第1章(RFID技術(shù)概述)

RFID原理及應(yīng)用主講人：李媚TELQ：41786659信息學(xué)院計算機系2023/2/311.1RFID技術(shù)應(yīng)用預(yù)覽（1）安全防護領(lǐng)域；（2）生產(chǎn)銷售領(lǐng)域；（3）管理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計領(lǐng)域；（4）交通運輸領(lǐng)域；……第1章RFID技術(shù)概述2023/2/32（1）安全防護領(lǐng)域門禁保安，汽車防盜，電子物品監(jiān)控2023/2/33（2）生產(chǎn)銷售生產(chǎn)線自動化（寶馬汽車裝配），倉儲管理，產(chǎn)品防偽，RFID卡收費（智能停車場）2023/2/34（3）管理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計畜牧管理，運動計時2023/2/35（4）交通運輸高速自動收費，火車和集裝箱自動識別。2023/2/36（5）其它智能圖書館2023/2/371.2RFID技術(shù)的特點2023/2/38RFID自動識別的優(yōu)勢及特點主要表現(xiàn)如下：1.快速掃描

條形碼掃描RFID讀寫2023/2/392.體積小型化、形狀多樣化

2023/2/310

3.抗污染能力和耐久性4.可重復(fù)使用

5.穿透性和無屏障閱讀

6.數(shù)據(jù)的記憶容量大條形碼：50B，二維碼：越500漢字，RFID：數(shù)M

7.安全性2023/2/3112023/2/312RFID各頻段分類及典型頻率低（30-300KHz，125KHz），<1米，工具識別高（3M-30MHz，13.56MHz），<1米，門禁卡超高（850-910MHz，433MHz），4-10米，ETC微波（2.45GHz）13.56MHz13.56MHz2023/2/3131.3RFID系統(tǒng)的組成

典型的RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、RFID中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件4部分構(gòu)成2023/2/3141.3.1硬件組件1.閱讀器（讀寫器，Reader）※閱讀器通常由射頻接口、邏輯控制單元和天線3部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。負(fù)責(zé)與Tag雙向通信，接受來自主機的控制指令。2023/2/315邏輯控制單元：執(zhí)行指令，控制閱讀器和電子標(biāo)簽的通信，編碼與解碼，對數(shù)據(jù)加密與解密，執(zhí)行防碰撞算法，對閱讀器和標(biāo)簽身份驗證。射頻接口：產(chǎn)生高頻發(fā)射能量并激活電子標(biāo)簽對發(fā)射信號調(diào)制，并傳輸給電子標(biāo)簽接受來自于電子標(biāo)簽的射頻信號2023/2/316天線：接收電磁波電流信號，或電流信號電磁波發(fā)射出去。2023/2/3172.電子標(biāo)簽（ElectronicTag）電子標(biāo)簽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。2023/2/318電子標(biāo)簽（ElectronicTag）：也稱為智能標(biāo)簽（SmartLabel），是指由IC芯片和無線通信天線組成的超微型的小標(biāo)簽，其內(nèi)置的射頻天線用于和閱讀器進行通信。電子標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。2023/2/3191.RFID軟件系統(tǒng)分類（1）前端軟件：供應(yīng)商提供演示、驅(qū)動、接口，集成商或客戶開發(fā)的前端操作軟件。讀寫、防碰撞、安全、檢測糾錯。（2）中間件軟件：RFID運作的中樞（3）后端軟件：處理采集信息的后臺軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)管理、電子標(biāo)簽管理、數(shù)據(jù)分析和儲存。（4）其它軟件：開發(fā)、測試、評估、演示、模擬等。1.3.2軟件組件2023/2/3202.什么是中間件（Middleware）？屬于軟件復(fù)用的范疇；處于操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用軟件中間，在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、和數(shù)據(jù)庫之上，應(yīng)用軟件的下層；為上層應(yīng)用軟件提供運行與開發(fā)環(huán)境，幫助用戶靈活高效的開發(fā)和集成復(fù)雜應(yīng)用軟件。2023/2/321RFID中間件

RFID中間件扮演著電子標(biāo)簽和應(yīng)用程序之間的中介角色，從應(yīng)用程序端使用中間件提供的一組通用的應(yīng)用程序接口（API），即能連到RFID閱讀器，讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)。2023/2/3222023/2/323為何要用RFID中間件2023/2/324RFID中間件主要包括以下4個功能閱讀器協(xié)調(diào)控制：終端用戶通過RFID中間件直接配置、監(jiān)控以及發(fā)送指令給Reader。數(shù)據(jù)過濾與處理：糾錯、過濾掉冗余數(shù)據(jù)、防碰撞（不同閱讀器讀取同一電子標(biāo)簽）。數(shù)據(jù)路由與集成：對采集到的數(shù)據(jù)進行分發(fā)。進程管理：根據(jù)定制負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與事件的觸發(fā)。2023/2/325RFID中間件的需求2023/2/3263.RFID應(yīng)用系統(tǒng)軟件

RFID應(yīng)用系統(tǒng)軟件是針對不同行業(yè)的特定需求開發(fā)的應(yīng)用軟件，可以有效地控制閱讀器對電子標(biāo)簽信息進行讀寫，并且對收集到的目標(biāo)信息進行集中的統(tǒng)計與處理。RFID應(yīng)用系統(tǒng)軟件可以集成到現(xiàn)有的電子商務(wù)和電子政務(wù)平臺中，與ERP、CRM以及SCM等系統(tǒng)結(jié)合以提高各行業(yè)的生產(chǎn)效率。2023/2/3271.4RFID技術(shù)的物理學(xué)原理RFID是一種易于操控、簡單實用且特別適用于自動化控制的應(yīng)用技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號耦合（電感或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。

2023/2/3282023/2/3291.4.1與RFID相關(guān)的電磁場理論了解電磁傳播規(guī)律有助于更好地理解和應(yīng)用射頻識別系統(tǒng)。2023/2/3301.天線場的概念射頻標(biāo)簽和讀寫器通過各自的天線構(gòu)建起兩者之間的非接觸信息傳輸通道，這種空間信息傳輸通道的性能完全由天線周圍的場區(qū)特性決定，是電磁傳播的基本規(guī)律。射頻信號加載到天線之后，在緊鄰天線的空間中，除了輻射場之外，還有一個非輻射場。該場與距離的高次冪成反比，隨著離開天線的距離增大迅速減小。在這個區(qū)域，由于電抗場占優(yōu)勢，因而將此區(qū)域稱為電抗近場區(qū)，它的外界約為一個波長。超過電抗近場區(qū)就到了輻射場區(qū)，按照與天線距離的遠近，又把輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。2023/2/331

通常，可以根據(jù)觀測點與天線的距離將天線周圍的場劃分為三個區(qū)域。（1）無功近場區(qū)。

無功近場區(qū)又稱為電抗近場區(qū)，是天線輻射場中緊鄰天線口徑的一個近場區(qū)域。在該區(qū)域中，電抗性儲能場占支配地位，該區(qū)域的界限通常取為距天線口徑表面λ/2π處。從物理概念上講，無功近場區(qū)是一個儲能場，其中的電場與磁場的轉(zhuǎn)換類似于變壓器中的電場、磁場之間的轉(zhuǎn)換。2023/2/332（2）輻射近場區(qū)。超過電抗近場區(qū)就到了輻射場區(qū)，輻射場區(qū)的電磁場已經(jīng)脫離了天線的束縛，并作為電磁波進入空間。按照與天線距離的遠近，又把輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。在輻射近場區(qū)中，輻射場占優(yōu)勢，并且輻射場的角度分布與距離天線口徑的距離有關(guān)。對于通常的天線，此區(qū)域也稱為菲涅爾區(qū)。（3）輻射遠場區(qū)。輻射遠場區(qū)即通常所說的遠場區(qū)，又稱為夫朗荷費區(qū)。在該區(qū)域中，輻射場的角分布與距離無關(guān)。嚴(yán)格地講，只有離天線無窮遠處才能到達天線的遠場區(qū)。2023/2/3332.天線的方向性圖

天線的方向性圖是指該輻射區(qū)域中輻射場的角度分布，因而遠場區(qū)是天線輻射場區(qū)中最重要的一個。公認(rèn)的輻射近場區(qū)與遠場區(qū)的分界距離R為式中，D為天線直徑；λ為天線波長，D>>λ。對于天線而言，當(dāng)天線的最大尺寸L小于波長時，天線周圍只存在無功近場區(qū)與輻射遠場區(qū)，沒有輻射近場區(qū)。無功近場區(qū)的外界約為λ/2π，超過了這個距離，輻射場就占主要優(yōu)勢。通常將滿足的天線稱為小天線。

2023/2/334天線場周圍的分布特點：輻射場中的能量以電磁波的形式向外傳播，無功近場中的射頻能量以電磁、電場的形式相互轉(zhuǎn)換并不向外傳播；天線周圍場強的分布情況，離天線越近，場強越強。2023/2/3351.4.2能量耦合和數(shù)據(jù)傳輸1.耦合類型根據(jù)射頻識別系統(tǒng)作用距離的遠近情況，標(biāo)簽天線與讀寫器天線之間的耦合可以分為三類：密耦合系統(tǒng)、遙耦合系統(tǒng)和遠距離系統(tǒng)。1）密耦合系統(tǒng)密耦合系統(tǒng)，又稱緊密耦合系統(tǒng)，是具有很小作用距離的射頻識別系統(tǒng)，其典型作用距離范圍為0～1cm。密耦合系統(tǒng)是利用射頻標(biāo)簽與讀寫器天線的無功近場區(qū)之間的電感耦合（閉合磁路）構(gòu)成的無接觸空間信息傳輸射頻通道進行工作的。密耦合系統(tǒng)的工作頻率一般局限于30MHz以下的頻率。2023/2/3362）遙耦合系統(tǒng)遙耦合系統(tǒng)的典型作用距離可以達1m，所有遙耦合系統(tǒng)在讀寫器與標(biāo)簽之間都是電感（磁）耦合，遙耦合系統(tǒng)的發(fā)送頻率通常使用135KHz以下的頻率，或使用6.75MHz、13.56MHz以及27.125MHz頻率。遙耦合系統(tǒng)又可細(xì)分為近耦合系統(tǒng)（典型的作用距離為15cm）與疏耦合系統(tǒng)（典型的作用距離為1m）。2023/2/3373）遠距離系統(tǒng)遠距離系統(tǒng)的典型作用距離為1～10m，個別系統(tǒng)具有更遠的作用距離。所有的遠距離系統(tǒng)均是利用標(biāo)簽與讀寫器天線輻射遠場區(qū)之間的電磁場耦合（電磁波的發(fā)射與反射，也稱之為反向散射耦合）所構(gòu)成的無接觸空間信息傳輸通道進行工作的。遠距離系統(tǒng)的典型工作頻率為915MHz（這在歐洲是不允許的）、2.45GHz和5.8GHz，此外，還有一些其他頻率，如433MHZ等。2023/2/3382.數(shù)據(jù)傳輸原理射頻識別系統(tǒng)一般包括讀寫器、標(biāo)簽和天線等部分，讀寫器和標(biāo)簽之間的通信通過電磁波實現(xiàn)，按照通信距離可分為遠場和近場。讀寫器和標(biāo)簽之間數(shù)據(jù)交換方式也相應(yīng)地稱為負(fù)載調(diào)制和反向散射調(diào)制。（1）負(fù)載調(diào)制(變壓器模型)。近距離低頻射頻識別系統(tǒng)是通過準(zhǔn)靜態(tài)場的耦合實現(xiàn)的。在這種情況下，讀寫器和標(biāo)簽之間的天線能量交換方式類似于變壓器結(jié)構(gòu)，稱為負(fù)載調(diào)制。這種調(diào)制方式在125kHz和13.56MHz射頻識別系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2023/2/339（2）反向散射調(diào)制（雷達模型）。在典型的遠場，如915MHz和2.4GHz射頻識別系統(tǒng)中，讀寫器和標(biāo)簽之間的距離為幾米，而載波波長僅有幾到幾十厘米。讀寫器和射頻標(biāo)簽之間的能量傳遞方式為反向散射調(diào)制。反向散射調(diào)制技術(shù)是指無源RFID射頻標(biāo)簽將數(shù)據(jù)發(fā)送回讀寫器所采用的通信方式。射頻標(biāo)簽返回數(shù)據(jù)的方式是控制天線的阻抗，控制射頻標(biāo)簽天線阻抗的方法有許多種，都是基于一種稱為“阻抗開關(guān)”的方法。實際采用的幾種阻抗開關(guān)有變?nèi)荻O管、邏輯門、高速開關(guān)等。2023/2/3402023/2/3411.4.3反向散射調(diào)制的能量傳遞

電磁波從天線向周圍空間發(fā)射，會遇到不同的目標(biāo)。到達目標(biāo)的電磁能量一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一部分最終返回發(fā)射天線。在雷達技術(shù)中，用這種反射測量目標(biāo)的距離和方位。1.讀寫器到射頻標(biāo)簽的能量傳輸在距離讀寫器R的射頻標(biāo)簽處的功率密度為2023/2/342

在射頻標(biāo)簽和發(fā)射天線最佳對準(zhǔn)和正確極化時，射頻標(biāo)簽可吸收的最大功率與入射波的功率密度S成正比，可表示為

2.射頻標(biāo)簽到讀寫器的能量傳輸

射頻標(biāo)簽返回的能量與其雷達散射截面（RadarCrossSection，RCS）成正比，它是目標(biāo)反射電磁波能力的測度指標(biāo)。散射截面取決于一系列的參數(shù)，如目標(biāo)的大小、形狀、材料、表面結(jié)構(gòu)、波長和極化方向等。射頻標(biāo)簽返回的能量為2023/2/343

因而返回讀寫器的功率密度為

接收天線的有效面積為接收功率為2023/2/3442023/2/3451.5RFID系統(tǒng)特征1.5.1RFlD系統(tǒng)的基本模型射頻標(biāo)簽與讀寫器之間的電磁耦合包含近距離的電感耦合與遠距離的電磁耦合。

在射頻識別系統(tǒng)工作過程中，空間傳輸通道中發(fā)生的過程可歸結(jié)為三種事件模型：數(shù)據(jù)交換是目的，

時序是數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)形式，

能量是時序得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。射頻識別系統(tǒng)的模型如圖1-8所示。2023/2/3462023/2/3471．能量讀寫器向射頻標(biāo)簽供給射頻能量。無源標(biāo)簽：其工作所需的能量即由該射頻能量中取得（一般由整流方法將射頻能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫创嬖跇?biāo)簽中的電容器里）；半無源標(biāo)簽：該射頻能量能夠喚醒標(biāo)簽轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。有源標(biāo)簽：一般不利用讀寫器發(fā)出的射頻能量，因而讀寫器能夠以較小的發(fā)射能量取得較遠的通信距離。2023/2/3482．時序

讀寫器與標(biāo)簽工作的順序。

雙向系統(tǒng)（讀寫器向射頻標(biāo)簽發(fā)送命令與數(shù)據(jù)，射頻標(biāo)簽向讀寫器返回所存儲的數(shù)據(jù)）：讀寫器一般處于主動狀態(tài)，即讀寫器發(fā)出詢問后，射頻標(biāo)簽予以應(yīng)答，稱這種方式為閱讀器先講方式。另一種情況是射頻標(biāo)簽先講方式，即射頻標(biāo)簽滿足工作條件之后，首先發(fā)送信息，讀寫器根據(jù)射頻標(biāo)簽發(fā)送的信息，進行記錄或進一步發(fā)送詢問信息，與射頻標(biāo)簽構(gòu)成一個完整地對話，來達到讀寫器對射頻標(biāo)簽進行識別的目的。

多標(biāo)簽識別系統(tǒng)：一般情況下，讀寫器處于主動狀態(tài)，即采取讀寫器先講方式。

實現(xiàn)多標(biāo)簽的讀取，現(xiàn)實應(yīng)用中也有采用標(biāo)簽先講方式的應(yīng)用。多標(biāo)簽讀寫問題是射頻識別技術(shù)及應(yīng)用中面臨的一個較為復(fù)雜的問題，目前已有多種方法可以有效地解決這種問題。2023/2/3493．?dāng)?shù)據(jù)傳輸射頻識別系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換包含兩個方面的含義：從讀寫器向射頻標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸和從射頻標(biāo)簽向讀寫器方向的數(shù)據(jù)傳輸。

讀寫器向射頻標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸可以分為兩種情況：有線（接觸）寫入方式和無線（非接觸）寫入方式。具體采用何種寫入方式需要結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)的需求、代價、技術(shù)實現(xiàn)的難易程度等因素來決定。2023/2/3502023/2/3511.5.2RFlD系統(tǒng)的性能指標(biāo)可讀寫RFID系統(tǒng)的性能有以下幾個指標(biāo)：

1.射頻標(biāo)簽存儲容量：只讀20B，有源8B-64KB，無源48-736B；特例1bit（超市防盜）

2.工作方式：全雙工，半雙工和時序系統(tǒng)；

3.數(shù)據(jù)傳輸速度：只讀，無源讀寫和有源讀寫；

4.讀寫距離

5.多個標(biāo)簽識別能力

6.射頻標(biāo)簽與天線間射頻載波頻率：低，高，超高，微波；

7.RFID系統(tǒng)的連通性

8.數(shù)據(jù)載體：EEPROM，F(xiàn)RAM，SRAM

9.狀態(tài)模式：微處理器

10.能量供應(yīng)。2023/2/3521.5.3RFlD系統(tǒng)的分類1.按照Reader和Tag之間的能量感應(yīng)方式：電感耦合和電磁耦合；2.按標(biāo)簽供電形式：無源，半無源和有源；3.按工作頻率：低，高，超高，微波；4.按通信方式：RTF（Reader先講）和TTF；5.按應(yīng)用模式：固定式，便攜式，一體式和模塊式；

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