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第三章 RFID 簡介. 教學目標. 以圖解方式介紹基礎運作流程及架構 使同學簡單地瞭解 RFID 之基本原理 從日常生活中的應用導入實體裝置及概念. 大綱. 何謂 RFID ? RFID 發展歷史 RFID 組成元件與基本原理 RFID 組成元件 RFID 運作流程 RFID 基本原理. RFID 分類 以電池的有無區分 以運作頻率區分 以標籤可讀寫性區分 RFID 關鍵問題 RFID 特性 RFID 限制 RFID 應用 小結. 何謂 RFID ?. 何謂 RFID ?.
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教學目標 • 以圖解方式介紹基礎運作流程及架構 • 使同學簡單地瞭解RFID之基本原理 • 從日常生活中的應用導入實體裝置及概念
大綱 • 何謂RFID? • RFID發展歷史 • RFID組成元件與基本原理 • RFID組成元件 • RFID運作流程 • RFID基本原理 • RFID分類 • 以電池的有無區分 • 以運作頻率區分 • 以標籤可讀寫性區分 • RFID關鍵問題 • RFID特性 • RFID限制 • RFID應用 • 小結
何謂RFID? • 無線射頻識別 (Radio Frequency Identification, RFID)是一種無線識別技術,透過商品上的微晶片「標籤」,可將資訊連結至後端資料庫裡,用以識別、追蹤與確認商品的狀態 • 可以透過無線射頻 (Radio Frequency) 讀取到數值資料(Identification),統稱RFID • 是一種內建無線電技術的晶片,晶片中可存放一系列資訊,如:產品別、位置和日期等,其體積可做到極小,可隨附於所要識別的實體上,並可以非接觸的方式,快速且大量地讀寫其內容資料 • 最大的好處是能提高整體物品管理效率及節省人力成本,比目前條碼系統,有更高效率與彈性
RFID為何這麼熱門? • 標籤成本降低 • 從美金1元降到50分 • 價格在於標籤的數量(約200,000個標籤) • 超高頻 (UHF) RFID撤銷管制規定 • 本來只能在北美洲 (North America, N.A.) 使用,而現在可以在歐洲及半個亞洲使用 • 零售業巨頭的未來保證與美國國防部要求 • Wal-Mart、Tesco、Metro與U.S. DoD • 亞洲國家皆利用政府資源推廣RFID工業 • 日本、韓國、新加坡、香港、大陸和台灣
RFID發展歷史 • 在二次大戰期間(1950年代),RFID已為英國空軍採用,用以偵測並確認前往機場的飛機是否為己方所有(敵我識別),避免己方戰機遭到誤擊的可能;用的是長距離的主動式RFID,直到現在飛機的航安系統仍使用RFID做識別
RFID發展歷史(續) • 1970年末期,美國政府透過Los Alamos科學實驗室將RFID技術轉移到民間;RFID技術最先在商業上的應用是在動物(牲畜)身上 • 1980年,美國與歐洲的幾家公司開始著手生產RFID標籤;今日,RFID技術已經被廣泛應用於各個領域
RFID發展歷史(續) • 2005年,對於物流業與零售業者而言是一個技術和管理的轉捩點,全球百貨零售業龍頭渥爾瑪 (Wal-Mart)宣佈,將要求旗下前一百大供應商採用RFID系統;根據Wal-Mart的估計,倘若所有的供應商和所有Wal-Mart的分店全面採用RFID標籤,每年將可節省84億美元,削減5%的公司存貨以及降低7%管理倉庫的人事成本
有線或無線通訊 應用系統 天線 電子標籤 讀取器 RFID組成元件 • 電子標籤 (Tag) • 讀取器 (Reader)/天線 (Antenna) • 應用系統 (Application System)-資訊系統/後端資料庫系統
RFID組成元件(續) • 電子標籤 • 內含微細的晶片 (Chip) 及天線 • 通常以電池的有無區分為被動式、半被動式和主動式三種類型 • 被動式標籤是接收讀取器所傳送的能量,轉換成電子標籤內部電路操作電能,不需外加電池,可達到體積小、價格便宜、壽命長以及數位資料可攜性等優點 • 記憶體空間從16位元到512K位元組以上
天線 晶片 RFID組成元件(續) • 電子標籤(續)
RFID組成元件(續) • 讀取器 • 接收主機端的命令,對於儲存在標籤的資料以有線或無線方式傳送回主機,與應用系統結合使用 • 利用電磁波傳遞能量與訊號,電子標籤的識別速率每秒可達50個以上 • 內含控制器 (Controller) 及天線,如果讀取距離較長,則天線會單獨存在 • 有些RFID設備可以將資料寫入電子標籤中,稱為寫入器 (Writer);同時具備讀取和寫入功能的設備就稱為讀寫器 (Reader/Writer)
RFID組成元件(續) • 讀取器外觀
RFID組成元件(續) 0。 • 天線 • 負責無線電訊號的感應 270。 90。 180。
RFID組成元件(續) • 應用系統 • RFID應用系統結合資料庫管理系統、電腦網路與防火牆等技術,提供全自動安全便利的即時監控系統功能 • 相關整合應用包括航空行李監控、生產自動化管控、倉儲管理、運輸監控、保全管制以及醫療管理等
RFID運作流程 • 標籤是一種被動的回信裝置,當系統啟動時,由讀取器產生特定頻率的無線電訊號,激發標籤內部晶片中的程式,進而產生射頻電波,並將記憶體中的識別碼 (ID Code) 傳回讀取器,再經由解碼之後,由主控電腦進行判別,完成識別功能 • 讀取器在於傳送資料和能量,然後激化標籤並讀取標籤資料 • 一個讀取器可讀取多個不同標籤 • 讀取器由系統頻率產生器產生工作頻率,接著微處理器產生要送至標籤的訊號給調變電路,調變電路把訊號調變成載波,送給射頻功率晶體,最後由天線將無線信號發給標籤 • 天線接收標籤所回覆的資料後,傳送至接收器解碼後,再送至上層的控制器,由控制器將解碼後的資料傳給資料庫及電腦等外部裝置,若屬加密的系統,也一併作加解密處理
2.讀取器透過天線送出一定頻率的射頻信號 天線 1.應用系統對讀取器下達命令 電子標籤 3.當標籤進入無線範圍時產生感應電流而獲得能量,向讀取器送出ID碼等訊息 有線或無線通訊 應用系統 讀取器 5.讀取器將訊息/數據送至應用系統主機進行處理 4.讀取器讀取訊息並解碼 RFID運作流程(續)
RFID基本原理 • EAS系統之1位元詢答器 (1-Bit Transponder) • 含晶片之n位元詢答器 (n-Bit Transponder) • 電磁感應(感應耦合 (Inductive Coupling)) • 微波共振(電磁反散射耦合 (Electromagnetic Backscatter Coupling))
RFID基本原理(續) • 電磁感應(感應耦合)(低頻和高頻) • 當電流通過讀取器的天線時,會在天線周遭產生磁場,此時RFID標籤一旦切入該磁場就會因為磁場的改變而在標籤上產生感應電流,成為標籤運作的電力來源 • 微波共振(電磁反散射耦合)(超高頻和微波) • 此類讀取器的天線成正負兩極狀,當電流通過時會產生電波,使得遠方的標籤天線因為共振而產生電力
1. 電流通過 讀寫器 標籤 4. 讀寫記憶體 讀/寫功能 邏輯電路 記憶體 3. 產生電流 2. 產生磁場 6. 接收結果 5. 回覆結果 電磁感應
1. 電流通過 4. 讀寫記憶體 讀寫器 標籤 讀/寫功能 邏輯電路 記憶體 3. 產生電流 2. 產生電波 6. 接收結果 5. 回覆結果 微波共振
標籤的分類 27 27 • 依下列的分類依據可對標籤作分類 • 電力來源(以電池的有無區分) • 被動式、半被動式、主動式 • 使用頻率(以運作頻率區分) • 低頻、高頻、超高頻、微波 • 存取方式(以標籤可讀寫性區分) • 唯讀、一寫多讀、可讀寫
以電池的有無區分 • 被動式 (Passive) • 標籤由讀取器傳送的無線電訊號進行充電,來回應相關資訊 • 半被動式 (Semi-passive) • 標籤上有電池,當有事件觸發時可提供電力給標籤,以增加讀取距離、運算能力或效率 • 主動式 (Active) • 標籤上有電池,可由標籤主動傳輸射頻信號
以運作頻率區分 • 低頻 (Low Frequency, LF):30~300KHz • 高頻 (High Frequency, HF):3~30MHz • 超高頻 (Ultra High Frequency, UHF):300~3000MHz • 微波 (Micro Wave):2.45~5.8GHz • 所使用運作頻率會影響讀取距離
以標籤可讀寫性區分 • 唯讀 (Read Only, RO) • 可讀寫 (Read/Write, RW) • 一寫多讀 (Write Once Read Many, WORM)
標籤的分類(續) 依照標籤的電力來源可分為下列三類 被動式標籤 (Passive Tag) 內部沒有電池,電力由讀取器發送出的電磁波提供,標籤吸收電波之後會轉換成自身電力送回訊號 優點是體積小、價格便宜、壽命長 缺點是讀取距離較短 主要用於動物晶片、非接觸式智慧卡和防盜管理等 31 31
標籤的分類(續) 半被動式標籤 (Semi-Passive Tag) 通常與感測器結合 與主動式標籤一樣附有電池,但是內部電力提供感測器監測周遭環境,不足用來通訊,所以必須仰賴讀取器提供的電磁波才能回送訊號 優點是讀取距離較被動式標籤長、抗干擾能力更強 主要用於監測周遭環境溫度或是震盪情況等 32 32
標籤的分類(續) 主動式標籤 (Active Tag) 標籤上附有電池,會主動偵測周遭有無讀取器發送的訊號,並且提供本身的資料給讀取器 優點是電力充足所以資料通訊的範圍較長,記憶體容量較大 缺點是體積大、價格較貴、使用壽命較短 主要用於軍事、醫療或工業上 33 33
標籤的分類(續) 被動式 讀取器 標籤 半被動式 讀取器 標籤 電池 主動式 讀取器 標籤 電池 34 34
標籤比較表-電力來源 35 35
標籤比較表-電力來源(續) 36 36
電視 衛星氣象天文 計程車無線電話 業餘通訊航空 民用無線電 雷達 電視 導航 調頻廣播 航海、 感應式室內 呼叫系統 航海通訊 無線電 業餘通訊 微波中繼 各種雷達 衛星廣播 雷射通訊光學通訊 VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Optic (頻率) 3 KHz 30 KHz 300 KHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz 3 THz 100 km 10 km 1 km 100 m 10 m 1 m 10 cm 1 cm 1 mm (波長) 無線電的九個頻帶(續)
標籤的分類(續) 根據頻率的高低,大致上可分為四類 低頻 (Low Frequency, LF) 使用的頻段在100~500KHz之間 以125KHz和135KHz最為常見 優點:不易受干擾,當標籤靠近金屬或是液體的物品時,還能夠有效發射訊號 缺點:讀取距離短、無法同時識別多個標籤 主要用於門禁系統、動物晶片和汽車防盜器等 39 39
標籤的分類(續) 高頻 (High Frequency, HF) 使用頻段在10~15MHz之間 以13.56MHz最為常見 優點:感應距離較長、讀取速度較快,而且可以同時間識別多個標籤 主要應用於圖書館管理、產品管理和非接觸式智慧卡等 40 40
標籤的分類(續) 超高頻 (Ultra High Frequency, UHF) 使用頻段在433~960MHz之間 以433MHz和860~960MHz最為常見 優點:讀取距離較遠、傳輸速率較快、可同時讀取識別大量標籤、天線可用蝕刻或印刷方式製造 缺點:在金屬和液體的物品上讀取率不佳 主要用於鐵路車廂監控和倉儲管理等 41 41
標籤的分類(續) 微波 (Microwave, MW) 使用頻段在1GHz以上 其中以2.45GHz及5.8GHz最為常見 特性與超高頻類似,對於環境的敏感性較高 主要用於行李追蹤、物品管理和供應鏈管理等 42 42
標籤比較表-使用頻率 43 43
標籤比較表-使用頻率(續) 44 44
RFID頻率/距離效能比 識別距離(公尺) 頻率
各國UHF頻段 46 46
標籤的分類(續) RFID標籤可以依據存取方式分為下列三種 唯讀 (Read-Only, RO) 標籤內存資訊在出廠時已經被寫死,無法被修改或是寫入資料,使用者只能讀取標籤內的資料 主要用於門禁管理和動物管理等 47 47
標籤的分類(續) 一寫多讀 (Write Once, Read Many, WORM) 使用者只能寫入或修改標籤內容一次,之後就等同唯讀標籤可以被多次讀取 成本較唯讀式高 主要用於資產管理、藥品管理、危險品管理和軍品管理等 48 48
標籤的分類(續) 可讀寫 (Read-Write, RW) 使用者可以透過讀寫器重新寫入或修改標籤內部資訊 成本為三者中最高 主要用於航空貨運、行李管理、信用卡服務和捷運票證等 49 49