主动式RFID系统之特性分析及应用.docx

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主动式RFID系统之特性分析及应用

主動式RFID系統之角度與距離對訊號強度之影響

AngleandDistanceontheImpactSignalStrength

ofActiveRFIDSystem

摘要

本論文以主動式RFID為研究對象，由分析結果發現天線形狀、尺寸、極化效應、使用的頻段及環境物質影響等物理特性，皆會影響讀取效能。

經由實驗結果發現一般環境狀態下讀取器效能良好，除在金屬及液體的干擾環境下，金屬使電磁波產生折射及電磁波被吸收等干擾現象，都將縮減讀取距離，使讀取錯誤率增加。

因應作為須使用特殊之抗金屬標籤、阻波材料或選用LF、HF頻段，以增加其穿透性，獲得最佳之讀取效能。

關鍵字：

主動式RFID、特性量測、角度、距離

Abstract

Thepresentpapertakedriving-typeRFIDastheobjectofstudy,thesize,thepolarizationeffect,theusefrequencybandandphysicalpropertiesandsoonenvironmentmaterialinfluence,willallaffectthereadpotency.Thereadpotencyisgoodbywayoftheexperimentalresultdiscoverycommonenvironmentcondition,exceptinthemetalandundertheliquiddisturbanceenvironment,themetalcausestheelectromagneticwavetohavetherefractionandtheelectromagneticwaveisabsorbedandsoondisturbancephenomena,willreducethereaddistance,makesthereaderrorratetoincrease.Mustusethespecialanti-metallabel,theanti-wavematerialinaccordancetotheachievementorselectsLF,theHFfrequencyband,increasesitspenetrability,obtainsthebestreadpotency.

Keywords:

activeRFID,featuremeasurements,Angle,Distance

一、前言

無線射頻辨識系統（RadioFrequencyIdentification,RFID）被列為21世紀十大重要技術項目之一，將人類日常生活從e化帶到M化，最後進入U化的地步。

所謂U化指無所不在之意，希望資訊以多方供給與流通形式提供網狀資訊分享與交流，達到「U化生活」，其中除了WiFi環境外，RFID也佔了重要的一環。

我國經濟部於民國92年起經由所屬技術處投入研發，研發項目包含IC晶片、天線、讀取器等重要技術；近年來由於IC製程進步及產官學界積極投入研發，以致RFID功能提升發展迅速。

RFID系統是由讀取器、電子標籤、中介軟體與資訊系統所構成。

其優點具有快速讀取、讀取距離大、小型化、不容易損壞、可重複使用、資料記憶容量、節省人力及時間成本等優點。

其應用範圍包含製造業、服務業、物流、行銷及工業等。

二、RFID原理與特性

RFID其基本原理是利用電磁耦合的方式來進行訊號傳遞，達到無線資料識別及取得的工作，獲取電子標籤內相關資訊的目的。

讀取器與電子標籤之間的通訊採非接觸方式，讀取資料的速度快速，可以一次讀取多個標籤，感應距離依系統性能不同，可達數公分至數十公尺不等。

此外，電子標籤的資料儲存於晶片之中，其壽命可長達十年以上，這是條碼系統所沒有的優勢。

而條碼容易受到潮濕、汙染、磨損等外在環境的影響，導致無法讀取條碼資料的缺點。

2.1RFID系統架構

無線射頻辨識系統由以下幾個部份所組成：

由讀取器、電子標籤、中介軟體與資訊系統四者所構成。

[1]

圖2.1RFID系統組成架構圖

2.2RFID系統工作原理

讀取器與標籤之間的感應方式可區分為電磁感應及射頻共振兩種方式；分別說明如下:

一、電磁感應方式：

藉由讀取器內部的天線（線圈）產生磁場，透過這個磁場可使電子標籤內的天線（線圈）產生耦合電流，此電流就能啟動標籤中的IC晶片，進行記憶體資料的讀取。

電子標籤資料的回傳，則是由標籤的天線產生磁場，再讓讀取器的天線產生感應資料電流。

此類系統之感應距離限制為10公分以內，主要應用於票證糸統，例如悠遊卡、會員卡、識別證及門禁管理等。

圖2.2RFID電磁感應方式

二、射頻共振方式：

射頻共振方式是在讀取器與電子標籤之間，透過電磁波感應來達到資料傳遞之目的。

其優點頻寬較大，傳輸率較佳，傳輸距離較遠。

圖2.3RFID射頻共振方式

2.3讀取器的工作原理：

RFID系統內的讀取器主要用以讀取電子標籤內的資料，以利後端電腦進行資料辨識工作。

當後端電腦下達辨識命令給讀取器時，讀取器會透過天線發射電磁波，當電子標籤進入讀取範圍內時，電子標籤會將IC內的資料回傳給讀取器，讀取器接收到回傳資料後，再傳送給後端電腦以進行資料辨識工作；電子標籤內的資料可以是1-Bit的二個編碼狀態，或者是n-Bit的EPC電子產品碼。

讀取器依感應距離之類型：

一、近耦合系統：

近耦合系統（CloseCouplingSystem）又稱為強耦合系統。

其電子標籤必須很靠近讀取器才能感應感應，距離較短為0.l〜l公分，操作頻率為0Hz（DC值）到30MHz，電源是依靠讀取器所發射之無線電波;其主要應用於安全性要求較高、非接觸式計數用的IC卡，如電子門禁管制系統、非接觸式智慧卡（悠遊卡）系統等。

二、遠耦合系統：

遠耦合系統（RemoteCouplingSystem）又稱為遙控耦合系統。

其感應距離可達1公尺時，操作頻率在135KHz、6.75MHz、13.56MHz、27.125MHz，電子標籤操作時所需的電源是透過讀取器所發射之無線電波做感應。

由於距離越遠，感應到的能量就越小，為了提供足夠的能量，距離越遠所需之操作頻率就必須越高。

三、長距離系統：

長距離系統（LongRangeSystem）電子標籤的感應距離最遠其感應距離可達10公尺以上時。

長距離系統的操作頻率為微波（Microwave）範圍，使用頻率為2.45GHz、5.8GHz及24.124GHz；由於距離太遠了，電子標籤無法靠電磁耦合方式獲取電源，所以電子標籤必須依靠自身電池以提供電子標籤內IC晶片與天線模組所需的電源。

主要應用於大範圍之場所，由於主動式電子標籤成本較高，因此大多應用在大型貨物或貴重物品之管埋上。

[1]

表2.1讀取器依感應距離之分類

操作頻率

感應距離

電源

應用

近耦合

0Hz〜30MHz

0.1〜1公分

無源

動物晶片、悠遊卡

遠耦合

135KHz、

6.75MHz、13.56MHz、27.125MHz

1公尺

無源

門禁管理、物流管理

長距離耦合

2.45GHz、5.8GHz、24.124GHz

10公尺以上

有源

ETC、供應鏈管理

2.4電子標籤

1、電子標籤之工作原理：

讀取器發射無線電波給電子標籤後，電子標籤由無線電波獲得其電源以供給電子標籤內部之晶片，啟動晶片的控制元件執行查詢運算，然後電子標籤內部的資料再以無線電波的方式回傳給讀取器，經由電腦系統進行擷取和辨識的工作。

[3]

二、電子標籤依電源設計的不同，又可分為被動式、主動式及半主動式等三種電子標籤:

（一）被動式標籤（PassiveTag）：

電子標籤內無須電池，其內部所需的能量是經由讀取器所發射的電磁波耦合而成。

其優點為價格便宜、體積小、壽命長等優點；但是由於標籤發射功率較弱，其感應距離離通常都較短，應用於門禁卡及悠遊卡上。

[4]

（二）主動式標籤（ActiveTag）：

電子標籤內含有電池，可以提供自身電力發送功率較強的信號，因此讀取距離可達100公尺，應用於追蹤高價值物品。

（三）半主動式式標籤（Semi-passiveTag）：

電子標籤內部也配有電池，平時休眠，只有在接受到讀取器的詢問訊號後，才會啟動標籤晶片回應訊息，因此電池使用壽命較長。

這種標籤大都可以外接感測器，例如溫濕度等環境變化，還可以設定為定時開啟電源，記錄感測器的數值。

[4]

三、電子標籤內部儲存資料的位元數來區分，可分成1位元電子標籤及n位元電子標籤二種。

（一）1位元電子標籤：

1位元電子標籤其內部儲存的訊息用1和0表示。

應用範圍廣，常使用於電子式防竊系統（ElectronicArticleSurveillance，EAS）。

電子標籤內部是由一個LC的諧振電路所組成，貼附於商品上，此種電子標籤又可分成軟式電子標籤和硬式電子標籤兩種。

（二）n位位元電子標籤：

電子標籤的內部使用微晶片做為其控制資料與儲存的元件，其所儲存的資料由一位元至數十Kbytes。

由於可寫入資料至電子標籤中，讀卡機與電子標籤間傳送資料的方式可分為全雙工（FullDuplex）、半雙工（HalfDuplex）、序列式（SequentialProcedure）三種。

[3]

2.5標準與規範

RFID的發展很早，但進一步將RFID應用於日常生活中卻是近幾年開始推廣，因此各開發廠商發展自己的標準，無法統一出一套相容互通的標準。

目前RFID系統上業界最常用的標準為：

（一）ISO、

（二）EPC、（三）UID。

（一）ISO/IEC：

ISO為InternationalStandardOrganization國際標準組織的簡稱。

IEC為InternationalElectricalCommission國際電機委員會的簡稱。

（二）EPC：

電子產品碼（ElectronicProductCode，EPC）為麻省理工學院的自動辨識中心（Auto-IDCenter）在1999年所定義的標準電子產品碼。

資料規格有64位元、96位元，但以96位元較常使用。

表2.296位元EPC的架構

Header

EPCManager

ObjectClass

SerialNumber

8bit

28bit

24bit

36bit

（1）Header標頭：

表示EPC的資料型態，以8個位元表示。

（2）EPCManager（EPC的管理者）：

表示產品的製造商，也就是公司碼，以28個位元表示。

（3）ObjectClass物件類別：

表示產品的詳細型態也就是以24位元表示。

（4）SerialNumber序號：

表示產品的序號，以36個位元表示。

EPCGlobal將在全球建立一個物品流通管理之編碼，並將使用在美國的Wal-Mart百貨公司及英國特易購（Tesco）公司下的零售商及物流業者。

[4]

（三）UbiquitousIDCenter（UID）：

UbiquitousID中心為日本於2003年3月成立，主要任務在建立自動辨識技術的標準，資料格式為128位元，應用於零件及產品的運輸追蹤及倉儲管理等。

三、RFID系統發展所要克服的問題

3.1　影響RFID讀取效能之因素

一、干擾源問題：

（1）無法保證百分之百讀取：

RFID的電磁波訊號容易受到含有金屬和水份的環境所干擾，尤其是在超高頻頻段，實際的應用效果總是不如預期的自動化，阻礙了商業應用的普及，導致設備成本仍然居高不下，此部分仍有待硬體技術上的突破與克服。

低頻與高頻的部份，因為讀取距離近、穿透性較高，廣泛應用在門禁管制與儲值扣款上，所以是目前商業應用最成功的頻段。

（2）金屬物質的影響：

由於金屬物質會針對不同的電磁波產生吸收或反射，故電子標籤的四周若有金屬將影響讀卡機對電子標籤的讀取，會使讀取距離變短，甚至讀不到電子標籤，此種現象以頻率UHF以上頻段最為顯著。

（3）溼度與液體的影響：

溼度或液體會對超高頻以上頻率的電磁波信號產生吸收的作用，因此將影響讀取器對電子標籤的讀取。

超高頻以上頻率會被液體吸收；頻率在低頻小於135KHz或高頻13.56MHz則不會被水份吸收。

[5]

3.2　RFID系統的限制

1、國際標準尚未統一：

當前RFID的通訊協定眾多，各國所開放的頻段也不盡相同，導致通訊協定無法統一，使用上仍有整合的問題，相對限制了RFID的發展。

目前RFID使用標準以ISO及EPCGlobal為大宗，除了一些RFID產品依循ISO通訊標準外，目前RFID製造業者的Reader、Tag和應用軟體都未標準化，也就是各家業者自行訂定通訊規格來開發產品，以取得競爭上的利益。

因此，目前最重要的是RFID的相關機構應該訂出標準化的通訊協定與相關規範，以提供開發者有所遵循。

尚未統一標準化通訊協定，包括RFID操作頻率、互通性、主動式或被動式Tag的規格、資料格式（語法、資料構成和編碼方式）、辨識方式和表示法，以及Reader與Tag之間的通訊協定等。

2、建置成本過高：

與過去幾年相比，讀取器與電子標籤的價格已有大幅降低，但要大規模的採購價格仍嫌過高，若生產者或系統整合者希望透過以量制價的方式來降低成本，須擁有較多的使用者來達到市場經濟規模。

如何降低RFID讀卡機及電子標籤的成本，尤其是電子標籤的價格如何降低至0.05美元以下，而不增加使用者的負擔，有需多的因素要考量，如國外RFID產業起步較早，已透過自身的研發能力取的專利，而國內RFID產業大部分為中小企業，本身硬體研發能力較弱，大部分以中介軟體的研發為主，朝向客製化服務導向，要想使价格降低到使用者可以接受的價位，必須透過電子標籤及讀取器的國產化，來增加產品的競爭力，使RFID更為普及至每位使用者身上。

3、隱私權與資訊安全問題：

隱私與安全問題如果標籤內的資料是個人機密資料，那持有讀取器的有心人士便可以得知資料內容，同時近來有論文表示，電腦病毒能夠從RFID標籤透過讀卡器傳播到編寫不嚴格的中介軟體應用和後端系統及資料庫，雖然這樣的報告仍存在許多爭議，但是並無法完全排除不曾發生。

[4]

RFID由於係使用無線電波的方式對持有者的電子標籤，做存取的動作，所以任何人只要使用相同頻率的讀卡機就可以對持有者追蹤並獲取相關的資料。

四、主動式RFID之特性量測

4.1實驗目的：

藉由本實驗以了解主動式RFID其基本特性，透過實驗來實際佈署讀取器方式，如何避開干擾源以提高RFID的讀取效能，及建置RFID所需考量的問題。

4.2實驗設備：

一、筆記型電腦一台。

二、UHF433MHz主動式RFID讀取器一台。

三、有源式電子標籤一個。

四、USBtoRS232傳輸線一條。

五、頻譜分析儀一台。

圖4.1實驗設備

4.3主動式RFID讀取器操作說明：

一、輸入COMPort的名稱。

二、選取傳輸速度。

三、點選建立連線。

四、電子標籤通電與讀取器連線。

五、點選電子標籤回傳訊號時間。

六、此按鈕為離線。

圖4.2　主動式RFID程式操作說明

4.4實驗方法：

影響讀取效能的原因有許多，如建置環境、頻段選擇、安裝位置等因素，本實驗將讀取器建置於實驗場所中心高處，以讀取器天線方向為0度，每45度作間隔量測，角度為0度、45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度，量測距離400公分，每50公分量測乙次，透過實驗找出最佳讀取角度及距離；若電子標籤周遭有干擾源存在時，對讀取效能有何種影響。

4.5實驗結果：

一、距離量測：

（一）0度距離量測：

　　　1.量測記錄表：

表4-1　0度距離量測記錄表

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

0

166

150

133

300

130

50

146

200

146

350

137

100

140

250

143

400

129

2.訊號強度折線圖：

圖4.30度距離量測記錄折線圖

3.小結：

經由折線圖可得知，讀取強度會隨距離而遞減，讀取率最高值為0度，於讀取器正下方，其次為50及200公分讀取效能較高為146，而電子標籤位於150及300公分讀取效能較差，讀取強度平均值為141。

（二）45度距離量測：

　　　1.量測記錄表：

表4-2　45度距離量測記錄表

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

0

166

150

149

300

142

50

141

200

141

350

130

100

142

250

143

400

119

2.訊號強度折線圖：

圖4.445度距離量測記錄折線圖

3.小結：

電子標籤在45度的讀取效能以0公分處為最佳，其次為150公分較佳為149，效能較差距離為400公分為119，總體讀取強度平均值為147。

（三）90度距離量測：

　　　1.量測記錄表：

表4-390度距離量測記錄表

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

0

166

250

159

300

145

50

153

150

131

350

130

100

141

200

147

400

148

2.訊號強度折線圖：

圖4.590度距離量測記錄折線圖

3.小結：

電子標籤在90度的讀取效能以0公分處為最佳，其次為250公分較佳為159，效能較差的距離為150公分訊號強度為131與350公分訊號強度為130，總體讀取強度平均值為141。

（四）135度距離量測：

　　　1.量測記錄表：

表4-4135度距離量測記錄表

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

0

166

150

155

300

141

50

141

200

144

350

143

100

151

250

142

400

139

2.訊號強度折線圖：

圖4.6135度距離量測記錄折線圖

3.小結：

電子標籤在135度的讀取效能以0公分處為最佳，其次為150公分訊號強度155為較佳；效能較差的距離為400公分訊號強度為139，總體讀取強度平均值為147。

（五）180度距離量測：

　　　1.量測記錄表：

表4-5180度距離量測記錄表

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

0

166

150

136

300

124

50

137

200

147

350

151

100

156

250

150

400

146

2.訊號強度折線圖：

圖4.7180度距離量測記錄折線圖

　3.小結：

電子標籤在180度的讀取效能以0公分處為最佳，其次為100公分訊號強度156為較佳；效能較差的距離為300公分訊號強度為124，總體讀取強度平均值為146。

　（六）225度距離量測：

　　　1.量測記錄表：

表4-6225度距離量測記錄表

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

0

166

150

152

300

145

50

161

200

140

350

141

100

157

250

155

400

155

2.訊號強度折線圖：

圖4.8225度距離量測記錄折線圖

3.小結：

電子標籤在225度的讀取效能以0公分處為最佳，其次為50公分訊號強度161為較佳；效能較差的距離為200公分訊號強度為140，總體讀取強度平均值為152。

（七）270度距離量測：

　　　1.量測記錄表：

表4-7270度距離量測記錄表

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

0

166

250

145

50

137

300

143

100

155

350

141

150

161

400

144

200

153

2.訊號強度折線圖：

圖4.9270度距離量測記錄折線圖

3.小結：

電子標籤在270度的讀取效能以0公分處為最佳，其次為150公分訊號強度161為較佳；效能較差的距離為50公分訊號強度為137，總體讀取強度平均值為149。

（八）315度距離量測：

　　　1.量測記錄表：

表4-8315度距離量測記錄表

距離

讀取

強度

距離

讀取

強度

0

166

250

150

50

146

300

150

100

153

350

141

150

155

400

148

200

147

2.訊號強度折線圖：

圖4.10315度距離量測記錄折線圖

　3.小結：

電子標籤在315度的讀取效能以0公分處為最佳，其次為150公分訊號強度153為較佳；效能較差的距離為350公分訊號強度為141，總體讀取強度平均值為151。

二、訊號強度之比較：

圖4.11　訊號強度比較雷達圖

圖4.12訊號強度之角度量測比較折線圖

綜合上述量測數據，以距離（公分）作為基準來比較，可得知在距離0公分時，讀取強度非常良好為166，在角度180度距離300公分時為124，因天線具有指向性問題，電子標籤在天線背後讀取時讀取強度較差，由雷達圖來綜合比較可發現場型接近圓形極化，最佳讀取效能距離為0度在50公分、45度在150公分、90度在250公分、135度在150公分、180度在100公分、225度在50公分、270度在150公分、315度在150公分；讀取效能較差的角度距離為0度在400公分、45度在400公分、90度在350公分、135度在400公分、180度在300公分、225度在200公分、270度在50公分、315度在350公分。

六、結論

無線射頻辨識系統（RFID）是近年來非常熱門且應用最廣的一項技術，無論食衣住行各方面都可以導入RFID技術，已與人類生活密不可分。

本研究以主動式RFID為研究對象，探討讀取器與電子標籤在各種不同角度對訊號強度與讀取率之影響分析，透過實驗來實際佈署讀取器的方式，探討如何避開干擾源以提高RFID的讀取效能，及建置RFID所需考量的問題。

經由特性分析實驗，已了解其基本特性，發現金屬及液體對訊號強度有顯著的影響，本篇再進一步探討角度及距離對訊號強度之影響，發現讀取器設立的位置，天線的方向，標籤貼附位置，設立的距離及角度，皆會影響訊號強弱。

參考文獻

[1]陳宏宇，“RFID系統入門-無線射頻辨識系統”，文魁資訊股份有限公司出版,民國九十三年。

[2]饒瑞佶、劉佳灝，“RFID資訊系統設計與應用開發”，上奇資訊股份有限公司,民國九十九年。

[3]陳瑞順，“RFID概論與應用”，全華圖書股份有限公司，民國九十八年。

[4]陳韋帆，