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无线射频识别（RFID）是一种利用无线射频信号空间耦合方式来实现无接触的标签信息自动传输与识别的技术。RFID标签又称为“电子标签”或“射频标签”。
20世纪70年代末，RFID技术开始用于动物、车辆跟踪及自动生产线。20世纪80年代，欧洲公司开始将RFID技术用于库存产品统计、目标定位与身份认证。随着集成电路设计与制造技术的快速进步，RFID芯片正在向小型化、高性能、低价格的方向发展，这使得RFID技术逐步获得了产业界的认可。2011年，最小的RFID芯片仅有0.0026mm 2 ，看上去就像微粒一样，它甚至可以被嵌入在一张纸中。经过几十年的技术发展，各种形态的RFID标签层出不穷。图2-7给出了很小与很薄的RFID标签。
图2-7 很小与很薄的RFID标签
图2-8给出了RFID标签内部结构。RFID标签通常包括三个部分：芯片、电路与天线。其中，芯片是RFID标签的核心部分，负责提供标签数据的存储功能；电路是RFID标签的控制电路，负责实现简单的控制逻辑功能；天线包含RFID标签的耦合部件，负责实现标签数据的发送与接收功能。
图2-8 RFID标签内部结构示意图
我们在高中物理课都学习过法拉第电磁感应定律。法拉第电磁感应定律指出：交变的电场能够产生交变的磁场，而交变的磁场又能够产生交变的电场。RFID的工作原理是利用无线射频信号交变电磁场的空间耦合方式，自动传输标签芯片中存储的数据编码，进而通过查询机制获取标签附着物品的相关信息。
在电磁感应中存在着近场效应。当导体与辐射源之间的距离在一个波长之内时，导体将会受到近场电磁感应的作用。在近场范围内，导体因电磁耦合作用使电流沿着磁场方向流动，而电磁场辐射源的近场能量将转移到导体上。例如，辐射源的工作频率为915MHz，则对应电磁波的波长为33cm，此时近场效应的范围为33cm。当导体与辐射源之间的距离超过一个波长时，近场效应将会失效。这是因为在一个波长之外的自由空间中，无线电波向外传播时的能量衰减与距离的平方成反比。
由于不同类型RFID标签的工作方式不同，因此RFID的工作原理也应该分为三种情况来进行讨论。
1.被动式RFID标签
被动式RFID标签又称为无源RFID标签，通常简称为无源标签。图2-9给出了无源标签的工作原理。当无源标签接近RFID读写器时，标签处于读写器天线辐射形成的近场范围内。标签天线通过电磁感应产生感应电流，由感应电流驱动标签中的电路工作，并通过天线将芯片存储的数据发送给读写器。无源标签的工作过程是读写器向标签传递辐射能量，然后由标签向读写器发送数据的过程。标签与读写器之间能够双向通信的距离称为“识别范围”或“作用范围”。
图2-9 无源标签的工作原理
由于无源标签节省了外接电源或电池部分，因此这类标签的体积可达到厘米级甚至更小。无源标签具有结构简单、成本低、故障率低、使用寿命较长等优点。但是，它的有效识别距离较短，常用于近距离的非接触或接触式识别。无源标签主要工作在125kHz、13.56MHz等较低频段。其典型应用主要包括：身份证、公交卡、门禁卡、校园一卡通等。
2.主动式RFID标签
主动式RFID标签又称为有源RFID标签，通常简称为有源标签。图2-10给出了有源标签的工作原理。有源标签通过外接电源或内置电池供电，标签可以主动向远距离的RFID读写器发送数据。有源标签的工作过程就是RFID读写器向标签发送指令，然后由标签向读写器发送数据的过程。它主要工作在900MHz、2.4GHz等较高频段，常用于大范围、高性能需求的物品识别场景。
图2-10 有源标签的工作原理
3.半主动式RFID标签
无源标签自身不需要供电，但是有效识别范围较小。有源标签的识别范围够大，但是需要外接电源或安装电池，并且自身体积较大。半主动式RFID标签是这个矛盾折中的产物，其试图结合两类标签各自的优点。这类标签又称为半有源RFID标签，通常简称为半有源标签。半有源标签采用的是低频激活触发技术。
在通常情况下，半有源标签处于休眠状态，仅对标签中存储数据的部分供电，因此标签耗电量较小，可维持较长时间。当标签进入RFID读写器的识别范围时，读写器先以125kHz低频信号在小范围内激活标签，再通过2.4GHz高频信号与标签进行数据传输。半有源标签的常见应用场景：在一个高频信号所覆盖的大范围中，在不同位置安装多个低频读写器，用于激活标签并提供定位能力。
随着RFID技术在各个行业的广泛应用，形态各异的RFID标签产品不断涌现。从不同的角度出发，RFID标签可以有不同分类方法，例如供电方式、访问模式、读写方式、工作频率、封装材料、封装形状等。图2-11给出了RFID标签的分类方法。
图2-11 RFID标签的分类
我们已经在前面讨论了几种标签。下面，我们主要介绍标签的其他分类方式。
1.读写方式
RFID标签在投入使用时，已通过读写器在标签芯片中预先写入数据。根据标签支持的读写方式，RFID标签可分为两类：只读式与读写式。对于只读式标签，仅支持RFID读写器从标签读取数据，不支持读写器向标签写入数据。对于读写式标签，既支持RFID读写器从标签读取数据，又支持读写器向标签写入数据。读写式标签内部使用的是随机存取存储器（RAM）或电擦除可编程只读存储器（EEPROM）。
2.工作频率
根据国际无线电频率管理规定，为了防止不同无线通信系统之间相互干扰，开展无线通信业务必须向政府部门申请。此外，提供了免予申请的专用频段（ISM）。根据标签使用的工作频率，RFID标签可分为三类：低频标签、高频标签与微波标签。各个频段标签的工作原理具有一定的差异，低频标签、高频标签的原理是电磁耦合，而微波标签则是采用电磁发射方式。工作原理的差异性衍生了标签的不同应用场景。
低频标签的典型工作频率为125kHz。低频标签通常是无源标签，工作能量通过读写器的电感耦合作用获得，识别范围通常小于10cm。低频标签造价低、省电，适合近距离、低速率、少量数据传输的情况，例如门禁系统、电子钱包、车辆防盗、停车场收费等应用；低频标签的工作频率低，可穿透除金属之外的大部分材料，适用于畜牧业管理、宠物识别等应用；低频标签的封装形式多样，使用寿命可达到十年以上。
高频标签的典型工作频率为13.56MHz。高频标签通常是无源标签，工作能量通过RFID读写器的电感耦合作用获得，识别范围通常小于1m。高频标签可以方便地做成卡式结构，例如我国第二代身份证内嵌有ISO/IEC 14443B标准、13.56MHz频率的RFID芯片。
超高频与更高频段的RFID标签统称为“微波标签”。微波标签可分为两类：无源标签与有源标签。其中，无源标签的工作频率主要在900MHz；有源标签的工作频率主要在2.4GHz。微波标签工作在RFID读写器天线辐射的远场区域。由于微波标签的重要特点是视距传输，因此读写器与微波标签之间不能有物体阻挡。微波标签对应的RFID读写器天线被设计为定向天线，仅在天线定向波束范围内的标签能够被读写。无源标签的识别范围通常为1～8m，有源标签的识别范围通常为1～15m。微波标签常用于远距离识别或快速移动物体识别的情况。其中，无源标签的应用场景有航空行李管理、工业生产自动化等，有源标签的应用场景有高速ETC、港口通关、仓储物流等。
3.封装材料
根据标签封装使用的材料，RFID标签可分为三类：纸质封装标签、塑料封装标签与玻璃封装标签。
纸质封装标签通常由多层构成：表面层、芯片与天线电路层、胶层与底层。纸质标签的生产成本低，一般具有可粘贴功能，可直接粘贴在被标识的物体上，其表面层可直接印刷文字，常用于零售商品标签、医疗器械标签、药品标签、资产标签等。图2-12给出了纸质封装标签结构示意图。
图2-12 纸质封装标签结构示意图
塑料封装标签采用特定的工艺与塑料基材，将芯片与天线封装成不同外形的标签。封装标签的塑料可采用不同的颜色，封装材料通常能够耐高温，有些甚至能够防水。图2-13给出了塑料封装标签的常见外形。
图2-13 塑料封装标签的常见外形
玻璃封装标签采用特定的工艺与玻璃容器，将芯片与天线封装成不同外形的标签。玻璃封装标签的常见用途是植入式标签，它可以被植入人类或动物的体内，用于实现病人或动物的识别与跟踪，以及珍稀鱼类、鸟类、猫、狗等宠物的管理。图2-14给出了玻璃封装标签外形及植入工具。
图2-14 玻璃封装标签外形及植入工具
4.封装形状
人们可以根据实际应用的具体需求，设计出各种外形与结构的RFID标签。根据标签的应用场景、成本与环境等因素，可封装成以下几种外形的RFID标签。
●粘贴在物品上的薄膜型自粘贴式标签。
●捆绑在物品上的绑带式标签。
●方便用户随身携带的卡片式标签。
●方便用户随身携带的钥匙扣式标签。
●方便用户随身携带的手环式标签。
●方便固定在车辆或集装箱上的柱状标签。
●封装在塑料扣中、用于动物标识的耳钉式标签。
●封装在玻璃管中、植入人类或动物体内的植入式标签。
RFID读写器是构成RFID应用系统的核心部件。从功能的角度看，RFID读写器可分为两类：RFID阅读器与RFID读写器。其中，RFID阅读器仅能够读取标签中的数据；RFID读写器既能够读取标签中的数据，又能够向标签中写入数据。在多数情况下，我们将这两类RFID读写器统称为“读写器”或“读卡器”。
在RFID应用系统中，RFID读写器是RFID标签与后端计算机之间的桥梁。RFID读写器主要具有两个功能：一是通过天线对RFID标签进行识别与读写，并发现读写过程中出现的错误；二是将读取的标签数据传送给后端计算机进行处理，或者接收后端计算机的指令并将相应的数据写入标签。
1.RFID读写器的类型
从不同的角度出发，RFID读写器可以有不同的分类方法，例如使用方式、工作频率、应用环境等。从使用方式的角度，RFID读写器可分为两类：移动式读写器与固定式读写器。从工作频率的角度，RFID读写器可分为三类：低频读写器、高频读写器与微波读写器。从应用环境的角度，主要包括以下这些应用场景：工业生产、商品零售、交通管理、物流仓储、医疗健康、身份识别、防伪保护、军事应用等。
（1）移动式读写器
移动式读写器是指支持在移动过程中读写标签的RFID读写器。这类读写器通常是安装在人类携带的手持式设备上，以及车辆、机器人、无人机等移动设备上。其中，手持式读写器是最常见的移动式读写器，除了读写器模块，还包含嵌入式操作系统、人机交互模块（按键、显示屏）、天线模块等。图2-15给出了常见的手持式读写器。手持式读写器的工作频段主要是低频、高频与超高频，并且对标签的识别范围通常较小。它的优点是体积小、操作方便，可以不依赖外部设备单独工作。手持式读写器的应用领域主要包括：商品零售、资产管理、仓储管理、金融管理等。
图2-15 常见的手持式读写器
（2）固定式读写器
固定式读写器是指预先固定安装在特定位置的RFID读写器。这类读写器通常采用天线模块与读写器模块分离的结构，天线模块通过电缆与读写器模块连接。天线可以方便地安装在特定的位置上，例如闸门式门柱、带门禁的门框、ETC通道的横梁、仓库进出口、生产线传送带旁等。图2-16给出了常见的固定式读写器。固定式读写器通常使用微波频段，对标签的识别范围相对较大。固定式读写器的应用领域主要包括：地铁闸门、停车场出入、高速公路ETC、港口货物通关等。
图2-16 常见的固定式读写器
2.RFID读写器的结构
在介绍RFID读写器的类型及功能之后，我们以手持式读写器为例分析RFID读写器的结构。图2-17给出了手持式读写器的结构。手持式读写器主要包括六个部分：中心控制模块、标签读写模块、存储模块、人机交互模块、接口模块与电源模块。
●中心控制模块：其中的处理器是RFID读写器的核心，它负责控制整个读写器硬件与系统软件的运行。该模块的处理器已经从最初的4位、8位单片机，发展到当前流行的32位、64位的嵌入式处理器。
●标签读写模块：实现对RFID标签的数据读取与写入。
●存储模块：用于存储系统软件、应用软件与标签数据。
●人机交互模块：实现操作人员向读写器输入的命令，并显示命令执行结果。
●接口模块：实现读写器与后台计算机之间的数据交互。
●电源模块：负责读写器的电源供应与电量监控。
图2-17 手持式读写器的结构
设计RFID读写器，需要注意以下几个问题：
●RFID标签与读写器工作在开放的无线通信环境中，数据易受到窃听、截获、篡改、伪造等攻击。因此，读写器需要采用认证、加密等安全手段。
●RFID标签与读写器之间的通信采用射频技术，由于无线信号不稳定与易受干扰，容易导致数据传输出错。因此，读写器需要提供较强的数据纠错能力。
●RFID标签与读写器之间的通信使用相同频率，可能会发生多个标签同时向一个读写器发送数据而导致“冲突”的情况。因此，读写器需要解决多标签读取“冲突”问题。
●有源标签通常由内置的电池供电，在满足功能需求的前提下应尽量节电，以延长标签使用时间。因此，读写器需要具备监测有源标签电量的能力。