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)甚至會(huì )關(guān)系到該應用能否取得成功。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 別（radio frequency identification，以下簡(jiǎn)稱(chēng) R F I D）是一種將數據存儲在電 子 數 據 載體（如集成電路）上，并通過(guò)磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)以無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行應答器 / 標簽（Transponder/Tag）和詢(xún)問(wèn)器/讀寫(xiě)器（Interrogator/Reader）之間雙向通信，從而達到識別目的并交換數據的新興技術(shù)該技術(shù)能實(shí)現多目標識別和運動(dòng)目標識別；具有抗惡劣環(huán)境、高準確性、安全性、靈活性和可擴展性等諸多優(yōu)點(diǎn)；便于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現物品跟蹤和物流管理，因而受到廣泛的關(guān)注。因此，RFID 被公認為本世紀最有發(fā)展前途的 1 0 項技術(shù)之一。
RFID系統實(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(lèi)；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(lèi)。不同的射頻識別系統的硬件價(jià)格差別是巨大的，而系統本身的特性也各不相同，系統的成熟度也有所不同。很多問(wèn)題，甚至連業(yè)內人員也不能輕易給出一個(gè)明確的解答因此用戶(hù)在選擇射頻識別技術(shù)的時(shí)候常常覺(jué)得無(wú)所適從。筆者結合自身的開(kāi)發(fā)和應用經(jīng)驗，同時(shí)在參考了相關(guān)的應用資料和技術(shù)數據基礎上，力圖通過(guò)本文給讀者一個(gè)較為全面和客觀(guān)的認識，希望能夠給用戶(hù)在選擇合適頻率的射頻識別系統時(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)的主要規格有125KHz、135KHz等。一般這個(gè)頻段的電子標簽都是被動(dòng)式的，通過(guò)電感耦合方式進(jìn)行能量供應和數據傳輸。低頻的最大的優(yōu)點(diǎn)在于其標簽靠近金屬或液體的物品上時(shí)標簽受到的影響較小，同時(shí)低頻系統非常成熟，讀寫(xiě)設備的價(jià)格低廉。但缺
點(diǎn)是讀取距離短、無(wú)法同時(shí)進(jìn)行多標簽讀取( 抗沖突)以及信息量較低，一般的存儲容量在 128 位到 512位。主要應用于門(mén)禁系統、動(dòng)物芯片、汽車(chē)防盜器和玩具等。雖然低頻系統成熟，讀寫(xiě)設備價(jià)格低廉，但是由于其諧振頻率低，標簽需要制作電感值很大的繞線(xiàn)電感，并常常需要封裝片外諧振電容，其標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)的主要規格為 13.156MHz這個(gè) ISM頻段。這個(gè)頻段的標簽還是以被動(dòng)式為主，也是通過(guò)電感耦合方式進(jìn)行能量供應和數據傳輸。這個(gè)頻段中最大的應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)行多標簽辨識（各個(gè)國際標準都有成熟的抗沖突機制）。該頻段的系統得益于非接觸式智能卡的應用和普及，系統也比較成熟，讀寫(xiě)設備的價(jià)格較低。產(chǎn)品最豐富，存儲容量從 128 位到8K以上字節都有，而且可以支持很高的安全特性，從最簡(jiǎn)單的寫(xiě)鎖定，到流加密，甚至是加密協(xié)處理器都有集成。一般應用于身份識別、圖書(shū)館管理、產(chǎn)品管理等。安全性要求較高的RFID 應用，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)式的應用在這個(gè)頻段都很常見(jiàn)，被動(dòng)式標簽讀取距離約3~ 1 0 m 傳輸速率較快，一般也可以達到100kbps左右，而且因為天線(xiàn)可采用蝕刻或印刷的方式制造，因此成本相對較低。由于讀取距離較遠、信息傳輸速率較快，而且可以同時(shí)進(jìn)行大數量標簽的讀取與辨識，因此特別適用于物流和供應鏈管理等領(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用較不理想同時(shí)系統還不成熟，讀寫(xiě)設備的價(jià)格非常昂貴，應用和維護的成本也很高。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)的規格有 2.45GHz、5.8GHz。微波頻段的特性與應用和超高頻段相似，讀取距離約為 2公尺，但是對于環(huán)境的敏感性較高。由于其頻率高于超高頻，標簽的尺寸可以做得比超高頻更小，但水對該頻段信號的衰減較超高頻更高，同時(shí)工作距離也比超高頻更小。
一般應用于行李追蹤、物品管理、供應鏈管理…等。
2.5 根據應用選擇合適頻段的射頻識別技術(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)選擇合適的射頻識別技術(shù)。
第一，一個(gè)射頻識別系統的成本，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(xiě)器和標簽的成本，還包括安裝成本。很多時(shí)候，應用和數據管理軟件和集成是整個(gè)應用的主要成本。如果從成本出發(fā)考慮，一定要根據系統的整體成本進(jìn)行，而不僅僅局限于硬件，如標簽的價(jià)格。這里，我們不進(jìn)一步討論和分析這部分的問(wèn)題，但讀者需要對此有一個(gè)了解和認識。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)頻段內的射頻識別系統，其通信距離也是差異很大的。因為通信距離通常依賴(lài)于天線(xiàn)設計、讀寫(xiě)器輸出功率、標簽芯片功耗和讀寫(xiě)器接收靈
敏度等等。我們不能夠簡(jiǎn)單地認為某一個(gè)頻段的射頻識別系統的工作距離大于另一個(gè)頻段的射頻識別系統。
第三，雖然理想的射頻識別系統是長(cháng)工作距離，高傳輸速率和低功耗的。然而，現實(shí)的情況下這種理想的射頻系統是不存在的，高的數據傳輸率只能在相對較近的距離下實(shí)現。反之，如果要提高通信距離，就需要降低數據傳輸率。所以我們如果要選用通信距離遠的射頻識別技術(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)射頻系統時(shí)，通常還要考慮存儲器容量、安全特性等因素。根據這些應用需求，才能夠確定適合的射頻識別頻段和解決方案。從現有的解決方案來(lái)看，超高頻和微波射頻識別系統的操作距離最大（可以達到 3 到 1 0米），并具有較快的通信速率，但是為了降低標簽芯片的功耗和復雜度，并不實(shí)現復雜的安全機制，僅限于寫(xiě)鎖定和密碼保護等簡(jiǎn)單安全機制。而
且，該頻段的電磁波能量在水中衰減嚴重，所以對于跟蹤動(dòng)物（體內含超過(guò) 50%的水）、含有液體的藥品等是不合適的。低頻和高頻系統的讀寫(xiě)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器容量和復雜的安全算法。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(xiàn)和大功率讀寫(xiě)器，工作距離可以達到 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)物跟蹤和管理傳統上是采用低頻頻段的射頻識別技術(shù)，并且有國際規范規范編碼及空間信號接口，相應的國際規范分別為ISO11784 和ISO11785。由于高頻和低頻的射頻識別技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以現在國際上關(guān)于動(dòng)物跟蹤管理的頻段也存在著(zhù)爭論。支持采用低頻技術(shù)方案的理由主要有：
（1 ）事實(shí)上存在的國際規范，兼容性要求。
（2 ）如果采用單天線(xiàn)的解決方案，通常低頻系統比高頻系統的讀寫(xiě)距離要大 20% 到 30%。因為低頻系統的數據率低，所以標簽芯片的功耗可以做到微瓦以下。
（3）雖然低頻系統的數據傳輸速率低，但是鑒于其信號的強壯性，在實(shí)際應用中讀取效率并不低。
（4）低頻系統可以穿透動(dòng)物組織，是植入式的電子標簽唯一的頻率選擇。而支持高頻技術(shù)方案的理由
主要有：
（1）國際標準 ISO11784 的動(dòng)物編碼方式完全可以實(shí)現在高頻和超高頻頻段的解決方案中，在應用和系統的層面看來(lái)并不存在區別。
（2）由于頻率差異，低頻標簽需要繞制繞線(xiàn)電感來(lái)構成標簽天線(xiàn)，制作標簽的成本要高于高頻標簽。高頻標簽對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。高頻標簽的整體成本更低。這一點(diǎn)是公認的事實(shí)。
（3）如果實(shí)現合理，高頻系統也能夠取得和低頻系統相當的讀寫(xiě)距離。而且高頻讀寫(xiě)器可以通過(guò)門(mén)式天線(xiàn)來(lái)控制作用范圍，利于準確而快速地實(shí)現數據采集。
（4 ）完備的抗沖突機制，可以快速而準確地實(shí)現多目標讀取。效率和準確性都要高于采用低頻手持機進(jìn)行數據采集。
（5）高頻的頻率使用已經(jīng)成為全球統一的規范，采用高頻系統在世界各地都不會(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的成本考慮。我國的農產(chǎn)品價(jià)格和利潤空間都非常低，在生豬等動(dòng)物跟蹤管理中硬件的消耗成本主要來(lái)自于標簽。從降低這部分成本出發(fā)應該采用高頻技術(shù)。同時(shí)，考慮到生豬養殖等生產(chǎn)單位通常不具備寬帶連接電子標簽上有可能不僅僅存放一個(gè)標號信息，也可能存放一定的相關(guān)數據。而高頻解決方案中常見(jiàn)的存儲空間可以達到1k 位以上。其次，目前我國主要的RFID基礎設施是基于高頻技術(shù)的，采用兼容的技術(shù)系統在安裝成本和可靠性等方面都是有優(yōu)勢的。高頻技術(shù)從芯片、標簽封裝、讀寫(xiě)機具、系統集成等環(huán)節來(lái)看，我國擁有上百家供應商，這一點(diǎn)是低頻技術(shù)不能比擬的。另外，在生豬管理等應用中，并不需要植入式的電子標簽，可以采用動(dòng)物耳標的形式。當然，在動(dòng)物跟蹤管理中采用高頻技術(shù)方案和傳統的高頻射頻系統還是有所不同的，需要在降低環(huán)境對操作距離的影響、專(zhuān)用讀寫(xiě)設備開(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到系統要求。
3.2 藥品管理
即使到 2 0 0 6年的今天，專(zhuān)家仍然認為在消費品領(lǐng)域實(shí)現物品級的跟蹤管理還是一個(gè)需要 3 到 5年才有可能達到的目標。但是，相對價(jià)值較高的藥品采用射頻識別技術(shù)實(shí)現單品管理已經(jīng)是正在發(fā)生的現實(shí)了。美國食品和藥品管理局（FDA）要求在2007年實(shí)現對藥品的單品全流程跟蹤和管理，實(shí)現從原料到家庭藥箱的全程管理。對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，具體為：
（1）高頻和超高頻都是通過(guò)電磁場(chǎng)實(shí)現能量和信號的傳遞的，超高頻是通過(guò)電場(chǎng)來(lái)進(jìn)行能量和信號的傳遞的，系統一般工作在遠場(chǎng)，對于相距很近的單個(gè)物品，標簽的失諧會(huì )造成標簽（物品）的漏讀。而高頻系統是工作在近場(chǎng)范圍內的（即電磁場(chǎng)仍然是束縛在系統內部的，并沒(méi)有形成電磁波發(fā)射出去）能量和信號是通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行的，對于系統內部的標簽能夠準確地進(jìn)行識別（當然，作用距離僅僅在 1米以?xún)龋?，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，而藥品中有相當一部分是液體形態(tài)的。
（3 ）存儲容量，高頻標簽的存儲容量可以達到 8K 字節，因此可以在標簽上存儲更多信息而實(shí)現一“移動(dòng)數據庫”而不僅僅是一個(gè)電子號碼。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簽。
（4）高頻 13.56MHz 為國際通用的 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都有相應的射頻識別標簽頻段可以使用。我國的超高頻頻段就在制定過(guò)程中。
4 總結
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)頻段內的射頻識別系統，其通信距離也是差異很大的。我們不能夠簡(jiǎn)單地認為某一個(gè)頻段的射頻識別系統的工作距離大于另一個(gè)頻段的射頻識別系統。而在實(shí)際選擇射頻系統時(shí)，需要考慮一個(gè)RFID 系統的整體成本，以及存儲器容量、安全特性等因素，根據這些來(lái)綜合選擇合適的R F I D 頻段。
參考文獻
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(Reprinted with permission from Philips Semiconductors, Tagsys and Texas Instruments Inc.)
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