在閱讀器的作用范圍內(nèi)，可能會(huì)有多個(gè)非接觸ＩＣ卡同時(shí)存在。為防止非接觸ＩＣ卡的數(shù)據(jù)相互沖突而不能讀出，閱讀器會(huì)啟動(dòng)防碰撞機(jī)制，選取其中之一建立通信連接，保證通信順利地進(jìn)行。防碰撞技術(shù)和糾錯(cuò)算法使數(shù)據(jù)通信質(zhì)量得到保證。

５、數(shù)據(jù)安全性

為了保證數(shù)據(jù)安全，現(xiàn)在很多的射頻識(shí)別系統(tǒng)，采用了密碼功能單元來防止惡意對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫。對(duì)存儲(chǔ)區(qū)的訪問，須經(jīng)過閱讀器和非接觸ＩＣ卡之間的認(rèn)證。對(duì)４數(shù)據(jù)完整性５數(shù)據(jù)安全性稱相互認(rèn)證是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ＩＳＯ９７９８－２“三通相互認(rèn)證”的基礎(chǔ)上的，其間，雙方在通信中相互檢驗(yàn)另一方的密碼。

相互認(rèn)證的過程從閱讀器發(fā)送“查詢口令”給非接觸ＩＣ卡開始。非接觸ＩＣ卡產(chǎn)生一隨機(jī)數(shù)Ｒａ，并回送給閱讀器。閱讀器則產(chǎn)生一隨機(jī)數(shù)Ｒｂ，并使用共同的密鑰Ｋ和共同的密碼算法ｅｋ，算出一個(gè)加密的數(shù)據(jù)塊Ｔｏｋｅｎ１，將此數(shù)據(jù)塊發(fā)送給非接觸ＩＣ卡。

Ｔｏｋｅｎ１＝ｅｋ（Ｒｂ｜｜Ｒａ｜｜Ｉｄａ｜｜電文１）

非接觸ＩＣ卡譯碼接收到Ｔｏｋｅｎ１，并將從明碼報(bào)文中取得的隨機(jī)數(shù)Ｒａ＇與原先發(fā)送的隨機(jī)數(shù)Ｒａ相比較。如果兩數(shù)一致，則非接觸ＩＣ卡確認(rèn)兩個(gè)共有的密碼是一致的。非接觸ＩＣ卡另行產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)Ｒａ２，同時(shí)算出加密的數(shù)據(jù)塊Ｔｏｋｅｎ２。

Ｔｏｋｅｎ２＝ｅｋ（Ｒａ２｜｜Ｒｂ｜｜密文２）

閱讀器將Ｔｏｋｅｎ２譯碼，檢查原先發(fā)送的Ｒｂ與剛收到的Ｒｂ＇是否一致。如果兩個(gè)隨機(jī)數(shù)一致，則閱讀器也證明了兩個(gè)共有的密碼是一致的。于是，非接觸ＩＣ卡和閱讀器均已查實(shí)屬于共同的系統(tǒng)，雙方更進(jìn)一步的通信可以進(jìn)行。