結論

第二章 無線射頻辨識系統理論

2.1 RFID 系統簡介

所謂無線射頻辨識(Radio Frequency Identification , 簡稱 RFID)，主要是經由 有、無線通訊方式且又不需經過任何接觸方式，就能夠辨識物體的一種通訊系 統。RFID 系統主要是由下列元件所組成：

2.1.1 讀卡機

讀卡機(Reader)與應用系統相互溝通的介面，可透過有線的方式(例：

RS232、RS485、RS422)、無線的方式(例如：Bluetooth、GPS、Zigbee)。當應用 系統要進行辨識時，可經由控制Reader 來發送無線電波能量，對 Tag 內的資訊 作讀取(Read)和寫入(Write)的動作。Reader 主要是由下列四部分所組成如圖 2-1 所示：

圖 2-1 讀卡機的方塊圖[18]

1. 控制模組(Control Module)：

¾ 資料處理功能：包含資料的編碼(Encode)、解碼(Decode)、檢查(Check)、

儲存(Store)，以及與應用系統之間的通訊操作。

¾ 與 Tag 之間的通訊管理：包含喚醒 Tag 傳送資料、通訊機制的初始化、

讀取與寫入資料、安全認証，整合檢查與時序(Timing)控制等。

¾ 實體的通訊：控制收發模組與收發天線並發射 RF 無線電波能量，進行 對Tag 的讀取和寫入資料的動作。

2. 射頻模組(RF Module)：

¾ 發射機功能：發射 RF 電磁波，經由所發射的電磁波用以提供被動式 (passive)Tag 傳送資料所需的電源，並籍此讀取 Tag 內的資訊，再利用 脈波調變(Plus Modulation)方式將資料寫入 Tag 內。

¾ 接收機功能：接收 Tag 所傳回已調變數位訊號(資料)，調變訊號的型式 可以是振幅鍵移(Amplitude-Shift Keying, ASK)、相位鍵移(Phase-Shift Key, PSK)、頻率鍵移(Frequency-Shift Keying, FSK)。

3. 收發天線(Antenna)：

主要是用來發射RF 無線電波能量，通常都內建於 Reader 中，除非要讀取 距離長，才會外加在Reader 外部。

4. 電源供應器(Power Supply)：

提供各模組電路運作所需的電源與面板顯示燈的電源，其中又以RF 無線電 波能量之射頻模組與收發天線最為耗電。

2.1.2 電子標籤

Tag 主要功能是用來接收能量與訊號，並以另一頻率將內存的資料傳送出 去；傳送出去的數位訊號之必須使用不同的頻率，以避免因為干擾而導致接收到 微弱訊號。Tag 本身也有內建 RF 發射機模組與控制電路，當 Tag 接收到 Reader 端所發送過來的無線電波時，Tag 內的控制電路會自行將此一無線電波能量轉換 成電源，讓Tag 有足夠的電源可以做傳送的動作，並以內建之 RF 無線電波傳回 Tag 之識別碼(ID)等一系列的識別資料。Tag 主要包括三部份如圖 2-2 所示：

圖 2-2 電子標籤的方塊圖

1. 類比電路(Analogue Circuitry)：

¾ RF 收發機制：接收 Reader 所發射出的電磁波、更新資料並傳回資料給 Reader。

¾ 電源供應：在被動式(passive)Tag 方面，電源主要是由 Tag 內充電用的 電容器所提供。主動式(active) Tag 方面，電源則由 Tag 內的鋰電池來提 供。

2. 數位電路(Digital Circuitry)：

¾ 控制邏輯電路(Control Logic)：Tag 內部的控制模組，主要是用來控制 整個Tag 的操作時脈(Clock)與相關命令解析和執行運作

¾ 安全邏輯電路(Security Logic)：主要是針對於資料安全性方面的處理，

例如：資料的編碼(Encode)、解碼(Decode)、調變(Modulation)與解調 (Demodulation)。

¾ 內部邏輯電路與微處理器(Internal Logic/Microprocessor)：微晶片內的微 處理器與相關的內部邏輯電路的運作。然而Tag 內的微晶片(Microchip) 會隨應用的不同，而有不同尺寸大小和配置方式。

3. 記憶體類型(Memory Type)：

¾ 可保存的記憶體(Non-volatile Memory)：記憶體內的資料可以隨時被讀

取以及覆寫，例如：EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)。

¾ 唯讀記憶體(Read Only Memory)：僅能當作讀取的功能，無法寫入資訊 於記憶體上。

¾ 隨機存取記憶體(Random Access Memory)：資料暫時先存放於記憶體 中，一旦Passive Tag 離開 Reader 所發射 RF 無線電波磁場範圍內，此 時記憶體內的資料會消失。

Tag 在功能上嚴格來講可分成三種型式[19]：

1. 主動式(Active)Tag：

Tag 本身內含電池可隨時地傳送資料給 Reader，其優點在於：使用距離較 長、更大的記憶體提供資料的讀取與寫入、抗雜訊能力好、資料傳輸率高。其缺 點為：價格昂貴、體積較大、壽命較被動式短。

2. 半主動式(Semi-passive)Tag：

Tag 本身內含電池但其操作方式和主動式不同之處在於：主動式本身不會處 於睡眠的狀態下，隨時可傳送資料給Reader。半被動式通常都是睡眠的狀態下，

直到接收到Reader 或喚醒器所發射出的 RF 能量後，才會執行資料讀取/寫入的 動作。喚醒器：操作頻率不同於Reader 的便宜裝置，安置在特定出入處，當持 有主動式Tag 的人員或物品通過此處時，此 Tag 才會甦醒動作，如此可以節省其 電池的耗電量，因此會比主動式Tag 還擁有較久的壽命。

3. 被動式(Passive)Tag：

Tag 本身未含電池，電源的取得來自於 Reader 所發射過來的 RF 無線電波能 量；當Tag 接收到此能量時，其內部的天線模組會感應耦合出電流，並對其內的 電容器充電變成可用的電源，以便將微晶片內記憶體中的識別碼資料以內建的 RF 收發機傳回給 Reader。其優點在於：價格便宜、體積小、壽命長、數位資料 可攜性等[20]。其缺點為：距離較主動式近。

2.1.3 天線

Reader 與 Tag 之間的資料傳輸主要是以無線方式來進行溝通，因此雙方都 必須各自擁有天線，來執行資料的讀取與寫入。整體上來說，Tag 會因為造型的 不同而有不同的佈線方式，最常見到的方式為線圈(Coil)方式，此種方式的特色 是細薄、輕巧又具彈性；假如Tag 欲達到較遠的傳輸距離可增加：線圈環繞次數、

加大天線尺寸、提高操作頻率、內建電池…等。Reader 方面的天線大部份都是由 銅絲或銅管所製作而成，一般都內建於Reader 機殼內部；假如 Reader 欲達到較 遠的傳輸距離，通常天線都會單獨存在並和Reader 相互做連接。

2.1.4 應用系統

主要是用來控制Reader 資料收發、辨識與管理工作；在資料通訊過程中，

可以利用加解密的方式與防火牆…等技術，使資料在通訊傳輸過程中不容易被竊 取而竄改其資料造成資料的不正確性產生具有保密的功效，若再結合資料庫管理 系統與其他電腦網路方面，還可即時提供更安全的即時監控系統功能與資料自動 化整合之應用。

2.2 RFID 系統操作原理

RFID 的操作原理：利用 Reader 發送 RF 無線電波能量給嵌入或貼附在物件 上的Tag，以進行無線資料辨識及擷取工作。整個 RFID 系統的物件辯識如下所 示[21]：

1). 應用系統透過有線(例如：RS-232/485/422)或無線(例如：Bluetooth、

GPS、Zigbee)方式下達控制命令給 Reader。

2). 當 Reader 收到控制命令時，其內部之控制器會透過內建之 RF 收發機 (Transceiver)發送出某一操作頻段之無線電波能量(Power)。

3). Tag 內的天線接收到此一電磁能量時，其內部之 RF 收發機制會感應耦

合出電流，並經由電容器充電，來達到所需的電源；此一電源將會驅使 微控制器(Microcontroller)把記憶體內的識別碼(ID)經由內建之 RF 收發 機，以另一操作頻段之數位資料方式傳送回去給Reader。

4). Reader 端的 RF 收發機接收到由一個或多個 Tag 所傳送回來的識別碼 後，再分別以有線或無線的方式傳回應用系統中。

5). 當應用系統接收到由 Reader 端所傳送來的識別碼時，會進行物件之辨識 及管理方面等的工作。

圖2-3 所示為 RFID 操作原理：

圖 2-3 RFID 操作原理

2.3 RFID 系統操作頻率

RFID 系統另一項重要的元件是作為通信協定的操作頻率，此操作頻率除了 決定Reader 與 Tag 之間可讀取的範圍外，還關係到資料傳輸率；愈高的操作頻 率，則資料傳輸率可以愈高。反之，則相反。目前最常用的操作頻率範圍主要是 以低頻、高頻以及微波三種方式為主，這三種方式各有其優劣之處，整體上來說，

較低的頻率雖然可讀取的資料的範圍不遠，以及有較慢的傳輸速率。但卻可以在 金屬或液體(濕氣)環境下還能保持較佳的讀取能力，反之，則相反。表 2-1 所示 為RFID 系統常用的操作頻帶[22]：

表 2-1 RFID 操作頻帶 頻帶

項目

低頻 (Low Frequency)

高頻 (High Frequency)

極高頻 (Ultra High Frequency)

微波 (Microwave) 通訊頻率 125 ~ 135 KHz 13.56MHz 100 ~ 960MHz 2.45、5.8GHz

RFID 操作頻率的選擇主要是依照 Reader 和 Tag 之間的範圍，以及國家所開 有以下幾種方法來解決碰撞的問題發生[23][24][25]：

2.4.1 空間分割多重存取(SDMA)

籍由操控Reader 指向型天線，使指向型天線直接瞄準電子標籤。透過此方 式，電子標籤會依據Reader 感應範圍內的角度位置互相區分開來，透過空間上 的分割來完成多重存取的技術。然而此技術仍然有缺點存在，需透過複雜的天線 系統來完成，成本花費上相當高，所以此技術僅限制於某些特殊應用上。圖2-4 所示為其系統。

圖 2-4 SDMA 系統

2.4.2 頻域多重存取(FDMA)

在電子標籤選擇上，使用可調整、非發送頻率，並有多個頻率可供選擇。

並透過Reader 的最佳適用頻率，來對 Tag 進行能量供應以及信號控制的傳輸，

透過頻率上的分割來完成多重存取技術。然而此技術有缺點存在，每個接收通道 上都必需各自擁有接收器，然而卻造成Reader 費用相當高，所以此技術僅限制 於某些特殊應用上。圖2-5 所示為其系統。

圖 2-5 FDMA 系統

2.4.3 分碼多重存取法(CDMA)

Reader 將每個傳輸訊號的電子標籤都各自分派一個序列碼(code)，如此一來 即使使用相同頻段也可以加以區隔，達到相同頻段同時被多個訊號使用，而訊號 彼此間也沒有相互干擾的問題產生。

2.4.4 時域多重存取(TDMA)

在同一頻帶中，將時間分割成週期性的訊框(frame)，再將每一個 frame 分割 成多個時槽(slot)，使各個使用者能把訊息放入不同的 slot 中傳輸，因而即使在相 同頻帶中做訊息的傳輸也不會有互相干擾的事情發生。利用TDMA 來完成多重 存取方法有下列幾項：

1. ALOHA：

當若干個電子標籤，在一個循環週期中將資料發送給Reader，電子標籤可以 透過不同的時間區段來傳輸其資料，使資料封包不會有碰撞衝突發生。圖2-6 所 示為三個Tag 利用 ALOHA 演算法將資料發送給 Reader[26]。由圖 2-6 不難發現，

利用此演算方式所發生碰撞的機率很高，所以通道傳輸效率為18.4%。雖然此方 式通道傳輸效率低，但由於此方式在實現上是最簡單的，仍有不少人使用。

圖 2-6 ALOHA 系統

2. Slot ALOHA：

Slot ALOHA 和 ALOHA 演算方式很類似，只差別在於 Slot ALOHA 規定電 子標籤在同步時槽中才可進行傳輸資料封包，然而同步時槽則是由Reader 來控

Slot ALOHA 和 ALOHA 演算方式很類似，只差別在於 Slot ALOHA 規定電 子標籤在同步時槽中才可進行傳輸資料封包，然而同步時槽則是由Reader 來控