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RFID原理及应用课程论文(设计报告)题 目: 射频标签信息的读写原理与实现 作 者: 马孝辉 专业班级: 物联网工程141 完成日期: 2017.1.1 目 录1目的12原理分析12.1 RFID的定义12.2 RFID的发展背景12.3 RFID的概念22.4 RFID组成部分22.5 RFID的工作原理22.6 ISO15693协议32.7 ISO15693 模块上下位机通信协议分析32.8 帧格式32.9 ISO 15693命令分析52.9.1Inventory（寻卡）命令52.9.2 ReadSingleBlock命令52.9.3 WriteSingleBlock命令63实验与设计73.1仪器、软件73.1.1物联网RFID 教学软件PracticeSystem介绍73.1.2 JX608 实验箱73.1.3高频13.56MHz ISO15693M RFID 原理模块83.2读卡93.3 写卡114应用分析135总结131目的这次设计是为了学习和掌握 ISO/IEC 18000-3，ISO15693 标准规范第三部分协议和指令内容中的读取和写入标签数据操作部分内容。这次通过发送不同的基本指令，观察返回的数据，了解和掌握指令的作用。射频识别（RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。许多行业都运用了射频识别技术。将标签附着在一辆正在生产中的汽车，厂方便可以追踪此车在生产线上的进度。仓库可以追踪药品的所在。射频标签也可以附于牲畜与宠物上，方便对牲畜与宠物的积极识别（积极识别意思是防止数只牲畜使用同一个身份）。射频识别的身份识别卡可以使员工得以进入锁住的建筑部分，汽车上的射频应答器也可以用来征收收费路段与停车场的费用。掌握了RFID标签的指令的内容，我们就可以来实现更多的功能，为人们服务，方便人们的生活，推进社会的发展。2原理分析2.1 RFID的定义射频识别（RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。某些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。许多行业都运用了射频识别技术。将标签附着在一辆正在生产中的汽车，厂方便可以追踪此车在生产线上的进度。仓库可以追踪药品的所在。射频标签也可以附于牲畜与宠物上，方便对牲畜与宠物的积极识别（积极识别意思是防止数只牲畜使用同一个身份）。射频识别的身份识别卡可以使员工得以进入锁住的建筑部分，汽车上的射频应答器也可以用来征收收费路段与停车场的费用。某些射频标签附在衣物、个人财物上，甚至于植入人体之内。由于这项技术可能会在未经本人许可的情况下读取个人信息，这项技术也会有侵犯个人隐私忧患。2.2 RFID的发展背景射频标签是产品电子代码（EPC）的物理载体，附着于可跟踪的物品上，可全球流通 并对其进行识别和读写。RFID（Radio Frequency Identification）技术作为构建“物联网” 的关键技术近年来受到人们的关注。RFID 技术早起源于英国，应用于第二次世界大战中辨别敌我飞机身份，20 世纪 60 年代开始商用。RFID 技术 是一种自动识别技术，美国国防部规定 2005 年 1 月 1 日以后，所有军需物资都要使用 RFID 标签；美国食品与药品管理局（FDA）建议制药商从 2006 年起利用 RFID 跟踪常 造假的药品。Walmart，Metro 零售业应用 RFID 技术等一系列行动更是推动了 RFID 在全 世界的应用热潮。2000 年时，每个 RFID 标签的价格是 1 美元。许多研究者认为 RFID 标 签非常昂贵，只有降低成本才能大规模应用。2005 年时，每个 RFID 标签的价格是 12 美分 左右，现在超高频 RFID 的价格是 10 美分左右。RFID 要大规模应用，一方面是要降低 RFID 标签价格，另一方面要看应用 RFID 之后能否带来增值服务。欧盟统计办公室的统计数据表明，2010 年，欧盟有 3%的公司应用 RFID 技术，应用分布在身份证件和门禁控制、供应 链和库存跟踪、汽车收费、防盗、生产控制、资产管理。2.3 RFID的概念从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。从结构上讲RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器和很多应答器组成。最初在技术领域，应答器是指能够传输信息回复信息的电子模块，近些年，由于射频技术发展迅猛，应答器有了新的说法和含义，又被叫做智能标签或标签。RFID电子标签的阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。2.4 RFID组成部分应答器：由天线，耦合元件及芯片组成，一般来说都是用标签作为应答器，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。阅读器：由天线，耦合元件，芯片组成，读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式rfid读写器或固定式读写器。应用软件系统 ：是应用层软件，主要是把收集的数据进一步处理，并为人们所使用。我这次设计的重点就是对应答器中的标签的信息进行读写。2.5 RFID的工作原理RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的RFID系统， 是由阅读器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量，用以驱动电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据， 送给应用程序做相应的处理。以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合及后向散射耦合两种。一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。2.6 ISO15693协议ISO15693是针对射频识别应用的一个国际标准，该标准定义了工作在13.56Mhz下智能标签和读写器的空气接口及数据通信规范，符合此标准的标签最远识读距离达到2米。2.7 ISO15693 模块上下位机通信协议分析ISO15693 模块上下位机通信协议的工作方式：协议规定上位机（ PC）与读写器采用请求-应答（又称命令-响应）的工作方式进行交互，即上位机向读写器发送命令帧，读写器在执行相关操作后回送响应帧。读写器只有在接收到命令帧并执行相关操作后才会发送响应帧，否则读写器不会主动发送响应帧，响应帧与命令帧之间一一对应，并具有相同的帧编号，正常情况下不会出现多个命令帧对应一个响应帧或者一个命令帧对应多个响应帧的情况。2.8 帧格式命令帧和响应帧具有相同的帧格式，完整的数据帧由7个部分组成。（1）帧起始符长度为1个字节，协议规定以字符 : （0x3A）作为报文帧的起始标志。（2）帧编号长度为1个字节，有效值为 0255，可循环使用。命令帧的帧编号由上位机设定，下位机回送的响应帧使用相应命令帧的帧编号。（3）命令/状态码长度为1个字节。在命令帧中，该字节表示命令，用于指示读写器执行相应的操作。命令帧中的命令码表如图1 所示。图1在响应帧中，该字节用于指示下位机在执行相关操作时的状态。响应帧中的状态码表如图2所示。图2（4）数据长度（len）长度为 2 个字节，低字节在前，高字节在后，用于指示数据帧中数据包部分的字节数，单位为字节。特别注意，在命令帧中填写的数据长度值为实际数据长度的 2 倍，在响应帧中填写的值为实际数据长度。（5）数据包长度为065535个字节。命令帧使用数据包来向读写器传递参数，响应帧使用数据包来返回命令执行的结果。（6）校验码长度为2个字节。协议规定数据帧校验方式循环冗余检验（CRC-16）方式。校验范围是帧编号、命令/状态码、数据包长度和数据包。不包括帧起始符和帧结束符。计算结果为2字节，加入数据帧时，低字节在前，高字节在后。（7）帧结束符长度为两个字节，协议规定以字符CR-LF（ASCII：0x0D 0x0A）作为报文帧的结束标志。2.9 ISO 15693命令分析2.9.1Inventory（寻卡）命令Inventory（寻卡）命令命令码为0x01，用于检查读写器天线场区内的标签，读取并返回所有未进入静默状态的标签的UID。（1）命令帧数据命令帧数据部分的第一个字节为命令标识（Command Flag）。Inventory命令标识的8个字节定义为：在使用Inventory命令读取标签UID时，可以选择调制方式为FSK或者ASK，还需要选择是否使用防冲突算法来解决竞争，以获得多个标签的UID。组合起来，共有四种不同的情况。0x06：ASK方式，使用防冲突算法读取多个标签。0x07：FSK方式，使用防冲突算法读取多个标签。0x26：ASK方式，不使用防冲突算法，读取单个标签。0x27：FSK方式，不使用防冲突算法，读取单个标签。用户可以根据自己的需要来选择适当的Inventory方式。（2）响应帧数据读写器在成功地执行Inventory命令后，都会通过返回响应帧来报告命令执行的状态。如果读取标签失败，则通过相应的状态码报告失败的原因。例如，成功执行Inventory命令后却没有检测到任何标签，返回状态码0x0F，此时的响应帧不带任何数据，数据长度为0。如果成功地读取到了标签，返回的状态码为0x00，并通过响应帧的数据返回标签的UID。响应帧的数据以10个字节为单位，长度为10字节的N倍，N为读取到的标签数量。10个字节定义如下：第1个字节表示该标签的状态，一般为0x00，第2个字节是标签的DSFID（Data StorageFormat IDentifier，数据存储格式标识）；后面的8个字节用于存放标签的UID，注意是高字节在后。2.9.2 ReadSingleBlock命令读单个块命令码为0x07，作用是读取标签中存储的单个数据块的数据。（1）命令帧数据命令帧数据各个字节的定义如下所示：第一个字节是数据块长度（Block Length）。15693标签的数据块长度有两种：TI的标签数据块长度为4个字节，而ISO 15693标签的数据块长度为8个字节，在读取标签单个数据块的数据时，需要使用数据块长度这个字节来指定标签的块长度。第二个字节是命令标志（Command Flag），命令标志的8个位定义如下所示：最低位用于选择调制方式，为0时使用ASK，为1时使用FSK。第5位用于选择读取的卡片数量，为0表示对天线场区内所有的标签进行读取；为1表示读取某个特定标签的数据块。第6位用于选择是否在读取数据块内数据的同时获得数据块的安全状态，为0表示不需要获得数据块的安全状态；为1表示需要获得数据块的安全状态。第三个字节是块地址（Block Address），用于选择需要读取的数据块，以0作为起始序号。由于在对标签进行数据读取时，一般都是读取某个特定标签的数据，因此还需要在命令帧数据中包含标签的UID，用以指定需要读取的标签。（2）响应帧数据响应帧数据的第一个字节为标签的状态，在正确读取到标签数据时该字节为0x00。对于响应帧数据的其他部分，则依据命令参数的不同而不同。如果命令标志的第6位设置为1，那么在响应帧中帧数据的第二个字节则为标签返回的数据块安全状态，0x00表示数据块没有被锁定，0x01表示已经被锁定。如果命令标志的第6位为0，则在响应帧数据中没有该字节。响应帧数据的其他部分为读取到的数据块数据，数据的字节数依赖于命令中设置的块长度，为4或8个字节。2.9.3 WriteSingleBlock命令写单个块命令码为0x08，作用是往标签中写入单个数据块的数据。（1）命令帧数据命令帧数据各个部分的定义如下所示：第一个字节是数据块长度（Block Length）。在ReadSingleBlock命令中已经介绍，有4字节和8字节两种不同的块长度。第二个字节是命令标志（Command Flag），命令标志的8个位定义为：最低位用于选择调制方式，为0时使用ASK，为1时使用FSK。第5位用于选择需要写入的卡片，为0表示将数据写到天线场区内所有的标签中，为1表示只将数据写入某个特定的标签。一般在执行数据写入时都使用后者。第三个字节是块地址，用于指定写入位置，以0作为起始序号。接下来的4或8个字节（取决于块长度）是待写入的块数据。最后的部分是标签的UID，在对指定的标签执行数据写入时用于指定标签。（2）响应帧数据响应帧数据长度为1个字节，用于返回标签的状态，在成功将块数据写入标签时该字节为0x00或0x41。3实验与设计我首先分析了设计内容有关的理论知识，所要用到的协议。为此查阅了大量资料，还和同学们具体分析了做实验完成设计过程中可能遇到的问题以及解决方法，最终确定了实现设计所需要的设备的协议，以及通信方式。在此的基础上制定了实现设计的方法和步骤。从简单的内容做起，然后进一步加大难度，越来越接近最初的设想。从而实现自己最初的设计，达到既定目标。3.1仪器、软件这次设计我采用的仪器：JX608教学实验系统实验箱，PC机，供电电源、电子标签。采用的软件：Tag-Reader 实验教学软件物联网RFID 教学软件PracticeSystem。3.1.1物联网RFID 教学软件PracticeSystem介绍通过键盘，可以对实验教学系统进行各种操作，包括实验模块的选择、参数的配置、各个命令的执行等。用户使用该教学软件，既能方便地操作系统，完成各项实验，还能更加深刻地理解和掌握 RFID 读写器与上位 PC 之间的通信协议，熟悉 RFID 应用系统的工作原理，并在此基础上实现快速高效的 RFID 应用系统开发。 TagReader Practice Software 是一款专门配合此 RFID 教学实验系统的 PC 教学软件。软件通过串口与实验箱进行连接，并通过程序实现一系列较为复杂的底层通信协议，完成与试验箱各个实验模块之间的通信，从而达到控制各个实验模块并完成各种相关实验的目的。由于软件直接通过底层协议与实验箱进行通信，因此可以更好地将它们之间通信的具体细节展现出来，有助于更加深入、直观地理解 PC 与 RFID 读写器之间的通信协议以及 RFID 读写器设备及系统的工作原理。 软件共有 6 个功能模块，分别对应着实验箱的 6 个不同的实验模块单元。这6 个功能模块分别是： ISO 15693 模块、UHF 模块、ISO 14443 模块、125K 模块、WSN Settings 模块Configuration 模块。综合以上所述JX608教学实验系统实验箱和TagReader Practice Software有非常多的有点而且容易操作，结果都能显示在电脑屏幕上，非常适合用来实现我这次的设计。我这次设计用的就是ISO 15693 模块。3.1.2 JX608 实验箱JX608 实验箱如图3所示：图33.1.3高频13.56MHz ISO15693M RFID 原理模块高频13.56MHz ISO15693M RFID 原理模块如图4所示：图43.2读卡 1、系统上电检查JX608 教学实验系统使用配套的5V 电源适配器供电或者系统配套的交流变换直流的电源变换器，用高于5V 的电源供电，会导致系统电路损坏。高频13.56MHz ISO15693M 模块系统上电自检，连接好5V 电源适配器或者交流电源线并打开交流电源开关（面向实验箱，交流电源开关位于实验箱右侧）后，13.56MHz ISO15693M模块上拨动开关处于ON 的位置为上电状态。确保在此状态下，VDD、VRF 电源指示灯应该正常发光，液晶应该能正常显示。如有异常，在确保电源适配器有正常5V 电压输出，系统处于上电状态，而不能正常发光和显示，则系统异常，有硬件故障。系统正常，液晶显示：“WAIT FOR OP”和“AUTHENTICATION”两行，等待验证操作，用随机配套的一张ISO15693 的验证卡，在其左下位置的天线区域刷卡，即进入系统。2、打开软件界面使用串口线接 PC 机的DB9 串口，串口线另外一端连接到实验箱的COM_1DB9 插座上，再连接电源线，打开交流电源开关（面向实验箱，交流电源开关位于实验箱右侧），有拨动开关的需要把拨动开关拨到“ON”的位置。实验箱上电运行，小液晶模块，有显示，提示“WAIT FOR OP”和“AUTHENTICATION”时，将开机验证卡放到ISO15693M模块天线（天线是最外边一圈电路板线）上，听到一声蜂鸣器响后，打开TagReader Practice Software，进入如图5的界面：图5 点击如图5中所示的打开串口按钮，就可以打开串口，就可以点击ISO 15693命令中的指令，测试命令和配置命令中的指令来对标签进行不同的操作！3、读取UID将1个标签放于实验箱ISO15693M模块天线之上，运行“寻卡”命令，得到正常标签的UID。操作如图6所示：图62、读取单个BLOCK数据确认系统已经得到了单个标签的UID，在“ISO 15693命令”处，运行“读取单个数据块”command（命令），即可得到这个UID标签的相应Block里面的数据。操作如图7所示：图7查看“响应数据”，就是软件界面下部，命令参数设置和结果显示区里“R”行，后面的数据和软件界面中部的消息显示区里的数据，上图为放置1个标签（卡片）时读写器读到这个标签存储器内地址为0里面存储的数据。可以在BlkAdd处更改地址，选择读取需要地址的数据。我把地址改成了1，得到了另一个结果。操作如图8所示：图83.3 写卡1、写单个BLOCK数据确认系统已经得到了单个标签的UID，在“ISO 15693命令”处选择写入单个数据块，在BlkAdd处输入想要写入数据的存储器地址数值，再在BlkBit处输入需要写入存储器内这个地址的数据，运行“写入单个数据块”command，即可把需要的数据写入到当前标签指定地址的Block存储器里。这里我用了不同的地址和块长度做了实验。操作如图9.1,9.2,9.3,9.4所示：图9.1图9.2图9.3图9.4查看“响应数据”里面的“Status”处的信息。图9.2为放置1个标签（卡片）时读写器向标签的存储器01位置写入88 00 00 00 00 00 00 88这8个字节数据的响应。4应用分析我们做的这个射频标签信息的读写原理与实现是RFID实验中最基本的一个实验，阐述了RFID射频识别的基础，即寻卡和读卡命令以及所涉及到的ISO15693协议。为RFID以后的学习开了个好头，也加深了同学对RFID射频识别的理解，增加了学习兴趣。5总结和感想RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。 对于我们这次试验，想了很多，查阅了大量资料，最后通过实验实现了最初的设计。这次实验我学到了很多知识，把书本上学到的理论知识投入实践，锻炼了我的解决问题的能力和动手实践的能力，渐渐地，也开始对RFID产生兴趣。学习最好的方法，就是将理论和实际结合起来，亲身感受到这项技术的方方面面的时候，才能明白自己哪一部分的知识已经掌握了，而哪一部分还需要多加了解。设计东西的过程中形象生动地掌握了原来枯燥无味的理论知识，人话曰：让知识接地气。设计也给我带来了思考。在设计的过程中我一直在思考，既然是无线射频，那么这种技术是不是会存在安全漏洞？如何能保证数据不被盗？另外，如果哪天系统崩溃了，或者RFID里面的接收器出现故障，如何保证原始信息的回溯？既然RFID如此先进、好用，价格也并不十分贵，为什么好像并没有在生活中应用地十分普遍呢？这些问题，在上课时并不会十分关注，上课时更加专注于记住知识点或者弄懂例题的理论，而真正自己设计东西时，则会更加关注到这项技术本身的利与弊。在试验中，团队意识还是很重要的，一滴水难以办成事情，实验中，我们小组深刻讨论，研究，一起做的，一百本书就有一百个哈姆雷特，他个人的想法汇总，慢慢的，得到我们想要的结果，也对RFID有了更多客观的看法。