電子標(biāo)簽課件

射頻識別技術(shù)

RFIDTechnology第五章電子標(biāo)簽25.1電子標(biāo)簽簡介5.1.1電子標(biāo)簽的特點(diǎn)與組成無線標(biāo)簽技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。無線標(biāo)簽技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可識別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。RFID標(biāo)簽具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)量大、存儲信息可以修改等優(yōu)點(diǎn)。電子標(biāo)簽是指由IC芯片和無線通信天線組成的超微型小標(biāo)簽。標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，無線標(biāo)簽附著在待識別物體表面。存儲在芯片中的數(shù)據(jù)，由閱讀器以無線電波的形式非接觸的讀取，并通過閱讀器的處理器，進(jìn)行信息解讀并進(jìn)行相關(guān)的管理。因此說，電子標(biāo)簽是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，是目前使用的條形碼的無線版本。電子標(biāo)簽的應(yīng)用將給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來革命性的變化。電子標(biāo)簽十分方便于大規(guī)模生產(chǎn)，并能夠做到日常免維護(hù)。讀寫設(shè)備采用微波技術(shù)，同時(shí)收發(fā)電路成本低，性能可靠，是近距離自動識別技術(shù)實(shí)施的好方案。收發(fā)天線采用微帶平板天線，便于各種場合安裝且易于生產(chǎn)，天線環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)械、電氣性能好。RFID技術(shù)給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來了革命性的變化，因此條形碼技術(shù)就受到了極大的沖擊。條形碼技術(shù)的主要突出問題和缺陷主要有：視距問題、信息容量小的問題、紅外掃描識別帶來的問題等。RFID技術(shù)關(guān)鍵在于可以讓物品實(shí)現(xiàn)真正的自動化管理，不再像條形碼那樣需要逐個(gè)掃描。在RFID標(biāo)簽中存儲著規(guī)范可互用的信息，通過無線數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)可以自動采集并連接到中央信息系統(tǒng)，RFID標(biāo)簽可以以任意形式附加在包裝中，不需要像條形碼那樣占用固定空間。此外，RFID不需要人工識別標(biāo)簽，讀卡器每250ms就可以從射頻標(biāo)簽中讀出位置和商品的信息。系統(tǒng)工作時(shí)，閱讀器發(fā)出微波查詢信號，電子標(biāo)簽收到微波查詢能量信號后，將其一部分整流為直流電源供電子標(biāo)簽內(nèi)的電路工作，另一部分微波能量信號被電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制（ASK）后反射回閱讀器。閱讀器接收反射回的幅度調(diào)制信號，從中提取出的電子標(biāo)簽中保存的標(biāo)識性數(shù)據(jù)信息。2組成電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過電磁波進(jìn)行通信，與其他通信系統(tǒng)一樣，電子標(biāo)簽可以看做一個(gè)特殊的收發(fā)信機(jī)（Transceiver）。電子標(biāo)簽可以分為兩個(gè)部分，即標(biāo)簽芯片和標(biāo)簽天線。標(biāo)簽天線的功能是收集閱讀器發(fā)射到空間的電磁波，和將芯片本身發(fā)射的能量以電磁波的方式發(fā)射出去。標(biāo)簽芯片的功能是對標(biāo)簽接收的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼等各種處理，并把電子標(biāo)簽需要返回的信號進(jìn)行編碼、調(diào)制等各種處理。5.1.2標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)RFID射頻標(biāo)簽附著在待識別物體上，在RFID系統(tǒng)中，這是一種損耗件。在目前各個(gè)廠家制造的RFID系統(tǒng)中，除了個(gè)別廠家之外，絕大多數(shù)廠家的產(chǎn)品都互不兼容。對于較大的應(yīng)用系統(tǒng)而言，標(biāo)簽的成本決定著整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)成本。射頻電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線、芯片等采用特殊的封裝工藝封裝而成。根據(jù)射頻標(biāo)簽的技術(shù)特征，針對標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)有：能量需求、讀寫速度、封裝形式、內(nèi)存、工作頻率、傳輸速率和數(shù)據(jù)的安全性等。下面逐一介紹。（1）標(biāo)簽的能量需求標(biāo)簽的能量需求指激活標(biāo)簽芯片電路所需要的能量范圍。在一定距離內(nèi)的標(biāo)簽，激活能量太低就無法激活標(biāo)簽。（2）標(biāo)簽的傳輸速率標(biāo)簽的傳輸速率指的是標(biāo)簽向讀寫器反饋所攜帶的數(shù)據(jù)的傳輸速率及接收來自讀寫器的寫入數(shù)據(jù)命令的速率。（3）標(biāo)簽的讀寫速度標(biāo)簽的讀寫速度由標(biāo)簽被讀寫器識別和寫入的時(shí)間決定，一般為毫秒級，因此攜帶UHF標(biāo)簽的物體運(yùn)動速度可以達(dá)到1~100m/s，即可以達(dá)到360km/h的速度。（4）標(biāo)簽的工作頻率標(biāo)簽的工作頻率指的是標(biāo)簽工作時(shí)采用的頻率，即低頻、中頻、高頻、超高頻或微波等。（5）標(biāo)簽的容量標(biāo)簽的容量指的是射頻標(biāo)簽攜帶的可供寫入數(shù)據(jù)的內(nèi)存量，一般可以達(dá)到1KB（1024Byte）的數(shù)據(jù)量。（6）標(biāo)簽的封裝形式標(biāo)簽的封裝形式主要取決于標(biāo)簽天線的形狀，不同的天線可以封裝成不同的標(biāo)簽形式，運(yùn)用在不同的場合，并且具有不同的識別性能。表5-1射頻識別系統(tǒng)的技術(shù)特征技術(shù)特征分類工作方式全雙工系統(tǒng)/半雙工系統(tǒng)/時(shí)序系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大于1bit/電子標(biāo)簽可否編程讀頭/編程器數(shù)據(jù)載體EEPROM/FRAM/SRAM狀態(tài)模式狀態(tài)機(jī)/微處理器能量供應(yīng)有源系統(tǒng)/無源系統(tǒng)（電池供電/射頻場供電）頻率范圍低頻/中高頻/超高頻/微波標(biāo)簽-讀頭數(shù)據(jù)傳輸方式次諧波/反向散射(負(fù)載調(diào)制)/其他標(biāo)簽應(yīng)答頻率n，1/n倍/1:1/多樣化例1：有源雙頻系統(tǒng)工作原理：讀頭（閱讀器）將低頻的加密數(shù)據(jù)載波信號經(jīng)發(fā)射天線向外發(fā)送；雙頻標(biāo)簽進(jìn)入低頻的發(fā)射天線工作區(qū)域后被激活，同時(shí)將加密的載有目標(biāo)識別碼的高頻加密載波信號經(jīng)標(biāo)簽內(nèi)的高頻發(fā)射模塊發(fā)射出去；接收天線接收到射頻卡發(fā)來的載波信號，經(jīng)讀頭接收處理后，提取出目標(biāo)識別碼送至計(jì)算機(jī)，完成預(yù)設(shè)的系統(tǒng)功能和自動識別，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動化管理。1例2：無源雙頻系統(tǒng)iPico公司的專利產(chǎn)品無源雙頻系統(tǒng)，采用低頻和高頻兩個(gè)頻段進(jìn)行工作，將兩個(gè)頻率特性集成到單一的雙頻標(biāo)簽和雙頻讀頭上，構(gòu)成了雙頻無源系統(tǒng)。右圖為一個(gè)門禁無源雙頻系統(tǒng)及天線。其體積小、系統(tǒng)緊湊，成本低廉，適用于會議簽到、門禁控制、人員跟蹤、人員管理等環(huán)境。人員可以通過佩戴胸卡或放置于衣袋中等形式的標(biāo)簽，無須刷卡系統(tǒng)就可以準(zhǔn)確快速識別出標(biāo)簽，而且也具有良好的多目標(biāo)識別能力。圖5-2門禁無源雙頻系統(tǒng)2按工作頻率分類（1）低頻標(biāo)簽：典型的電感耦合型標(biāo)簽，天線多為線圈型。（2）高頻標(biāo)簽：工作頻率高于低頻標(biāo)簽，無線電波較長（一般為幾米），亦是典型的電感耦合型標(biāo)簽，天線多為線圈型。（3）超高頻和微波標(biāo)簽：工作頻率遠(yuǎn)高于低頻和高頻標(biāo)簽，工作波長較短（分米級或厘米量級），工作方式為電磁反向散射耦合方式。3按封裝形式分類根據(jù)射頻系統(tǒng)不同的應(yīng)用場合及不同的技術(shù)性能參數(shù)，考慮到標(biāo)簽的成本、環(huán)境要求等，可以將射頻識別標(biāo)簽封裝成不同厚度、不同大小、不同形狀的標(biāo)簽。此外，根據(jù)標(biāo)簽封裝材質(zhì)的不同，可以將標(biāo)簽制成以紙、PP、PET、PVC等材料形式。如，在物流管理中最好使用單面的不干膠標(biāo)簽；在門禁系統(tǒng)中最好使用ISO卡片形式的標(biāo)簽；在礦井安全管理中最好使用全封閉的塑料標(biāo)簽。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。4按照作用距離分類（1）密耦合標(biāo)簽：作用距離小于1cm的標(biāo)簽。（2）近耦合標(biāo)簽：作用距離約為15cm的標(biāo)簽。（3）疏耦合標(biāo)簽：作用距離約為1m的標(biāo)簽。（4）遠(yuǎn)距離標(biāo)簽：作用距離從1m到10m甚至更遠(yuǎn)的標(biāo)簽。5無芯片標(biāo)簽和SAW標(biāo)簽一般意義上的電子標(biāo)簽都包含有電子標(biāo)簽天線及標(biāo)簽電路。標(biāo)簽電路經(jīng)過集成后，降低了電子標(biāo)簽的生產(chǎn)成本和整體功耗。以IC芯片為主要特征的電子標(biāo)簽不是唯一的電子標(biāo)簽形式。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了無芯片標(biāo)簽。（1）聲表面波SAW標(biāo)簽聲表面波標(biāo)簽以聲表面波器件為核心，克服了IC芯片工作時(shí)要求直流電源供電的缺陷，同樣實(shí)現(xiàn)了電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)保存功能及無接觸空間無限通信的功能。聲表面波標(biāo)簽的工作原理：天線接收到的射頻能量信號經(jīng)SAW標(biāo)簽內(nèi)部的變換器后形成激蕩SAW存儲數(shù)據(jù)條紋的脈沖，SAW激勵(lì)神經(jīng)脈沖經(jīng)存儲數(shù)據(jù)條紋圖形反射后形成數(shù)據(jù)脈沖，數(shù)據(jù)脈沖再經(jīng)過變換器體現(xiàn)為天線負(fù)載調(diào)制，閱讀器經(jīng)過解調(diào)反射的負(fù)載調(diào)制信號提取SAW電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。例：RFSAWInc公司生產(chǎn)的SAW電子標(biāo)簽，采用鈮化鋰晶體作為聲表面波器件的基地材料，適應(yīng)射頻讀取的工作頻率范圍為1.7~2.5GHz。每個(gè)標(biāo)簽具有不可更改的唯一的標(biāo)識UID。圖5-3聲表面波標(biāo)簽其主要特點(diǎn)有：

①成本比半導(dǎo)體RFIDIC芯片更低。②克服了半導(dǎo)體RFIDIC電子標(biāo)簽的成本、性能等限制。③具有可滿足實(shí)用需要的足夠長的電子標(biāo)簽識別代碼UID。④具有足夠遠(yuǎn)的閱讀距離，具有取代條形碼的優(yōu)勢。（2）無芯片電子標(biāo)簽無芯RFID標(biāo)簽指的是不含有IC芯片的射頻識別標(biāo)簽。最具有前景的無芯標(biāo)簽的主要潛在優(yōu)勢在于其最終能以0.1美分的花費(fèi)直接印在產(chǎn)品和包裝上，才有可能在諸如包裝消費(fèi)品、郵遞物品、藥品和書籍等最大的RFID應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)全面實(shí)施，以更靈活可靠的特性取代每年十萬億使用量的條形碼。無芯片電子標(biāo)簽最適宜使用的場合有物品管理（工廠名冊、圖書館、洗衣店、藥品、消費(fèi)品、檔案、郵件），大容量安全文檔、空運(yùn)包裹等高價(jià)值物流。無芯片電子標(biāo)簽的特點(diǎn)是超薄、低成本，存儲數(shù)據(jù)量少。典型的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有遠(yuǎn)程磁學(xué)技術(shù)（RemoteMagnetics）、層狀非晶體管電路技術(shù)（LaminarTransistorlessCircuits）、層狀晶體管電路技術(shù)等。因此，在選擇天線的時(shí)候，必須考慮如下因素：（1）天線的類型。（2）天線的阻抗。（3）在應(yīng)用到電子標(biāo)簽上時(shí)的射頻性能。（4）在有其他的物品圍繞標(biāo)簽物品時(shí)的射頻性能。在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽的使用方式有兩種，一種是標(biāo)簽移動，通過固定的閱讀器進(jìn)行識別；一種是標(biāo)簽不動，通過手持機(jī)等移動的閱讀器來進(jìn)行識別。在一個(gè)電子標(biāo)簽中，標(biāo)簽面積主要是由天線面積決定的。然而天線的物理尺寸受到工作頻率電磁波波長的限制，如超高頻（900MHz）的電磁波波長為30cm，因此應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到天線的尺寸，一般設(shè)計(jì)為5~10cm的小天線。此外，考慮到天線的阻抗問題、輻射模式、局部結(jié)構(gòu)、作用距離等因素的影響，為了以最大功率進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，天線后的芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗相匹配。因此在電子標(biāo)簽中應(yīng)該使用方向性天線，而不是全向天線，方向性天線具有更少的輻射模式和更少的返回?fù)p耗干擾。

5.2.2電子標(biāo)簽天線的分類RFID電子標(biāo)簽主要有線圈型、微帶貼片型和偶極子型三種。工作距離小于1m的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線，工作在中、低頻段。工作在1m以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子的RFID天線，工作在高頻及微波頻段。1線圈型某些應(yīng)用要求RFID的線圈天線外形很小，且需要一定的工作距離，如動物識別。為了增大RFID與讀寫器之間的天線線圈互感量，通常在天線線圈內(nèi)部插入具有高磁導(dǎo)率μ的鐵氧體材料，來補(bǔ)償線圈橫截面小的問題。2微帶貼片天線微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體構(gòu)成的。微帶貼片天線質(zhì)量輕，體積小，剖面薄，其饋線方式和極化制式的多樣化及饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化等特點(diǎn)成為了印刷天線的主流。微帶貼片天線適用于通信方向變化不大的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中。3偶極子天線在遠(yuǎn)距離耦合的RFID系統(tǒng)中，最常用的為偶極子天線。信號從偶極子天線中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入，在偶極子的兩臂上產(chǎn)生一定的電流分布，從而在天線周圍空間激發(fā)起電磁場。偶極子天線分為四種類型，分別為半波偶極子天線、雙線折疊偶極子天線、三線折疊偶極子天線和雙偶極子天線。半波偶極子三線折疊偶極子雙偶極子雙線折疊偶極子圖5-4四種類型的偶極子天線5.3.2射頻前端電子標(biāo)簽芯片的射頻前端除了提供閱讀器與電子標(biāo)簽數(shù)字模塊的傳輸接口之外，還提供數(shù)字電路的電源，其主要功能有：（1）把由標(biāo)簽天線端輸入的射頻信號整流為供標(biāo)簽工作的直流能量。（2）對射頻輸入的AM調(diào)制信號進(jìn)行包絡(luò)檢波，得到所需信號包絡(luò)，供后級模擬端比較電路工作使用。（3）射頻前端模塊還需將數(shù)字基帶送來的返回信號對天線端進(jìn)行調(diào)制反射。5.3.3模擬前端電子標(biāo)簽芯片的模擬前端在射頻前端和數(shù)字電路之間，包括穩(wěn)壓電路、偏置及時(shí)鐘電路和包絡(luò)信號遲滯比較電路。其主要功能有：（1）為芯片提供穩(wěn)定的電壓。（2）將射頻輸入端得到的包絡(luò)信號進(jìn)行檢波，得到數(shù)字基帶所需的信號。（3）為數(shù)字基帶信號提供上電復(fù)位信號。（4）提供芯片的穩(wěn)定偏置電流。（5）為數(shù)字基帶提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號。5.3.4數(shù)字控制模塊數(shù)字部分由PPM譯碼模塊、命令處理模塊、CRC模塊、主狀態(tài)機(jī)、編碼模塊、防碰撞控制、映射模塊、通用寄存器、專用寄存器、EEPROM接口組成。其主要功能是處理模擬解調(diào)后的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)與EEPROM及與閱讀器的通信。圖5-6數(shù)字基帶的組成電子標(biāo)簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)移：（1）未上電狀態(tài)：當(dāng)電子標(biāo)簽不能從閱讀器處獲得足夠的能量來使它復(fù)位進(jìn)入就緒狀態(tài)時(shí)。（2）就緒狀態(tài)：電子標(biāo)簽從閱讀器處獲得足夠的能量使它提取足夠的電源并復(fù)位后進(jìn)入的狀態(tài)，可以相應(yīng)選擇標(biāo)志置“0”的請求。（3)休眠狀態(tài)：電子標(biāo)簽處于該狀態(tài)時(shí)，除了詢問標(biāo)志置“