电子标签的应用和原理

文章来源：ChinaZ 发布时间：2016-12-05 访问量：人

一、引言
所谓的电子标签就是射频识别(RFID)的俗称，RFID是射频识别技术的英文的缩写，射频识别技术它是一项通过利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别目的的技术。
电子标签(RFID)技术是上世纪90年代迅速发展起来的物品自动识别技术。当每件产品制造完成时给它赋予惟一信息的电子标签，不管它流通到哪里，人们都能可以通过识别器，随时随地获得这件产品的所有相关信息。电子标签目前是当下最为先进的非接触感应技术，自从1998年，美国德州仪器和荷兰菲利浦公司（Phi宣布开发出了一种廉价的非接触感应芯片，到了2000年，国际标准化组织已经把这种非接触感应芯片写入了国际标准ISO15693。因为它有的特点和优点，已经被各行业领域应用。

二、电子标签系统原理

2.1 电子标签的系统构成
电子标签系统是有限量的后台计算机，若干的读写器、阅读器跟电子标签三部分组成。其中，电子标签它是物品识别的载体，其内部存放着物品的所有相关信息；读写器与阅读器之间是系统的中间设备，是通过射频信号和电子标签进行近距离通行的，因此识别标签指代的物品信息，通过接口把信息汇总给后台的计算机，读写器跟阅读器的最大区别在于，读写器是可以对标签进行读写操作的，而阅读器它只能读取在标签内部存放的信息；后台计算机会分析从中间设备传来的相关信息，会负责管理整个标签系统正常的工作。电子标签系统的硬件组成包括电子标签与电子标签读写器两个部份，如图2.1 所示。
读写器会通过射频信号同电子标签进行通信，系统通过读写器会给电子标签发送指令，会通过读写器分析电子标签返回的有关信息；电子标签它是应答器，是用来响应读写器的指令，并报告处理结果。电子标签是由标签天线与标签芯片这两个部份组成。标签天线就是读写器与标签芯片之间进行信号跟能量传递的中介。标签芯片会根据读写器的指令，会作出相应的操作跟响应。

2.2 电子标签系统工作的流程
读写器上电复位以之后，首先是对各功能模块进行初始化，然后发出询卡/ 应答的指令。

当标签芯片位于读写器的有效工作范围之外，标签芯片会处于无电状态，就不可以进行任何操作了。当它进入读写器的有效工作范围内时，标签芯片会上电复位，进入等待状态，在此状态下，标签芯片可正确接收与响应读写器所发送的询卡/ 应答指令，并进行相互认证(如图2.2所示)。

如果在从寻卡/应答认证过程中发生错误，读写操作将不能进行。在相互认证通过以后，读写器会向电子标签发出读、写、增加、减少、恢复、传输、停止等指令。
电子标签这边将读写器的指令接受、识别，另一方面对当前的工作状态来进行分析，一旦发现满足指令执行的条件，就会经过指令译码，执行读写器指定操作，并且返回相应的处理结果，并将工作状态返回到初始状态。当电子标签发现指令不满足执行条件的时候，电子标签会向读写器发出错误的信息，并且将工作状态返回至初始状态。
读写器会再次对该卡进行操作，只有从发送询卡/ 应答指令开始，一直到所有的步骤都满足条件并执行为止。

读写器和电子标签之间的通信的主要包括如下内容：

(1)复位应答：标签的通信协议和通信的波特率是定义好的，通过这两项内容，读写器和标签会相互验证，当标签进入读写器的操作范围的时候，读写器会以特定的协议跟它通信，从而确定了卡片的类型。
2)防冲突闭合机制：当有很多张卡在读写器的操作范围内时，防冲突闭合电路首先要从众多卡中选择其中的一张作为下一步处理的对象，而未被选中的卡则处于空闲模式以等待下一次被选择，该过程会返回一个被选中的卡的序列号。
(3)选择卡片：选择已被选中的卡的序列号。

(4)相互确认：读写器和卡片会相互认证，然后进行通讯。

(5)指令操作：相互确认以后可以进行读，写，加，减，传输，存储，暂停操作。

2.3 ISO/IEC15693协议的基本简介
目前，按照作用的距离分类，供非接触式卡采用的标准主要是三种，ISO/IEC 10536、ISO/IEC 14443（Proximity cards）和ISO/IEC 15693。由于电子标签的作用距离比较远，所以会采用标准ISO/IEC 15693。
在通信过程中，读写设备作为源端发射电磁波产生的能量场，当标签进入这个电磁场，因耦合效应在标签上会感应出电压，ISO/IEC 15693规定该电磁场的频率为：fc=13.56MHz ±7KHz，并要求磁场强度H 在(150 mA/m rms，5 A/m rms)之间。

读写器至标签的通信：
(1) 调制：阅读器和标签之间的通信的调制法则是ASK(振幅键控)，有100% 振幅调制和10% 振幅调制两种，用哪种调制方法是由阅读器决定的，所以与之对应,标签就会两种解调方式。

(2)数据速率与数据解码：数据解码采用的是PPM(脉冲位置调制)。标签应该支持两种解码方式：1/4解码和1/256解码。选用哪种编码方式由阅读器发出的请求帧的帧头决定。

标签至读写器的通信：

(1) 载波：标签可支持两种载波方式即单载波和双载波，并且使用哪种载波方式由阅读器决定。使用单载波时，载波频率fs1 为fc /32(423.75kHz)。使用双载波时，载波的频率fs1为fc /32(423.75kHz)，fs2 为fc /28(484.28kHz)。

(2)数据传输速率：数据传输率分为低速和高速两种模式，低速模式适合长距离的传输，高速模式时适合短距离传输。标签应该支持这两种速率的方式，而且使用哪种数据传输速率是由阅读器决定。低速单载波的数据的传输率为6.62kbits/s(fc /2048)，低速双载波的数据传输率为6.67 kbits (fc /2032)。高速模式数据传输率是低速模式的四倍。

(3)数据编码：数据编码采用的是曼切斯特编码。

三、电子标签在我国的应用与发展的现状
电子标签它是现代科技高速发展的产物，电子标签适应社会发展的需要，也会是未来标签发展的趋势。目前，射频识别技术在国外得到非常快的发展，电子标签产品种类越来越多，像德州仪表、摩托罗拉、菲利浦等世界著名厂家都生产了电子标签产品。而我国在射频识别技术上还是比较落后的，仅仅在低频和中频产品上有所应用，对绝大多数企业而言，这种先进的管理方法和技术才刚刚起步。

3.1 电子标签特点

条码、磁卡、IC 卡、RFID 等识别技术来说，它们都有各自的特点和适于应用的场合。条码跟电子标签相比：即使在看不见的时候也会方便的读写；还可以在多种复杂环境中工作；可以容易地以不同形式的嵌入或附着在不同的产品上面；更强的读写距离；三维的读写方式。但是，电子标签的特点也是同样明显：容量比较大，数据可随时更新，可读可写；速度快，非接触，可多目标识别，运动识别；体积小，易封装，可嵌入到商品内；专用芯片，序列号唯

一，密匙认证，极难复制；无机械故障、寿命长、抗恶劣环境。是由于电子标签的这些特性，才使他拥有了不小的发展前途与应用领域。

3.2 应用领域

标签的应用主要是满足以下的一个或几个要求：

（1）对物品信息跟踪性与可追溯性的要求；

（2）对高准确度、高安全性的要求；

（3）对唯一识别、无法伪造的要求；

（4）对处理大量物品快捷性的需求；

（5）对物品进行实时监控的需求。可见，应用市场不单单这些，只要系统有以上方面要求，电子标签都会得到应用。、
目前我国电子标签每年的发行量超过了3000万张，根据初步测算，未来几年我国电子标签的年应用量会有数十亿元以上的需求，推动电子标签的应用与深入发展将会是中国金卡工程的重点工作。在我国电子标签的应用领域如下：

（1）流通管理领域：生产线自动化、仓储管理、铁路运输监控、民航行李/速递包裹管理、图书/文档管理、强制检验产品（如压力容器）管理等；

（2）防伪领域：商品防伪、证件防伪等；

（3）金融收费领域：公路（不停车）自动收费、电子票证与小额支付、门票证等；

（4）其它领域：汽车防盗、物品跟踪等。

3.3 未来市场

随着我国信息化建设的进一步的推进，电子标签在我国的发展空间很大，未来具有规模需求的市场的主要体现：

（1）计量仪表（如水表、气表、热能表等），全国总量会在3000万张以上；

（2）学生电子售票的项目，目前发行量已将达到1000万张；

（3）国家强检设备器具，每四年更换一次，国家强制检定的设备器具已经达1亿台(件)以上；

（4）纳入国家的强制认证（3C认证）、工业产品许可范围和食用农产品安全卫生认证产品，年生产数量数有亿件，每年的需求量会有几亿张；另外，中国各类证件、执照，年签发的数量都在5000万件以上，如车辆各类证件、学生证等。

3.4 目前发现的主要问题

我国的电子标签产品、系统开发与应用尚处于起步阶段。芯片设计已经实现国产化，目前国内已经有多家系统软件、系统集成公司可根据不同领域不同的需求提供电子标签应用的完整解决方案，但是真正有规模的产品与系统还没形成，存在着起点低、分散、重复开发与应用缺乏规模优势等一系列问题。与国外相比，差距还是很大的。差距是技术上存在信号识别范围有限，干扰着射频信号正确性等问题，国外的射频识别技术已经发展得相当成熟；在芯片设计和制造方面上，国外的厂商经历多年发展，有非常丰富的经验与技术储备；在设备提供、封装工艺等方面，都会有很多技术成熟的供应商；在应用系统方面，国外已经有很多的应用模式，能够以此为蓝本，向客户提供了比较全面的系统解决方案。
差距还表现在了应用的环境上。电子标签是一种提高识别效率与准确性的工具，归根结底就是提高组织竞争力的工具。市场化程度越高、越具有竞争性，组织对于效率的要求就会越来越强烈。电子标签只有在这种条件下，才会有广泛的应用的可能性。

四、小结

电子标签在生产、流通、消费等各个环节，工业、交通运输、等更多领域，以及制造业、零售业、物流业等各产业都有着广阔的应用前景，为所有行业都提供物流、供应链、防伪解决方案。电子标签已经逐渐成为企业提高物流供应链管理水平，降低成本，企业管理信息化、参与到了国际的经济大循环、增强企业核心竞争力的不可缺少的产品。同时，电子标签技术和产业的发展，在我国还存在着一系列难关和障碍，有技术研发、标准规范方面等一系列问题。

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