RFID培训

一、RFID技术概述射频识别即RFID（RadioFrequencyIDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。1.1RFID的技术的发展历程•射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。•从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。1948年哈里斯托克曼发表的利用反射功率的通信奠定了射频识别射频识别技术的理论基础。•1940-1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。•1950-1960年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。•1960-1970年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。•1970-1980年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的射频识别应用。•1980-1990年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。•1990-2000年：射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。•2000年后：标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。•至今，射频识别技术理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。RFID技术及其产业正在展现出一个美好的未来。2006年6月9日和2009年11月3日，由中国多个部委联合发布的《中国射频识别技术政策白皮书》和《中国射频识别技术发展与应用报告》，不仅为中国RFID产业发展指明了方向，也全面带动了全国范围内RFID应用的发展。特别是2009年8月温家宝总理提出建立“感知中国”中心，推进物联网发展，实现流通现代化的目标后，RFID应用的全面推进更是指日可待。二、RFID系统组成及工作原理•作为物联网的核心技术之一，RFID技术的应用领域非常广泛。由于不同领域的应用需求不同，造成了目前多种标准和协议的RFID设备共存的局面，这就使得应用系统架构的复杂程度大为提高。但是就基本的RFID系统来说，其组成相对简单而清晰，主要包括RFID标签、读写器、天线、中间件和应用软件等五部分。2.1.1RFID标签•标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个RFID标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，俗称电子标签或智能标签。•RFID电子标签：主动式（有源）标签，被动式（无源）标签。•工作原理：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。•RFID标签中存储一个唯一编码，通常为64bit、96bit甚至更高，其地址空间大大高于条码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。•图2-1是一款RFID标签芯片的内部结构图，主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元四部分。图2-1RFID标签芯片的内部结构示意图RFID标签内部结构：2.1.2RFID读写器•RFID系统至少包含电子标签和读写器两部分。RFID读写器（阅读器）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。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线。•读写器主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中并转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的识别或读/写操作；另一方面，上层中间件及应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传。2.1.3RFID天线•天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的设备，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。•在确定的工作频率和带宽条件下，天线发射射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射频载波。目前，RFID系统主要集中在LF（135kHz）、HF（13.56MHz）、UHF（860～960MHz）和微波频段（2.45GHz），不同工作频段的RFID系统天线的原理和设计有着根本上的不同。RFID读写器天线的增益和阻抗特性会对RFID系统的作用距离等产生影响，RFID系统的工作频段反过来对天线尺寸以及辐射损耗有一定要求。所以RFID天线设计的好坏关系到整个RFID系统的成功与否。•以UHF频段（900MHz）的天线为例，一般具有如下特征：•①足够的小以至于能够贴到需要的物品上•②有全向或半球覆盖的方向性•③提供最大可能的信号给卷标的芯片•④无论物品什么方向，天线的极化都能与卡片阅读机的询问信号相匹配•⑤具有鲁棒性（即控制系统在一定的参数摄动下，维持某些性能的特性）•⑥非常便宜图2-2是不停车收费系统（ETC）应用示意图，在这个应用中很好的体现了天线的上述特征。图2-2不停车收费系统（ETC）应用示意图2.1.4RFID中间件中间件是一种面向消息的、可以接收应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。中间件在RFID应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准造成的可靠性和稳定性问题，还可以为上层应用软件提供多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。2.1.5RFID应用软件应用软件（ApplicationSoftware）是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。由于应用软件需要根据不同应用领域的不同企业进行专门制定，因此很难具有通用性。从应用评价标准来说，使用者在应用软件端的用户体验是判断一个RFID应用案例成功与否的决定性因素之一。2.1.6RFID系统工作原理RFID系统基本工作原理是：读写器通过天线发出含有信息的一定频率的调制信号；当电子标签进入到读写器的工作区时，其天线通过耦合产生感应电流，从而为电子标签提供相应的能量，此时标签根据读写器发来的信息决定是否响应，是否发送数据；当读写器接收到电子标签发送过来的信号，经过解调和解码之后，将标签内部的数据识别出来。图2-3RFID工作原理图例在RFID系统的五个组件中，通常来说，RFID标签、读写器和天线三部分的性能指标是设备选型和现场部署阶段所关注的主要对象，是解决RFID应用可靠性问题的主要挑战。而RFID中间件和应用软件的性能指标更多依赖于软件代码质量和网络架构的复杂度，一般在后期的系统集成阶段才会被关注。因此，在不同的阶段，使用者所关心的RFID对象也有所不同。2.1.7RFID的关键技术RFID关键技术主要包括产业化关键技术和应用关键技术两方面。RFID产业化关键技术主要包括：•①标签芯片设计与制造：例如低成本、低功耗的RFID芯片设计与制造技术，适合标签芯片实现的新型存储技术，防冲突算法及电路实现技术，芯片安全技术，以及标签芯片与传感器的集成技术等。•②天线设计与制造：例如标签天线匹配技术，针对不同应用对象的RFID标签天线结构优化技术，多标签天线优化分布技术，片上天线技术，读写器智能波束扫描天线阵技术，以及RFID标签天线设计仿真软件等。•③RFID标签封装技术与装备：例如基于低温热压的封装工艺，精密机构设计优化，多物理量检测与控制，高速高精运动控制，装备故障自诊断与修复，以及在线检测技术等。•④RFID标签集成：例如芯片与天线及所附着的特殊材料介质三者之间的匹配技术，标签加工过程中的一致性技术等。•⑤读写器设计：例如密集读写器技术，抗干扰技术，低成本小型化读写器集成技术，以及读写器安全认证技术等。RFID应用关键技术主要包括：•①RFID应用体系架构：例如RFID应用系统中各种软硬件和数据的接口技术及服务技术等。•②RFID系统集成与数据管理：例如RFID与无线通信、传感网络、信息安全、工业控制等的集成技术，RFID应用系统中间件技术，海量RFID信息资源的组织、存储、管理、交换、分发、数据处理和跨平台计算技术等。•③RFID公共服务体系：提供支持RFID社会性应用的基础服务体系的认证、注册、编码管理、多编码体系映射、编码解析、检索与跟踪等技术与服务。•④RFID检测技术与规范：例如面向不同行业应用的RFID标签及相关产品物理特性和性能一致性检测技术与规范，标签与读写器之间空中接口一致性检测技术与规范，以及系统解决方案综合性检测技术与规范等。2.2RFID的工作频率对一个RFID系统来说，它的频段概念是指读写器通过天线发送、接收并识读的标签信号频率范围，也就是所传输数据的载波频率范围。从应用角度来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频段，它直接决定系统应用的各方面特性，如系统工作原理(电感耦合还是电磁耦合)、识别距离、射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本等方面特性。在RFID系统中，系统工作就像我们平时收听调频广播一样，射频标签和读写器也要调制到相同的频率才能工作。RFID系统主要工作在以下四个频段：（1）低频段(30kHz～300kHz)•低频率的RFID系统主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器(电子标签)线圈间存在着变压器耦合作用，通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用．场区域能够很好的被定义，但是场强下降得太快。（2）高频(13.56MHz)•在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀活着印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。（3）甚高频(UHF,433MHz、860MHz～960MHz)•甚高频系统通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。主要是通过电容耦合的方式进行实现。（4）微波(工作频率为2.45Hz或5.8Hz之间)•这个频段的优势在于其受各种强电磁场（如电动机、焊接系统等）的干扰较小，识别距离介于高频和甚高频系统之间，而且标签可以设计得很小，但是成本较高。各频段特性的对比如表2-1所示：表2-1RFID频段特性对比表2.3RFID应用领域概述射频识别技术以其独特的优势，逐渐地被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断降低，其应用也将越来越广泛。射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。而在我国，由于射频识别技术起步较晚，应用的领域不是很广，除了在中国铁路应用的车号自动识别系统外，主要应用仅限于射频卡。RFID技术的典型应用主要在以下几方面：(1)物流与供应链管理(2)工业制造业(3)交通运输(