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RFID技術及在軌道交通的應用
作者：葉建斌 徐宗奇 郝建紅
來源：RFID世界網
日期：2007-10-26 18:04:39
摘要：本文介紹了R,FID技術及R,FID系統的組成、工作原理和特點，介紹了R,FID系統作為點式設備在軌道交通領域主要在高速鐵路列車控制系統的應用情況，并詳細介紹了軌道交通列車控制領域歐洲標準的RFID產品(也稱為查詢應答器)的參數選擇、基本結構和工作原理。
關鍵詞：RFID標簽軌道交通查詢應答器
1 RFID的概況和工作原理
1．1概述
RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)是利用電磁感應或微波進行非接觸雙向通信，并通過交換數據來達到識別目標的一種最先進的自動識別技術。該技術始于二戰時期。20世紀80年代以來，隨著大規模集成電路技術的成熟，射頻識別系統的體積大大縮小，射頻識別技術進入實用化的階段，到20世紀90年代，RFID技術在世界范圍內被廣泛應用。一般的RFID系統由讀寫器、標簽和天線三部分組成。讀寫器的主要任務是控制射頻模塊向標簽發射讀寫信號，接受標簽的應答，并將信息傳輸到主機以供應用系統處理，在實際應用時還需要其他硬件和軟件的支持。
1．2 RFID的工作原理
RFID的工作原理：標簽進入讀寫器發出的無線射頻信號區后，接收讀寫器發出的射頻信號。無源標簽或被動標簽憑借線圈上的感應電流獲得能量啟動標簽控制電路和射頻電路發送出存儲在芯片中的數據。有源標簽或主動標簽主動發送某一頻率的信號，讀寫器直接接受標簽發射的信號進行解碼后，恢復為標簽的原始信息，然后送至中央計算機等應用系統，進行有關數據處理，最后應用系統得到所需要的信息，從而實現識別的目的。RFID基本工作原理和基本組成如圖l所示。
2．1 RFID 技術特點
(1)非接觸性
標簽的讀、寫在非接觸操作狀態下完成， 閱讀距離標簽從幾厘米到幾十米，適用于相對較短距離無線傳輸信息的場合，如正在運行的列車和地面之間進行點式信息的交換。
(2)高可靠性和耐用性
標簽與讀寫器之間無機械接觸，避免了由于接觸不良所造成的讀寫錯誤等操作，即使在卡上有灰塵、油污或黑暗等外部惡劣環境下也不影響對卡的讀寫。另外，卡表面無裸露的芯片，無須擔心芯片脫落，靜電擊穿，彎曲損壞等問題，所以，卡的使用壽命比較長。
(3)操作方便、讀寫速度快
由于非接觸通信，讀寫器在幾厘米至幾十米范圍內就可以對卡片操作，所以，不必像IC卡那樣進行插拔工作。非接觸使用時沒有方向性，卡片可以從任意方向掠過讀寫器表面， 可大大提高使用的速度，在很短的時間內即可完成讀、寫操作。
(4)信息容量大、一卡多用
標簽信息容量可達到2的96次方個碼，~P268億個碼，現行一維EAN／UPC條形碼，其容量不過幾十個字符，容量最大的二維條形碼(PDF417)最多也只能存儲2725個數字，容量受限制。射頻中有多個分區，每個分區又各自有密碼，所以，可以將不同的分區用于不同的應用，實現一卡多用。
(5)防沖突機制
標簽中有快速防沖突機制，能防止標簽之間出現數據干擾， 因此，讀寫器可以同時處理多張非接觸式標簽，可同時處理多個標簽。
(6)安全加密性能好
標簽的序號是唯一的，制造廠家在產品出廠前已將此序列號固化，不可再更改。讀寫器可驗證標簽的合法性，同時標簽也可驗證讀寫器的合法性，處理前，卡要與讀寫器進行相互認證，而且在通信過程中所有的數據都加密。此外，標簽中各部分都有自己的操作密碼和訪問條件。
(7)重復使用性
由于標簽為電子數據，可以反復被覆寫，進行通信。因此，可以將回收的標簽重復使用。如果是被動式標簽，不需要電池就可以使用，沒有維護和保養的需要。
(8)穿透性
標簽可穿透紙張、木材和塑料等非金屬與讀寫器進行信息交換。鐵質金屬， 由于具有屏蔽作用，阻礙電磁波的傳播無法進行正常的通信。
(9)追蹤定位性
可以把RFID標簽附著在物體上進行追蹤定位。如果把標簽與GPS結合， 可以對帶有標簽的貨柜車、貨艙、列車等進行有效地理位置的跟蹤。
2．2射頻識別系統分類及特點
(1)工作頻率
根據各種發送頻率可劃分為低頻(30～300kHz)、高頻或射頻(3～30MHz)和超高頻(300MHz～3GHz)或微波(>3GH z)。低頻系統一般指其工作頻率小于30M H z~9系統，其典型的使用頻率低于l35kH z或6．75MH z 、l3．56MHz及27．125MH z。其基本特點是：標簽的成本較低，能耗較低，標簽內保存的數據量較少，閱讀距離相對較短，但閱讀天線方向性不強(無源情況，典型閱讀距離為幾十厘米)，標簽外形多樣(卡狀、環狀、鈕扣狀、筆狀)等。低頻系統多用于短距離、低成本、低能耗、安全性要求較高的場合，如門禁控制、動物監管、貨物跟蹤、高速列車與地面之間點式信息的傳輸。高頻系統一般指其工作頻率大于400MHz的系統。高頻系統的基本特點是標簽及讀寫器成本均較高，標簽內保存的數據量較大， 閱讀距離較遠(可達幾米至十幾米)，適應物體高速運動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及標簽天線均有較強的方向性。高頻系統多應用于需要較長的讀寫距離和高的讀寫速度的場合，例如列車車次號識別、高速公路不停車收費等系統。
(2)數據傳輸方式
按照應答器回送到閱讀器的數據傳輸方法可分為三類：反射或方向散射式(反射波的頻率與閱讀器的發射頻率一致)或負載調制式(閱讀器的電／磁場受應答器的影響，頻率比為l：1)、分諧波(1／n倍)式，以及應答器中產生的高次諧波式(n倍)。
(3)作用距離
射頻識別系統按讀寫器與標簽之間作用距離分為：緊密耦合(0～lcm)、遙控耦合(0～lm)和遠距離(>lm)系統。
(4)有源與無源標簽
標簽可分為有源及無源兩種。有源標簽使用卡內電池為微型芯片提供全部或部分能量，但不會為標簽與應答器之間傳送數據提供能量，識別距離較長(可達十幾米)，但是它的壽命有限(3至l0年)，且價格較高；無源標簽不含電池，接受讀寫器發射的電磁波提供能量，重量和體積較小使用壽命長，但它的發射距離受限制，而且要求讀寫器的發射功率大，應答器工作電路的功耗小。
(5)調制方式
根據調制方式的不同還可分為主動式和被動式：
1)主動式標簽，主動地發送數據給讀寫器。2)被動式標簽，使用調制散射方式發射數據，它必須利用讀寫器的載波調制的信號，適宜在門禁、交通的應用中使用。讀寫器可以確保只激活一定范圍之內的標簽。目前使用的多數系統中，一次只能讀寫一個標簽。標簽之間要保持一定距離，確保一次只能有一個卡在讀寫區域內。讀寫距離長，標簽之間的距離就要大，應用不方便。現在的標簽具有防碰撞的功能，這對于RFID來說十分重要。所謂碰撞是指多個標簽進入識別區域時信號互相干擾的情況。具有防碰撞性能的系統可以同時識別進入識別距離的所有標簽，這種工作方式大大提高了系統的效率。
3 RFID在軌道交通領域的應用
由于RFID系統具有可靠性高、信息容量大、結構簡單、安裝靈活、維護方便等優點，隨著軌道交通的發展，列車與地面之間需要傳輸大量的信息，原有軌道電路信息量難以滿足要求，尤其在一些特殊的點，比如：進出車站、區間信號點、彎道、坡度等。車載和地面之間需要其他傳輸信息的通道增加車載控制設備的參考數據以滿足列車安全、舒適運營的要求，所以，RFID系統隨著軌道交通的發展作為列車和地面之間傳輸點式信息的通道，成為軌道交通列車控制系統的重要組成部分，也是我國CTCS指定使用的設備。
3．1 RFID在國、內外軌道交通的應用情況和基本技術參數
RFID在軌道交通領域運用也稱為查詢應答器，最早由瑞典鐵路提出，上世紀80年代初期開始研制使用。后來德國、荷蘭、日本、法國等都相繼采用了這種查詢應答器方式作為地面一機車的信息傳送方式，在經過了多年的應用后，最終確定了查詢應答器的框架技術數據。它是一個電感耦合的射頻識別系統，采用非諧性反饋頻率。機車的數據傳輸在4．237MH z的射頻上進行，并且當列車以非常高的速度通過的瞬間仍可確保數據報文能夠正確讀出。
歐洲標準應答器的技術參數如下。
耦合方式： 電感式
能量傳輸頻率： 27．095MHz
數據傳輸頻率： 4．237MHz
調制方式： FSK
調制指數： l
數據傳輸率： 565kbit／s
電報長度： l023或者341bit
有效數據范圍： 863或者216bit
讀取距離： 230至450ram
最大側偏移： l80mm
雪、水、礦石覆蓋：不影響
目前， 國內鐵路地面與機車的信息傳遞大部分仍依靠軌道電路完成， 我國自行研制開發的ZPW-2000系列軌道電路已在全路大面積裝備，具有1 8個低頻信息， 但是，單純依靠軌道電路信息已無法滿足進一步提速對信號系統的技術要求。
隨著第六次大提速的實施，速度將突破160km／h達到200～250km／h，列車必須裝設列車控制系統；TDCS／CTC等系統的應用，傳統的區域分散控制轉變為統一指揮，對臨時限速設置方式等帶來了革命性的變化，需要為運行中的列車提供臨時限速信息。立足于我國既有信號技術裝備， 參照歐盟ET C S相關標準，我國自主研發了完全擁有自主知識產權、符合我國國情的CTCS2級列車控制系統實施方案：通過軌道電路提供與前車(目標)距離和進路狀態等實時連續信息，由列車控制中心控制應答器發送線路參數、進路信息和臨時限速，列車車載設備自動生成連續速度控制模式曲線，實時監控列車安全運行，巧妙地解決了信息連續要求和信息量的矛盾。CTCS2系統構成如圖2所示。
3．2 RFID在軌道交通應用的原理
查詢應答器由地面應答器、車載查詢器、發射天線、軌旁電子單元LEU (可變應答器才有，用于列車控制中心為地面應答器傳送臨時可變信息)四部分組成。地面應答器的電源取自正在通過的機車上的查詢器發射的27．095MHz信號，地面應答器利用對該頻率點的電感耦合取得工作所需能量。地面向機車傳輸數據的載頻為4．237MH z，可以確保列車高速通過瞬間完整讀出數據報文。當機車駛過地面應答器時，車載查詢器首先通過電磁感應方式將能量傳遞給地面應答器，地面應答器在接收到來自列車的能量后開始工作，通過整流電路提供可靠的電源，為應答器工作提供能量，將報文數據以頻移調制方式通過電磁感應傳送至車上。其基本電路原理框圖如圖3所示。
射頻識別技術在中國已開始進入了應用階段，發展潛力巨大。在信息社會，要求對各種信息的獲取及處理快速、準確。在不久的將來，RFID技術將同其它識別技術一樣， 深入到人們生活的各個領域。在軌道交通領域，目前引進歐洲標準的查詢應答器，技術成熟、安全可靠，國內正處于引進、消化和吸收階段，技術方面還需要進一步探索和提高，全面大提速和客運專線建設大面積展開，廣闊的市場空間已經為技術發展提供了肥沃的土壤，我國正處在發展的關鍵時期。社會主義現代化建設根本要靠科學技術。科學技術上的重大突破可以使社會生產力產生革命性的飛躍，相信不久的將來，我國在此技術領域也會有突破性的進展。
參考文獻
1 陳大才．射頻識別(RFID)技術【M】．北京：電子工業出版社，2001，6．
2 王曉華，周曉光、射頻識別技術及其應用【J]．現代電子技術，2005(I1)：45-44．
3 王曉華，周曉光．射頻識別技術及其應用【J]．現代電子技術，2005(I1)：45-44．
4楊艷秋．世界各國(或地區)推進RFID的策略【J]．信息技術與標準化，2oo5(8)：64-68．
1．1概述
RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)是利用電磁感應或微波進行非接觸雙向通信，并通過交換數據來達到識別目標的一種最先進的自動識別技術。該技術始于二戰時期。20世紀80年代以來，隨著大規模集成電路技術的成熟，射頻識別系統的體積大大縮小，射頻識別技術進入實用化的階段，到20世紀90年代，RFID技術在世界范圍內被廣泛應用。一般的RFID系統由讀寫器、標簽和天線三部分組成。讀寫器的主要任務是控制射頻模塊向標簽發射讀寫信號，接受標簽的應答，并將信息傳輸到主機以供應用系統處理，在實際應用時還需要其他硬件和軟件的支持。
1．2 RFID的工作原理
RFID的工作原理：標簽進入讀寫器發出的無線射頻信號區后，接收讀寫器發出的射頻信號。無源標簽或被動標簽憑借線圈上的感應電流獲得能量啟動標簽控制電路和射頻電路發送出存儲在芯片中的數據。有源標簽或主動標簽主動發送某一頻率的信號，讀寫器直接接受標簽發射的信號進行解碼后，恢復為標簽的原始信息，然后送至中央計算機等應用系統，進行有關數據處理，最后應用系統得到所需要的信息，從而實現識別的目的。RFID基本工作原理和基本組成如圖l所示。
2．1 RFID 技術特點
(1)非接觸性
標簽的讀、寫在非接觸操作狀態下完成， 閱讀距離標簽從幾厘米到幾十米，適用于相對較短距離無線傳輸信息的場合，如正在運行的列車和地面之間進行點式信息的交換。
(2)高可靠性和耐用性
標簽與讀寫器之間無機械接觸，避免了由于接觸不良所造成的讀寫錯誤等操作，即使在卡上有灰塵、油污或黑暗等外部惡劣環境下也不影響對卡的讀寫。另外，卡表面無裸露的芯片，無須擔心芯片脫落，靜電擊穿，彎曲損壞等問題，所以，卡的使用壽命比較長。
(3)操作方便、讀寫速度快
由于非接觸通信，讀寫器在幾厘米至幾十米范圍內就可以對卡片操作，所以，不必像IC卡那樣進行插拔工作。非接觸使用時沒有方向性，卡片可以從任意方向掠過讀寫器表面， 可大大提高使用的速度，在很短的時間內即可完成讀、寫操作。
(4)信息容量大、一卡多用
標簽信息容量可達到2的96次方個碼，~P268億個碼，現行一維EAN／UPC條形碼，其容量不過幾十個字符，容量最大的二維條形碼(PDF417)最多也只能存儲2725個數字，容量受限制。射頻中有多個分區，每個分區又各自有密碼，所以，可以將不同的分區用于不同的應用，實現一卡多用。
(5)防沖突機制
標簽中有快速防沖突機制，能防止標簽之間出現數據干擾， 因此，讀寫器可以同時處理多張非接觸式標簽，可同時處理多個標簽。
(6)安全加密性能好
標簽的序號是唯一的，制造廠家在產品出廠前已將此序列號固化，不可再更改。讀寫器可驗證標簽的合法性，同時標簽也可驗證讀寫器的合法性，處理前，卡要與讀寫器進行相互認證，而且在通信過程中所有的數據都加密。此外，標簽中各部分都有自己的操作密碼和訪問條件。
(7)重復使用性
由于標簽為電子數據，可以反復被覆寫，進行通信。因此，可以將回收的標簽重復使用。如果是被動式標簽，不需要電池就可以使用，沒有維護和保養的需要。
(8)穿透性
標簽可穿透紙張、木材和塑料等非金屬與讀寫器進行信息交換。鐵質金屬， 由于具有屏蔽作用，阻礙電磁波的傳播無法進行正常的通信。
(9)追蹤定位性
可以把RFID標簽附著在物體上進行追蹤定位。如果把標簽與GPS結合， 可以對帶有標簽的貨柜車、貨艙、列車等進行有效地理位置的跟蹤。
2．2射頻識別系統分類及特點
(1)工作頻率
根據各種發送頻率可劃分為低頻(30～300kHz)、高頻或射頻(3～30MHz)和超高頻(300MHz～3GHz)或微波(>3GH z)。低頻系統一般指其工作頻率小于30M H z~9系統，其典型的使用頻率低于l35kH z或6．75MH z 、l3．56MHz及27．125MH z。其基本特點是：標簽的成本較低，能耗較低，標簽內保存的數據量較少，閱讀距離相對較短，但閱讀天線方向性不強(無源情況，典型閱讀距離為幾十厘米)，標簽外形多樣(卡狀、環狀、鈕扣狀、筆狀)等。低頻系統多用于短距離、低成本、低能耗、安全性要求較高的場合，如門禁控制、動物監管、貨物跟蹤、高速列車與地面之間點式信息的傳輸。高頻系統一般指其工作頻率大于400MHz的系統。高頻系統的基本特點是標簽及讀寫器成本均較高，標簽內保存的數據量較大， 閱讀距離較遠(可達幾米至十幾米)，適應物體高速運動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及標簽天線均有較強的方向性。高頻系統多應用于需要較長的讀寫距離和高的讀寫速度的場合，例如列車車次號識別、高速公路不停車收費等系統。
(2)數據傳輸方式
按照應答器回送到閱讀器的數據傳輸方法可分為三類：反射或方向散射式(反射波的頻率與閱讀器的發射頻率一致)或負載調制式(閱讀器的電／磁場受應答器的影響，頻率比為l：1)、分諧波(1／n倍)式，以及應答器中產生的高次諧波式(n倍)。
(3)作用距離
射頻識別系統按讀寫器與標簽之間作用距離分為：緊密耦合(0～lcm)、遙控耦合(0～lm)和遠距離(>lm)系統。
(4)有源與無源標簽
標簽可分為有源及無源兩種。有源標簽使用卡內電池為微型芯片提供全部或部分能量，但不會為標簽與應答器之間傳送數據提供能量，識別距離較長(可達十幾米)，但是它的壽命有限(3至l0年)，且價格較高；無源標簽不含電池，接受讀寫器發射的電磁波提供能量，重量和體積較小使用壽命長，但它的發射距離受限制，而且要求讀寫器的發射功率大，應答器工作電路的功耗小。
(5)調制方式
根據調制方式的不同還可分為主動式和被動式：
1)主動式標簽，主動地發送數據給讀寫器。2)被動式標簽，使用調制散射方式發射數據，它必須利用讀寫器的載波調制的信號，適宜在門禁、交通的應用中使用。讀寫器可以確保只激活一定范圍之內的標簽。目前使用的多數系統中，一次只能讀寫一個標簽。標簽之間要保持一定距離，確保一次只能有一個卡在讀寫區域內。讀寫距離長，標簽之間的距離就要大，應用不方便。現在的標簽具有防碰撞的功能，這對于RFID來說十分重要。所謂碰撞是指多個標簽進入識別區域時信號互相干擾的情況。具有防碰撞性能的系統可以同時識別進入識別距離的所有標簽，這種工作方式大大提高了系統的效率。
3 RFID在軌道交通領域的應用
由于RFID系統具有可靠性高、信息容量大、結構簡單、安裝靈活、維護方便等優點，隨著軌道交通的發展，列車與地面之間需要傳輸大量的信息，原有軌道電路信息量難以滿足要求，尤其在一些特殊的點，比如：進出車站、區間信號點、彎道、坡度等。車載和地面之間需要其他傳輸信息的通道增加車載控制設備的參考數據以滿足列車安全、舒適運營的要求，所以，RFID系統隨著軌道交通的發展作為列車和地面之間傳輸點式信息的通道，成為軌道交通列車控制系統的重要組成部分，也是我國CTCS指定使用的設備。
3．1 RFID在國、內外軌道交通的應用情況和基本技術參數
RFID在軌道交通領域運用也稱為查詢應答器，最早由瑞典鐵路提出，上世紀80年代初期開始研制使用。后來德國、荷蘭、日本、法國等都相繼采用了這種查詢應答器方式作為地面一機車的信息傳送方式，在經過了多年的應用后，最終確定了查詢應答器的框架技術數據。它是一個電感耦合的射頻識別系統，采用非諧性反饋頻率。機車的數據傳輸在4．237MH z的射頻上進行，并且當列車以非常高的速度通過的瞬間仍可確保數據報文能夠正確讀出。
歐洲標準應答器的技術參數如下。
耦合方式： 電感式
能量傳輸頻率： 27．095MHz
數據傳輸頻率： 4．237MHz
調制方式： FSK
調制指數： l
數據傳輸率： 565kbit／s
電報長度： l023或者341bit
有效數據范圍： 863或者216bit
讀取距離： 230至450ram
最大側偏移： l80mm
雪、水、礦石覆蓋：不影響
目前， 國內鐵路地面與機車的信息傳遞大部分仍依靠軌道電路完成， 我國自行研制開發的ZPW-2000系列軌道電路已在全路大面積裝備，具有1 8個低頻信息， 但是，單純依靠軌道電路信息已無法滿足進一步提速對信號系統的技術要求。
隨著第六次大提速的實施，速度將突破160km／h達到200～250km／h，列車必須裝設列車控制系統；TDCS／CTC等系統的應用，傳統的區域分散控制轉變為統一指揮，對臨時限速設置方式等帶來了革命性的變化，需要為運行中的列車提供臨時限速信息。立足于我國既有信號技術裝備， 參照歐盟ET C S相關標準，我國自主研發了完全擁有自主知識產權、符合我國國情的CTCS2級列車控制系統實施方案：通過軌道電路提供與前車(目標)距離和進路狀態等實時連續信息，由列車控制中心控制應答器發送線路參數、進路信息和臨時限速，列車車載設備自動生成連續速度控制模式曲線，實時監控列車安全運行，巧妙地解決了信息連續要求和信息量的矛盾。CTCS2系統構成如圖2所示。
3．2 RFID在軌道交通應用的原理
查詢應答器由地面應答器、車載查詢器、發射天線、軌旁電子單元LEU (可變應答器才有，用于列車控制中心為地面應答器傳送臨時可變信息)四部分組成。地面應答器的電源取自正在通過的機車上的查詢器發射的27．095MHz信號，地面應答器利用對該頻率點的電感耦合取得工作所需能量。地面向機車傳輸數據的載頻為4．237MH z，可以確保列車高速通過瞬間完整讀出數據報文。當機車駛過地面應答器時，車載查詢器首先通過電磁感應方式將能量傳遞給地面應答器，地面應答器在接收到來自列車的能量后開始工作，通過整流電路提供可靠的電源，為應答器工作提供能量，將報文數據以頻移調制方式通過電磁感應傳送至車上。其基本電路原理框圖如圖3所示。
射頻識別技術在中國已開始進入了應用階段，發展潛力巨大。在信息社會，要求對各種信息的獲取及處理快速、準確。在不久的將來，RFID技術將同其它識別技術一樣， 深入到人們生活的各個領域。在軌道交通領域，目前引進歐洲標準的查詢應答器，技術成熟、安全可靠，國內正處于引進、消化和吸收階段，技術方面還需要進一步探索和提高，全面大提速和客運專線建設大面積展開，廣闊的市場空間已經為技術發展提供了肥沃的土壤，我國正處在發展的關鍵時期。社會主義現代化建設根本要靠科學技術。科學技術上的重大突破可以使社會生產力產生革命性的飛躍，相信不久的將來，我國在此技術領域也會有突破性的進展。
參考文獻
1 陳大才．射頻識別(RFID)技術【M】．北京：電子工業出版社，2001，6．
2 王曉華，周曉光、射頻識別技術及其應用【J]．現代電子技術，2005(I1)：45-44．
3 王曉華，周曉光．射頻識別技術及其應用【J]．現代電子技術，2005(I1)：45-44．
4楊艷秋．世界各國(或地區)推進RFID的策略【J]．信息技術與標準化，2oo5(8)：64-68．
