第2章-RFID系统的基本构成-ppt

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1、射频识别技术 第 二 讲 RFID系统 的 基本构成 RFID系统 的 基本构成 本章内容 2.1 RFID系统概述 2.2 阅读器 2.3 射频标签 2.4 软件系统组成 2.1 RFID系统概述 2.2 阅读器 2.3 射频标签 2.4 软件系统组成 2 2.5 小结2.5 小结 2.1 RFID系统概述 3 RFID系统RFID系统：包括两个基本器件阅读器阅读器和标签标签。 基本工作原理基本工作原理：阅读器以广播方式连续向周围发送携带能 量的基准信号，感应到能量的标签通过调制电路信号以反 射的方式向阅读器返回自身携带携带的数据，阅读器对接 收到的数据进行解码，并传给主机进行处理。 2.1

2、.1 RFID系统的基本构成2.1.1 RFID系统的基本构成 4 2.1.2 RFID系统的工作流程系统的工作流程 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号； 当电子标签进入阅读器天线工作区域时，电子标签天线产 生感应电流，电子标签获得能量被激活； 电子标签将自身编码等信息通过内置天线发送出去； 阅读器天线接收到从电子标签发送来的载波信号，并将其 传送到阅读器； 阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台应用系 统进行相关处理； 应用系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设 定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的 动作。 5 2.1.3 RFID系统的分类方法系统的分类方

3、法 6 按频率按频率 低频 高频 超高频/微波 按供电方式/能量来源按供电方式/能量来源 无源 有源 半有源/半无源 按耦合方式按耦合方式 电感耦合 电磁反向散射耦合 按照读写能力按照读写能力 只读型 一次写入只读型 有线可改写型 无线可改写型 按标签获取数据的技术方式按标签获取数据的技术方式 主动广播式 被动倍频式 被动反射调制式 按工作方式按工作方式 全双工 半双工 时序工作 按照标签封装形式分类按照标签封装形式分类 卡片型 标签型 植入型 佩件型 按照阅读器外观结构按照阅读器外观结构 固定式阅读器 便携式阅读器 工业读写器 2.2 阅读器 阅读器作为RFID系统重要的硬件组成部分 本节将

4、从以下六个方面对阅读器进行介绍 阅读器功能 阅读器分类 阅读器操作规范 阅读器组成 信号处理与控制 射频模块 7 阅读器组成 阅读器（Reader）利用射频技术读写电子标签信息的设 备，在RFID系统中扮演着重要的角色，通常由天线、射 频接口和逻辑控制单元三部分组成。 2.2.0 阅读器概述 8 阅读器为射频标签工作 提供能量 供能 通信 供能 通信 阅读器和射频标签之间的通信 阅读器和应用层（中间件）之 间的通信 安全保证安全保证 阅读器的通信安全性保 证功能，如使用加密、 解密技术 自组网自组网能力 多天线 能力 多天线管理管理 中间件中间件接口接口 2.2.1 阅读器功能 阅读器作为连接

5、应用层（中间件）和射频标签的 桥梁，占据着十分重要的位置。一般来说，阅读 器在RFID系统中可能提供的功能可以总结如下。 连接连接外设外设 9 2.2.2 阅读器分类 RFID系统的工作原理与其所使用的射频信号 频率有关。 工作频率越高，识别距离越远，数据传输速 率越高，信号衰减越厉害，对障碍物越敏感。 按工作频率按工作频率 低频和高频阅读器， 工作距离一般小于1m， 典型工作频率125kHz、 135kHz、6.78MHz、 13.56MHz和27.125MHz 超高频和特高频阅读器， 工作距离一般大于1m， 典型工作频率有433MHz、 860MHz960MHz、 2.45GHz和5.8G

6、Hz 10 2.2.2 阅读器分类 按结构外观按结构外观 在实际应用中，由于需要综合考虑阅读器成本、便携性等方面 因素，因此阅读器在外观结构上有很大不同，可分为以下三类： 固定式便携式工业读写器 有线供电 集成度高 搭建快速 体积较小 电池供电 移动方便 行业相关 可集成其 他传感器 11 2.2.3 阅读器操作规范 为保证阅读器的性能满足应用需求，在阅读器 的使用过程中通常要遵循相应的操作规范。 在阅读器的诸多性能指标上，阅读器的读写距离是影响 应用范围的关键因素。读写距离包括读取距离读取距离和写入距 离 写入距 离，写入距离一般是读取距离50%-70%。 影响读写距离的主要因素包括： 阅读

7、器天线和射频标签天线的耦合方式 阅读器射频信号的输出功率 射频载波信号的频率 天线方向 操作环境条件 标签移动速度等 12 2.2.3 阅读器操作规范 天线极化方向是天线向外辐射以及从外界接收 信号能力最强的方向 天线向外辐射以及从外界接收 信号能力最强的方向，标签的天线线圈平面和 阅读器天线线圈平面平行，识别距离最大。 增大阅读器对标签读写操作成功的概率措施： 1、改变阅读器方向来匹配标签天线的方向 2、使用多个冗余天线 3、增大阅读器天线的功率 4、增大阅读器天线单位时间的采样次数 5、采用环形极化天线或全向天线 障碍物对系统工作性能的影响 超高频的RFID，射频信号穿透非导体材料的能力非

8、 常强，但穿透水、金属等物质材料的能力却非常弱。 13 2.2.3 阅读器操作规范 在多种因素影响的环境下，很难用统一的标准去衡量各 个因素的影响，针对不同的应用特点，选择正确合适的 阅读器或有效地配置阅读器的参数保证系统的工作性能 非常重要，在阅读器的操作规范中，下面几点是选择使 用阅读器时需要重点考虑的方面： 工作频率工作频率：指阅读器的工作频段，工作频率越高，射频标签向阅读 器传输数据的速率越高，工作距离越远； 防碰撞性能防碰撞性能：指多个射频标签读取和写入操作场景下，系统的有效 数据传输率。同时对多个标签读取，需要阅读器或射频标签能够对 碰撞采取相应的措施来解决竞争问题 射频识别协议灵

9、活性射频识别协议灵活性：指阅读器和射频标签之间的通信协议是通用 协议还是专属协议。如EPCglobal C1 G2 国家（地区）无线电管理规范国家（地区）无线电管理规范：不同国家对于无线电频谱有不同要 求，对无线电的最大发射功率也有相应的要求 网络通信协议网络通信协议：阅读器和计算机网络系统之间的通信接口 （未完转下页） 14 2.2.3 阅读器操作规范 （接上页）（接上页） 多天线的支持能力多天线的支持能力： 指单个阅读器是否可以支持多个天线同时工作。扩大识别范围，节 约阅读器成本 中间件接口中间件接口： 性能稳定、易于使用的中间件接口可以帮助开发人员进行快速的开 发 连接外部传感器节点和控

10、制电路连接外部传感器节点和控制电路： 将RFID技术与传感器网络技术结合，可以增强系统的感知能力，创 造更加丰富的应用。 15 2.2.4 阅读器组成 又称基带控制模块 包含： 微处理器以执行计 算任务 数字信号处理芯片 以完成数字信号的 编码、解码 又称高频接口模块 包含分隔的信道： 发射器信号通道 接收器信号通道 天线是发射和接收射 频载波信号的设备， 是一种将电流信号转 换成电磁波发送出去， 或者将接收到的电磁 波转换为电流信号的 装置 16 2.2.5 信号处理与控制模块 与上位机进行通信通信，并执行执行从上位机发来的命令 控制控制与射频标签的通信过程 信号的编码编码和解码解码 执行防

11、碰撞防碰撞算法 对阅读器和射频标签之间传送的数据进行加密加密和解密解密 进行阅读器和标签之间的身份验证身份验证 17 2.2.6 射频模块 电感耦合型射频模块 低频、高频RFID系统通过阅 读器和射频标签之间的电感 耦合工作。该工作方式的射 频标签一般是无源的，通过 电感耦合给标签提供能量。 阅读器向射频标签发送数据 时，可以采用多种数字调制 技术对数据进行调制。 射频标签向阅读器发送数据 时，通常采用负载调制技术， 将射频标签天线线圈中的电 压变化传到阅读器天线。 18 2.2.6 射频模块 电磁反向散射耦合型射频模块 远距离超高频RFID系统利用阅 读器与射频标签之间的电磁反 向散射耦合原

12、理工作的，类似 于雷达的工作原理。 该系统中，为了给射频标签提 供工作能量，阅读器必须不断 地发送射频信号。 阅读器发送信号和标签返回信 号频率相同、强度不同。 为了区分，超高频的射频模块 可分为：源模块、发送模块和 接收模块。 19 2.2.6 射频模块 电磁反向散射耦合型射频模块 源模块的作用是为发送 通道和接收通道提供本 地振荡器（Local Oscillator）。 放大之后的载波信号经 过功分器分成两路，一 路送往发送模块，一路 送往接收模块。 20 2.2.6 射频模块 电磁反向散射耦合型射频模块 发送模块由混频器、线性放大器、 前置放大器、功率放大器和阻抗 变换网络组成。 线性放

13、大器 信号放大 混频器 载波、基带信号 混合调制 功率放大器阻抗变换网 阻抗匹配 低通滤波器 和谐波抑制器 环形器 21 2.2.6 射频模块 电磁反向散射耦合型射频模块电磁反向散射耦合型射频模块 接收模块由线性放大器、两个功 分器和两个混频器组成。 射频标签返回 微弱信号 天线 环形器（三 端口微波器件） 带通滤波器功分器 混频器 I路基带信 号输出 混频器 Q路基带信 号输出 22 2.2.6 射频模块 电磁反向散射耦合型射频模块电磁反向散射耦合型射频模块 射频模块主要功能 产生高频发送能量，激活射 频标签并为其提供能量（无 源射频标签） 对发送信号进行调制，用于 将数据传输给射频标签。

14、接收并解调来自射频标签的 射频信号。 23 2.3 射频标签 射频标签作为RFID系统重要的硬件组成部分 本节将从以下八个方面对阅读器进行介绍 标签分类 标签操作规范 标签组成 标签天线 标签芯片 标签唤醒电路 标签功能 标签制造 24 电子标签（Electronic Tag）也称之为智能标签（Smart Tag），是指由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。 电子标签 2.3.0 标签概述 25 天线天线：用来接收阅读器发送来的信号，并把数据送回给阅 读器。 电压调节器电压调节器：把阅读器发送来的射频信号转为直流电源， 并经大电容存储能量，再经稳

15、压电路以提供稳定的电源。 调制器调制器：将逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加 载到天线送给阅读器。 解调器解调器：把载波去除以取出正确的调制信号。 逻辑控制单元逻辑控制单元：用来译码阅读器发送来的信号，并依据其 要求回送数据给阅读器。 存储单元存储单元：包括电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM）和 只读存储器（Read-Only Memory, ROM），作为系统运行 及存放识别数据的位置。 26 2.3.1 标签功能 标签内存储和物品相关 的信息，如标识符、生 产日期、生产厂家等。

16、 存储数据 能量获取 标签可以从阅读器发射的电 磁场中吸收能量，为标签自 生供电。 射频标签的最主要功能就是能够存储一定量的数据， 并以反向散射的通信方式将存储的数据发送给阅读器。 一般来说，可以将标签的功能归纳为以下几点： 标签可以在距离阅读器一 定距离的范围内被识别。 非接触式 读写 防冲突机制 在多标签或多阅读器场 景下实现防冲突的响应 机制。 27 2.3.2 标签分类 按封装形式 方便携带同 时不影响美 观。 动植物管理 可以直接贴在 物体上，用于 工业生产、物 流管理等领域 便于携带、 天线保护好、 防水防潮 卡片型 标签 标签型 标签 配件型 标签 植入型 标签 28 2.3.2 标签分类 按能量来源 半无源标签 电路板上集成 电池，但作为 辅助备用 无源标 签 依靠反射阅读器发 射的载波信号来获 取能量 有源标 签 主动标签，依靠 自身电池。 29 2.3.2 标签分类 按工作频率