亞東技術學院教師產學研究計畫成果報告
RFID 無線射頻辨識系統
計畫編號：98-5-03-118
執行期限：98 年 09 月 01 日至 99 年 07 月 31 日
主持人：施勢帆 單位名稱：電機系
參與學生：歐東儒、郭子毅、張舜祥
合作廠商：聯正科技有限公司
摘要
RFID，Radio Frequency Identification，無線射頻辨識系統，是指小於 2 公釐見方， 有如芝麻顆粒般大小的無線通信 IC 和天線所構成的組件通稱。自動化識別（Auto-ID） 系統由於低成本條碼的問世，大量普及應用在生活中的各項事物。不過條碼由於儲存的 資訊量過低，以及無法程式化（reprogram）的限制，也造成了許多應用的障礙。因此， 比較好的解決方案是利用晶片儲存識別資訊與資料，也就是使用 IC 記憶卡或智慧卡 （smart card）做為電子式資料傳送的裝置，例如 IC 信用卡或健保卡。不過這一類接觸 式的 IC 卡必須透過讀卡機的接點提供電源與傳輸資料，在使用上有處理速度較慢、接 觸點磨損等缺點。而非接觸式的 IC 卡則可提供卡片與讀卡機之間無線的訊號傳送，卡 片所需的電源亦可透過無線的技術由讀卡機傳送或使用內建電池的供電方式。因為電源 與資訊的傳送程式是透過無線方式，因此非接觸式識別系統亦稱之為無線射頻識別系 統。
利用 RFID（Radio Frequency Identification；無線射頻辨識系統）透過貼附在人體或 物品身上的身分辨識標籤（Tag），來和讀取器（reader）進行通訊，並以無線方式進行 交換，也就是利用無線電波來傳送識別資料，本計畫將會以 RFID 技術為基礎來設計一 種智慧型無線門禁系統專題設計。
一、 創作理念
最初在 1948 年 Harry Stockman 首先於無線電工程師協會（Institute of Radio Engineers，IRE）研討會發表一篇透過反射電波信號來辨識遠端物體的文章，開啟了反 射無線電波的應用。接著在 1950 年代包括 F.L. Vemon 與 D.B. Harris 各別發表 了”Application of the Microwave Homodyne”與“Radio Transmission Systems with Modulatable Passive Responder”，正式開啟了 RFID 的發展。在應用方面，1980 至 1990 年間 RFID 系統逐漸成熟，相關的應用與市場也因此逐漸成形，包括美國鐵路運輸協會 （Container Handling Cooperative Program）專注於 RFID 技術標準與應用的發展，簡化 了商品運送過程的辨識與追蹤程式，使得 RFID 的應用獲得大幅的成長。至今，RFID 技 術的理論得到豐富和完善。單晶片電子標籤、多電子標籤識讀、無線可讀可寫、無源電 子標籤的遠距離識別、適應高速移動物體的 RFID 技術與產品正在成為現實並走向應
用。
RFID 的感應方式有感應耦合（Inductive Coupling）及反向散射耦合（Backscatter Coupling） 兩種：感應耦合：一般低頻的 RFID 大都採用這種方式，通常是被動式電子 標籤，當電子標籤接近感應器的磁場範圍時，電子標籤的天線感應耦合便會產生電流獲 得電源，將資料以 RF 形式傳送給感應器，目前普遍使用的是 135 KHz 和 13.56 MHz 頻 段，因為使用磁場感應，受限於感應器所產生的磁場影響傳輸距離，所以感應器與電子 標籤之間的感應距離都很短。反向散射耦合：這是較高頻 RFID 所採用的感應方式，是 主動式電子標籤，主動式電子標籤平常在省電狀態，要等到進入感應器的有效偵測範圍 時才會轉為備用狀態。其動作原理簡單的說，舊式感應器發射出去的電磁波碰到目標後 便反射，同時還會攜帶回目標資訊。
利用 RFID（Radio Frequency Identification；無線射頻辨識系統）透過貼附在人體或 物品身上的身分辨識標籤（Tag），來和讀取器（reader）進行通訊，並以無線方式進行 交換，也就是利用無線電波來傳送識別資料，本計畫將會以 RFID 技術為基礎來設計一 種智慧型無線門禁系統專題設計。
二、 學理基礎
RFID 技術利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向資料傳輸，以 達到目標識別和資料交換的目的。最基本的 RFID 系統由三部分組成： 1. 標籤（Tag，即射頻卡）：由耦合元件及晶片組成，標籤含有內置天線，用於和 射頻天線間進行通信。 2. 閱讀器：讀取（在讀寫卡中還可以寫入）標籤資訊的設備。 3. 天線：在標籤和讀取器間傳遞射頻信號。 有些系統還通過閱讀器的 RS232 或 RS485 介面與外部電腦（系統）連接，進行資 料交換。系統的基本工作流程是：閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當射 頻卡進入發射天線工作區域時產生感應電流，射頻卡獲得能量被啟動；射頻卡將自身編 碼等資訊通過卡內置發送天線發送出去；系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信 號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然後送到後臺主 系統進行相關處理；主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應 的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。 在耦合方式（電感-電磁）、通信流程（FDX、HDX、SEQ）、從射頻卡到閱讀器 的資料傳輸方法（負載調製、反向散射、高次諧波）以及頻率範圍等方面，不同的非接 觸傳輸方法有根本的區別，但所有的閱讀器在功能原理上，以及由此決定的設計構造上 都很相似，所有閱讀器均可簡化為高頻介面和控制單元兩個基本模組。高頻介面包含發 送器和接收器，其功能包括：產生高頻發射功率以啟動射頻卡並提供能量；對發射信號 進行調製，用於將資料傳送給射頻卡；接收並解調來自射頻卡的高頻信號。不同射頻識 別系統的高頻介面設計具有一些差異，電感耦合系統的高頻介面原理圖如圖所示。閱讀器的控制單元的功能包括：與應用系統軟體進行通信，並執行應用系統軟體發 來的命令；控制與射頻卡的通信過程（主-從原則）；信號的編解碼。對一些特殊的系 統還有執行反碰撞演算法，對射頻卡與閱讀器間要傳送的資料進行加密和解密，以及進 行射頻卡和閱讀器間的身份驗證等附加功能。方塊圖如圖所示。 射頻識別系統的讀寫距離是一個很關鍵的參數。目前，長距離射頻識別系統的價格 還很貴，因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線 工作頻率、閱讀器的 RF 輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振 電路的 Q 值、天線方向、閱讀器和射頻卡的耦合度，以及射頻卡本身獲得的能量及發送 資訊的能量等。大多數系統的讀取距離和寫入距離是不同的，寫入距離大約是讀取距離 的 40%～80%。 射頻標籤就是含有物品唯一標識體系的編碼的標籤。這種唯一標識體系包括產品電 子代碼 EPC、泛在識別號 UCODE、車輛識別代碼 VIN、國際證券標識號 ISIN、以及 IPv6 等等。其中，產品電子代碼（EPC）是全球產品代碼的一個分支，它可以識別視野之外 的目標。電子產品代碼並不僅僅是一個無線電波條碼，它包含著一系列的資料和資訊， 像產地，日期代碼和其他關鍵的供應資訊，這些資訊儲存在一個小的矽片中，利用標籤， 解讀器和電腦的聯網，生產者和零售商就可以隨時瞭解精確的產品和庫存資訊。 目前生產 RFID 產品的很多公司都採用自己的標準，國際上還沒有統一的標準。目 前，可供射頻卡使用的幾種標準有 ISO10536、ISO14443、ISO15693 和 ISO18OOO。應 用最多的是 ISO14443 和 ISO15693，這兩個標準都由物理特性、射頻功率和信號介面、 初始化和反碰撞以及傳輸協定四部分組成。
射頻閱讀器，在 RFID 系統中，信號接收設備一般叫做閱讀器（或讀卡器）。閱讀 器的基本功能就是提供與標籤進行資料傳輸的介面。RFID 讀寫器/讀寫模組的核心部份 包括一個控制用微處理器和一個 RFID 基站電路。其構成結構如圖所示。它能獨立完成 對符合 ISO/IEC15693 或 ISO/IEC18000-6 標準卡片/標籤的所有操作，它還具有與用戶 主系統的串列通信能力，可根據用戶系統的命令完成對 RFID 卡的讀寫操作，並將所得 資料返回給用戶系統，這個用戶系統可以是一個主控板或 PC。
三、 主題內容
計畫一共包含 4 個部份。1.RFID Reader。2.RFID Tag。3.Zigbee。4.Windows API。 專題開發內容除了利用 RFID 的無線辨識技術以外，Reader 回傳資訊給 PC 系統通常是 以 USB 或 UART 連接線回傳資訊，本專案的 RFID Reader 將會利用 ZigBee 無線通訊技 術，RFID 所辨識到的資料將會透過 ZigBee 的無線通訊技術回傳至 PC 主機。 RFID 目前有相當多種規格可以使用，本專題將會使用 Mifire 卡，其為荷蘭商 NXP 公司所推行的非接觸式智慧卡，其規範是符合 ISO 14443A 規格，在各個國家包含台北 捷運悠遊卡系統也是利用 ISO 14443A 規格。其工作頻率為 13.56MHz，頻寬為 106KBps。 讀寫距離 10mm，具有防衝突機制可同時對多張卡片進行辨識。利用以上現有技術，再 加以整合 ZigBee 技術及 Windows 上的應用程式來設計一智慧型無線門禁系統。系統架 構如下圖所示： 智慧型無線門禁系統架構圖
在此系統設計中，透過 ZigBee 無線感測星狀網路或是網狀網路，使用者可透過 Mifire 卡模組來實現數位家庭智慧型無線門禁系統，來判斷目前要進入居家的是否為入 侵者或是家人，並做進一步的通知與警示處理。如圖 1 所示，數位家庭智慧型無線門禁 系統架構圖。其中，為透過一片 I/O 節點（終端裝置）的 IN1 模擬焦電感測器，偵測是 否有人靠近。若是有人靠近，則以 I/O 節點 OUT1（LED1）啟動門外大燈。緊接著，經 由 Mifire 卡模組來驗證進入者的身份，若是正確則以另一片 I/O 節點（路由器）OUT1 （LED1）開啟大門，錯誤則持續關閉大門，並以 OUT2（LED2）啟動警報器。
