物联网与短距离无线通信技术[董健]第六章

第六章RFID本章内容RFID基础RFID的基本原理RFID的关键技术RFID技术的应用射频概念射频是一种高频交流变化电磁波，通常所指的频率范围为100 kHz～30 GHz。我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频；将电信号（模拟或数字的）用高频电流进行调制（调幅或调频），形成射频信号，经过天线发射到空中；远距离将射频信号接收后进行解调，还原成电信息源，这一过程称为无线传输。频谱划分ISM频段主要是开放给工业、科学和医用3个主要机构使用的频段。由于它们的功率有时很大，为了防止它们对其他通信的干扰，划出一定的频率给它们使用。ISM频段属于无许可（FreeLicense）频段，使用者无须许可证，没有所谓使用授权的限制。ISM频段的主要频率范围有：频率6.78 MHz，频率13.56 MHz，频率27.125 MHz，频率40.680 MHz，频率433.920 MHz，频率869.0 MHz，频率915.0 MHz，频率2.45 GHz，频率5.8 GHz，频率24.125 GHz等。自动识别技术自动识别技术是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。完整的自动识别计算机管理系统包括自动识别系统，应用程序接口或者中间件和应用系统软件。自动识别技术的种类与特征比较自动识别系统根据识别对象的特征可以分为两大类：数据采集技术和特征提取技术。这两大类自动识别技术的基本功能都是完成物品的自动识别和数据的自动采集。自动识别技术的种类与特征比较数据采集技术包括利用光学原理的存储器：条码（一维、二维）、矩阵码、光标读写器、光学字符识别；磁存储器：磁条、非接触磁卡、磁光存储、微波；电存储器：触摸式存储、RFID射频识别、存储卡（智能卡、非接触式智能卡）、视觉识别、能量扰动识别。特征提取技术包括动态特征：声音（语音）、键盘敲击、其他感觉特征；属性特征：化学感觉特征、物理感觉特征、生物抗体病毒特征、联合感觉系统。常见的自动识别技术及特征比较条码技术：条形码是由宽度不同、反射率不同的条和空，按照一定的编码规则（码制）编制成的，用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符，即条形码是一组粗细不同，按照一定的规则安排间距的平行线条图形。卡识别技术：①磁条（卡）技术②IC卡识别技术射频识别技术：它是利用无线射频技术对物体对象进行非接触式和即时自动识别的无线通信信息系统。几种常用的条码一种常见的磁卡RFID系统几种IC卡示例本章内容RFID基础RFID的基本原理RFID的关键技术RFID技术的应用RFID的工作原理射频识别系统的工作原理是利用射频标签与射频读写器之间的射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止的、移动的待识别物品的自动识别。电感耦合低频和高频RFID的工作波长较长，采用电感耦合识别方式，电子标签处于读写器天线的近区，电子标签与读写器之间通过感应而不是通过辐射获得信号和能量电磁耦合微波波段RFID的工作波长较短，电子标签基本都处于读写器天线的远区，电子标签与读写器之间通过辐射获得信号和能量RFID电感耦合方式读写器线圈和电子标签线圈的电感耦合读写器和电子标签的天线是线圈，读写器的线圈在它周围产生磁场，当电子标签通过时，电子标签线圈上会产生感应电压，整流后可为电子标签上的微型芯片供电，使电子标签开始工作。电感耦合方式的RFID系统，一般采用低频和高频频率，典型的频率为125 kHz、135 kHz、6.78 MHz、13.56 MHz和27.125 MHz。RFID电磁反向散射方式读写器天线和电子标签天线的电磁辐射电磁反向散射的RFID系统，采用雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标的信息。该方式一般适合于微波频段，典型的工作频率有433 MHz、800/900 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz，属于远距离RFID系统。RFID的系统组成最基本的RFID系统由标签、读写器、天线三部分组成。①标签：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；每个标签都有一个全球唯一的ID号——UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改。②读写器：读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。③天线：在标签和读写器间传递射频信号。RFID标签(Tags)按是否带有电池供电，分为主动标签（Activetags）和被动标签（Passivetags）两种主动标签：自身带有电池供电，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池不能长久使用，能量耗尽后需更换电池。被动标签：接收到读写器（读出装置）发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。相比有源标签，无源标签在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。RFID标签(Tags)按存储的信息是否被改写，分为只读式标签（ReadOnly）和可读写标签（ReadandWrite）只读式标签：标签内信息在集成电路生产时即将信息写入，以后不能修改，只能被专门设备读取。被动标签：标签将保存的信息写入其内部的存储区，需要改写时也可以采用专门的编程或写入设备擦写。RFID阅读器(Reader)被动RFID标签无须电池，由RFID读写器产生的磁场获得工作所需的能量，但是读取距离较近。过去，RFID主动标签体积大、功耗大、寿命短，而采用最新技术制造的主动RFID标签不仅读取距离远，而且具有被动标签寿命长、性能可靠的优点。一种RFID读写器RFID天线及工作频率在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。RFID天线负责在标签和读写器之间传递射频信号RFID天线RFID天线及工作频率低频系统一般指其工作频率小于30 MHz，典型的工作频率有125 kHz、225 kHz、13.56 MHz等电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短、电子标签外形多样（卡状、环状、钮扣状、笔状）、阅读天线方向性不强等。高频系统一般指其工作频率大于400 MHz，典型的工作频段有915 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz等。电子标签及读写器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远（可达几米至十几米），适应物体高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。表6.3RFID系统的工作频率和特点RFID的技术特点读取方便快捷数据的读取无须光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30 m以上。识别速度快标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别。数据容量大数据容量最大的二维条形码（PDF417），最多也只能储存2 725个数字；若包含字母，存储量则会更少；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数十K。RFID的技术特点使用寿命长，应用范围广无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码。标签数据可动态更改利用编程器可以向标签写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更少。RFID的技术特点更好的安全性不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性。动态实时通信标签以50～100次/秒的频率与解读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态追踪和监控。RFID的技术标准RFID的标准化涉及标识编码规范、操作协议及应用系统接口规范等多个部分。RFID空中接口不同标准的无线频率范围和推出时间1．ISO/IEC标准化状况ISO定义的RFID标准逻辑框架2．EPCglobal标准体系EPC定义的RFID标准总体结构3．UbiquitousID体系UID的核心是赋予现实世界中任何物理对象唯一的泛在识别号（Ucode）。它具备了128位（128bit）的充裕容量，提供了340×1036编码空间，更可以用128位为单元进一步扩展至256、384或512位。Ucode的最大优势是能包容现有编码体系的元编码设计，可以兼容多种编码，包括JAN、UPC、ISBN、IPv6地址，甚至电话号码。Ucode标签具有多种形式，包括条码、射频标签、智能卡、有源芯片等。泛在识别中心把标签进行分类，并设立多个不同的认证标准。4．RFID中国标准化情况在技术标准方面，依据ISO/IEC15693系列标准已经完成国家标准的起草工作，参照ISO/IEC18000系列标准制订国家标准的工作正在进行中。此外，中国RFID标准体系框架的研究工作也已基本完成根据信产部《800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用规定（试行）》的规定，中国800/900MHzRFID技术的试用频率为840～845MHz和920～925MHz，发射功率为2W。本章内容RFID基础RFID的基本原理RFID的关键技术RFID技术的应用RFID的天线对不同RFID系统的天线选择和设计，直接影响读写距离、功率等系统性能指标。天线性能受天线结构、所标识物体的形状及物理特性、天线周围物体和环境等因素的影响。目前RFID天线的研究重点放在阻抗匹配、降低损耗、减小体积、增加增益和辐射效率等方面，以及天线在不同使用环境下的有效作用距离、读写速率、误读率和相关软件的研究。未来的RFID天线将朝着成本低、速率高、印刷集成化、环境适应性强、误读率小和保密性好的方面发展。RFID的天线——防金属技术若电子标签使用于金属表面，为使标签正常工作，通常采用的办法是将标签安装在距金属表面一定高度（如1 cm以上）的位置上，而这样会带来标签成本增加和使用受限的问题。可采取增加电子标签基板金属涂层的面积，在标签基板中引入电磁带隙（EBG）结构等方法，以降低金属使用环境的影响RFID的天线——小型化技术由于电子标签尺寸的限制，射频天线的小型化成为决定电子标签性能的重要因素。长期以来，标签天线小型化一直是RFID技术应用领域的研究热点之一。研究者提出了分形天线、V形偶极子、弯折偶极子、环天线、PIFA天线等天线新技术。RFID的天线——低成本技术构造低成本电子标签的关键在于降低天线的成本。随着信息技术的进一步发展，标签天线的成本有望大幅降低。有研究者提出了在可降解的纸基材料上电镀标签天线的方案，分别设计了分形天线和小环天线，取得了良好的效果。纸基材料的应用不仅可以降低天线制造成本，而且纸基材料可回收，减少环境污染。RFID的天线——一体集成化对电子标签而言，采用与芯片相对独立的天线，其优点是天线品质因素Q值较高，易于制造，缺点则是体积较大，使用受限。若能将天线集成在标签芯片上，则会使整个标签体积更小、使用更方便。因此，将标签天线与标签芯片集成在一起，成为标签天线技术的主要趋势之一。业界也将此技术称为片上天线技术。防碰撞技术鉴于多个RFID标签工作在同一频率，当它们处于同一个阅读器的作用范围内时，在没有防碰撞机制的情况下，信息传输过程将产生碰撞，导致信息读取失败。同时多个阅读器之间工作范围重叠也将造成碰撞。为了防止这些碰撞的产生，RFID系统中需要设置一定的相关命令，解决碰撞问题，这些命令被称为“防碰撞命令或算法”（anti-collisionalgorithms）。RFID系统中防碰撞实现方法频分多路（FDMA）空分多路（SDMA）时分多路（TDMA）码分多路（CDMA）防碰撞技术——频分多路FDMA是把若干个使用