第2章-RFID系统的基本构成-ppt

射频识别技术第二讲RFID系统的基本构成本章内容2.1RFID系统概述2.2阅读器2.3射频标签2.4软件系统组成22.5小结2.1RFID系统概述3•RFID系统：包括两个基本器件——阅读器和标签。•基本工作原理：阅读器以广播方式连续向周围发送携带能量的基准信号，感应到能量的标签通过调制电路信号以反射的方式向阅读器返回自身携带携带的数据，阅读器对接收到的数据进行解码，并传给主机进行处理。2.1.1RFID系统的基本构成42.1.2RFID系统的工作流程•阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号；•当电子标签进入阅读器天线工作区域时，电子标签天线产生感应电流，电子标签获得能量被激活；•电子标签将自身编码等信息通过内置天线发送出去；•阅读器天线接收到从电子标签发送来的载波信号，并将其传送到阅读器；•阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台应用系统进行相关处理；•应用系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作。52.1.3RFID系统的分类方法6按频率•低频•高频•超高频/微波按供电方式/能量来源•无源•有源•半有源/半无源按耦合方式•电感耦合•电磁反向散射耦合按照读写能力•只读型•一次写入只读型•有线可改写型•无线可改写型按标签获取数据的技术方式•主动广播式•被动倍频式•被动反射调制式按工作方式•全双工•半双工•时序工作按照标签封装形式分类•卡片型•标签型•植入型•佩件型按照阅读器外观结构•固定式阅读器•便携式阅读器•工业读写器2.2阅读器阅读器作为RFID系统重要的硬件组成部分本节将从以下六个方面对阅读器进行介绍阅读器功能阅读器分类阅读器操作规范阅读器组成信号处理与控制射频模块7阅读器组成•阅读器（Reader）利用射频技术读写电子标签信息的设备，在RFID系统中扮演着重要的角色，通常由天线、射频接口和逻辑控制单元三部分组成。2.2.0阅读器概述8阅读器为射频标签工作提供能量供能通信阅读器和射频标签之间的通信阅读器和应用层（中间件）之间的通信安全保证阅读器的通信安全性保证功能，如使用加密、解密技术自组网能力多天线管理中间件接口…2.2.1阅读器功能阅读器作为连接应用层（中间件）和射频标签的桥梁，占据着十分重要的位置。一般来说，阅读器在RFID系统中可能提供的功能可以总结如下。连接外设92.2.2阅读器分类RFID系统的工作原理与其所使用的射频信号频率有关。工作频率越高，识别距离越远，数据传输速率越高，信号衰减越厉害，对障碍物越敏感。按工作频率低频和高频阅读器，工作距离一般小于1m，典型工作频率125kHz、135kHz、6.78MHz、13.56MHz和27.125MHz超高频和特高频阅读器，工作距离一般大于1m，典型工作频率有433MHz、860MHz~960MHz、2.45GHz和5.8GHz102.2.2阅读器分类按结构外观在实际应用中，由于需要综合考虑阅读器成本、便携性等方面因素，因此阅读器在外观结构上有很大不同，可分为以下三类：固定式便携式工业读写器有线供电集成度高搭建快速体积较小电池供电移动方便行业相关可集成其他传感器112.2.3阅读器操作规范为保证阅读器的性能满足应用需求，在阅读器的使用过程中通常要遵循相应的操作规范。•在阅读器的诸多性能指标上，阅读器的读写距离是影响应用范围的关键因素。读写距离包括读取距离和写入距离，写入距离一般是读取距离50%-70%。•影响读写距离的主要因素包括：•阅读器天线和射频标签天线的耦合方式•阅读器射频信号的输出功率•射频载波信号的频率•天线方向•操作环境条件•标签移动速度等122.2.3阅读器操作规范•天线极化方向是天线向外辐射以及从外界接收信号能力最强的方向，标签的天线线圈平面和阅读器天线线圈平面平行，识别距离最大。•增大阅读器对标签读写操作成功的概率措施：1、改变阅读器方向来匹配标签天线的方向2、使用多个冗余天线3、增大阅读器天线的功率4、增大阅读器天线单位时间的采样次数5、采用环形极化天线或全向天线•障碍物对系统工作性能的影响•超高频的RFID，射频信号穿透非导体材料的能力非常强，但穿透水、金属等物质材料的能力却非常弱。132.2.3阅读器操作规范在多种因素影响的环境下，很难用统一的标准去衡量各个因素的影响，针对不同的应用特点，选择正确合适的阅读器或有效地配置阅读器的参数保证系统的工作性能非常重要，在阅读器的操作规范中，下面几点是选择使用阅读器时需要重点考虑的方面：•工作频率：指阅读器的工作频段，工作频率越高，射频标签向阅读器传输数据的速率越高，工作距离越远；•防碰撞性能：指多个射频标签读取和写入操作场景下，系统的有效数据传输率。同时对多个标签读取，需要阅读器或射频标签能够对碰撞采取相应的措施来解决竞争问题•射频识别协议灵活性：指阅读器和射频标签之间的通信协议是通用协议还是专属协议。如EPCglobalC1G2•国家（地区）无线电管理规范：不同国家对于无线电频谱有不同要求，对无线电的最大发射功率也有相应的要求•网络通信协议：阅读器和计算机网络系统之间的通信接口（未完转下页）142.2.3阅读器操作规范（接上页）•多天线的支持能力：指单个阅读器是否可以支持多个天线同时工作。扩大识别范围，节约阅读器成本•中间件接口：性能稳定、易于使用的中间件接口可以帮助开发人员进行快速的开发•连接外部传感器节点和控制电路：将RFID技术与传感器网络技术结合，可以增强系统的感知能力，创造更加丰富的应用。152.2.4阅读器组成又称基带控制模块包含：微处理器以执行计算任务数字信号处理芯片以完成数字信号的编码、解码又称高频接口模块包含分隔的信道：发射器信号通道接收器信号通道天线是发射和接收射频载波信号的设备，是一种将电流信号转换成电磁波发送出去，或者将接收到的电磁波转换为电流信号的装置162.2.5信号处理与控制模块•与上位机进行通信，并执行从上位机发来的命令•控制与射频标签的通信过程•信号的编码和解码•执行防碰撞算法•对阅读器和射频标签之间传送的数据进行加密和解密•进行阅读器和标签之间的身份验证172.2.6射频模块电感耦合型射频模块低频、高频RFID系统通过阅读器和射频标签之间的电感耦合工作。该工作方式的射频标签一般是无源的，通过电感耦合给标签提供能量。阅读器向射频标签发送数据时，可以采用多种数字调制技术对数据进行调制。射频标签向阅读器发送数据时，通常采用负载调制技术，将射频标签天线线圈中的电压变化传到阅读器天线。182.2.6射频模块电磁反向散射耦合型射频模块远距离超高频RFID系统利用阅读器与射频标签之间的电磁反向散射耦合原理工作的，类似于雷达的工作原理。该系统中，为了给射频标签提供工作能量，阅读器必须不断地发送射频信号。阅读器发送信号和标签返回信号频率相同、强度不同。为了区分，超高频的射频模块可分为：源模块、发送模块和接收模块。192.2.6射频模块电磁反向散射耦合型射频模块源模块的作用是为发送通道和接收通道提供本地振荡器（LocalOscillator）。放大之后的载波信号经过功分器分成两路，一路送往发送模块，一路送往接收模块。202.2.6射频模块电磁反向散射耦合型射频模块发送模块由混频器、线性放大器、前置放大器、功率放大器和阻抗变换网络组成。线性放大器信号放大混频器载波、基带信号混合调制功率放大器阻抗变换网阻抗匹配低通滤波器和谐波抑制器环形器212.2.6射频模块电磁反向散射耦合型射频模块接收模块由线性放大器、两个功分器和两个混频器组成。射频标签返回微弱信号天线环形器（三端口微波器件）带通滤波器功分器混频器I路基带信号输出混频器Q路基带信号输出222.2.6射频模块电磁反向散射耦合型射频模块射频模块主要功能产生高频发送能量，激活射频标签并为其提供能量（无源射频标签）对发送信号进行调制，用于将数据传输给射频标签。接收并解调来自射频标签的射频信号。232.3射频标签射频标签作为RFID系统重要的硬件组成部分本节将从以下八个方面对阅读器进行介绍标签分类标签操作规范标签组成标签天线标签芯片标签唤醒电路标签功能标签制造24•电子标签（ElectronicTag）也称之为智能标签（SmartTag），是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。电子标签2.3.0标签概述25•天线：用来接收阅读器发送来的信号，并把数据送回给阅读器。•电压调节器：把阅读器发送来的射频信号转为直流电源，并经大电容存储能量，再经稳压电路以提供稳定的电源。•调制器：将逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给阅读器。•解调器：把载波去除以取出正确的调制信号。•逻辑控制单元：用来译码阅读器发送来的信号，并依据其要求回送数据给阅读器。•存储单元：包括电可擦可编程只读存储器（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory,EEPROM）和只读存储器（Read-OnlyMemory,ROM），作为系统运行及存放识别数据的位置。262.3.1标签功能标签内存储和物品相关的信息，如标识符、生产日期、生产厂家等。存储数据能量获取标签可以从阅读器发射的电磁场中吸收能量，为标签自生供电。射频标签的最主要功能就是能够存储一定量的数据，并以反向散射的通信方式将存储的数据发送给阅读器。一般来说，可以将标签的功能归纳为以下几点：标签可以在距离阅读器一定距离的范围内被识别。非接触式读写防冲突机制在多标签或多阅读器场景下实现防冲突的响应机制。272.3.2标签分类按封装形式•方便携带同时不影响美观。•动植物管理•可以直接贴在物体上，用于工业生产、物流管理等领域•便于携带、天线保护好、防水防潮卡片型标签标签型标签配件型标签植入型标签282.3.2标签分类按能量来源半无源标签•电路板上集成电池，但作为辅助备用无源标签•依靠反射阅读器发射的载波信号来获取能量有源标签•主动标签，依靠自身电池。292.3.2标签分类按工作频率•30kHz~300kHz•一般为无源•电感耦合•穿透力强低频标签•300kHz~30MHz•一般为无源•电感耦合•传输快、存储大高频标签•0.3GHz~3GHz•无源或有源•电磁反向散射耦合•距离远、速率高、移动场景、多标签读写性能好超高频标签302.3.2标签分类按读写能力读写标签•可读可写•结构复杂•成本高•无需数据库关联只读标签•只能读取，内含唯一序列号•价格低•结构简单312.3.3标签操作规范与阅读器类似，在实际系统中，标签的操作规范也要考虑很多因素，下面几个是需要重点考虑的：读取范围所附着物体能量来源移动需求存储容量标签成本天线极化方向标签可靠性工作频率尺寸和形式322.3.4标签组成天线芯片决定了标签的尺寸接收阅读器发射的射频信号将芯片数据发送给阅读器对于无源标签，天线还用来供能对天线收到的信号进行解调、解码等，并对标签需要发送的信号进行编码和调制，以及执行防碰撞算法和存储数据等332.3.5标签天线天线是一种专门设计用来耦合、辐射电磁能量的导体结构。通常标签天线尺寸越小，天线辐射阻抗越小，标签工作距离越短，工作效率越低。天线性能包括方向特性、天线效率、天线增益等。根据工作原理不同，可以将标签天线分为三类：线圈型天线微带贴片型天线偶极子天线342.3.5标签天线•在低频RFID系统中，标签工作在阅读器天线的近场(近场指从天线开始到一个波长的距离范围)，标签天线由与标签芯片相连的线圈构成;•在超高频RFID系统中，标签工作在阅读器天线的远场(远场指距离天线若干个波长开始到无穷远)，标签天线尺寸和通信距离、读取能量、工作效率成反比;•天线方向特性指天线的极化方向，天线的极化是指在天线最大辐射方向上，电场矢量的方向随时间变化的规律。极化分为线极化、圆极化和椭圆极化;•天线效率指天线辐射出去的功率（有效转换电磁波部分的功率）和输入到天线的有功功率之比，恒小于1;•天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点所产生的信号的功率