RFID技术简介及系统架构

RFID技术简介及系统架构无线射频识别技术(RadioFrequencyIdentification，RFID)是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID系统至少包含电子标签和读写器两部分。电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。RFID读写器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的读写器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及读写器天线。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签(Activetag)、无源电子标签(Passivetag)和半无源电子标签(Semi—passivetag)。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池，半无源电子标签(Semi—passivetag)部分依靠电池工作。电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。RFID分类按能量供应按工作频率有源无源半有源高频低频超高频RFID分类低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz～300kHz。典型工作频率有125KHz和133KHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的典型应用有：门禁考勤管理、动物识别、容器识别、工具识别等。高频段射频标签的工作频率一般为3MHz～30MHz。典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签，其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，高频标签一般也采用无源方式，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内，广泛应用于电子票证、电子身份证、小区物业管理、门禁管理系统等。超高频与微波频段的射频标签简称超高频射频标签，其典型工作频率有433.92MHz（有源）、862MHz～928MHz、2.45GHz（有源）、5.8GHz（有源）。工作时，862MHz～928MHz射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4m～6m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求。目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。低频高频超高频微波（有源）工作频率125-134KHz13.56MHz862-928MHz433MHz、2.4GHz、5.8GHz市场份额74%17%6%3%读取距离1米2米4米80米读取速率慢中等快很快潮湿环境无影响无影响有影响略有影响方向性无无有无国际标准11784/85,1422318000-3.1/1444318000-6B18000-4各种RFID技术对比根据各个频段RFID系统的基本特点，电子门票子系统使用高频RFID技术，展馆空间人员定位和物品管理使用有源的RFID技术。为了实现展览馆人员定位、资产管理、电子门票及语音导览四个功能的统一性，降低系统复杂度，提高系统稳定性，游客及工作人员使用有源2.4G标签及无源高频13.56MHz标签的双频复合卡。电子票务功能：使用双频卡中的高频功能，取消纸质门票的使用，借助自动检票机采集的游客出入时间，进行下一步数据分析预测人流高峰等情况，实现精细化管理。另外，对于展馆工作人员，双频卡的高频功能也是展馆某些区域的门禁卡。人员定位管理功能：对于展览馆内的游览及工作人员，使用双频卡中的2.4G有源部分的功能，同时借助展览馆内布设的无线路由器，可以实现人员的定位功能，借助电子地图可直观的显示展馆内人员分布情况，合理的导引游览线路。资产管理功能：对于展览馆内的贵重资产，通过安装附加传感器的2.4G有源标签，实现资产的防盗侦测，借助展览馆内布设的无线路由器可对其进行路径追踪，有效防止资产丢失。语音导览功能：在人员定位的基础上进行展位区域划分，并合理的制定语音导览策略，使每一个进入该展位的游客均可收听到该展位的详细介绍。以上几个功能模块的系统物理架构如下所示：以太网交换机数据库服务器应用服务器中间件服务器高频RFID门禁中央管理平台有源RFID网关有源RFID网关4U有源RFID网关有源RFID路由器有源RFID终端设备语音导览语音导览高频RFID检票机无线通信方式系统软件架构如下：人员定位系统资产管理系统应用程序接口电子门票系统事件分析数据处理命令处理数据处理状态处理驱动驱动驱动驱动驱动驱动数据库驱动数据库驱动事件处理有源RFID路由器有源RFID物品终端有源RFID人员终端有源RFID语音导览高频RFID门禁高频RFID检票机中间件系统优势系统选用的有源RFID定位及防盗子系统的显著的特点就是低速率、低功耗、低成本、自配置和灵活的网络拓扑结构。其硬件特点主要有一下几点：1.低速率根据不同的工作频段，其数据传输速率会有所不同，但都处于较低的速率。选型所在2.4GHz频段，有16个速率为250kbps的信道。从能量消耗和成本、效率来看，此数据速率能为这两种应用提供更好的支持，同时通过子网划分防止数据量过大造成网络阻塞。2.低功耗在工作模式下，由于选型有源RFID的传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收/发时间短；而在非工作模式时，终端节点又处于休眠模式。加之设备的搜索、休眠激活和信道接入时延都很短，使得终端节点非常省电。一般终端节点的电池工作时间可以长达6~24个月。选型有源RFID标签在协议中对电池的使用也做了优化。对于典型的应用，碱性电池有可能达到数年；对于某些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。3.低成本由于有源RFID相对于蓝牙、Wi-Fi要简单得多(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，因此可以采用8位单片机和规模很小的存储器，大大降低了器件成本。4.短时延选型有源RFID通信时延以及从休眠状态激活的时延都非常短。典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms，因此系统实时性很高。5.免许可无线通信频段选型有源RFID采用的物理、MAC层协议是IEEE802.15.4，而它正是工作在2.4GHz的工业科学医疗(ISM)频段，对全球2.4GHz频段均免许可使用。6.可靠性选型有源RFID无线网络通过网络协调器组成网状网络，此网络为自愈网络，传输可靠性高。另外，系统辅助以信号强度定位方式，在保证定位进度的情况下，避免了以信号到达时间进行定位系统中受环境因素干扰的不利特性。7.大容量网络每个子网整个网络最多可以支持超过64000个终端节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个网络节点的数目将非常可观，十分符合大面积传感器网络的布建要求。8.三级安全模式提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据完整性校验，支持鉴权和认证，并在数据传输中提供了三级安全处理。第一级是无安全方式；对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，设备就可以选择这种方式来转移数据。第二级安全处理：设备可以使用接入控制列表(ACL)来防止非法设备获取数据，在这一级不采取加密措施。第三极安全处理：在数据传输中采用属于高级加密标准(AES-128)的对称密码，AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法设备。不同的应用可以灵活确定其安全属性。9.维护简便除需定期根据设备提示更换电池以外，系统及产品稳定性极高，不需大量人工维护。例如，一个700个路由器的有源RFID系统，建设完成3年期间，路由器故障不足20台，故障率极低。对于整个系统的逻辑架构，RFID中间件扮演RFID标签和应用程序之间的中介角色，从应用程序端使用中间件所提供一组通用的应用程序接口(API)，即能连到RFID读写器，读取RFID标签数据。这样一来，即使存储RFID标签情报的数据库软件或后端应用程序增加或改由其它软件取代，或者读写RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。RFID中间件是一种面向消息的中间件(Message-OrientedMiddleware，MOM)，信息(Information)是以消息(Message)的形式，从一个程序传送到另一个或多个程序。信息可以以异步(Asynchronous)的方式传送，所以传送者不必等待回应。面向消息的中间件包含的功能不仅是传递(Passing)信息，还必须包括解译数据、安全性、数据广播、错误恢复、定位网络资源、找出符合成本的路径、消息与要求的优先次序以及延伸的除错工具等服务。由于引入了RFID中间件，使得系统有了以下几点突出优势：1.独立于架构RFID中间件独立并介于RFID读写器与后端应用程序之间，并且能够与多个RFID读写器以及多个后端应用程序连接，以减轻架构与维护的复杂性。2.数据流RFID的主要目的在于将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是RFID最重要的功能。RFID中间件具有数据的搜集、过滤、整合与传递等特性，以便将正确的对象信息传到企业后端的应用系统。3.处理流RFID中间件采用程序逻辑及存储再转送的功能来提供顺序的消息流，具有数据流设计与管理的能力。设备选型有源RFID设备参数如下：参数室内路由器无线网关人员定位卡防盗终端频率2.4GHz2.4GHz2.4GHz2.4GHz调制方式QPSKQPSKQPSKQPSK通信速率250kbps250kbps250kbps250kbps传输距离150300100150频道数16161616功耗12mA1.8W26mA/77uA12mA加密AESAESAESAES尺寸（mm）86x86x4386x54x7工作温度-20℃~70℃-20℃~70℃-20℃~70℃-20℃~70℃湿度10%-90%10%-90%10%-90%10%-90%其它测距范围12-50cm精度1cm高频RFID标签及阅读器参数如下：参数标签阅读器频率13.56MHz13.56MHz材质PVCABS工作温度-40℃~70℃-35℃~80℃存储温度-40℃~70℃-20℃~70℃读取距离5-10mm电源无12V防护等级ISO14443A/BISO14443A/B读取次数10万次以上10万次以上湿度10%-90%5%-80%尺寸（mm）86x86x43125x100x30其它标准USB2.0