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(yīng)或微波進行非接觸雙向通信，并通過交換數(shù)據(jù)來達到識別目標(biāo)的一種最先進的自動識別技術(shù)。該技術(shù)始于二戰(zhàn)時期。20世紀(jì)80年代以來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的成熟，射頻識別系統(tǒng)的體積大大縮小，射頻識別技術(shù)進入實用化的階段，到20世紀(jì)90年代，RFID技術(shù)在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。一般的RFID系統(tǒng)由讀寫器、標(biāo)簽和天線三部分組成。讀寫器的主要任務(wù)是控制射頻模塊向標(biāo)簽發(fā)射讀寫信號，接受標(biāo)簽的應(yīng)答，并將信息傳輸?shù)街鳈C以供應(yīng)用系統(tǒng)處理，在實際應(yīng)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(biāo)簽進入讀寫器發(fā)出的無線射頻信號區(qū)后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號。無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽憑借線圈上的感應(yīng)電流獲得能量啟動標(biāo)簽控制電路和射頻電路發(fā)送出存儲在芯片中的數(shù)據(jù)。有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽主動發(fā)送某一頻率的信號，讀寫器直接接受標(biāo)簽發(fā)射的信號進行解碼后，恢復(fù)為標(biāo)簽的原始信息，然后送至中央計算機等應(yīng)用系統(tǒng)，進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，最后應(yīng)用系統(tǒng)得到所需要的信息，從而實現(xiàn)識別的目的。RFID基本工作原理和基本組成如圖l所示。   

2 RFID的技術(shù)特點和分類   

2．1 RFID 技術(shù)特點   
(1)非接觸性   
標(biāo)簽的讀、寫在非接觸操作狀態(tài)下完成， 閱讀距離標(biāo)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(biāo)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(huán)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(dān)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(nèi)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(nèi)即可完成讀、寫操作。   
(4)信息容量大、一卡多用   
標(biāo)簽信息容量可達到2的96次方個碼，~P268億個碼，現(xiàn)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(shù)字，容量受限制。射頻中有多個分區(qū)，每個分區(qū)又各自有密碼，所以，可以將不同的分區(qū)用于不同的應(yīng)用，實現(xiàn)一卡多用。   
(5)防沖突機制   
標(biāo)簽中有快速防沖突機制，能防止標(biāo)簽之間出現(xiàn)數(shù)據(jù)干擾， 因此，讀寫器可以同時處理多張非接觸式標(biāo)簽，可同時處理多個標(biāo)簽。   
(6)安全加密性能好   
標(biāo)簽的序號是唯一的，制造廠家在產(chǎn)品出廠前已將此序列號固化，不可再更改。讀寫器可驗證標(biāo)簽的合法性，同時標(biāo)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(shù)據(jù)都加密。此外，標(biāo)簽中各部分都有自己的操作密碼和訪問條件。   
(7)重復(fù)使用性   
由于標(biāo)簽為電子數(shù)據(jù)，可以反復(fù)被覆寫，進行通信。因此，可以將回收的標(biāo)簽重復(fù)使用。如果是被動式標(biāo)簽，不需要電池就可以使用，沒有維護和保養(yǎng)的需要。   
(8)穿透性   
標(biāo)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(zhì)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(biāo)簽附著在物體上進行追蹤定位。如果把標(biāo)簽與GPS結(jié)合， 可以對帶有標(biāo)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(tǒng)分類及特點   
(1)工作頻率   
根據(jù)各種發(fā)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(tǒng)一般指其工作頻率小于30M H z~9系統(tǒng)，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(biāo)簽的成本較低，能耗較低，標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)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(biāo)簽外形多樣(卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀)等。低頻系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)一般指其工作頻率大于400MHz的系統(tǒng)。高頻系統(tǒng)的基本特點是標(biāo)簽及讀寫器成本均較高，標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大， 閱讀距離較遠(可達幾米至十幾米)，適應(yīng)物體高速運動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及標(biāo)簽天線均有較強的方向性。高頻系統(tǒng)多應(yīng)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(tǒng)。   
(2)數(shù)據(jù)傳輸方式   
按照應(yīng)答器回送到閱讀器的數(shù)據(jù)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(fā)射頻率一致)或負載調(diào)制式(閱讀器的電／磁場受應(yīng)答器的影響，頻率比為l：1)、分諧波(1／n倍)式，以及應(yīng)答器中產(chǎn)生的高次諧波式(n倍)。   
(3)作用距離   
射頻識別系統(tǒng)按讀寫器與標(biāo)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(tǒng)。   
(4)有源與無源標(biāo)簽   
標(biāo)簽可分為有源及無源兩種。有源標(biāo)簽使用卡內(nèi)電池為微型芯片提供全部或部分能量，但不會為標(biāo)簽與應(yīng)答器之間傳送數(shù)據(jù)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(biāo)簽不含電池，接受讀寫器發(fā)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(fā)射距離受限制，而且要求讀寫器的發(fā)射功率大，應(yīng)答器工作電路的功耗小。   
(5)調(diào)制方式   
根據(jù)調(diào)制方式的不同還可分為主動式和被動式：   
1)主動式標(biāo)簽，主動地發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器。2)被動式標(biāo)簽，使用調(diào)制散射方式發(fā)射數(shù)據(jù)，它必須利用讀寫器的載波調(diào)制的信號，適宜在門禁、交通的應(yīng)用中使用。讀寫器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的標(biāo)簽。目前使用的多數(shù)系統(tǒng)中，一次只能讀寫一個標(biāo)簽。標(biāo)簽之間要保持一定距離，確保一次只能有一個卡在讀寫區(qū)域內(nèi)。讀寫距離長，標(biāo)簽之間的距離就要大，應(yīng)用不方便。現(xiàn)在的標(biāo)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(biāo)簽進入識別區(qū)域時信號互相干擾的情況。具有防碰撞性能的系統(tǒng)可以同時識別進入識別距離的所有標(biāo)簽，這種工作方式大大提高了系統(tǒng)的效率。   

3 RFID在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用   

由于RFID系統(tǒng)具有可靠性高、信息容量大、結(jié)構(gòu)簡單、安裝靈活、維護方便等優(yōu)點，隨著軌道交通的發(fā)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(qū)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(shè)備的參考數(shù)據(jù)以滿足列車安全、舒適運營的要求，所以，RFID系統(tǒng)隨著軌道交通的發(fā)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(tǒng)的重要組成部分，也是我國CTCS指定使用的設(shè)備。   

3．1 RFID在國、內(nèi)外軌道交通的應(yīng)用情況和基本技術(shù)參數(shù)   

RFID在軌道交通領(lǐng)域運用也稱為查詢應(yīng)答器，最早由瑞典鐵路提出，上世紀(jì)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(yīng)答器方式作為地面一機車的信息傳送方式，在經(jīng)過了多年的應(yīng)用后，最終確定了查詢應(yīng)答器的框架技術(shù)數(shù)據(jù)。它是一個電感耦合的射頻識別系統(tǒng)，采用非諧性反饋頻率。機車的數(shù)據(jù)傳輸在4．237MH z的射頻上進行，并且當(dāng)列車以非常高的速度通過的瞬間仍可確保數(shù)據(jù)報文能夠正確讀出。   

歐洲標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器的技術(shù)參數(shù)如下。   

耦合方式： 電感式   
能量傳輸頻率： 27．095MHz   
數(shù)據(jù)傳輸頻率： 4．237MHz   
調(diào)制方式： FSK   
調(diào)制指數(shù)： l   
數(shù)據(jù)傳輸率： 565kbit／s   
電報長度： l023或者341bit   
有效數(shù)據(jù)范圍： 863或者216bit   
讀取距離： 230至450ram   
最大側(cè)偏移： l80mm   
雪、水、礦石覆蓋：不影響   

目前， 國內(nèi)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(fā)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(tǒng)的技術(shù)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(shè)列車控制系統(tǒng)；TDCS／CTC等系統(tǒng)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的區(qū)域分散控制轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一指揮，對臨時限速設(shè)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(shù)裝備， 參照歐盟ET C S相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，我國自主研發(fā)了完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、符合我國國情的CTCS2級列車控制系統(tǒng)實施方案：通過軌道電路提供與前車(目標(biāo))距離和進路狀態(tài)等實時連續(xù)信息，由列車控制中心控制應(yīng)答器發(fā)送線路參數(shù)、進路信息和臨時限速，列車車載設(shè)備自動生成連續(xù)速度控制模式曲線，實時監(jiān)控列車安全運行，巧妙地解決了信息連續(xù)要求和信息量的矛盾。CTCS2系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。   

另外，我國幅員遼闊，大交路運輸需要跨區(qū)域運行，為完成CTCS2一CTCS0的級間轉(zhuǎn)換需要向車載提供點式信息，這些需求為應(yīng)答器的應(yīng)用提供了廣闊的空間。目前，我國已對京哈、京滬、京廣、隴海、滬昆、膠濟、廣深、京九、蘭新等l8條線路進行了提速改造，200km／h線路達到了14000km。   

3．2 RFID在軌道交通應(yīng)用的原理   
查詢應(yīng)答器由地面應(yīng)答器、車載查詢器、發(fā)射天線、軌旁電子單元LEU (可變應(yīng)答器才有，用于列車控制中心為地面應(yīng)答器傳送臨時可變信息)四部分組成。地面應(yīng)答器的電源取自正在通過的機車上的查詢器發(fā)射的27．095MHz信號，地面應(yīng)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(shù)據(jù)的載頻為4．237MH z，可以確保列車高速通過瞬間完整讀出數(shù)據(jù)報文。當(dāng)機車駛過地面應(yīng)答器時，車載查詢器首先通過電磁感應(yīng)方式將能量傳遞給地面應(yīng)答器，地面應(yīng)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(yīng)答器工作提供能量，將報文數(shù)據(jù)以頻移調(diào)制方式通過電磁感應(yīng)傳送至車上。其基本電路原理框圖如圖3所示。   

車載查詢器的主要功能是發(fā)射信號為地面應(yīng)答器提供工作所需能量、接收應(yīng)答器發(fā)出的信號、解調(diào)數(shù)據(jù)信號、解碼后再通過串行輸出送至控制設(shè)備。實現(xiàn)原理框圖如圖4所示。   

4總結(jié)和展望   

射頻識別技術(shù)在中國已開始進入了應(yīng)用階段，發(fā)展?jié)摿薮?。在信息社會，要求對各種信息的獲取及處理快速、準(zhǔn)確。在不久的將來，RFID技術(shù)將同其它識別技術(shù)一樣， 深入到人們生活的各個領(lǐng)域。在軌道交通領(lǐng)域，目前引進歐洲標(biāo)準(zhǔn)的查詢應(yīng)答器，技術(shù)成熟、安全可靠，國內(nèi)正處于引進、消化和吸收階段，技術(shù)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(shè)大面積展開，廣闊的市場空間已經(jīng)為技術(shù)發(fā)展提供了肥沃的土壤，我國正處在發(fā)展的關(guān)鍵時期。社會主義現(xiàn)代化建設(shè)根本要靠科學(xué)技術(shù)?？茖W(xué)技術(shù)上的重大突破可以使社會生產(chǎn)力產(chǎn)生革命性的飛躍，相信不久的將來，我國在此技術(shù)領(lǐng)域也會有突破性的進展。   

參考文獻   
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