《第二章 物联网识别技术—RFID技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章 物联网识别技术—RFID技术（140页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物联网识别技术物联网识别技术RFIDRFID技术技术第二章学习要点学习要点lRFID基础知识lRFID标准国内外情况lRFID应用目录目录2.5 RFID技术的应用2.4 RFID技术的标准2.3 RFID技术的产品2.2 RFID技术的工作原理2.1 RFID技术概述2.1.1 2.1.1 RFIDRFID技术的定义技术的定义pRFID 概念：无线射频识别技术RFID(Radio Frequency IDentification)是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对被识别物体的自动识别。典型的RFID系统主要包括三个部分：阅读器(r
2、eader)，标签(tag)和中间件（应用软件）阅读器由天线、射频收发模块和控制单元构成。其中控制模块通常包含放大器、解码和纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电源电路等。标签一般包含天线、调制器、编码器以及存储器等单元。中间件是位于平台(硬件和操作系统)和应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议2.1.2 RFID2.1.2 RFID技术的背景技术的背景时间RFID技术发展1941-1950年雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。1951-1960年早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。196l-1970年RFID技术的理
3、论得到了发展，开始了一些应用尝试。1971-1980年RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。1981-1990年RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始出现。1991-2000年RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用。2001-今 标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低。RFID技术是物联网中的标识技术，是初级的感 知技术，用于身份代表及身份识别。要实现 物联网，首先要将物理世界那些不具有智能 的种种“物
4、”与互联网联接起来。1999年Auto ID中心提出的第一个物联网设想，RFID就被选中成为实现感知层的技术。在这个物联网雏形中，每件商品贴上一个RFID标签，内含该商品的唯一代码。2.1.3 RFID2.1.3 RFID技术与物联网的关系技术与物联网的关系在互联网与商品的联接终端，有一个RFID阅读器。当商品靠近阅读器时，将标签中的商品代码读出。直到2010年，几乎所有在零售业、物流、服饰以及药品业等领域建立的物联网都秉承了上述Auto ID中心建立的雏形物联网。目前采用RFID感知层的物联网已经实现了“人-人”通信与“人-物”通信，但要实现“物-物”通信与互动还需要经历一段艰难、漫长的道路
5、。今后的发展无疑是进一步增加RFID标签的智能，使联网的“物”达到足够的智能水平。RFID物联网仍然是未来10年中物联网的主流。2.2.1 RFID2.2.1 RFID技术的基本工作原理技术的基本工作原理RFID系统组成-系统至少应包括以下三个部分，一是阅读器（或称读头，解读器，读出装置，扫描器，通信器、读写器等）(reader,tra- nsceiver)，二是电子标签(或称射频卡、应答器、标签、智能标签等)(tag, transponder)，三是应用系统。另外还应包括天线(antenna, coil)，主机等。RFID工作原理1948年哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了RFI
6、D技术的理论基础。发生在阅读器和标签之间的射频信号的耦合类型有两种。1）电感耦合:变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律2）电磁反向散射耦合:雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。15l射频识别技术在工作频率13.56 MHz和小于135 kHz时，基于电感耦合方式（能量及信息传递以电感耦合方式实现），在更高频段基于雷达探测目标的反向散射耦合方式（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。l电感耦合方式的基础是电感电容（LC）。 谐振回路及电感线圈产生的交变磁场，它是射频卡工作的基本原理。基于雷达
7、探测目标的反向散射耦合方式的基础是电磁波传播和反射的形成，它用于微波电子标签。 实现射频能量和信息传递的电路称为射频前端电路，简称为射频前端。17l阅读器天线电路 在阅读器中，串联谐振回路具有电路简单、成本低，激励可采用低内阻的恒压源，谐振时可获得最大的回路电流等特点，被广泛采用。 19l串联谐振回路R1是电感线圈L损耗的等效电阻，RS是信号源的内阻，RL是负载电阻，回路总电阻值R=R1+RS+RL。 20l串联谐振回路回路电流阻抗 相角 21l串联谐振回路串联回路的谐振条件 22串联谐振回路具有如下特性：（1）谐振时，回路电抗X=0，阻抗Z=R为最小值，且为纯阻（2）谐振时，回路电流最大，即
8、，且与同相（3）电感与电容两端电压的模值相等，且等于外加电压的Q倍23l串联谐振回路回路的品质因数 通常，回路的Q 值可达数十到近百，谐振时电感线圈和电容器两端电压可比信号源电压大数十到百倍，在选择电路器件时，必须考虑器件的耐压问题， 24l谐振曲线取其模值 l谐振曲线25串联谐振回路的谐振曲线 26l通频带 谐振回路的通频带通常用半功率点的两个边界频率之间的间隔表示，半功率的电流比Im/I0m为0.707 通频带 27l电感线圈的交变磁场安培定理指出，电流流过一个导体时，在此导体的周围会产生一个磁场 。28电感线圈的交变磁场在电感耦合的RFID系统中，阅读器天线电路的电感常采用短圆柱形线圈结
9、构 。29l电感线圈的交变磁场磁感应强度B和距离r的关系ra时 30l应答器的天线电路： Microchip 公司的13.56 MHz应答器（无源射频卡）MCRF355和MCRF360芯片的天线电路 31le5550芯片的天线电路 工作频率为125 kHz，电感线圈和电容器为外接。 32l并联谐振回路串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况。如果信号源的内阻大，应采用并联谐振回路。在研究并联谐振回路时，采用恒流源（信号源内阻很大）分析比较方便。 34l串并联阻抗等效互换 35l阅读器和应答器之间的电感耦合l法拉第定理指出，一个时变磁场通过一个闭合导体回路时，在其上会产生感应电压，并在回
10、路中产生电流。当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，应答器的电感线圈上就会产生感应电压，当距离足够近，应答器天线电路所截获的能量可以供应答器芯片正常工作时，阅读器和应答器才能进入信息交互阶段。 l应答器线圈感应电压的计算 38l应答器谐振回路端电压的计算应答器天线电路的等效电路 39l应答器谐振回路端电压的计算40l应答器直流电源电压的产生 应答器直流电源电压的产生 41l整流与滤波 采用MOS管的全波整流电路 42l负载调制 应答器向阅读器的信息传送时采用 43l互感耦合回路的等效阻抗关系 44l电阻负载调制 l开关S用于控制负载调制电阻Rmod的接入与否，开关S的通断由二进制数据编码信号控制
11、。 45l电阻负载调制二进制数据编码信号用于控制开关S。当二进制数据编码信号为“1”时，设开关S闭合，则此时应答器负载电阻为RL和Rmod并联；而二进制数据编码信号为“0”时，开关S断开，应答器负载电阻为RL。应答器的负载电阻值有两个对应值，即RL（S 断开时）和RL与Rmod的并联值RL/Rmod（S闭合时）。 46l电阻负载调制次级回路等效电路中的端电压 47l电阻负载调制数据信息传递的原理（a）是应答器上控制开关S的二进制数据编码信号，（b）是应答器电感线圈上的电压波形，（c）是阅读器电感线圈上的电压波形，（d）是对阅读器电感线圈上的电压解调后的波形。 49l电容负载调制 电容负载调制是
12、用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod 50电容负载调制电容负载调制时初、次级回路的等效电路 51功率放大电路功率放大电路位于RFID系统的阅读器中，用于向应答器提供能量。采用谐振功率放大器：分为A类（或称甲类）、B类（或称乙类）、C类（或称丙类）三类工作状况。在电感耦合RFID系统的阅读器中，常采用B、D和E类放大器 52lB类功率放大器 采用两个特性相同的功率管接成推挽电路，它使一管在正半周导通，另一管在负半周导通，而后在负载上将它们的集电极电流波形合成，就可获得完整的正弦波。 53用于125 kHz阅读器的B类放大器 L3，C4和C5组成滤波网络，该带通滤波器的中心频率 。55l功率
13、传输 等效电路 从阻抗匹配的条件下负载可获得最大功率考虑，则应满足 ：56lD类功率放大器D类谐振式功率放大器有电压开关型、电流开关型等电路形式 5759l功率放大器效率 电流基波幅值 负载电阻RL上的输出功率 60l在L1C1谐振回路的设计上应注意下述问题L1C1谐振回路应准确调谐于激励信号的基波频率上 为保护功率放大管，可在其集电极C和发射极E间并接一个保护二极管 谐振回路中的负载RL在电感耦合方式的RFID系统中很容易理解为应答器反射电阻Rf1和电感线圈损耗电阻R1之和 61l电流开关型D类功率放大器 64l电压开关型Vs电流开关型在电压开关型电路中，两管是与电源电压Vcc串联的。电流开
14、关型电路中，两管与电源电压Vcc并联电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦半波，集电极与发射极间电压为方波，负载流过的电流是正弦波。电流开关型电路中，两管集电极电流是方波，集电极和发射极间电压是正弦半波，负载两端电压是正弦波。在电流开关型电路中，电流是方波，电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦半波66l传输线变压器耦合功率放大器 具有两种方式：一种按传输线方式来工作，另一种是按照变压器方式工作。 671:1传输线变压器应用 68传输线变压器 信号端呈现的输入阻抗 传输线的特性阻抗 69v1和v2为晶体管VT1和VT2的集电极电压，很显然在输入开关信号激励下，两管集电极电压为方波，且电压反相。
15、两管集电极电流为正弦半波，各电流的方向如箭头所指。 70lE类功率放大器 单管工作于开关状态，谐波成分主要为二次谐波。它选取适当的负载网络参数，以使它的瞬态响应最佳。当开关导通（或断开）的瞬间，只有当器件的电压（或电流）将为零后，才能导通（或断开）。71lE类功率放大器E类功率放大器基本电路 72lE类功率放大器等效电路图 7374设计一个E类功率放大器，工作频率为1MHz，输出到负载RL=50 上的功率Po=5W，电源电压VCC=24 V。 75l电磁兼容 :电子产品的电磁兼容性（EMC）包含两方面,一是电磁干扰（EMI），二是抗电磁干扰的能力（EMS）。l在13.56 MHz频率，FCC的
16、15.225节的规定为:载波频率范围:13.56 MHz7 kHz；基波频率的场强:10 mV/m，测量距离为30 m；谐波功率:基波功率的-50.45 dB 76具有EMC滤波电路的13.56 MHz阅读器的E类功率放大器电路 77l电感线圈的设计经验计算式:薄长方导体的电感量: 单层螺管形线圈 7879l应答器（射频卡）常用的电感线圈的结构和外形 RFIDRFID频率分类及具体频率分类及具体参数参数参数低频（LF）高频（HF）超高频（UHF）微波（MW）频率125134KHz13.56MHz433MHz, 860960 MHz2.45GHz, 5.8GHz技术特点穿透及绕射能力强 （能穿透水及绕射 金属物质）；但速 度慢、距离近性价比适中，适用 于绝大多数环境； 但抗冲突能力差速度快、作用距离 远；但穿透能力弱 （不能穿透水，被 金属物质全反射） ，且全球标准不统 一一般为有源系统， 作用距离远；但抗 干扰力差作用距离10m典型应用门禁、防盗系统等智能卡，电子票务 等自动控制、仓储管 理、物流跟踪等道路收费数据传输协议
