RFID阅读器.ppt

RFID阅读器在无线射频识别（RFID）系统中，标签存储着全球唯一的识别号，并附着在被识别物上。阅读器通过给附着有识别标签的物品发射无线射频信号来识别物品，像其他无线通信系统一样，RFID系统也存在着信号干扰问题。什么是阅读器？它的工作原理是什么？它的基本组成？阅读器与电子标签的通信过程中存在着什么样的问题？如何解决这些问题？•1、什么是阅读器？•阅读器（ReaderandWriter）又称读写器、询问器、通信设备、扫描器、编程器、读出装置、便携式读出器、AEI设备（AutomaticEquipmentIdentificationDevice）、识读器、读头等。以上起名起源于不同功能或者是应用场合的角度。阅读器是读取和写入电子标签内存信息的设备。阅读器又可以与计算机网络进行连接，计算机网络可以完成数据信息的存储、管理和控制。另阅读器又是一种数据采集设备，其基本作用就是作为数据交换的一环，将前端电子标签所包含的信息，传递给后端的计算机设备。1.1阅读器工作原理•工作原理•阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上，经天线发送给进入阅读器识别范围的电子标签，接收此脉冲信号，电子标签的有关电路对此信号进行解调、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。•若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关的信息，经加密、编码、调制后通过芯片内的天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送给中央信息系统进行有关数据的处理；•若为修改信息的写命令，有关的控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，对EEPROM中的内存信息进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。•2、阅读器的基本组成•一般来说，RFID阅读器从屋里上可以划分成硬件和软件两个部分，另外阅读器也可以从功能上划分为四个逻辑组件。•2.1.硬件部分•硬件的基本组成一般包括以下几个部分：控制模块、射频处理模块、天线以及外围接口电路等。与主机的通信接口MCU射频处理模块LED/LCD显示其他外围设备接口（1）控制模块控制模块或为控制器（MicroControllerUnit）主要功能是：与应用软件系统进行通信；执行从应用系统软件发来的动作命令；控制与标签的通信过程；基带信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和标签之间的传送的数据进行加密和解密；进行读写器和电子标签之间的身份验证；对键盘、显示设备等其他外部设备的控制。其中最重要的是对射频读写芯片的控制操作，这种控制操作体现在以下几个方面：1）对射频读写芯片的电源控制。通过对射频读写部分的独立电源控制，用户可以在MCU中根据自己的需要选择或关闭射频读写功能。2）MCU通过数据线、地址线、控制线等并行控制接口与射频读写芯片连接，控制读写芯片的正常工作，实现与电子标签的通信。3）另外，主控MCU通过串行通信接口与PC方进行通信，方便用户将开发的应用程序载入到MCU中。同时，将主控MCU的剩余I/O口及中断引脚引出，供用户扩展使用。（2）射频处理模块射频处理模块的主要功能是产生高频发射能量、激活电子标签并为其提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传输给电子标签；接收并解调来自电子标签的射频信号。射频处理模块负责射频信号的处理和数据的传输，完成对电子标签的读写。（3）天线天线是发射和接收射频载波信号的设备。在确定的工作频率和带宽条件下，天线发射由射频处理模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射频载波。天线的作用就是产生磁通量，为无源标签提供电源，在设备和标签之间传送信息。天线的有效电磁场范围就是系统的工作区域。（4）MCU与主机的通信接口以及键盘、LED/LCD显示等其他外部设备。3、阅读器的工作特点阅读器的基本功能就是触发作为数据载体的电子标签，与这个标签建立通信联系。电子标签与阅读器并非接触通信的一系列任务，均由阅读器来处理，同时阅读器在应用软件的控制下，实现阅读器在系统网络中的运用。阅读器的工作特点如下：1、电子标签与阅读器之间的通信阅读器以射频的方式向电子标签传输能量，对电子标签完成基本的操作。基本操作主要包括对电子标签的初始化，读取或写入电子标签的内存信息，使电子标签功能失效等。2、阅读器与计算机网络之间的通信阅读器将读取到的电子标签的信息传递给计算机网络，计算机网络对阅读器进行控制和信息交换，完成特定的应用任务。•3、阅读器的识别能力•阅读器不仅能识别静止的电子标签，而且能同时识别多个移动的电子标签。•（1）防碰撞的能力。•在识别范围内，阅读器可以完成多个电子标签信息的同时存取，具备读取多个电子标签信息的防碰撞能力•（2）对移动物体的识别能力。•阅读器能够子在一定的技术指标下，对移动的电子标签进行读取，并能够校验读写过程中的错误去信息。•4、阅读器与有源电子标签的管理•5、阅读器的适应性•6、应用软件的控制作用•4、阅读器存在的问题•所有的标签和阅读器都在一个有限的空间内进行通信，为了覆盖整个阅读的空间从而识别该范围内所有的标签，阅读器网络必然会在空间中产生多个阅读器读写范围的交叉。这些读写范围交叉的阅读器之间就可能发生碰撞；另外，对于被动式的标签，其工作使用的能量来自阅读器，其反射回阅读器的信号是反射信号，是一种弱信号，容易受其他阅读器强信号的干扰，这样也有可能发生碰撞。•4.1(1)多阅读器到标签间的干扰•当多个阅读器同时阅读同一个标签时引起了多阅读器到标签间的干扰,这里分两种情况。一种两个阅读器阅读范围重叠,如图4-1（a）中，从阅读器Ｒ1和Ｒ2发射的信号可能在射频标签Ｔ1处产生干扰。在这种情况下,标签Ｔ1不能解密任何查询信号并且阅读器Ｒ1和Ｒ2都不能阅读Ｔ1。图4-1（a）阅读器范围重叠另外一种两个阅读器阅读范围没有重叠,如图4-1（b）所示。虽然阅读范围没有重叠,但处于干扰范围之内,但在同一时间占用相同频率与标签Ｔ1通信,阅读器Ｒ2发射的信号对读写器Ｒ1发射的信号在标签Ｔ1处产生干扰,从而导致通信质量下降。••图3-1（b）阅读范围不重叠的多阅读器对标签的干扰•（2）阅读器之间的干扰•另一种是阅读器之间的干扰。对于被动式的标签，其工作使用的能量来自阅读器，其反射回阅读器的信号是反射信号，是一种弱信号，容易受其他阅读器强信号的干扰，这样也有可能发生碰撞。如下图3-1（c）标签1是弱信号接收阅读器R1的强信号，但R1在R2在干扰范围内，这就有可能让阅读器R1无法接收标签的信息。图3-1（c）读写器与读写器之间的干扰•4.2阅读器防碰撞算法•现有解决多阅读器信号碰撞问题的方法主要可以分为两类:协调计划算法和功率控制算法。•(1)基于调度的阅读器防碰撞算法是在全网的体系结构中，统一收集阅读器间的碰撞消息，将系统的可用资源合理分配给各个阅读器使用，防止多个阅读器同时发送信号给标签而产生信号干扰。常用算法有Colorwave、HiQ-learning、PULSE以及LBT等。但是，需要耗费系统大量资源来建立并实时维护全网结构，当系统出现微小变化时，需重新调整全网范围的资源分配，系统开销大。•(2)功率调整方式通过动态调整阅读器的信号功率范围，使得每个阅读器利用不同的发送功率在同一时隙内工作，从而减小阅读器之间的重叠区域，获得最大的阅读范围。其代表协议有LLCR及w-LCR。该算法较复杂，会导致效率和功耗的降低，而且需要在无线射频识别系统中引入新的中心控制设备，系统成本较高。尽管现有算法已在无线射频识别系统中应用广泛，但仍存在着高功耗、高成本等缺点。阅读器分类结构图阅读器协议调度功率ColorwaveHiQ-learningPULSELLCRw-LCRLBT•DCS协议•DCS算法的原理是：一个时隙代表一种颜色，系统随机的给阅读器分配各种颜色，阅读器的颜色与时隙的颜色相同时则其通信信道打开，开始读取标签。读取过程中发现与其他的阅读器冲突，那么系统随机分配给阅读器一个新的颜色（时隙)。同时向周围的阅读器发送一个Kick信息包，以便通知新的颜色(时隙)。如果相邻的阅读器已着此种颜色（时隙），那么系统再次分配某种新颜色，阅读器再次发送Kick信息包。此过程不断循环，直到结束。在DCS算法中，用来给阅读器着色的总的颜色的数目是确定不变的，系统随机的循环分配这些颜色给阅读器。•Colorwave算法是一种分布式的TDMA算法，是DCS算法的扩展算法。通过阅读器分配给不同的时隙来避免阅读器之间的碰撞。该算法需要所有阅读器之间的时间同步，同时还要求所有的阅读器都可以检测RFID系统中的碰撞。Colorwave协议具有动态的最大颜色数量值，并且具有动态的颜色分配机制来最小化阅读器图中颜色需要的数量。随着使用颜色数量的减少，信息传送的效率将会增加。当阅读器自己察觉到，或是被相邻的阅读器检测到数据传输成功的概率小于最大色彩的阈值时，它就会增加本地最大色彩值，同时给相邻的阅读器官博这个新的最大色彩值，使相邻阅读器也重新选择色彩来减少传输的碰撞。相反的，但数据传输成功的概率大于最大色彩阈值时，阅读器会减少本地最大色彩值以减少传输等待时间。•FDMA协议•基于FDMA的协议把所有的可用频率带划分成多个频率信道。阅读器可以使用不同的信道来同时与标签进行通信。如果一个频率信道一次只分配一个阅读器，多个阅读器将会无干扰的同时收发数据。•HiQ协议•Ho等人提出了同时基于TDMA和FDMA的HiQ协议。HiQ协议使用称为Q-learning的分布式、分等级的，并且是在线学习的方案来解决频率和时间的分配。通过重复的与系统进行交互，Q-learning试图在时间上寻求一种优化频率的分配方案。•HiQ分级的控制结构由阅读器、R-severe和Q-severe组成。阅读器在最低一级，在R-severe级的每个服务器管理着多个阅读器。当某个阅读器需要发送信息给他的识别区域内的标签时，它必须首先从它的主R-severe处请求资源，即频率信道和时隙。阅读器只有在主R-severe分配于同一个时隙内的具体频率信道之后，才能发送信息。在这样的分布式架构中，相邻阅读器可以在相同的时隙或者相同的频率信道内发送信息，从而会造成碰撞。阅读器需要检测与相邻接节点之间的碰撞。每个阅读器需要报道碰撞的数量碰撞的类型和成功读它的主R-severe的次数。随后，R-severe能够根据反馈的报告判断哪些从阅读器间有相互干扰，并重新动态的分配资源来避免碰撞。R-severe能够分配资源来自于分级结构中主Q-severe（Q-learningsevere）。由于较好的灵活性和可扩展性，Q-severe在分级架构中可以较好地完成自己工作。但是，在整个系统中，只有一个根Q-severe控制所有的频率信道和时隙的分配。资源请求资源分配…资源请求资源分配……资源请求资源分配HiQ协议的分级控制结构R-severeQ-severe根Q-severeQ-severeR-severe阅读器阅读器•EPCglobalGen2协议•Class1Generatio2UHF标准是EPCglobal提出的，使用FDMA技术减少阅读器的干扰。整个分配频带被分成若干信道，一个阅读器只能使用一个信道来进行通信。阅读器和标签分开使用载波频率。即阅读器将只会与阅读器发生碰撞。阅读器使用跳频扩频技术来避免干扰。在欧洲，频率分配时规定为200khz的带宽。建议阅读器使用偶数的信道，而标签使用奇数的信道。在美国，频率分配时规定为500khz的带宽，所有信道对阅读器都是有用的。而标签在这些信道的边界处散射。•CSMA协议•将通信网络的信道分成频率不同的控制信道和数据信道两个部分。其中，控制信道是给阅读器之间的通信使用的，用来控制阅读器的开启与关闭；数据信道则用于阅读器和标签之间的数据信号传递。控制信道要求任意两个可能有数据信道碰撞的阅读器之间能够通讯，以便确保两个阅读器之间避开碰撞，则控制信道的作用范围要比阅读器产生频率干扰时的数据通道的范围还要大。研究表明，为了控制信道的通信范围大于数据信道的频率干扰范围，可以增加控制信道的发射功率。载波侦听算法，实现比较简单，如今也