第四章-RFID系统工作原理

射频识别技术RFIDTechnology第四章RFID系统的工作原理24.1RFID系统组成典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、中间件和应用系统软件组成。图4-1RFID系统结构数据编码解码阅读器中间件及应用软件电子标签响应单元存储器查询写入读取物理接口（调制解调器）命令写数据读数据能量应用程序接口（API）数据协议处理器标签驱动（射频单元）空中接口（AirInterface）应用系统4.1.1硬件组件1.阅读器阅读器（Reader）又称读写器。阅读器主要负责与电子标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距离。阅读器根据使用的结构和技术的不同可以是读或读/写装置，它是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分组成。发射器接收器时钟发生器电压调节器射频接口微控制器应用接口驱动存储单元逻辑控制单元天线供电主机系统图4-2RFID阅读器（1）射频接口射频接口模块主要任务和功能：①产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。②对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。③接收并调制来自电子标签的射频信号。注意，在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别来往于电子标签和阅读器两个方向的数据传输。（2）逻辑控制单元逻辑控制单元也称读写模块，主要任务和功能：①与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送来的指令。②控制阅读器与电子标签的通信过程。③信号的编码与解码。④对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。⑤执行防碰撞算法。⑥对阅读器和标签的身份进行验证。天线天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系统中，阅读器必须通过天线来发射能量，来形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别。因此，阅读器天线所形成的电磁场范围即为阅读器的可读区域。2电子标签电子标签(ElectronicTag)也称为智能标签(SmartTag)，是由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。电子标签是RFID系统中真正的数据载体。系统工作时，阅读器发出查询（能量）信号，标签（无源）在收到查询（能量）信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器。电子标签内部各模块的功能：（1）天线：用来接收由阅读器送来的信号，并把要求的数据传送回给阅读器。（2）电压调节器：把由阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容存储能量，再通过稳压电路以提供稳定的电源。（3）调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线返给阅读器。（4）解调器：去除载波，取出调制信号。（5）逻辑控制单元：译码阅读器送来的信号，并依据要求返回数据给阅读器。（6）存储单元：包括ERPROM和ROM，作为系统运行及存放识别数据。逻辑控制单元调制器解调器电压调节器射频接口天线ERPROMROM图4-3电子标签4.1.2软件组件1中间件中间件是一种独立的系统软件或服务程序。分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。中间件位于客户机、服务器的操作系统之上，管理计算机资源和网络通信。阅读器阅读器阅读器阅读器协调控制进程管理数据过滤与处理数据路由与集成数据库ERPCRMWMS应用RFID中间件标签图4-4中间件中间件的主要任务和功能：（1）阅读器协调控制终端用户可以通过RFID中间件接口直接配置、监控以及发送指令给阅读器。一些RFID中间件开发商还提供了支持阅读器即插即用的功能，使终端用户新添加不同类型的阅读器时不需要增加额外的程序代码。（2）数据过滤与处理当标签信息传输发生错误或有冗余数据产生时，RFID中间件可以通过一定的算法纠正错误并过滤掉冗余数据。RFID中间件可以避免不同的阅读器读取同一电子标签的碰撞，确保了阅读准确性。（3）数据路由与集成RFID中间件能够决定采集到的数据传递给哪一个应用。RFID中间件可以与企业现有的企业资源计划（ERP）、客户关系管理（CRM）、仓储管理系统（WMS）等软件集成在一起，为它们提供数据的路由和集成，同时中间件可以保存数据，分批的给各个应用提交数据。（4）进程管理RFID中间件根据客户定制的任务负责数据的监控与事件的触发。如在仓储管理中，设置中间件来监控货品库存的数量，当库存低于设置的标准时，RFID中间件会触发事件，通知相应的应用软件。4.2各种RFID系统原理基本工作原理：由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量、电子标签被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到阅读器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关的处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定作出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制阅读器完成相应的读写操作。从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分为两类：电感耦合（InductiveCoupling）系统和电磁反向散射耦合（BackscatterCoupling）系统。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。该方式一般适合于中、低频工作的近距离RFID系统，典型工作频率：125kHz，225kHz，和13.56MHz。识别作用距离一般小于1m，典型作用距离为0~20cm。电磁反向散射耦合基于雷达模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。该方式一般适用于高频、微波工作的远距离RFID系统，典型的工作频率：433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为4~6m。4.2.1电感耦合RFID系统电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子标签由一个电子数据作为载体，通常由单个微芯片及天线（大面积线圈）等组成。在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿越线圈横截面和周围空间，以使附近的电子标签产生电磁感应。1.能量供应阅读器天线线圈激发磁场，其中一小部分磁力线穿过电子标签天线线圈，通过感应，在电子标签的天线线圈上产生电压U，将其整流后作为微芯片的工作电源。电容器Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路，该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，电子标签线圈上的电压U达到最大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器（变压器的耦合）。CrBP解调HsffC1C2芯片图4-5电感耦合型RFID系统阅读器电子标签2数据传输对于电子标签和阅读器天线之间的作用距离不超过，并电子标签处于近场范围内，电子标签与阅读器的数据传输为负载调制（电感耦合、变压器耦合）。如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的交变磁场，那么电子标签就可以从磁场获得能量。采用从供应阅读器天线的电流在阅读器内阻上的压降就可以测得这个附加的功耗。电子标签天线上负载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现了用电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载电压的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器了。此外，由于阅读器天线和电子标签天线之间的耦合很弱，因此阅读器天线上表示有用信号的电压波动比阅读器的输出电压小。在实践中，对13.56MHz的系统，天线电压（谐振时）只能得到约10mV的有用信号。因为检测这些小电压变化很不方便，所以可以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果电子标签的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开，那么在阅读器发送频率将产生两条谱线，此时该信号就容易检测了，这种调制也称为副载波调制。16.04.2.2电磁反向散射RFID系统1反向散射调制电磁波从天线向周围空间发射，到达目标的电磁波能量的一部分（自由空间衰减）被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线，称其为回波。在雷达技术中，用这种反射波测量目标的距离和方位。在RFID系统中，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输，主要应用于915MHz、2.45GHz甚至更高频率的系统中。该RFID系统工作分为以下两个过程：（1）标签接收读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未调制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换为直流电压，该电压供给电子标签内部芯片能量；当载波携带数据或者命令时，标签通过接收电磁波作为自己的能量来源，并对接收信号进行处理，从而接收读写器的指令或数据。（2）标签向读写器返回信号时，读写器只向标签发送未调制载波，载波能量一部分被标签转化成直流电压，供给标签工作；另一部分能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向读写器传递信息。电子标签的等效电路图如下所示，Vs为天线接收信号，Za表示天线的阻抗，Z1表示芯片的输入阻抗。为了达到调制背向反射载波的目的，Z1有两种状态，分别为Z11和Z12。当标签需要发送的信息为二进制数“1”时，芯片的阻抗状态为Z11；当标签需要发送的信息为二进制数“0”时，芯片的阻抗状态为Z12。这样在两种状态下标签反射回读写器的信号为：S0(t)=s(t)S1S1(t)=s(t)S2式中，s(t)为标签接收到的信号。VsZaZ1图4-6电子标签的等效电路图当电子标签的阻抗采取不同的变化方式时，可以形成不同的后向散射调制方式，使得标签返回的能量和进入标签的能量具有不同的特性。以下为四种情况：（1）OOK调制方式(On-OffKeying,OOK)。在该方式下，阻抗状态为1时，完全反射；阻抗状态为2时完全匹配，而且这两种阻抗状态下标签的反射系数的相位相同。|S1|=1|S2|=0arg(S1)=arg(S2)(2)BPSK调制方式(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK)。在该方式下，这两种阻抗状态有相同程度的失配，但是这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相反。0|S1|=|S2|1arg(S1)=-arg(S2)(3)任意调制因子的ASK（AmplitudeShiftKeying,ASK）调制。在该方式下，这两种阻抗状态有着不同程度的失配，但是这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同。0|S1||S2|1arg(S1)=arg(S2)这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成任意调制因子的ASK调制方式。(4)PR-ASK（PhaseReverseAmplitudeShiftKeying,PR-ASK）方式。该方式下，这两种阻抗状态有不同程度的失配，而且这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同。0|S1||S2|1arg(S1)=-arg(S2)这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成相位相反的幅度键控调制方式。2反向散射调制的能量传输电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁波能量一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终返回发射天线。下面我们看该方式调制的能量传输。（1）阅读器到标签的能量传输在距离阅读器距离为R的电子标签处的功率密度为式中，PTX为读写器的发射功率，GTX为发射天线的增益，R是标签到读写器天线之间的距离，EIRP为天线的有效辐射功率，是指读写器发射功率和天线增益的乘积。在电子标签和发射天线都处于最佳姿态，并且极化方向相匹配时，电子标签可以吸收的最大功率与阅读器发射信号的功率密度S成正比：2244REIRPRGPSTXTXSAPeTag式中，Ae为电子标签的有效面积：GTag为电子标签的天线增益，因此，有：无源RF