第2章(4学时)-rfid系统组成与工作原理

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1、RFID系统组成与工作原理,Antenna,Readers & Printers etc,Middleware “Edge Server”,Business Applications,Tags, Bar Codes etc,标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；,天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。,阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元、振荡电路以及阅读器天线几部分。,一、RFID的应用系统架构,3,RFID系统工作过程

2、,RFID产业链,标签芯片设计 与制造,读写模块设计 与制造,天线设计 与制造,标签封装技术 与设备,读写器天线 设计与制造,读写器设计 与制造,终端用户,软件中间件,系统集成,标签打印 和贴标,RFID测试,培训与服务,应用示范,远望谷(002161) 公司是我国最早从事超高频射频识别技术(RFID)研究和开发的高科技公司之一。公司已在铁路RFID市场取得垄断地位、在烟草行业RFID市场和军事应用RFID市场取得了市场先入优势，同时具备了RFID技术在行业间成功复制实施的能力。 2013年7月19日公告，公司拟与深圳市粮食集团有限公司(深粮集团)共同出资1000万元，投资设立深圳市远粮信息技

3、术有限公司，从事RFID技术在粮食行业、农产品安全溯源及大数据交易平台的建设等行业开发及应用。其中，公司以自有资金出资490万元，持有49%股权。,上海贝岭(600171) 公司从2003年开始涉足RFID芯片研发和制造，控股的上海阿法迪智能标签系统技术有限公司是国内顶尖的专业RFID应用集成开发公司。阿法迪曾向位于上海临港地区的金山石化物流有限公司提供了RFID技术解决方案，在与金山石化物流仓库管理系统(WMS)无缝连接的环境下，实现货物在物流中心的入出盘移信息采集的自动化。阿法迪同时还是目前国内唯一一家具有RFID图书馆全部自主知识产权的公司，公司的RFID智能图书馆系统目前已占据了全国4

4、0%以上的市场。,厦门信达(000701) 自动识别芯片生产商。厦门信达专注于射频识别(RFID)电子标签产品研发、设计、生产和推广，拥有多项完全自主的射频识别知识产权专利，涵盖电子标签、RFID读写设备、RFID天线以及RFID应用系统等。 公司聚集了具有丰富经验的各类人才，拥有多项完全自主的射频识别知识产权专利。公司可年产各式高频、超高频电子标签上亿片，产品广泛应用于图书馆管理、危险品管理、防伪识别、工业制造、交通运输管理、供应链物流仓储管理等领域，其中包括图书标签、金属标签、电子票证及航空行李标签等。同时，公司还可针对不同客户的需求设计电子标签产品，并根据不同行业应用特点制订相应生产工艺

5、及检测标准。目前公司生产的电子标签产品，已经成功应用在多个领域。特别是高频ISO15693标签，支持目前所有芯片厂家的芯片产品，还能根据客户需求进行订制产品，市场占有率高达70%。,RFID主要频段和特性,二、RFID系统的分类,按标签获取电能的方式不同，可分为： 有源射频标签(主动式标签)、无源射频标签(被动式标签)和半主动式射频标签。 有源射频标签内部自带电池进行供电，电能充足、工作可靠性高、信号传送的距离远。 无源射频标签内部不带电池，要靠外界提供能量。无源射频标签具有永久的使用期，支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。缺点：数据传输的距离要比有源射频标签小 半主动式射频标签本身有电池

6、,电池只对自身的数字电路供电,数据发送通过阅读器的能量场激活后,通过反射方式发送。感应的距离较远,RFID系统的分类,按内部使用存储器类型的不同，可分为： 只读标签 和 可读可写标签。 只读标签内部只有只读存储器(ROM)和随机存储器(RAM)。 可读可写标签内部的存储器除了ROM、RAM和缓冲存储器之外，还有非活动可编程记忆存储器（EEPROM）。,RFID系统的分类,按标签中存储器数据存储能力的不同，可分为： 标识标签与便携式数据文件。 标识标签中存储的只是标识号码，用于对特定的标识项目，如人、物、地点进行标识，关于被标识项目的详细的特定信息，只能在与系统相连接的数据库中进行查找。 便携式

7、数据文件是指标签中存储的数据非常大，可以看作是一个数据文件。这种标签一般都是用户可编程的，如包装说明、工艺过程说明等。,电子标签的分类,Antenna,Readers & Printers etc,Middleware “Edge Server”,Business Applications,Tags, Bar Codes etc,RFID的应用系统架构,三、RFID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。,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

8、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。,与应答器的通信功能：读写器的基本功能 与应用系统之间的通信功能：让应用系统能够对读写器进行控制并处理应答器的数据信息 在读写区内实现多应答器识别，完成防冲突功能 校验读写过程中的错误,阅读器的功能,RFID阅读器,（1）射频接口 射频接口模块主要任务和功能： 产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。 对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。 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

9、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： 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。 控制阅读器与电子标签的通信过程。 信号的编码与解码。 对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。 执行防碰撞算法。 对阅读器和标签的身份进行验证。,（3）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。,阅读器的技术参数：

10、 工作频率：与电子标签的工作频率保持一致，可支持多协议 输出功率：满足应用的需要，符合国家和地区对无线发射功率的许可 输出接口：接口形式多样，根据需要具有RS232、RS485、USB、Wifi、GSM等多种接口 读写器形式：固定式、手持式、工业读写器等 工作方式：全双工、半双工和时序 读写器优先与电子标签优先,手持式读卡器,2 电子标签,电子标签 (Electronic Tag) 也称为智能标签 (Smart Tag) ，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。 RFID电子标签是RFID系统中必备的一部分，相当于条码技术中的条码符号，用来存储需

11、要识别传输的信息。 RFID电子标签是一种微型的无线收发装置，标签中存储着被识别物体的相关信息，通常被安置在被识别的物体表面上。 当RFID电子标签被RFID读写器识别到或者电子标签主动向读写器发送消息时，标签内的物体信息将被读取或改写。 由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信,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）

12、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。,电子标签的技术参数 标签激活的能量要求 标签信息的读写速度：可达毫秒级 标签信息的传输速率 标签信息的容量 标签的封装尺寸 标签的读写距离 标签的可靠性 标签的工作频率 标签的价格,我的速度很快哦！,但是我不便宜，有点贵,RFID标签类型与成本的关系,各种电子标签,电子标签构造示例,图中黑色区域就是该应答器的CPU、存储器、编解码功能单元，外围印制铜模线即为应答器的天线单元。,3 天线,天线用于在RFID标签与识读器之

13、间建立数据通信的通道，天线的设计和位置对系统的覆盖范围、识读距离和操作通信的准确信性起重要的作用。,标签天线 识读器天线,电子标签和读写器通过各自的天线构建起两者之间的非接触信息传输通道。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。 无论是射频标签还是读写器的正常工作，都离不开天线或耦合线圈：一方面，无源射频标签芯片要启动电路工作，需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量；另一方面，天线决定了射频标签与读写器之间的通信信道和通信方式，它在射频标签与读写器实现数据通信过程中起到了关键的作用。,RFID天线分类： （1）按工作频段分类。R

14、FID天线可分为短波天线、超短波天线、微波天线等。 （2）按方向性分类。RFID天线可分为全向天线、定向天线等。 （3）按外形分类。RFID天线可分为线状天线、面状天线等。 （4）根据天线的设计工艺分类。根据RFID天线的设计工艺分类，主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型三种基本形式的天线。其中，小于1m的近距离线圈型天线，它们主要工作在中低频段；而1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的RFID天线，它们工作在高频及微波频段。这几种类型天线的工作原理是不相同的。,电子标签天线 在电子标签中，天线面积占主导地位，即标签面积主要取决于其天线面积。然而天线的物理尺寸受到其工作频率电磁波

15、波长的限制。 设计要求： 足够小，能够贴到需要的物品上 有全向或半球覆盖的方向性 有提供最大可能的信号给标签的芯片 无论物品在什么方向上，天线的极化都能与阅读器的询问信号相匹配 非常便宜,RFID标签天线读距问题,超高频电子标签读取距离计算公式,Pth为芯片最小发射功率 Pt为阅读器发射功率 Gt为阅读器天线增益 Gr为标签天线增益,天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。,阅读器天线 设计要求： 天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量 功率匹配，以最大限度地利用磁通量的可用能量 足够的带宽，保证载波信号的传输，这些信号是用数据信

16、号调制而成的。,电感耦合型系统一般用线圈天线,电磁散射型系统一般采用平板天线,RFID天线结构和环境因素对天线性能有很大影响。天线的结构决定了天线方向图、阻抗特性、驻波比、天线增益、极化方向和工作频段等特性。 天线特性也受所帖附物体形状及物理特性的影响。例如，磁场不能穿透金属等导磁材料，金属物附近磁力线形状会发生改变，读写器天线发出的能量被金属吸收，读写距离就会大大减小。另外，液体对电磁信号有吸收作用，弹性基层会造成标签及天线变形，宽频带信号源（如发动机、水泵、发电机）会产生电磁干扰等。,没反射板的E面方向图 有反射板的E面方向图,注：金属板可以充当反射板，提高天线的增益，但同时牺牲掉了全向性，成了定向天线。,对于近距离RFID应用，天线一般和读写器集成在一起，对于远距离RFID系统，读写器天线天线和读写器一般采取分离式结构，通过阻抗匹配的同轴电缆连接。 一般来说，方向性天线由于具有较少回波损耗，比较适合标签应用；由于标签放置方向不可控，读写器天线一般采用