RFID系統(tǒng)工作原理

RFID系統(tǒng)工作原理王志軍1.RFID系統(tǒng)組成

典型的RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件組成。1.1硬件組成1閱讀器閱讀器〔Reader〕又稱讀寫器。閱讀器主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的雙向通信，同時接收來自主機系統(tǒng)的把握指令。閱讀器的頻率準(zhǔn)備了RFID系統(tǒng)工作的頻段，其功率準(zhǔn)備了射頻識別的有效距離。閱讀器依據(jù)使用的構(gòu)造和技術(shù)的不同可以是讀或讀/寫裝置，它是RFID系統(tǒng)信息把握和處理中心。閱讀器通常由射頻接口、規(guī)律把握單元和天線三局部組成?！?〕射頻接口射頻接口模塊主要任務(wù)和功能：①產(chǎn)生高頻放射能量，激活電子標(biāo)簽并為其供給能量。②對放射信號進展調(diào)制，將數(shù)據(jù)傳輸給電子標(biāo)簽。③接收并調(diào)制來自電子標(biāo)簽的射頻信號。留意，在射頻接口中有兩個分隔開的信號通道，分別來往于電子標(biāo)簽和閱讀器兩個方向的數(shù)據(jù)傳輸?！?〕規(guī)律把握單元規(guī)律把握單元也稱讀寫模塊，主要任務(wù)和功能：①與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進展通信，并執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)送來的指令。②把握閱讀器與電子標(biāo)簽的通信過程。③信號的編碼與解碼。④對閱讀器和標(biāo)簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進展加密和解密。⑤執(zhí)行防碰撞算法。⑥對閱讀器和標(biāo)簽的身份進展驗證。天線天線是一種能將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換為電流信號，或者將電流信號轉(zhuǎn)換成電磁波放射出去的裝置。在RFID系統(tǒng)中，閱讀器必需通過天線來放射能量，來形成電磁場，通過電磁場對電子標(biāo)簽進展識別。因此，閱讀器天線所形成的電磁場范圍即為閱讀器的可讀區(qū)域。2電子標(biāo)簽電子標(biāo)簽(ElectronicTag)也稱為智能標(biāo)簽(SmartTag)，是由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展通信。電子標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)中真正的數(shù)據(jù)載體。系統(tǒng)工作時，閱讀器發(fā)出查詢〔能量〕信號，標(biāo)簽〔無源〕在收到查詢〔能量〕信號后將其一局部整流為直流電源供電子標(biāo)簽內(nèi)的電路工作，一局部能量信號被電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制后反射回閱讀器。電子標(biāo)簽內(nèi)部各模塊的功能：〔1〕天線：用來接收由閱讀器送來的信號，并把要求的數(shù)據(jù)傳送回給閱讀器?！?〕電壓調(diào)整器：把由閱讀器送來的射頻信號轉(zhuǎn)換為直流電源，并經(jīng)大電容存儲能量，再通過穩(wěn)壓電路以供給穩(wěn)定的電源。〔3〕調(diào)制器：規(guī)律把握電路送出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后加載到天線返給閱讀器?！?〕解調(diào)器：去除載波，取出調(diào)制信號。〔5〕規(guī)律把握單元：譯碼閱讀器送來的信號，并依據(jù)要求返回數(shù)據(jù)給閱讀器?！?〕存儲單元：包括ERPROM和ROM，作為系統(tǒng)運行及存放識別數(shù)據(jù)。1.2軟件組成1中間件中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或效勞程序。分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源。中間件位于客戶機、效勞器的操作系統(tǒng)之上，治理計算機資源和網(wǎng)絡(luò)通信。中間件的主要任務(wù)和功能：〔1〕閱讀器協(xié)調(diào)把握終端用戶可以通過RFID中間件接口直接配置、監(jiān)控以及發(fā)送指令給閱讀器。一些RFID中間件開發(fā)商還供給了支持閱讀器即插即用的功能，使終端用戶新添加不同類型的閱讀器時不需要增加額外的程序代碼。〔2〕數(shù)據(jù)過濾與處理當(dāng)標(biāo)簽信息傳輸發(fā)生錯誤或有冗余數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，RFID中間件可以通過確定的算法訂正錯誤并過濾掉冗余數(shù)據(jù)。RFID中間件可以避開不同的閱讀器讀取同一電子標(biāo)簽的碰撞，確保了閱讀準(zhǔn)確性?！?〕數(shù)據(jù)路由與集成RFID中間件能夠準(zhǔn)備采集到的數(shù)據(jù)傳遞給哪一個應(yīng)用。RFID中間件可以與企業(yè)現(xiàn)有的企業(yè)資源準(zhǔn)備〔ERP〕、客戶關(guān)系治理〔CRM〕、倉儲治理系統(tǒng)〔WMS〕等軟件集成在一起，為它們供給數(shù)據(jù)的路由和集成，同時中間件可以保存數(shù)據(jù)，分批的給各個應(yīng)用提交數(shù)據(jù)?！?〕進程治理RFID中間件依據(jù)客戶定制的任務(wù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與大事的觸發(fā)。如在倉儲治理中，設(shè)置中間件來監(jiān)控貨品庫存的數(shù)量，當(dāng)庫存低于設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)時，RFID中間件會觸發(fā)大事，通知相應(yīng)的應(yīng)用軟件。2各種RFID系統(tǒng)原理根本工作原理：由閱讀器通過放射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號，當(dāng)電子標(biāo)簽進入有效工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量、電子標(biāo)簽被激活，使得電子標(biāo)簽將自身編碼信息通過內(nèi)置射頻天線發(fā)送出去；閱讀器的接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的調(diào)制信號，經(jīng)天線調(diào)整器傳送到閱讀器信號處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后將有效信息送至后臺主機系統(tǒng)進展相關(guān)的處理；主機系統(tǒng)依據(jù)規(guī)律運算識別該標(biāo)簽的身份，針對不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和把握，最終發(fā)出指令信號把握閱讀器完成相應(yīng)的讀寫操作。從電子標(biāo)簽到閱讀器之間的通信及能量感應(yīng)方式來看，系統(tǒng)一般可以分為兩類：電感耦合〔InductiveCoupling〕系統(tǒng)和電磁反向散射耦合〔BackscatterCoupling〕系統(tǒng)。電感耦合通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。該方式一般適合于中、低頻工作的近距離RFID系統(tǒng)，典型工作頻率：125kHz，225kHz，和13.56MHz。識別作用距離一般小于1m，典型作用距離為0~20cm。電磁反向散射耦合基于雷達模型，放射出去的電磁波遇到目標(biāo)后反射，同時攜帶目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。該方式一般適用于高頻、微波工作的遠距離RFID系統(tǒng)，典型的工作頻率：433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。識別作用距離大于1m，典型作用距離為4~6m。2.1電感耦合RFID系統(tǒng)

電感耦合工作方式對應(yīng)于ISO/IEC14443協(xié)議。電感耦合電子標(biāo)簽由一個電子數(shù)據(jù)作為載體，通常由單個微芯片及天線〔大面積線圈〕等組成。在標(biāo)簽中的·微芯片工作所需的全部能量由閱讀器發(fā)送的感應(yīng)電磁能供給。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，并穿越線圈橫截面和四周空間，以使四周的電子標(biāo)簽產(chǎn)生電磁感應(yīng)。1能量供給閱讀器天線線圈激發(fā)磁場，其中一小局部磁力線穿過電子標(biāo)簽天線線圈，通過感應(yīng)，在電子標(biāo)簽的天線線圈上產(chǎn)生電壓U，將其整流后作為微芯片的工作電源。電容器Cr與閱讀器的天線線圈并聯(lián)，電容器與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器放射頻率相符的并聯(lián)震蕩回路，該回路的諧振使得閱讀器的天線線圈產(chǎn)生較大的電流。電子標(biāo)簽的天線線圈和電容器C1構(gòu)成震蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的放射頻率。通過該回路的諧振，電子標(biāo)簽線圈上的電壓U到達最大值。這兩個線圈的構(gòu)造可以被解釋為變壓器〔變壓器的耦合〕。2數(shù)據(jù)傳輸對于電子標(biāo)簽和閱讀器天線之間的作用距離不超0.16λ，并電子標(biāo)簽處于近場范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽與閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸為負(fù)載調(diào)制〔電感耦合、變壓器耦合〕。假設(shè)把諧振的電子標(biāo)簽放入閱讀器天線的交變磁場，那么電子標(biāo)簽就可以從磁場獲得能量。承受從供給閱讀器天線的電流在閱讀器內(nèi)阻上的壓降就可以測得這個附加的功耗。電子標(biāo)簽天線上負(fù)載電阻的接通與斷開促使閱讀器天線上的電壓發(fā)生變化，實現(xiàn)了用電子標(biāo)簽對天線電壓進展振幅調(diào)制。而通過數(shù)據(jù)把握負(fù)載電壓的接通和斷開，這些數(shù)據(jù)就可以從標(biāo)簽傳輸?shù)介喿x器了。此外，由于閱讀器天線和電子標(biāo)簽天線之間的耦合很弱，因此閱讀器天線上表示有用信號的電壓波動比閱讀器的輸出電壓小。在實踐中，對13.56MHz的系統(tǒng)，天線電壓〔諧振時〕只能得到約10mV的有用信號。由于檢測這些小電壓變化很不便利，所以可以承受天線電壓振幅調(diào)制所產(chǎn)生的調(diào)制波邊帶。假設(shè)電子標(biāo)簽的附加負(fù)載電阻以很高的時鐘頻率接通或斷開，那么在閱讀器發(fā)送頻率將產(chǎn)生兩條譜線，此時該信號就簡潔檢測了，這種調(diào)制也稱為副載波調(diào)制。2.2電磁反向散射RFID系統(tǒng)1反向散射調(diào)制電磁波從天線向四周空間放射，到達目標(biāo)的電磁波能量的一局部〔自由空間衰減〕被目標(biāo)吸取，另一局部以不同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一局部最終會返回放射天線，稱其為回波。在雷達技術(shù)中，用這種反射波測量目標(biāo)的距離和方位。在RFID系統(tǒng)中，利用電磁波反射完成從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用于915MHz、2.45GHz甚至更高頻率的系統(tǒng)中。該RFID系統(tǒng)工作分為以下兩個過程：〔1〕標(biāo)簽接收讀寫器放射的信號，其中包括已調(diào)制載波和未調(diào)制載波。當(dāng)標(biāo)簽接收的信號沒有被調(diào)制時，載波能量全部被轉(zhuǎn)換為直流電壓，該電壓供給電子標(biāo)簽內(nèi)部芯片能量；當(dāng)載波攜帶數(shù)據(jù)或者命令時，標(biāo)簽通過接收電磁波作為自己的能量來源，并對接收信號進展處理，從而接收讀寫器的指令或數(shù)據(jù)?！?〕標(biāo)簽向讀寫器返回信號時，讀寫器只向標(biāo)簽發(fā)送未調(diào)制載波，載波能量一局部被標(biāo)簽轉(zhuǎn)化成直流電壓，供給標(biāo)簽工作；另一局部能量被標(biāo)簽通過轉(zhuǎn)變射頻前端電路的阻抗調(diào)制并反射載波來向讀寫器傳遞信息。電子標(biāo)簽的等效電路圖如下所示，Vs為天線接收信號，Za表示天線的阻抗，Z1表示芯片的輸入阻抗。為了到達調(diào)制背向反射載波的目的，Z1有兩種狀態(tài)，分別為Z11和Z12。當(dāng)標(biāo)簽需要發(fā)送的信息為二進制數(shù)“1”時，芯片的阻抗?fàn)顟B(tài)為Z11；當(dāng)標(biāo)簽需要發(fā)送的信息為二進制數(shù)“0”時，芯片的阻抗?fàn)顟B(tài)為Z12。這樣在兩種狀態(tài)下標(biāo)簽反射回讀寫器的信號為：S0(t)=s(t)S1S1(t)=s(t)S2式中，s(t)為標(biāo)簽接收到的信號。當(dāng)電子標(biāo)簽的阻抗實行不同的變化方式時，可以形成不同的后向散射調(diào)制方式，使得標(biāo)簽返回的能量和進入標(biāo)簽的能量具有不同的特性。以下為四種狀況：〔1〕OOK調(diào)制方式(On-OffKeying,OOK)。在該方式下，阻抗?fàn)顟B(tài)為1時，完全反射；阻抗?fàn)顟B(tài)為2時完全匹配，而且這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)下標(biāo)簽的反射系數(shù)的相位一樣。|S1|=1|S2|=0arg(S1)=arg(S2)(2)BPSK調(diào)制方式(BinaryPhaseShiftKeying,BPSK)。在該方式下，這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)有一樣程度的失配，但是這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)的下標(biāo)簽的反射系數(shù)的相位相反。0<|S1|=|S2|<1arg(S1)=-arg(S2)(3)任意調(diào)制因子的ASK〔AmplitudeShiftKeying,ASK〕調(diào)制。在該方式下，這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)有著不同程度的失配，但是這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)的下標(biāo)簽的反射系數(shù)的相位一樣。0<|S1|<|S2|<1arg(S1)=arg(S2)這種阻抗變化的方式可以使標(biāo)簽反射的信號形成任意調(diào)制因子的ASK調(diào)制方式。(4)PR-ASK〔PhaseReverseAmplitudeShiftKeying,PR-ASK〕方式。該方式下，這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)有不同程度的失配，而且這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)的下標(biāo)簽的反射系數(shù)的相位一樣。0<|S1|<|S2|<1arg(S1)=-arg(S2)這種阻抗變化的方式可以使標(biāo)簽反射的信號形成相位相反的幅度鍵控調(diào)制方式。2反向散射調(diào)制的能量傳輸電磁波從天線向四周空間放射，會遇到不同的目標(biāo)。到達目標(biāo)的電磁波能量一局部被目標(biāo)吸取，另一局部以不同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一局部最終返回放射天線。下面我們看該方式調(diào)制的能量傳輸?！?〕閱讀器到標(biāo)簽的能量傳輸在距離閱讀器距離為R的電子標(biāo)簽處的功率密度為

式中，PTX為讀寫器的放射功率，GTX為放射天線的增益，R是標(biāo)簽到讀寫器天線之間的距離，EIRP為天線的有效輻射功率，是指讀寫器放射功率和天線增益的乘積。在電子標(biāo)簽和放射天線都處于最正確姿勢，并且極化方向相匹配時，電子標(biāo)簽可以吸取的最大功率與閱讀器放射信號的功率密度S成正比：

〔2〕電子標(biāo)簽到閱讀器的能量傳輸電子標(biāo)簽返回的能量與它的雷達散射截面面積成正比，它是目標(biāo)反射電磁波力氣的測度。散射面積取決于一系列的參數(shù)，這既包含物體本身的特性，如目標(biāo)的大小、外形、材料和外表構(gòu)造，也包括反射電磁波的特性，如電磁波的波長和極化方向等。電子標(biāo)簽在空間某個位置接收到閱讀器放射的電磁波，一局部自身吸取用于供給自身工作的能量，另一局部被反射回去，電子標(biāo)簽反射電磁波的能量為：返回閱讀器的功率密度為接收天線的有效面積為式中，GRX為天線的增益?？梢缘贸?，閱讀器接收的標(biāo)簽反射信號的總功率為2.3聲外表波標(biāo)簽的識別原理1聲外表波RFID原理聲外表波〔SurfaceAcousticWave,SAW〕是傳播于晶體外表的一種機械波，其聲速僅為電磁波速的十萬分之一，傳播衰耗很小。聲外表波器件的功能局部，是承受現(xiàn)代微電子技術(shù)在外表拋光的壓電材料基片上制作的叉指換能器、反射體和耦合柵等金屬電極構(gòu)造，基于〔逆〕壓電效應(yīng)，射頻信號在經(jīng)受電磁波---聲外表波---電磁波的換能過程中得處處理，到達預(yù)定功能要求。以高頻諧振器、帶通濾波器為代表的現(xiàn)代聲外表波器件，具有體積小、重量輕、牢靠性高、全都性好、功能多及設(shè)計靈敏等優(yōu)點，已成為了先進廣泛使用的電子關(guān)鍵元器件。SAW標(biāo)簽由叉指換能器和假設(shè)干反射器組成，如以以下圖所示。

換能器的兩條總線與電子標(biāo)簽的天線相連接，閱讀器的天線周期的發(fā)送高頻詢問脈沖，在電子標(biāo)簽天線的接收范圍之內(nèi)，被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉(zhuǎn)變成聲外表波，并在晶體外表傳播。反射器組對入射外表波局部反射，并返回到叉指換能器，叉指換能器又將反射聲外表波脈沖串轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電脈沖串。假設(shè)將反射器組按某種特定的規(guī)律設(shè)計，使其反射信號表示規(guī)定的編碼信息，那么閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串就帶有該物品的特定編碼，通過解調(diào)與處理，即可到達自動識別的目的。聲外表波標(biāo)簽2聲外表波RFID系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)點

由于聲外表波SAW器件工作在射頻波段，無源而且抗電磁干擾力氣較強，因此SAW技術(shù)實現(xiàn)的電子標(biāo)簽具有確定的獨特優(yōu)勢，是對集成電路〔IC〕技術(shù)的補充。SAW標(biāo)簽應(yīng)用領(lǐng)域特殊廣泛，包括物流治理、路橋收費、公共交通、門禁把握、防偽、超市防盜、航空行李分揀、郵包跟蹤、流水線把握與跟蹤、體育競賽等。同時也適用于壓力、應(yīng)力、扭曲、加速度和溫度等變化參數(shù)的測量，如鐵路紅外軸溫探測系統(tǒng)的熱軸定位、軌道衡、超偏載檢測系統(tǒng)、汽車輪胎壓力等。其主要優(yōu)點如下：〔1〕讀取范圍大且牢靠，識別距離遠?！?〕可使用在金屬和液體產(chǎn)品上?！?〕標(biāo)簽芯片與天線匹配簡潔，制作工藝本錢低。〔4〕不僅能識別靜止物體，而且能識別速度達300km/