RFID-开发技术及实践-第1章--射频识别技术-共82页

第1章射频识别技术1第1章射频识别技术1.1射频识别技术简介1.2RFID技术原理1.3RFID标准1.4RFID与物联网第1章射频识别技术21.1射频识别技术简介射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。在RFID系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据载体称为应答器，应答器中存放的识别信息由阅读器读写。目前，射频识别技术最广泛的应用是各类RFID标签和卡的读写及管理。本章将从射频识别技术的发展历史开始，详细讲解其技术原理、标准以及与物联网的关系等内容。第1章射频识别技术31.1.1射频识别技术的发展历史顾名思义，射频识别技术就是以射频为载体的一项识别技术。无线电的出现和发展是该技术能够实现的前提。限于技术等原因，早期的射频识别技术更多地应用在大型的、特定的行业和场合。第1章射频识别技术41. IFF系统射频识别技术最早的应用可追溯到第二次世界大战期间。当时为了避免误伤友机，开发出了飞机的敌我目标识别(IdentificationFriendorFoe，IFF)系统。IFF的原理是利用射频电波携带一段加密的编码，当友机收到后，立刻利用加密机制解码并发回“我是朋友”的信息，而敌机则无法回应。目前，这种飞机身份无线识别系统依然应用在民用航空领域，也仍被称为IFF。第1章射频识别技术52. AIS系统船舶自动识别(AutoIdentificationSystem，AIS)系统是射频识别技术在海事领域的大规模应用。该系统经IFF发展而来，由岸基(基站)设施和船载设施共同组成。船载设备配合全球定位系统(GPS)，可将船位、船速、改变航向率及航向等船舶动态资料结合船名、呼号、吃水及危险货物等船舶静态资料由甚高频(VHF)频道向附近水域及基站广播，使邻近船舶及基站能及时掌握附近海面所有船舶的动、静态资讯。如果发现周围海域船舶出现异常或有相撞危险，可以立刻互相通话协调，采取必要避让行动，这对船舶安全和管理有很大帮助。第1章射频识别技术63.发展趋势近年来，随着大规模集成电路、网络通信、信息安全等技术的发展，射频识别技术逐渐小型化、集成化，不再局限于特定行业的应用，而进入商业化应用阶段。如目前被广泛使用的公交卡、门禁卡和二代身份证等就是射频识别技术在日常生活中的应用。卡和标签类的应用逐渐被民众所熟悉和接受，以至于成为RFID的代名词。在物联网兴起的背景下，射频识别技术由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一。第1章射频识别技术71.1.2射频识别技术的特征射频识别技术作为一种特殊的识别技术，区别于传统的条形码、插入式IC卡和生物(如指纹)识别技术，具有下述特征：是通过电磁耦合方式实现的非接触自动识别技术。需要利用无线电频率资源，并且须遵守无线电频率使用的众多规范。存放的识别信息是数字化的，可通过编码技术方便地实现多种应用。可以方便地进行组合建网，以完成多规模的系统应用。涉及计算机、无线数字通信、集成电路及电磁场等众多学科。第1章射频识别技术81.2RFID技术原理RFID技术涉及无线电的多个频段，性能特点不尽相同，所以具体的阅读器和应答器等形式也不相同。而实用的RFID系统更加复杂，涉及很多技术细节。其中，编码与调制、数据校验与防碰撞是几个关键技术。第1章射频识别技术91.2.1RFID系统组成RFID系统由阅读器、应答器和高层等部分组成，其结构如图1-1所示。最简单的应用系统只有一个阅读器，它一次对一个应答器进行操作，如公交车上的刷卡系统；较复杂的应用需要一个阅读器可同时对多个应答器进行操作，要具有防碰撞(也称防冲突)的能力；更复杂的应用系统要解决阅读器的高层处理问题，包括多阅读器的网络连接等。第1章射频识别技术10图1-1RFID系统组成第1章射频识别技术111.高层对于由多阅读器构成的网络架构信息系统来说，高层是必不可少的。例如，采用RFID门票的世博会票务系统，需要在高层将多个阅读器获取的数据有效地整合起来，提供查询、历史档案等相关管理和服务。更进一步，通过对数据的加工、分析和挖掘，为正确决策提供依据，这就是常说的信息管理系统和决策系统。第1章射频识别技术122.阅读器阅读器在具体应用中常称为读写器(这两种称呼本书将不加区别)，是对应答器提供能量、进行读写操作的设备。虽然因频率范围、通信协议和数据传输方法的不同，各种阅读器在一些方面会有很大的差异，但通常具有一些相同的功能：以射频方式向应答器传输能量。读写应答器的相关数据。完成对读取数据的信息处理，并实现应用操作。若有需要，应能与高层处理交互信息。第1章射频识别技术13通常，阅读器按照频率分为低频RFID阅读器、高频RFID阅读器和超高频RFID阅读器。本书配套的低频RFID阅读器如图1-2所示。本书配套的高频RFID阅读器如图1-3所示。本书配套的超高频RFID阅读器如图1-4所示。第1章射频识别技术14图1-2低频RFID阅读器第1章射频识别技术15图1-3高频RFID阅读器第1章射频识别技术16图1-4超高频RFID阅读器第1章射频识别技术173.应答器从技术角度来说，RFID的核心在应答器，阅读器是根据应答器的性能而设计的。但是由于封装工艺等问题，应答器的设计和生产通常由专业的设计厂商和封装厂商来完成，普通用户没有能力也无法接触到这一领域。目前，应答器趋向微型化和高集成度，关键技术在于材料、封装和生产工艺，重点突出应用而非设计。应答器按照电源形式可以分为如下两种类型：有源应答器：使用电池或其他电源供电，不需要阅读器提供能量，通常靠阅读器唤醒，然后切换至自身提供能量。无源应答器：没有电池供电，完全靠阅读器提供能量。第1章射频识别技术18应答器按照工作频率范围可分为如下三种类型：低频应答器：低于135kHz。高频应答器：13.56MHz ± 7kHz。超高频应答器：工作频率为433MHz、866～960MHz、2.45GHz和5.8GHz(虽然属于SHF，但由于性能的相似性，通常将其归为超高频应答器范围)。应答器在某些应用场合也叫做射频卡、标签等，但从本质而言可统称为应答器。第1章射频识别技术191)射频卡(RFCard)通常，射频卡的外形尺寸与银行卡相同，尺寸符合ID-1型卡的规范，工作频率为13.56MHz或低于135kHz，采用电感耦合方式实现能量和信息的传输。通常可应用于各种小额消费、身份认证和考勤登记等，卡片上也可以印刷各种不同的图案、文字或者商标、广告等。目前有些超高频标签也封装成射频卡的外形。各种射频卡的外观如图1-5所示。第1章射频识别技术20图1-5射频卡外观第1章射频识别技术212)标签(Tag)应答器除了卡状外形还有其他很多形状，可用于动物识别、货物识别、集装箱识别等，在这些应用领域通常将应答器制作成标签，其中微型RFID标签如图1-6所示。防水钱币型标签常用于恶劣环境下，可防水防尘，强度较高，其外观如图1-7所示。有的标签很薄，并且贴有不干胶，适用于物流行业的货物跟踪，其外观如图1-8所示。第1章射频识别技术22图1-6微型RFID标签第1章射频识别技术23图1-7防水钱币型RFID标签第1章射频识别技术24图1-8不干胶RFID标签第1章射频识别技术251.2.2射频识别基本原理在RFID系统中，射频识别部分主要由阅读器和应答器两部分组成。阅读器与应答器之间的通信采用无线射频方式进行耦合。在实践中，由于对距离、速率及应用的要求不同，需要的射频性能也不尽相同，所以射频识别涉及的无线电频率范围也很广。1.基本交互原理射频识别过程在阅读器和应答器之间以无线射频的方式进行，其基本原理如图1-9所示。第1章射频识别技术26图1-9RFID基本原理第1章射频识别技术27阅读器和应答器之间的交互主要靠能量、时序和数据三个方面来完成。阅读器产生的射频载波为应答器提供工作所需要的能量。阅读器与应答器之间的信息交互通常采用询问—应答的方式进行，所以必须有严格的时序关系，该时序也由阅读器提供。阅读器与应答器之间可以实现双向数据交换，阅读器给应答器的命令和数据通常采用载波间隙、脉冲位置调制、编码解调等方法实现传送；应答器存储的数据信息采用对载波的负载调制方式向阅读器传送。第1章射频识别技术282.工作频率在无线电技术中，不同的频段有不同的特点和技术。实践中，不同频段的RFID实现技术差异很大。从此角度而言，RFID技术的空中接口几乎覆盖了无线电技术的全频段。射频识别系统具体涉及频段如下：低频(LF，频率范围为30kHz～300kHz)：工作频段低于135kHz，常用125kHz。高频(HF，频率范围为3MHz～30MHz)：工作频率为13.56MHz ± 7kHz。特高频(UHF，频率范围为300MHz～3GHz)：工作频率为433MHz、866MHz～960MHz和2.45GHz。第1章射频识别技术29超高频(SHF，频率范围为3GHz～30GHz)：工作频率为5.8GHz和24GHz，但目前24GHz基本没有采用。其中，后三个频段为工业科研医疗(IndustrialScientificMedical，ISM)频段，是为工业、科研和医疗应用而保留的频率范围，不同国家可能会有不同的规定。第1章射频识别技术303.耦合方式根据射频耦合方式的不同，RFID可以分为电感耦合(磁耦合)和反向散射耦合(电磁场耦合)两大类。1)电感耦合电感耦合也叫做磁耦合，是阅读器和应答器之间通过磁场(类似变压器)的耦合方式进行射频耦合，能量(电源)由阅读器通过载波提供。由于阅读器产生的磁场强度会受到电磁兼容性能的有关限制，因此一般工作距离都比较近。高频RFID和低频RFID主要采用电感耦合的方式，即频率为13.56MHz和小于135kHz，工作距离一般在1m以内，其电路结构如图1-10所示。第1章射频识别技术31图1-10电感耦合的电路结构第1章射频识别技术32电感耦合的RFID系统中，阅读器与应答器之间耦合的工作原理如下：阅读器通过谐振在阅读器天线上产生一个磁场，在一定距离内，部分磁力线会穿过应答器天线，产生一个磁场耦合。由于在电感耦合的RFID系统中所用的电磁波长(低频135kHz，波长为2400m；高频13.56MHz，波长为22.1m)比两个天线之间的距离大很多，所以两线圈间的电磁场可以当作简单的交变磁场。穿过应答器天线的磁场通过感应会在应答器天线上产生一个电压，经过VD的整流和对C2充电、稳压后，电量保存在C2中，同时C2上产生应答器工作所需要的电压。第1章射频识别技术33阅读器天线和应答器天线也可以看做是一个变压器的初、次级线圈，只不过它们之间的耦合很弱。因为电感耦合系统的效率不高，所以这种方式主要适用于小电流电路。应答器的功耗大小对工作距离有很大影响。在电感耦合方式下，应答器向阅读器的数据传输采用负载调制的方法，其原理如图1-11所示。第1章射频识别技术34图1-11负载调制第1章射频识别技术35图1-11所示为电阻负载调制，本质是一种振幅调制(也称为调幅AM)，以调节接入电阻R的大小来改变调制度的大小。实践中，常通过接通或断开接入电阻R来实现二进制的振幅调制。其工作步骤如下：(1)如果在应答器中以二进制数据编码信号控制开关S，则应答器线圈上的负载电阻R按二进制数据编码信号的高低电平变化来接通和断开。(2)负载的变化通过应答器天线到阅读器天线，进而产生相同规律变化的信号，即变压器次级线圈中的电流变化会影响到初级线圈中的电流变化。第1章射频识别技术36(3)在该变化反馈到阅读器天线(相当于变压器初级)后，通过解调、滤波放大电路恢复为应答器端控制开关的二进制数据编码信号。(4)经过解码后就可以获得存储在应答器中的数据信息，进而可以进行下一步处理。这样，二进制数据信息就从应答器传到了阅读器。第1章射频识别技术372)反向散射耦合反向散射耦合也称电磁场耦合，其理论和应用基础来自雷达技术。