蜂窝无源物联网的未来的发展和壮大离不开已有技术RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)的成熟、普及以及市场的培育。
1.RFID发展历程
起源:来源于军事应用
RFID技术来源于二次大战时期的飞行器探测技术。二战期间,英军为了区别盟军和德军的飞机,在盟军的飞机上装备一个无线电收发器。控制塔上的探寻器向飞机发射一个询问信号,当飞机上的收发器收到信号后,回传一个信号给探测器。控制塔基于返回的信号来识别是否己方飞机。
探索:从实验室走向应用
1948年HarryStockman发表的“利用反射功率进行通信”奠定了RFID技术的理论基础;20世纪50年代,早期RFID技术的探索阶段,主要处于实验室的实验研究;20世纪60年代,RFID技术的理论得到了发展,开始一些应用尝试;20世纪70年代,RFID技术与产品研发得到了加速发展;20世纪80年代,RFID技术及产品已进入商业应用阶段;
发展:标准化促应用
20世纪90年代,RFID技术标准化问题已逐渐得到重视,RFID产品得到了广泛采用。2000年后,RFID产品种类更加丰富,有源电子标签和无源电子标签、半无源电子标签都得到了发展,成本降低,应用不断扩大。至今,RFID技术的理论得到了丰富和完善。
2.RFID的关键技术
无线通信,首先要看下其所使用的频谱资源,其次是网络的架构,最后关注下其所使用的空口技术以及如何获取能量。
2.1 工作的频率:
1.低频(LF)
其频率范围:125 kHz–134 kHz(典型值)信号波长长(约2400米),穿透力强,抗干扰能力高,但通信距离短(通常小于10 cm)、数据传输速率低(1–2 kbps)。
2.高频(HF)
其频率为:13.56 MHz,通信距离约10 cm–1 m,数据传输速率提升至25 kbps,支持近场通信(NFC)标准。
3.超高频(UHF)
其 频率范围:860 MHz–960 MHz(全球主流频段),中远距离识别(可达10米以上),读取速度快,适合批量扫描,但易受金属和液体干扰。
4.微波(Microwave)
其频率范围:2.45 GHz及5.8GHz,远距离高速通信,但成本较高,信号传播受复杂环境影响大。
2.2 网络架构
如上图所示,RFID系统比较简单,包括阅读器即读卡器,和应答器即电子标签,一般放置在需要识别的物品表面。
应答器中一般保存有约定格式的编码数据,用以唯一标识标签所附着的物体。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号;当应答器进入阅读器工作区域时,其天线产生感应电流,从而应答器获得能量被激活并向读写器发送出自身编码等数据信息;阅读器接收到来自应答器的载波信号,对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理;
2.3 通信机制
无线射频识别技术( radio frequency identification ,即 ID )是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)特性,实现对被识别物体的自动识别。1.电感耦合工作方式
按照射频识别系统所使用的无线电波的频率划分,低于30MHz的系统一般是按电感耦合的原理工作的,要理解阅读器与应答器之间的能量和数据传输的过程,必须使用磁场理论。
运动的电荷产生磁场。对于电感耦合的射频识别( RFID )系统的读写器来说,为了产生交变磁场,一般采用导体回路来做磁性天线。从线圈的中心到一定距离内的场强几乎是不变的。两个相互接近的导体回路之间,一个回路产生的磁通量穿过另一个回路可以在另一个回路上面产生感应电压,电感耦合的射频识别系统正是基于这一个物理现象而工作的。
2.反向散射通信无线电波的频率在30MHz以上的射频识别系统,则必须使用电磁波理论。电磁波从天线向周围空间反射,会遇到不同的目标,达到目标的高频能量的一部分被目标吸收,并转变成热量,另外一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一小部分最终返回到发送天线。对射频识别系统来说,用电磁波反射(反向散射系统)进行从应答器到阅读器的数据传输。
以电阻调制为例,说明下RFID的通信方式:
在吸收状态,终端实现了阻抗匹配,射频信号被完全吸收,没有反射或者散射,接收侧接收到的将是低电平信号,代表 “0”。在反射状态下,终端经过调整使得电路阻抗不匹配,部分信号被反射,接收侧接收到的将是高电平信号,代表 “1”。