RFID Tags: How to Get the Best Read Range
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RFID是一種將數據儲存在電子數據載體（如整合電路）上，並透過磁場或電磁場，以無線方式進行應答器/標籤（Transponder/Tag）和詢問器/讀寫（Interrogator/Reader）之間雙向通信，從而達到辨識目的，並交換數據的新興技術，該技術能實現多目標辨識和運動目標辨識；具有抗惡劣環境、高準確性、安全性、靈活性和可擴展性等諸多優點；便於透過網路，實現物品跟蹤和物流管理，因而受到廣泛的關注。
因此，RFID 被公認為本世紀最有發展前途的10項技術之一。
1.前言
RFID 系統實事上已經存在和發展了幾十年，從供電狀態來看可以分為「有源」和「無源」兩大類；從工作頻率來看，可以分為低頻（125KHz~135KHz），高頻（13.56MHz），超高頻，微波（2.45GHz，5.8GHz）等幾大類。
不同的射頻辨識系統的硬體價格，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。很多問題，甚至連業內人員，也不能輕易給出一個明確的解答，因此用戶在選擇射頻辨識技術的時候，常常覺得無所適從。
筆者結合自身的開發和應用經驗，同時在參考了相關的應用資料和技術數據基礎上，力圖透過本文，給讀者一個較為全面和客觀的認識，希望能夠給用戶在選擇合適頻率的射頻辨識系統時提供一些幫助。
2 不同頻段 RFID 技術特性簡述
2.1 低頻（Low Frequency） ：
使用的頻段範圍為 1 0 K H z ~ 1 M H z ，常見的主要規格有125KHz、135KHz 等。一般這個頻段的電子標籤，都是被動式的，透過電感耦合方式，進行能量供應和數據傳輸。
低頻的最大的優點，在於其標籤靠近金屬或液體的物品上時，標籤受到的影響較小，同時低頻系統非常成熟，讀寫設備的價格低廉。但缺點是讀取距離短、無法同時進行多標籤讀取（ 抗衝突） ，以及資訊量較低，一般的儲存容量在 128 位到 512 位。
主要應用於門禁系統、動物晶片、汽車防盜器和玩具等。雖然低頻系統成熟，讀寫設備價格低廉，但是由於其諧振頻率低，標籤需要製作電感值很大的繞線電感，並常常需要封裝片外諧振電容，其標籤的成本，反而比其他頻段高。
2.2 高頻（High Frequency）：
使用的頻段範圍為 1MHz~400MHz，常見的主要規格為 13.156MHz 這個 ISM 頻段。這個頻段的標籤，還是以被動式為主，也是透過電感耦合方式，進行能量供應和數據傳輸。
這個頻段中最大的應用，就是我們所熟知的非接觸式智慧卡。和低頻相較，其傳輸速度較快，通常在100kbps 以上，且可進行多標籤辨識（各個國際標準，都有成熟的抗衝突機制）。
該頻段的系統，得益於非接觸式智慧卡的應用和普及，系統也比較成熟，讀寫設備的價格較低。產品最豐富，儲存容量從 128 位到8K 以上字節都有，而且可以支援很高的安全特性，從最簡單的寫鎖定，到流加密，甚至是加密協處理器都有整合。
一般應用於身份辨識、圖書館管理、產品管理等。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）：
使用的頻段範圍為 400MHz~1GHz，常見的主要規格有 433MHz、868~950MHz。這個頻段透過電磁波方式，進行能量和資訊的傳輸。
主動式和被動式的應用，在這個頻段都很常見，被動式標籤讀取距離約3 ~ 1 0 m 傳輸速率較快，一般也可以達到100kbps 左右，而且因為天線可採用蝕刻，或印刷的方式製造，因此成本相對較低。
由於讀取距離較遠、資訊傳輸速率較快，而且可以同時進行大數量標籤的讀取與辨識，因此特別適用於物流，和供應鏈管理等領域。但是，這個頻段的缺點，是在金屬與液體的物品上的應用較不理想，同時系統還不成熟，讀寫設備的價格非常昂貴，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域。
2.4 微波（Microwave）：
使用的頻段範圍為 1GHz 以上，常見的規格有 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，但是對於環境的敏感性較高。由於其頻率高於超高頻，較超高頻更高，同時工作距離也比超高頻更小。
一般應用於行李追蹤、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辨識技術
前一部分中，我們已經簡要介紹了，各個頻段的射頻辨識技術的特點。這一部分中我們將重點說明，如何來選擇合適的射頻辨識技術。
第一，一個射頻辨識系統的成本，包含硬體成本、軟體成本和整合成本等。而硬體成本，不僅僅包括讀寫器和標籤的成本，還包括安裝成本。很多時候，應用和數據管理軟體和整合是整個應用的主要成本。
如果從成本出發考慮，一定要根據系統的整體成本進行，而不僅僅局限於硬體，如標籤的價格。這裡，我們不進一步討論和分析這部分的問題，但讀者需要對此有一個瞭解和認識。下面我們主要討論從技術層面來看，如何選擇合適的頻段。
第二，我們知道，即使是在同一個頻段內的射頻辨識系統，其通信距離也是差異很大的。因為通信距離，通常依賴於天線設計、讀寫器輸出功率、標籤晶片功耗和讀寫器接收靈敏度等等。我們不能夠簡單地認為，某一個頻段的射頻辨識系統的工作距離，大於另一個頻段的射頻辨識系統。
第三，雖然理想的射頻辨識系統是長工作距離，高傳輸速率和低功耗的。然而，現實的情況下，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辨識技術，就必須犧牲通信速率。選擇頻段的過程，常常是一種折中的過程。
第四，除了考慮通信距離以外，在我們選擇一個射頻系統時，通常還要考慮儲存器容量、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辨識頻段和解決方案。
從現有的解決方案來看，超高頻和微波射頻辨識系統的操作距離最大（可以達到 3 到 1 0 米），並具有較快的通信速率，但是為了降低標籤晶片的功耗和複雜度，並不實現複雜的安全機制，僅限於寫鎖定和密碼保護等簡單安全機制。
而且，該頻段的電磁波能量在水中衰減嚴重，所以對於跟蹤動物（體內含超過 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距離較小，通常不超過一米。
高頻頻段為技術成熟的非接觸式智慧卡採用，非接觸式智慧卡能夠支持大的儲存器容量，和複雜的安全算法。如前所述，囿於通信速率和安全性需求，非接觸式智慧卡的工作距離，一般在10cm 左右。
高頻頻段中的 ISO15693 規範，透過降低通信速率使通信距離加大，透過大尺寸天線和大功率讀寫器，工作距離可以達到 1 米以上。低頻頻段由於載波頻率低，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籤的讀取。
3 案例分析
3.1 動物跟蹤管理
動物跟蹤和管理傳統上，是採用低頻頻段的射頻辨識技術，並且有國際規範規範編碼，及空間信號接口，相應的國際規範分別為ISO11784 和 ISO11785。由於高頻和低頻的射頻辨識技術各有優缺點，所以現在國際上關於動物跟蹤管理的頻段，也存在著爭論。
支持採用低頻技術方案的理由主要有：
（1）事實上存在的國際規範，相容性要求。
（2）如果採用單天線的解決方案，通常低頻系統比高頻系統的讀寫距離，要大 20% 到 30%。因為低頻系統的數據率低，所以標籤晶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，但是鑒於其信號的強壯性，在實際應用中讀取效率並不低。
（4）低頻系統可以穿透動物組織，是植入式的電子標籤唯一的頻率選擇。
而支持高頻技術方案的理由主要有：
（1）國際標準 ISO11784 的動物編碼方式，完全可以實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，並不存在區別。
（2）由於頻率差異，低頻標籤需要繞制繞線電感，來構成標籤天線，製作標籤的成本要高於高頻標籤。高頻標籤對於信用卡大小的尺寸來說，通常只須繞制 3 圈左右，而且可以採用低成本的印刷技術。高頻標籤的整體成本更低。這一點是公認的事實。
（3）如果實現合理，高頻系統也能夠取得和低頻系統相當的讀寫距離。而且高頻讀寫器，可以透過門式天線，來控製作用範圍，利於準確而快速地實現數據採集。
（4）完備的抗衝突機制，可以快速而準確地實現多目標讀取。效率和準確性，都要高於採用低頻手持機，進行數據採集。
（5）高頻的頻率使用，已經成為全球統一的規範，採用高頻系統在世界各地都不會面臨相容問題。
編者更加支持在生豬等，不需植入 RFID 的動物跟蹤管理中，採用高頻的技術方案。主要原因是基於系統的成本考慮。農產品價格和利潤空間一般來說都非常低，在生豬等動物跟蹤管理中，硬體的消耗成本主要來自於標籤。從降低這部分成本出發，應該採用高頻技術。
同時，考慮到生豬養殖等生產單位，通常不具備寬頻，連接電子標籤上，有可能不僅僅存放一個標號資訊，也可能存放一定的相關數據。
而高頻解決方案中，常見的儲 存空間可以達到1k 位以上。其次，目前主要的 RFID基礎設施，是基於高頻技術的，採用相容的技術系統，在安裝成本和可靠性等方面，都是有優勢的。
高頻技術從晶片、標籤封裝、讀寫機具、系統整合等環節來看，擁有上百家供應商，這一點是低頻技術不能比擬的。另外，在生豬管理等應用中，並不需要植入式的電子標籤，可以採用動物耳標的形式。
當然，在動物跟蹤管理中，採用高頻技術方案，和傳統的高頻射頻系統，還是有所不同的，需要在降低環境對操作距離的影響、專用讀寫設備開發方面，展開研發工作，使得高頻的技術，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2006年的今天，專家仍然認為在消費品領域，實現物品級的跟蹤管理，還是一個需要 3 到 5 年，才有可能達到的目標。但是，相對價值較高的藥品，採用射頻辨識技術，實現單品管理，已經是正在發生的現實了。
美國食品和藥品管理局（FDA），要求在2007 年實現對藥品的單品全流程跟蹤和管理，實現從原料到家庭藥箱的全程管理。
對於藥品管理的單品管理而言，目前看來採用高頻技術，更具有綜合優勢，具體為：
（1）高頻和超高頻，都是透過電磁場，實現能量和信號的傳遞的，超高頻是透過電場，來進行能量和信號的傳遞的，系統一般工作在遠場，對於相距很近的單個物品，標籤的失諧會造成標籤（物品）的漏讀。
而高頻系統是工作在近場範圍內的（即電磁場仍然是束縛在系統內部的，並沒有形成電磁波發射出去）能量和信號，是透過磁場來進行的，對於系統內部的標籤，能夠準確地進行辨識（當然，作用距離僅僅在 1 米以內），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的。
（3）儲存容量，高頻標籤的儲存容量，可以達到 8K 字節，因此可以在標籤上，儲存更多資訊，而實現一「行動數據庫」，而不僅僅是一個電子號碼。這在目前的超高頻解決方案上，還沒有如此大容量的電子標籤。
（4）高頻 13.56MHz 為國際通用的 ISM 頻段，沒有相容性問題。而超高頻到目前為止，全球還不是所有的地區，都有相應的射頻儲存標籤頻段可以使用。
4 總結
綜上所述，各個頻段的RFID 技術，各有自身的特點。即使是在同一個頻段內的射頻辨識系統，其通信距離也是差異很大的。我們不能夠簡單地認為，某一個頻段的射頻辨識系統的工作距離，大於另一個頻段的射頻辨識系統。
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