RFID系统结构

RFID系统结构RFID系统一般包括射频标签、读写器和计算机三部分。（1）射频标签是射频识别系统的数据载体，是安装在被识别对象上，由芯片和内置天线组成，芯片内保存一定格式的电子数据，作为待识别物品的标示性信息。芯片随着应用的不同而有所差异，主要控制标签的操作频率、数据传输速率、信号调制、加密解密、数据的读写机制等，芯片在得到工作所需要的能量后，会将存储区的数据以调制信号的方式发送给天线再传输给阅读器，或者将阅读器发送过来的信号解调后更新存储区内的数据。天线电路用来感应阅读器所发射出来的射频能量，完成数据的更新，还用来以射频信号的方式回传给阅读器标签内的数据信息标签天线的大小和能量是影响系统阅读距离的主要因素之一。按照标签内电池的有无，也即能量供应方式分类可以分为无源标签和有源标签。在无源系统中，标签没有自己的电源，它所需要的工作能量主要从读写器发出的射频波束中获取，经过整流、存储后提供电子标签所需要的电流。与有源系统相比，其成本低、寿命长等特点。缺点是读写器需要发射大功率的射频电波，识别距离较近。在有源系统中，有源标签通常都内装有电池，为电子标签的工作提供全部或者部分能量。虽然电池会带来额外的成本，并且有寿命限制，但如果能做好标签的低功耗设计，其在阅读距离和适应物体运动速度方面的优势则是无源标签不可比拟的。应用的范围也比无源系统大得多。（2）读写器是利用射频技术从标签中读取射频识别标签信息、或将信息写入标签的电子设备。读写器读出的标签信息通过计算机及网络系统进行管理和信息传输，对对象标识信息进行解码，并将标识信息以及一些相关的信息输入计算机进行处理。读写器可设计为手持式或固定式，并且可以通过通信网络将采集到的标签ID和数据报给计算机通信网络，并可以接收计算机的命令对标签进行操作。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。以微处理器为核心部件的控制系统主要是执行以下三种任务：与计算机通信网络进行通信，上报给应用系统标签数据，并执行从应用系统发来的动作指令；控制与射频电子标签的通信过程，执行按防冲突算法对标签进行识别，在标签识别以后和标签进行数据交换；对信号进行编码和解码。通过阅读器实现对标签数据的无线接触或从阅读器向标签写入信息都要送回到计算机通信系统，这就形成了射频标签阅读器与计算机通信系统之间的接口API(ApplicationProgramInterface)。对此，要求阅读器能接受来自计算机系统的指令，并按照约定的协议做出相应的响应。另外，高频接口由接收器和发射器来组成，其主要任务是:在无源系统中，产生高频发射能量，激活射频电子标签并为其提供能量，和接收并解调来自射频电子标签的射频信号。射频识别系统中，读写器与电子标签中的信息交换需要通过一种可靠的方式来实现，在这里数据编码和信号调制被作为读写器与电子标签信号传输的方式。（3）计算机通信网络在射频系统中的主要作用是对阅读器上报的标签数据进行管理，针对应用需要，发送指令给阅读器以实现对标签的操作。在通信过程中，必须保证整体射频系统的通畅，正确和迅速地采集数据，确保数据读取内容的可靠性，以及有效地将数据传送到后端系统。传统的数据采集系统中数据采集与后端应用程序之间的数据分发是通过中间件架构解决，并发展出各种应用服务器软件。RFID的工作原理RFID系统的基本工作原理是:阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当标签进入阅读器有效工作区域中时产生感应电流，从而获得能量而被激活。使得标签将自身编码信息通过天线发送出去。阅读器的接收天线收到从标签发出来的调制信号，经天线传送到阅读器信号处理模块，经过解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行处理。主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出不用的处理和控制，最终发出指令信号控制阅读器完成不同的读写操作。从阅读器和标签之间通信和通量传送方式来看，RFID系统一般可分成两类，即电感藕合系统和电磁方向散射藕合系统。电感藕合通过高频交变磁场实现藕合，而电磁反向散射藕合根据的是的雷达原理模型，发射出去的电磁波遇到目标反射，同时携带回目标信息。电感藕合方式一般适合中、低频工作的近距离RFID系统，典型的工作频率有125kHz,225kHz和13.56MHz。电感藕合方式的RFID系统作用距离一般小于lm，典型的作用距离为10-20cm。电磁反向散射藕合方式一般适用于高频、微波工作的远距离RFID系统，典型的工作频率有433MHz,915MHz,2.45GHz和5.8GHz。识别作用距离大于lm，其典型的作用距离为4-6m。电感藕合RFID系统的工作原理RFID电感藕合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感藕合方式的标签基本上都是无源工作的，标签芯片工作所需要的能量都是由阅读器提供的。阅读器天线线圈产生高频的强电磁场，使附近的标签天线产生电磁感应。因为使用的频率范围内的波长远大于阅读器天线和标签之间的距离，所以标签到阅读器天线间的电磁场可当作简单的交变磁场考虑。系统工作原理如图所示1.能量传输阅读器天线产生线圈产生出的磁场穿过标签天线线圈，在电子标签的天线线圈上产生一个电压U，将其整流后作为微芯片的工作电源。将一个电容器C,.与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读发射频率相符的并联振荡回路，该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。电子标签的天线线圈和电容器C:构成谐振回路，通过该回路的协整，标签线圈上的电压U达到最大值。这两个线圈的结构可以解释为变压器，变压器的两个线圈之间只存在很弱的藕合，阅读器的天线线圈和电子标签之间的功率传输效率与工作频率.养标签线圈的匝数n、被标签线圈包围的面积A、两线圈之间的相对角度和位置是成比例的。因为电感藕合系统的效率不高，所以只适合于低电流电路。功耗极低的只读标签采用这种方式的工作距离可达lm以上，而具有写入功能和安全算法的复杂标签，采用这种方式的工作距离一般为15cm。2、数据传输标签和阅读器之间的数据传输采用负载调制，电感藕合式一种变压器藕合，即作为初级线圈的阅读器天线线圈和作为次级线圈的标签天线线圈之间的藕合。只要线圈之间的小于0.16，并且电子标签线圈处于发射天线的近场范围内，变压器藕合就有效。如有把谐振的标签放入阅读器天线发射的电磁场中，那么标签就能从电磁场获得能量。可以从供应阅读器天线发射能量的电流在阅读器内阻上的压降就可以测得阅读器天线藕合出去的能量。标签天线上的负载电阻的接通和断开，影响了标签天线从阅读期天线藕合得到的能量，因此，阅读器天线的上的电压发生变化，这样就实现了利用对阅读器天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载电阻的接通和断开，这些数据信息就可以从标签传送到阅读器了。阅读器从其天线上的电压中将解调出的标签传送来的数据。由于标签天线和阅读器天线之间的藕合很微弱，因而阅读器天线上有用信号电压波动远小于阅读器天线的输出电压。实际应用中，对13.56MHz的系统，天线电压只能得到大约IOmV的有用信号。因为检测小电压很不方便，所以利用由天线电压振幅调制所产生的调制边带。如果标签的附加负载以很高的时钟频率几接通和断开，那么在阅读器发送频率两侧距离为儿处产生两条谱线，他们是容易被检测到的。这种附加引入节拍频率称为副载波。数据传输是数据流的节拍通过对副载波进行ASK,FSK,PSK调制来完成的。电磁反向散射RFID系统的工作原理1、反向散射调制电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁波被吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线，称之为回波。雷达技术中，用这种发射波测量目标的距离和方位。RFID系统可以采用电磁反向散射藕合的工作方式，利用电磁波发射完成从电子标签到阅读器的数据传输。这样的工作方式主要应用在91_SMHz,2.4_SGHz或更高频率的系统中。电磁反向散射系统工作原理如图2-_5所示。系统工分为以下两个过程。（1）标签接收读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未调制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换成直流电压，这个直流电压供给标签内芯片能量。当载波携带数据或者命令的时候，标签通过接收电磁波作为自己的能量来源，并对接收到的信号尽心处理，从而接收读写器的指令或数据。（2）标签向读写器返回信号时，读写器只像标签发送未经过调制的载波，载波能量一部分被转换成直流电压，供给标签工作。另一部分被能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并发射载波来向阅读器传回数据信息。2、反向散射调制的能量传输电磁波从天线向空间辐射，遇到不同目标，到达目标的电磁能一部分被吸收，另一部分以不同的强度散射到各个不同方向上去。反射的能量一部分会返回发射天线。在雷达应用中，可以通过发射波测量出目标的距离和方位。天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波的装置。天线按工作频段可分为短波天线、超短波天线、微波天线等;按方向性可分为全向天线、定向天线等;按外形可分为线状天线、面状天线等。在RFID系统中，射频标签和读写器中都包含天线。在射频装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线和标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。当前对RFID天线的研究主要集中在研究天线结构和环境因素对天线性能的影响上。天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作频段等特性。天线特性受所标识物体的形状及物理特性影响，同时也受周围物体和环境的影响。障碍物会妨碍电磁波传输;金属物体产生电磁屏蔽，会导致无法正确地读取电子标签内容;其他宽频带信号源，比加发动机、水泵、发电机和交直流转换器等，也会产生电磁干扰，影响电子标签的正确读取。如何减少电磁屏蔽和电磁干扰，是RFID技术研究的一个重要方向。（1）射频标签的天线在射频装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。天线的目标是保证最大的传输能量进出标签芯片。这需要综合考虑天线设计、自由空间以及与之相连的标签芯片。作为射频标签的天线，必须具备如下性质:足够小的体积，能够嵌入到本来就很小的射频标签上;有全向或半球覆盖的方向性;提供最大可能的信号给射频标签芯片，并为射频标签提供能量;无论标签处于什么方向，天线的极化都能与读写器的询问信号相匹配;具有鲁棒性;作为损耗件的一部分，天线的价格必须非常便宜。（2）读写器天线射频系统的阅读器必须要通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场来对射频标签进行识别。可以说，天线所形成的电磁场范围就是RFID系统的可读区域。任意RFID系统至少应该包含一根天线(不管是内置还是外置)以发射和接收射频信号。有些RFID系统是由一根天线来同时完成发射和接收的，但也有些RFID系统由一根天线来完成发射，而由另一根天线来承担接收，所采用天线的形式及数量应视具体应用而定。在电感藕合射频识别系统中，读写器天线用于产生磁通量，而磁通量用于向射频标签提供电源，并在读写器和射频标签之间传送信息。因此，读写器天线的设计或选择就必须满足以下基本条件:天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量;功率匹配，以最大程度地利用磁通量的可用能量;足够的带宽，保证载波信号的传输，这些信号是用数据信号调制而成的。在目前的超高频与微波系统中，广泛使用平面形天线，包括全向平板天线、水平平板天线和垂直平板天线等。（1）标签碰撞这种碰撞发生在一个阅读器的作用范围内有多个标签，并且这些标签同时传输其自身序列号，且阅读器要读取每个标签上的ID时，标签信息就会相互碰撞干扰，造成信息丢失。（2）阅读器干扰这种干扰发生在多个阅读器有重叠的作用范围，并有他们同时使用相同的频率，当与作用范围之内的标签通信时，标签无法识别阅读器信息。（3）标签干扰一个标签同时在几个阅读器的作用范围内，并用多于一个的阅读器同时与该标签通信。标签无法识别阅读器信息，造成信息的丢失。对于标签碰撞，在高频(HF)频段，标签的防碰撞算法一般采用经典ALOHA协议。使用ALOHA协议的标签，标签主动给阅读器发送自身的