朱正 （上海坤銳電子科技有限公司）
摘要：在RFID可以利用的低頻、高頻、超高頻、微波等各個(gè)頻率中，各種頻率都是具有不同的特點(diǎn)。如何正確選擇頻率有時(shí)甚至?xí)P(guān)系到該應(yīng)用能否取得成功。本文通過(guò)動(dòng)物跟蹤和藥品管理兩個(gè)應(yīng)用案例，闡述了在選擇頻率時(shí)必須考慮的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：頻率、選擇、動(dòng)物跟蹤、藥品管理
Thoughts on the Frequency Choice of RFID
Zhu Zheng (Shanghai Ruikun Electronic Science and Technology Ltd.)
Abstract:Various frequencies such as Low Frequency, High Frequency, UltraFrequency and Microwave, which are available to RFID, have differentproperties. The right choice is essential to the success of theapplication. Through cases of animal tracking and medicine management,this paper illustrates the issues we should consider in frequencyselection.
Key Words: frequency select, animal tracking, medicine managementt
1.前言
射 頻 識(shí) 別（radio frequency identification，以下簡(jiǎn)稱 R F I D）是一種將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電 子 數(shù) 據(jù) 載體（如集成電路）上，并通過(guò)磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)以無(wú)線方式進(jìn)行應(yīng)答器 / 標(biāo)簽（Transponder/Tag）和詢問(wèn)器/讀寫器（Interrogator/Reader）之間雙向通信，從而達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù)的新興技術(shù)該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別；具有抗惡劣環(huán)境、高準(zhǔn)確性、安全性、靈活性和可擴(kuò)展性等諸多優(yōu)點(diǎn)；便于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品跟蹤和物流管理，因而受到廣泛的關(guān)注。因此，RFID 被公認(rèn)為本世紀(jì)最有發(fā)展前途的 1 0 項(xiàng)技術(shù)之一。
RFID系統(tǒng)實(shí)事上已經(jīng)存在和發(fā)展了幾十年，從供電狀態(tài)來(lái)看可以分為“有源”和“無(wú)源”兩大類；從工作頻率來(lái)看，可以分為低頻（125KHz~135KHz）,高頻（13.56MHz），超高頻（UHF，868MHz~928MHz）,微波（2.45GHz,5.8GHz）等幾大類。不同的射頻識(shí)別系統(tǒng)的硬件價(jià)格差別是巨大的，而系統(tǒng)本身的特性也各不相同，系統(tǒng)的成熟度也有所不同。很多問(wèn)題，甚至連業(yè)內(nèi)人員也不能輕易給出一個(gè)明確的解答因此用戶在選擇射頻識(shí)別技術(shù)的時(shí)候常常覺(jué)得無(wú)所適從。筆者結(jié)合自身的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)在參考了相關(guān)的應(yīng)用資料和技術(shù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，力圖通過(guò)本文給讀者一個(gè)較為全面和客觀的認(rèn)識(shí)，希望能夠給用戶在選擇合適頻率的射頻識(shí)別系統(tǒng)時(shí)提供一些幫助。
2 不同頻段 RFID 技術(shù)特性簡(jiǎn)述
2.1 低頻(Low Frequency) ：
使用的頻段范圍為 1 0 K H z ~ 1 M H z ，常見(jiàn)的主要規(guī)格有125KHz、135KHz等。一般這個(gè)頻段的電子標(biāo)簽都是被動(dòng)式的，通過(guò)電感耦合方式進(jìn)行能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸。低頻的最大的優(yōu)點(diǎn)在于其標(biāo)簽靠近金屬或液體的物品上時(shí)標(biāo)簽受到的影響較小，同時(shí)低頻系統(tǒng)非常成熟，讀寫設(shè)備的價(jià)格低廉。但缺
點(diǎn)是讀取距離短、無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多標(biāo)簽讀取( 抗沖突)以及信息量較低，一般的存儲(chǔ)容量在 128 位到 512位。主要應(yīng)用于門禁系統(tǒng)、動(dòng)物芯片、汽車防盜器和玩具等。雖然低頻系統(tǒng)成熟，讀寫設(shè)備價(jià)格低廉，但是由于其諧振頻率低，標(biāo)簽需要制作電感值很大的繞線電感，并常常需要封裝片外諧振電容，其標(biāo)簽的成本反而比其他頻段高。
2.2 高頻(High Frequency)：
使用的頻段范圍為 1MHz~400MHz，常見(jiàn)的主要規(guī)格為 13.156MHz這個(gè) ISM頻段。這個(gè)頻段的標(biāo)簽還是以被動(dòng)式為主，也是通過(guò)電感耦合方式進(jìn)行能量供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)頻段中最大的應(yīng)用就是我們所熟知的非接觸式智能卡。和低頻相較，其傳輸速度較快，通常在100kbps以上，且可進(jìn)行多標(biāo)簽辨識(shí)（各個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)都有成熟的抗沖突機(jī)制）。該頻段的系統(tǒng)得益于非接觸式智能卡的應(yīng)用和普及，系統(tǒng)也比較成熟，讀寫設(shè)備的價(jià)格較低。產(chǎn)品最豐富，存儲(chǔ)容量從 128 位到8K以上字節(jié)都有，而且可以支持很高的安全特性，從最簡(jiǎn)單的寫鎖定，到流加密，甚至是加密協(xié)處理器都有集成。一般應(yīng)用于身份識(shí)別、圖書館管理、產(chǎn)品管理等。安全性要求較高的RFID 應(yīng)用，目前該頻段是唯一選擇。
2.3 超高頻(Ultra High Frequency)：
使用的頻段范圍為 400MHz~1GHz，常見(jiàn)的主要規(guī)格有433MHz、868~950MHz。這個(gè)頻段通過(guò)電磁波方式進(jìn)行能量和信息的傳輸。主動(dòng)式和被動(dòng)式的應(yīng)用在這個(gè)頻段都很常見(jiàn)，被動(dòng)式標(biāo)簽讀取距離約3~ 1 0 m 傳輸速率較快，一般也可以達(dá)到100kbps左右，而且因?yàn)樘炀€可采用蝕刻或印刷的方式制造，因此成本相對(duì)較低。由于讀取距離較遠(yuǎn)、信息傳輸速率較快，而且可以同時(shí)進(jìn)行大數(shù)量標(biāo)簽的讀取與辨識(shí)，因此特別適用于物流和供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域。但是，這個(gè)頻段的缺點(diǎn)是在金屬與液體的物品上的應(yīng)用較不理想同時(shí)系統(tǒng)還不成熟，讀寫設(shè)備的價(jià)格非常昂貴，應(yīng)用和維護(hù)的成本也很高。此外，該頻段的安全性特性一般，不適合安全性要求高的應(yīng)用領(lǐng)域。
2.4 微波(Microwave)：
使用的頻段范圍為 1GHz 以上，常見(jiàn)的規(guī)格有 2.45GHz、5.8GHz。微波頻段的特性與應(yīng)用和超高頻段相似，讀取距離約為 2公尺，但是對(duì)于環(huán)境的敏感性較高。由于其頻率高于超高頻，標(biāo)簽的尺寸可以做得比超高頻更小，但水對(duì)該頻段信號(hào)的衰減較超高頻更高，同時(shí)工作距離也比超高頻更小。
一般應(yīng)用于行李追蹤、物品管理、供應(yīng)鏈管理…等。
2.5 根據(jù)應(yīng)用選擇合適頻段的射頻識(shí)別技術(shù)
前一部分中，我們已經(jīng)簡(jiǎn)要介紹了各個(gè)頻段的射頻識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)。這一部分中我們將重點(diǎn)說(shuō)明如何來(lái)選擇合適的射頻識(shí)別技術(shù)。
第一，一個(gè)射頻識(shí)別系統(tǒng)的成本，包含硬件成本、軟件成本和集成成本等。而硬件成本不僅僅包括讀寫器和標(biāo)簽的成本，還包括安裝成本。很多時(shí)候，應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理軟件和集成是整個(gè)應(yīng)用的主要成本。如果從成本出發(fā)考慮，一定要根據(jù)系統(tǒng)的整體成本進(jìn)行，而不僅僅局限于硬件，如標(biāo)簽的價(jià)格。這里，我們不進(jìn)一步討論和分析這部分的問(wèn)題，但讀者需要對(duì)此有一個(gè)了解和認(rèn)識(shí)。下面我們主要討論從技術(shù)層
面來(lái)看，如何選擇合適的頻段。第二，我們知道，即使是在同一個(gè)頻段內(nèi)的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其通信距離也是差異很大的。因?yàn)橥ㄐ啪嚯x通常依賴于天線設(shè)計(jì)、讀寫器輸出功率、標(biāo)簽芯片功耗和讀寫器接收靈
敏度等等。我們不能夠簡(jiǎn)單地認(rèn)為某一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作距離大于另一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)。
第三，雖然理想的射頻識(shí)別系統(tǒng)是長(zhǎng)工作距離，高傳輸速率和低功耗的。然而，現(xiàn)實(shí)的情況下這種理想的射頻系統(tǒng)是不存在的，高的數(shù)據(jù)傳輸率只能在相對(duì)較近的距離下實(shí)現(xiàn)。反之，如果要提高通信距離，就需要降低數(shù)據(jù)傳輸率。所以我們?nèi)绻x用通信距離遠(yuǎn)的射頻識(shí)別技術(shù)，就必須犧牲通信速率。選擇頻段的過(guò)程常常是一種折中的過(guò)程。
第四，除了考慮通信距離以外，在我們選擇一個(gè)射頻系統(tǒng)時(shí)，通常還要考慮存儲(chǔ)器容量、安全特性等因素。根據(jù)這些應(yīng)用需求，才能夠確定適合的射頻識(shí)別頻段和解決方案。從現(xiàn)有的解決方案來(lái)看，超高頻和微波射頻識(shí)別系統(tǒng)的操作距離最大（可以達(dá)到 3 到 1 0米），并具有較快的通信速率，但是為了降低標(biāo)簽芯片的功耗和復(fù)雜度，并不實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的安全機(jī)制，僅限于寫鎖定和密碼保護(hù)等簡(jiǎn)單安全機(jī)制。而
且，該頻段的電磁波能量在水中衰減嚴(yán)重，所以對(duì)于跟蹤動(dòng)物（體內(nèi)含超過(guò) 50%的水）、含有液體的藥品等是不合適的。低頻和高頻系統(tǒng)的讀寫距離較小，通常不超過(guò)一米。高頻頻段為技術(shù)成熟的非接觸式智能卡采用，非接觸式智能卡能夠支持大的存儲(chǔ)器容量和復(fù)雜的安全算法。如前所述，囿于通信速率和安全性需求，非接觸式智能卡的工作距離一般在10cm 左右。高頻頻段中的ISO15693 規(guī)范通過(guò)降低通信速率使通信距離加大，通過(guò)大尺寸天線和大功率讀寫器，工作距離可以達(dá)到 1米以上。低頻頻段由于載波頻率低，比高頻13.56MHz 低 100 倍以上，因此通信速率最低，而且通常不支
持多標(biāo)簽的讀取。
3 案例分析
3 . 1 動(dòng)物跟蹤管理
動(dòng)物跟蹤和管理傳統(tǒng)上是采用低頻頻段的射頻識(shí)別技術(shù)，并且有國(guó)際規(guī)范規(guī)范編碼及空間信號(hào)接口，相應(yīng)的國(guó)際規(guī)范分別為ISO11784 和ISO11785。由于高頻和低頻的射頻識(shí)別技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以現(xiàn)在國(guó)際上關(guān)于動(dòng)物跟蹤管理的頻段也存在著爭(zhēng)論。支持采用低頻技術(shù)方案的理由主要有：
（1 ）事實(shí)上存在的國(guó)際規(guī)范，兼容性要求。
（2 ）如果采用單天線的解決方案，通常低頻系統(tǒng)比高頻系統(tǒng)的讀寫距離要大 20% 到 30%。因?yàn)榈皖l系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率低，所以標(biāo)簽芯片的功耗可以做到微瓦以下。
（3）雖然低頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率低，但是鑒于其信號(hào)的強(qiáng)壯性，在實(shí)際應(yīng)用中讀取效率并不低。
（4）低頻系統(tǒng)可以穿透動(dòng)物組織，是植入式的電子標(biāo)簽唯一的頻率選擇。而支持高頻技術(shù)方案的理由
主要有：
（1）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO11784 的動(dòng)物編碼方式完全可以實(shí)現(xiàn)在高頻和超高頻頻段的解決方案中，在應(yīng)用和系統(tǒng)的層面看來(lái)并不存在區(qū)別。
（2）由于頻率差異，低頻標(biāo)簽需要繞制繞線電感來(lái)構(gòu)成標(biāo)簽天線，制作標(biāo)簽的成本要高于高頻標(biāo)簽。高頻標(biāo)簽對(duì)于信用卡大小的尺寸來(lái)說(shuō)，通常只須繞制 3 圈左右，而且可以采用低成本的印刷工藝。高頻標(biāo)簽的整體成本更低。這一點(diǎn)是公認(rèn)的事實(shí)。
（3）如果實(shí)現(xiàn)合理，高頻系統(tǒng)也能夠取得和低頻系統(tǒng)相當(dāng)?shù)淖x寫距離。而且高頻讀寫器可以通過(guò)門式天線來(lái)控制作用范圍，利于準(zhǔn)確而快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。
（4 ）完備的抗沖突機(jī)制，可以快速而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)讀取。效率和準(zhǔn)確性都要高于采用低頻手持機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
（5）高頻的頻率使用已經(jīng)成為全球統(tǒng)一的規(guī)范，采用高頻系統(tǒng)在世界各地都不會(huì)面臨兼容問(wèn)題。編者更加支持在生豬等不需植入 RFID的動(dòng)物跟蹤管理中采用高頻的技術(shù)方案。主要原因是基于系統(tǒng)的成本考慮。我國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格和利潤(rùn)空間都非常低，在生豬等動(dòng)物跟蹤管理中硬件的消耗成本主要來(lái)自于標(biāo)簽。從降低這部分成本出發(fā)應(yīng)該采用高頻技術(shù)。同時(shí)，考慮到生豬養(yǎng)殖等生產(chǎn)單位通常不具備寬帶連接電子標(biāo)簽上有可能不僅僅存放一個(gè)標(biāo)號(hào)信息，也可能存放一定的相關(guān)數(shù)據(jù)。而高頻解決方案中常見(jiàn)的存儲(chǔ)空間可以達(dá)到1k 位以上。其次，目前我國(guó)主要的RFID基礎(chǔ)設(shè)施是基于高頻技術(shù)的，采用兼容的技術(shù)系統(tǒng)在安裝成本和可靠性等方面都是有優(yōu)勢(shì)的。高頻技術(shù)從芯片、標(biāo)簽封裝、讀寫機(jī)具、系統(tǒng)集成等環(huán)節(jié)來(lái)看，我國(guó)擁有上百家供應(yīng)商，這一點(diǎn)是低頻技術(shù)不能比擬的。另外，在生豬管理等應(yīng)用中，并不需要植入式的電子標(biāo)簽，可以采用動(dòng)物耳標(biāo)的形式。當(dāng)然，在動(dòng)物跟蹤管理中采用高頻技術(shù)方案和傳統(tǒng)的高頻射頻系統(tǒng)還是有所不同的，需要在降低環(huán)境對(duì)操作距離的影響、專用讀寫設(shè)備開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展研發(fā)工作，使得高頻的技術(shù)在操作距離和可靠性方面達(dá)到系統(tǒng)要求。
3.2 藥品管理
即使到 2 0 0 6年的今天，專家仍然認(rèn)為在消費(fèi)品領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)物品級(jí)的跟蹤管理還是一個(gè)需要 3 到 5年才有可能達(dá)到的目標(biāo)。但是，相對(duì)價(jià)值較高的藥品采用射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)單品管理已經(jīng)是正在發(fā)生的現(xiàn)實(shí)了。美國(guó)食品和藥品管理局（FDA）要求在2007年實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品的單品全流程跟蹤和管理，實(shí)現(xiàn)從原料到家庭藥箱的全程管理。對(duì)于藥品管理的單品管理而言，目前看來(lái)采用高頻技術(shù)更具有綜合優(yōu)勢(shì)，具體為：
（1）高頻和超高頻都是通過(guò)電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量和信號(hào)的傳遞的，超高頻是通過(guò)電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行能量和信號(hào)的傳遞的，系統(tǒng)一般工作在遠(yuǎn)場(chǎng)，對(duì)于相距很近的單個(gè)物品，標(biāo)簽的失諧會(huì)造成標(biāo)簽（物品）的漏讀。而高頻系統(tǒng)是工作在近場(chǎng)范圍內(nèi)的（即電磁場(chǎng)仍然是束縛在系統(tǒng)內(nèi)部的，并沒(méi)有形成電磁波發(fā)射出去）能量和信號(hào)是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行的，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部的標(biāo)簽?zāi)軌驕?zhǔn)確地進(jìn)行識(shí)別（當(dāng)然，作用距離僅僅在 1米以內(nèi)），有更好地抗電磁干擾（ElectromagneticInterference，EMI）能力。
（2 ）液體和金屬的影響。高頻信號(hào)較超高頻而言在水中的衰減小，更適合用在含有液體的容器上，而藥品中有相當(dāng)一部分是液體形態(tài)的。
（3 ）存儲(chǔ)容量，高頻標(biāo)簽的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到 8K 字節(jié)，因此可以在標(biāo)簽上存儲(chǔ)更多信息而實(shí)現(xiàn)一“移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)”而不僅僅是一個(gè)電子號(hào)碼。這在目前的超高頻解決方案上還沒(méi)有如此大容量的電子標(biāo)簽。
（4）高頻 13.56MHz 為國(guó)際通用的 ISM 頻段，沒(méi)有兼容性問(wèn)題。而超高頻到目前為止全球還不是所有的地區(qū)都有相應(yīng)的射頻識(shí)別標(biāo)簽頻段可以使用。我國(guó)的超高頻頻段就在制定過(guò)程中。
4 總結(jié)
綜上所述，各個(gè)頻段的RFID技術(shù)各有自身的特點(diǎn)。即使是在同一個(gè)頻段內(nèi)的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其通信距離也是差異很大的。我們不能夠簡(jiǎn)單地認(rèn)為某一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作距離大于另一個(gè)頻段的射頻識(shí)別系統(tǒng)。而在實(shí)際選擇射頻系統(tǒng)時(shí)，需要考慮一個(gè)RFID 系統(tǒng)的整體成本，以及存儲(chǔ)器容量、安全特性等因素，根據(jù)這些來(lái)綜合選擇合適的R F I D 頻段。
參考文獻(xiàn)
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(Reprinted with permission from Philips Semiconductors, Tagsys and Texas Instruments Inc.)
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