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1、第六章 RFID读写器 读写器，又称为阅读器（取决于是否可以读写器，又称为阅读器（取决于是否可以改写电子标签数据）、编程器等，是读取和写改写电子标签数据）、编程器等，是读取和写入电子标签信息的设备。读写器是射频识别系入电子标签信息的设备。读写器是射频识别系统中非常重要的组成部分。统中非常重要的组成部分。 读卡器引言一方面，电子标签返一方面，电子标签返回的微弱电磁信号通回的微弱电磁信号通过无线方式进入读写过无线方式进入读写器的射频模块并转换器的射频模块并转换成数字信号，再经过成数字信号，再经过逻辑处理单元进行处逻辑处理单元进行处理和存储，完成对电理和存储，完成对电子标签的识别或读写子标签的识别或
2、读写操作。操作。另一方面，上另一方面，上层软件与读写层软件与读写器需要进行交器需要进行交互，实现操作互，实现操作指令的执行和指令的执行和数据的汇总上数据的汇总上传。传。读写器是射频识别系统中非常重要的组成部分，同时具备通信、控制和计算功读写器是射频识别系统中非常重要的组成部分，同时具备通信、控制和计算功能的核心设备。能的核心设备。6.1 读写器的基本原理 n读写器的基本功能 读写器的基本任务是和电子标签建立通信关系，完成对电子标读写器的基本任务是和电子标签建立通信关系，完成对电子标签信息的读写。在这个过程中涉及的一系列任务，如通信的建立、签信息的读写。在这个过程中涉及的一系列任务，如通信的建立
3、、防止碰撞和身份验证等都是由读写器处理完成的。具体来说，读写防止碰撞和身份验证等都是由读写器处理完成的。具体来说，读写器具有以下功能：器具有以下功能： （1 1）给标签提供能量给标签提供能量。标签在被动式或者半被动式的情况下，。标签在被动式或者半被动式的情况下，需要读写器提供能量来激活电子标签。需要读写器提供能量来激活电子标签。 （2 2）实现与电子标签的通信实现与电子标签的通信。读写器对标签进行数据访问，其。读写器对标签进行数据访问，其中包括对电子标签的读数据和写数据。中包括对电子标签的读数据和写数据。6.1 读写器的基本原理n读写器的基本功能(续) （3）实现与计算机通信。读写器能够利用一
4、些接口实现与计算机的通信，并能够给计算机提供信息，用于系统终端与信息管理中心进行数据交换，从而解决整个系统的数据管理和信息分析需求。 （4）实现多个电子标签识别。读写器能够正确地识别其工作范围内的多个电子标签，具备防碰撞功能，可以与多个电子标签进行数据交换。 （5）实现移动目标识别。读写器不但可以识别静止不动的物体，也可以识别移动的物体。 （6）读写器必须具备数据记录功能。即对于需要记录的数据信息进行实时记录，以达到信息中心进一步进行数据分析的需求。6.1 读写器的基本原理n读写器的工作过程 射频标签读写设备均遵循如图的信息处理与控制模式，读写器射频标签读写设备均遵循如图的信息处理与控制模式，
5、读写器与射频标签（数据载体）之间通过空间信道实现读写器向射频标签与射频标签（数据载体）之间通过空间信道实现读写器向射频标签发送指令，射频标签接收读写器的指令后作出必要的响应，由此实发送指令，射频标签接收读写器的指令后作出必要的响应，由此实现了射频识别功能。现了射频识别功能。 读写器所获得的信息一般均要回送到应用系统，同时能够接收读写器所获得的信息一般均要回送到应用系统，同时能够接收应用系统下达的指令。如果应用系统要从非接触的数据载体（电子应用系统下达的指令。如果应用系统要从非接触的数据载体（电子标签）中读取或者写入数据，需要非接触的读写器作为接口。从应标签）中读取或者写入数据，需要非接触的读写
6、器作为接口。从应用软件的角度分析，对数据载体的访问应该是尽可能透明的用软件的角度分析，对数据载体的访问应该是尽可能透明的. 6.1 读写器的基本原理n读写器工作方式 读写器先发言（读写器先发言（Reader Talks FirstReader Talks First，RTFRTF） 标签先发言（标签先发言（Tag Talks FirstTag Talks First，TTFTTF） 一般情况下，电子标签处于一般情况下，电子标签处于“等待等待”或称为或称为“休眠休眠”的工的工作状态，当电子标签进入读写器的作用范围时，检测到一定特征作状态，当电子标签进入读写器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号
7、，便从的射频信号，便从“休眠休眠”的工作状态转到的工作状态转到“接收接收”状态，接收状态，接收到读写器发送的指令后，进行相应的处理，然后将结果返回读写到读写器发送的指令后，进行相应的处理，然后将结果返回读写器。这类只接收到读写器的特殊命令才发送数据的电子标签被称器。这类只接收到读写器的特殊命令才发送数据的电子标签被称为为RTFRTF方式。方式。6.2 读写器的基本构成 读写器的基本组成包括：读写器的基本组成包括：l射频模块（高频接口）射频模块（高频接口）l控制处理模块控制处理模块l天线天线读写器天线的作用是发射电磁能量以激活读写器天线的作用是发射电磁能量以激活电子标签，并向电子标签发出指令，同
8、时电子标签，并向电子标签发出指令，同时也要接收来自电子标签的信息。也要接收来自电子标签的信息。6.2 读写器的基本构成读写器天线的设计和选择就必须满足以下基本条件：读写器天线的设计和选择就必须满足以下基本条件： 1 1）天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量；）天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量； 2 2）功率匹配，以最大程度地利用磁通量的可用能量；）功率匹配，以最大程度地利用磁通量的可用能量； 3 3）足够的带宽，保证载波信号的传输，这些信号是）足够的带宽，保证载波信号的传输，这些信号是用数字信号调制而成的；用数字信号调制而成的； 4 4）要求低剖面、小型化，读写器由于结构、安装和）
9、要求低剖面、小型化，读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，读写器产品正朝着小型化方向使用环境等变化多样，读写器产品正朝着小型化方向发展。发展。6.2 读写器的基本构成 目前，目前，RFIDRFID读写器的天线主要有读写器的天线主要有线圈型线圈型、微带贴片型微带贴片型、偶极子型偶极子型三三种基本形式。种基本形式。 小于小于1 1m m的近距离应用系统一般采用的近距离应用系统一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要适合工作在中低频段。它们主要适合工作在中低频段。 1 1m m以上远距离的应用系统需要采用以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型天线，这
10、些微带贴片型或偶极子型天线，这些类型的天线工作在高频及微波频段。类型的天线工作在高频及微波频段。 偶极子天线微带贴片型6.2 读写器的基本构成 读写器天线可以外置也可以内置：读写器天线可以外置也可以内置：对于近距离对于近距离RFIDRFID系统（如系统（如13.5613.56MHzMHz小于小于1010cmcm的识别系的识别系统），天线一般和读写器集成在一起；统），天线一般和读写器集成在一起；对于远距离对于远距离RFIDRFID系统（如系统（如UHFUHF频段大于频段大于3 3m m的识别系统），的识别系统），天线和读写器常采取分离式结构，通过阻抗匹配的同天线和读写器常采取分离式结构，通过阻抗
11、匹配的同轴电缆将读写器和天线连接到一起。轴电缆将读写器和天线连接到一起。 与电子标签不同的是，读写器天线一般无尺寸要求，与电子标签不同的是，读写器天线一般无尺寸要求，可选择的种类较多。可选择的种类较多。6.3 读写器的结构形式 n固定式读写器 固定式读写器是最常见的一种读写器形式，它是将射频控制器固定式读写器是最常见的一种读写器形式，它是将射频控制器和高频接口封装在一个固定的外壳中，完全集成射频识别的功能。和高频接口封装在一个固定的外壳中，完全集成射频识别的功能。有时为了减少设备尺寸、降低成本和便于运输，也可以将天线和射有时为了减少设备尺寸、降低成本和便于运输，也可以将天线和射频模块封装在一个
12、外壳单元中，这样就可构成集成式读写器或一体频模块封装在一个外壳单元中，这样就可构成集成式读写器或一体化读写器。化读写器。 固定式读写器典型的技术指标如下：固定式读写器典型的技术指标如下： 供电电压：供电电压：DC 12DC 12V V、AC 220AC 220V V； 天线：分离式天线或双天线，集成天线；天线：分离式天线或双天线，集成天线； 通信接口：通信接口：RS-232RS-232、RS-485RS-485、以太网口等；、以太网口等； 工作温度：工作温度：3030+70+70。6.3 读写器的结构形式125 kHz工业级读写器 2.4 GHz远距离读写器 工业读卡器和发卡机是常见的固定式读
13、写器，如图所示：工业读卡器和发卡机是常见的固定式读写器，如图所示：1.工业读写器 大多具备标准的现场总线接口，以便容易集成到现有设备中，大多具备标准的现场总线接口，以便容易集成到现有设备中，它主要应用在矿井、畜牧、自动化生产等工业领域。这类读写器还它主要应用在矿井、畜牧、自动化生产等工业领域。这类读写器还满足多种不同的防护需要，甚至有的还带防爆保护措施。满足多种不同的防护需要，甚至有的还带防爆保护措施。6.3 读写器的结构形式2发卡机 发卡机也叫做读卡器、发卡器等，主要用来对电子标签进行具发卡机也叫做读卡器、发卡器等，主要用来对电子标签进行具体内容的操作，包括建立档案、消费纠正、挂失、补卡以及
14、信息纠体内容的操作，包括建立档案、消费纠正、挂失、补卡以及信息纠正等，经常与计算机放在一起。从本质上说，发卡机实际上就是小正等，经常与计算机放在一起。从本质上说，发卡机实际上就是小型的射频读写器。型的射频读写器。3OEM模块 有些应用需要读写器的封装外壳，有些应用需要读写器的封装外壳，同时同时RFIDRFID读写器也只是作为集成设备中读写器也只是作为集成设备中的一个单元，这样只需要标准读写器的的一个单元，这样只需要标准读写器的射频前端模块，而后端的控制处理模块射频前端模块，而后端的控制处理模块和和I/OI/O接口可以大为简化。经过简化的接口可以大为简化。经过简化的OEMOEM读写器模块读写器模
15、块( (如图所示如图所示) )可以作为应可以作为应用系统设备中的一个嵌入式单元。用系统设备中的一个嵌入式单元。OEM模块6.3 读写器的结构形式n便携式读写器 便携式读写器便携式读写器也叫手持式读写器（如图所示），是适合于用户也叫手持式读写器（如图所示），是适合于用户手持使用的一类射频电子标签读写设备。从外观上看，便携式读写手持使用的一类射频电子标签读写设备。从外观上看，便携式读写器一般带有器一般带有LCDLCD显示屏，并且带有键盘面板以便于操作或输入数据。显示屏，并且带有键盘面板以便于操作或输入数据。通常可以选用通常可以选用RS-232RS-232接口来实现便携式读写器与接口来实现便携式读写
16、器与PCPC之间的数据交换。之间的数据交换。6.3 读写器的结构形式 便携式读写器一般采用大容量可充电的电池进行供电，操作系便携式读写器一般采用大容量可充电的电池进行供电，操作系统可采用嵌入式统可采用嵌入式LinuxLinux、WinCEWinCE等嵌入式操作系统。根据环境的不等嵌入式操作系统。根据环境的不同，还可能具有其他的特性，如防水、防尘等。同，还可能具有其他的特性，如防水、防尘等。 便携式读写器还有其自身的一些特点，主要包括省电设计以及便携式读写器还有其自身的一些特点，主要包括省电设计以及天线与读写器一体化设计。天线与读写器一体化设计。 省电设计：便携式读写器由于要自带电源工作，因而其
17、所有电省电设计：便携式读写器由于要自带电源工作，因而其所有电源需求均由内部电池供给。由于读写标签功率以及电源转换的效率源需求均由内部电池供给。由于读写标签功率以及电源转换的效率的要求，和对设备长时间工作的期望等因素，省电设计已成为便携的要求，和对设备长时间工作的期望等因素，省电设计已成为便携式读写器首先要考虑的问题。式读写器首先要考虑的问题。 一体化设计：便携式的特点决定了读写器与天线应采用一体化一体化设计：便携式的特点决定了读写器与天线应采用一体化的设计方案。在个别情况下，也可采用可替换的天线以满足对便携的设计方案。在个别情况下，也可采用可替换的天线以满足对便携式读写器更大读取范围的要求。式
18、读写器更大读取范围的要求。6.4 读写器管理技术 n读写器管理协议 读写器管理读写器管理，主要是指读写器的配置、监视、控制、认证和协，主要是指读写器的配置、监视、控制、认证和协调。最初的读写器管理方法主要是基于读写器设备厂商提供的系统调。最初的读写器管理方法主要是基于读写器设备厂商提供的系统配置功能。基于单一读写器管理的方法越来越体现出其局限性，多配置功能。基于单一读写器管理的方法越来越体现出其局限性，多读写器管理已成为读写器系统设计中的重要研究方法。读写器管理已成为读写器系统设计中的重要研究方法。 EPCGlobalEPCGlobal作为在超高频作为在超高频RFIDRFID领域占主导地位的组
19、织，提出了领域占主导地位的组织，提出了对读写器管理的相应方法，其实质是把读写器管理融入对读写器管理的相应方法，其实质是把读写器管理融入EPCEPC网络体系网络体系架构中，利用架构中，利用EPCEPC网络的元素来实现读写器管理，并且提出了基于网络的元素来实现读写器管理，并且提出了基于EPCEPC体系架构的读写器协议（体系架构的读写器协议（Reader ProtocolReader Protocol）。）。 读写器管理协议是分层实现的，共分为三层，即读写器层、消读写器管理协议是分层实现的，共分为三层，即读写器层、消息层和传输层。息层和传输层。 6.4 读写器管理技术 读写器层与消息层之间的接口称为
20、读写器层与消息层之间的接口称为“消息通道消息通道”，每一个消息，每一个消息通通道都可以在读写器层与消息层之间独立传送消息。两个基本的消息道都可以在读写器层与消息层之间独立传送消息。两个基本的消息通道如下：通道如下： （1 1）控制通道。用于传递由消息系统向读写器发送请求消息，）控制通道。用于传递由消息系统向读写器发送请求消息，读写器从该通道接收信息系统主机发送的请求并给予回应。控制通读写器从该通道接收信息系统主机发送的请求并给予回应。控制通道中交换的消息遵循请求道中交换的消息遵循请求/ /响应模式，读写器与信息系统主机之间的响应模式，读写器与信息系统主机之间的管理与控制交互主要是通过控制通道完
21、成。管理与控制交互主要是通过控制通道完成。 （2 2）通知通道。完成由读写器到信息系统主机的异步消息交）通知通道。完成由读写器到信息系统主机的异步消息交互，实现由读写器向信息系统主机报告标签的读取信息情况。互，实现由读写器向信息系统主机报告标签的读取信息情况。 读写器管理协议中，提供了基本的读写器管理功能，表现为：读写器管理协议中，提供了基本的读写器管理功能，表现为：读写器读写器IDID获取；读写器名字管理；读写器制造商信息；读写器基本获取；读写器名字管理；读写器制造商信息；读写器基本配置；读写器信号强度。配置；读写器信号强度。6.4 读写器管理技术 读写器管理确立为读写器管理确立为EPCEP
22、C网络体系中的一个组成部分，即读写器管网络体系中的一个组成部分，即读写器管理角色。读写器管理角色的任务如下：理角色。读写器管理角色的任务如下： 1 1）监控部署区域内每一个读写器的工作状态；）监控部署区域内每一个读写器的工作状态； 2 2）管理每一个读写器的配置情况；）管理每一个读写器的配置情况； 3 3）执行其他读写器管理任务，如读写器自动发现、软件的配置）执行其他读写器管理任务，如读写器自动发现、软件的配置与更新、管理读写器的功耗等。与更新、管理读写器的功耗等。 读写器与读写器管理角色之间的接口称为读写器管理接口，读读写器与读写器管理角色之间的接口称为读写器管理接口，读写器管理接口的主要任
23、务如下：写器管理接口的主要任务如下： 1 1）提供方法查询读写器的配置，如读写器标识、天线数量等；）提供方法查询读写器的配置，如读写器标识、天线数量等； 2 2）提供方法监控读写器的工作状态，如标签读取数量、通信信）提供方法监控读写器的工作状态，如标签读取数量、通信信道状态、天线连接性、传输功率级别等；道状态、天线连接性、传输功率级别等； 3 3）提供方法控制读写器的配置）提供方法控制读写器的配置, ,如使能如使能/ /禁止某天线或其他特禁止某天线或其他特征等；征等； 4 4）提供方法实现其他读写器管理功能，如读写器自动发现、软）提供方法实现其他读写器管理功能，如读写器自动发现、软件配置以及管
24、理读写器功耗等。件配置以及管理读写器功耗等。6.4 读写器管理技术n多读写器组网技术多读写器系统的拓扑实现方式有如下几种：多读写器系统的拓扑实现方式有如下几种： （1 1）将每个读写器的通信串口和多串口卡相连，再将多串口卡的）将每个读写器的通信串口和多串口卡相连，再将多串口卡的输出端口和计算机系统相连，计算机对数据进行本地过滤和存储操输出端口和计算机系统相连，计算机对数据进行本地过滤和存储操作后接入局域网或者远程网络。多串口卡实际上起到了一个简单的作后接入局域网或者远程网络。多串口卡实际上起到了一个简单的数据中间件的作用，经过简单的设计，可以使多串口卡起到数据过数据中间件的作用，经过简单的设计
25、，可以使多串口卡起到数据过滤与校验的作用。滤与校验的作用。 （2 2）每个读写器都和计算机直接相连，计算机经过本地数据处理）每个读写器都和计算机直接相连，计算机经过本地数据处理后按照一定的协议向数据库或者获得授权使用这些数据的其他终端后按照一定的协议向数据库或者获得授权使用这些数据的其他终端分发数据。这种系统拓扑结构明晰，但是成本较高。分发数据。这种系统拓扑结构明晰，但是成本较高。 （3 3）所有读写器都和专用数据处理中间件相连，中间件对读写器）所有读写器都和专用数据处理中间件相连，中间件对读写器发送来的数据进行本地过滤处理，然后直接传入网络。这种结构可发送来的数据进行本地过滤处理，然后直接传
26、入网络。这种结构可以很方便地将读写器数据直接进行网络传输，对数据进行网络操控以很方便地将读写器数据直接进行网络传输，对数据进行网络操控和管理。中间件可能还会兼容不同协议的读写器。和管理。中间件可能还会兼容不同协议的读写器。6.4 读写器管理技术 一般来讲，一般来讲，RFIDRFID多读写器网络系统应该根据用户现有的网络布多读写器网络系统应该根据用户现有的网络布线情况和网络操控功能需求进行设计。比如，对于不具备网络条件线情况和网络操控功能需求进行设计。比如，对于不具备网络条件的应用环境，可选的方案是通过多串口卡或者中间件将系统连入网的应用环境，可选的方案是通过多串口卡或者中间件将系统连入网络；对
27、于网络条件比较便利、又不太考虑成本因素的情况，则可以络；对于网络条件比较便利、又不太考虑成本因素的情况，则可以考虑将每台读写器和计算机分别相连，每台计算机均单独接入计算考虑将每台读写器和计算机分别相连，每台计算机均单独接入计算机，进行数据传输和共享。机，进行数据传输和共享。 在一些特殊应用场合，还可以通过微波、卫星通信等方式实现在一些特殊应用场合，还可以通过微波、卫星通信等方式实现读写器到数据管理系统的信息传播。读写器到数据管理系统的信息传播。 微波是利用高频无线电波在空气中的传播来进行通信。读写器微波是利用高频无线电波在空气中的传播来进行通信。读写器将数据信号载波到高频微波信号上定向发射，接
28、收站将信号捕获后将数据信号载波到高频微波信号上定向发射，接收站将信号捕获后进行收发处理或转发。微波是直线传播的，具有高度的方向性。另进行收发处理或转发。微波是直线传播的，具有高度的方向性。另外，如果信号传输超过一定距离（最大外，如果信号传输超过一定距离（最大5050kmkm），则需要中继站进行），则需要中继站进行接力传输。接力传输。6.4 读写器管理技术n读写器发展趋势 随着随着RFIDRFID技术的不断发展，读写器将朝着多功能、多制式兼容、技术的不断发展，读写器将朝着多功能、多制式兼容、多频段兼容、小型化、多数据接口、便携式、多智能天线端口、多频段兼容、小型化、多数据接口、便携式、多智能天线
29、端口、嵌入式和模块化的方向发展，而且成本也将越来越低。嵌入式和模块化的方向发展，而且成本也将越来越低。 （1 1）多功能。为了适应市场对射频识别系统多样性和多功能的）多功能。为了适应市场对射频识别系统多样性和多功能的要求，读写器将集成更多更加方便实用的功能。同时为了适应某要求，读写器将集成更多更加方便实用的功能。同时为了适应某些便利的应用，读写器将具有更多的智能性，具备一定的数据处些便利的应用，读写器将具有更多的智能性，具备一定的数据处理能力，可以按照一定的规则将应用系统处理程序下载到读写器理能力，可以按照一定的规则将应用系统处理程序下载到读写器中。这样，读写器就可以脱离中央处理计算机，脱机情
30、况下工作，中。这样，读写器就可以脱离中央处理计算机，脱机情况下工作，完成门禁、报警等功能。完成门禁、报警等功能。 （2 2）多制式兼容。由于目前全球没有统一的射频识别技术标准。）多制式兼容。由于目前全球没有统一的射频识别技术标准。但是随着射频识别技术的逐渐统一，只要这些标签协议是公开的但是随着射频识别技术的逐渐统一，只要这些标签协议是公开的或者是经过许可的，某些厂家的读写器将兼容多种不同制式的电或者是经过许可的，某些厂家的读写器将兼容多种不同制式的电子标签，以提高产品的应用适应能力和市场竞争力。子标签，以提高产品的应用适应能力和市场竞争力。6.4 读写器管理技术 （3 3）多频段兼容。为了适应
31、不同国家和地区的需要，读写器将）多频段兼容。为了适应不同国家和地区的需要，读写器将朝着兼容多个频段，输出功率数字可控等方向发展。朝着兼容多个频段，输出功率数字可控等方向发展。 （4 4）成本更低。相对来说，目前大规模的射频识别应用，其成）成本更低。相对来说，目前大规模的射频识别应用，其成本还是比较高的。随着市场的普及和技术的发展，读写器乃至整个本还是比较高的。随着市场的普及和技术的发展，读写器乃至整个射频识别系统的应用成本将会越来越低。射频识别系统的应用成本将会越来越低。 （5 5）多种通信数据接口。读写器的空中界面和网络界面可以根）多种通信数据接口。读写器的空中界面和网络界面可以根据通信量进
32、行改变，以适应不同的通信速率；读写器提供灵活的多据通信量进行改变，以适应不同的通信速率；读写器提供灵活的多种接口以供用户选择，如种接口以供用户选择，如RS-232RS-232、RS-485RS-485、USBUSB、红外、以太网口、红外、以太网口、无线网络接口以及其他各种自定义接口。无线网络接口以及其他各种自定义接口。 （6 6）小型化。这是读写器市场发展的一个必然趋势。随着射频）小型化。这是读写器市场发展的一个必然趋势。随着射频识别技术的应用不断增多，人们对读写器使用是否足够方便提出了识别技术的应用不断增多，人们对读写器使用是否足够方便提出了更高的要求，这就要求不断采用新的技术来减小读写器的
33、体积，使更高的要求，这就要求不断采用新的技术来减小读写器的体积，使得读写器方便携带，容易使用以及易于与其他的系统进行连接，从得读写器方便携带，容易使用以及易于与其他的系统进行连接，从而使得接口模块化。而使得接口模块化。6.5 本章小结 作为作为RFIDRFID系统的一个重要组成部分，读写器起到了连接电子标系统的一个重要组成部分，读写器起到了连接电子标签与应用系统的基础性作用。签与应用系统的基础性作用。 本章首先介绍了本章首先介绍了RFIDRFID读写器的基本原理、基本组成以及各种结读写器的基本原理、基本组成以及各种结构形式，然后对构形式，然后对RFIDRFID读写器应用中的管理和组网技术、发展趋势进读写器应用中的管理和组网技术、发展趋势进行了介绍。行了介绍。n作业：1、P90 1-72、如何选择RFID读写器？
