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RFID系统工作原理 王志军 1 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 1硬件组成 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 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 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 2电子标签电子标签 ElectronicTag 也称为智能标签 SmartTag 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 电子标签是RFID系统中真正的数据载体 系统工作时 阅读器发出查询 能量 信号 标签 无源 在收到查询 能量 信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作 一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器 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 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 1 2软件组成 1中间件中间件是一种独立的系统软件或服务程序 分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源 中间件位于客户机 服务器的操作系统之上 管理计算机资源和网络通信 中间件的主要任务和功能 1 阅读器协调控制终端用户可以通过RFID中间件接口直接配置 监控以及发送指令给阅读器 一些RFID中间件开发商还提供了支持阅读器即插即用的功能 使终端用户新添加不同类型的阅读器时不需要增加额外的程序代码 2 数据过滤与处理当标签信息传输发生错误或有冗余数据产生时 RFID中间件可以通过一定的算法纠正错误并过滤掉冗余数据 RFID中间件可以避免不同的阅读器读取同一电子标签的碰撞 确保了阅读准确性 3 数据路由与集成RFID中间件能够决定采集到的数据传递给哪一个应用 RFID中间件可以与企业现有的企业资源计划 ERP 客户关系管理 CRM 仓储管理系统 WMS 等软件集成在一起 为它们提供数据的路由和集成 同时中间件可以保存数据 分批的给各个应用提交数据 4 进程管理RFID中间件根据客户定制的任务负责数据的监控与事件的触发 如在仓储管理中 设置中间件来监控货品库存的数量 当库存低于设置的标准时 RFID中间件会触发事件 通知相应的应用软件 2各种RFID系统原理 基本工作原理 由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号 当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流 从而获得能量 电子标签被激活 使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去 阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号 经天线调节器传送到阅读器信号处理模块 经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关的处理 主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份 针对不同的设定作出相应的处理和控制 最终发出指令信号控制阅读器完成相应的读写操作 从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看 系统一般可以分为两类 电感耦合 InductiveCoupling 系统和电磁反向散射耦合 BackscatterCoupling 系统 电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合 依据的是电磁感应定律 该方式一般适合于中 低频工作的近距离RFID系统 典型工作频率 125kHz 225kHz 和13 56MHz 识别作用距离一般小于1m 典型作用距离为0 20cm 电磁反向散射耦合基于雷达模型 发射出去的电磁波碰到目标后反射 同时携带目标信息 依据的是电磁波的空间传播规律 该方式一般适用于高频 微波工作的远距离RFID系统 典型的工作频率 433MHz 915MHz 2 45GHz和5 8GHz 识别作用距离大于1m 典型作用距离为4 6m 2 1电感耦合RFID系统电感耦合工作方式对应于ISO IEC14443协议 电感耦合电子标签由一个电子数据作为载体 通常由单个微芯片及天线 大面积线圈 等组成 在标签中的 微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供 高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生 并穿越线圈横截面和周围空间 以使附近的电子标签产生电磁感应 1能量供应阅读器天线线圈激发磁场 其中一小部分磁力线穿过电子标签天线线圈 通过感应 在电子标签的天线线圈上产生电压U 将其整流后作为微芯片的工作电源 电容器Cr与阅读器的天线线圈并联 电容器与天线线圈的电感一起 形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路 该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流 电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路 调谐到阅读器的发射频率 通过该回路的谐振 电子标签线圈上的电压U达到最大值 这两个线圈的结构可以被解释为变压器 变压器的耦合 2数据传输对于电子标签和阅读器天线之间的作用距离不超0 16 并电子标签处于近场范围内 电子标签与阅读器的数据传输为负载调制 电感耦合 变压器耦合 如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的交变磁场 那么电子标签就可以从磁场获得能量 采用从供应阅读器天线的电流在阅读器内阻上的压降就可以测得这个附加的功耗 电子标签天线上负载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化 实现了用电子标签对天线电压进行振幅调制 而通过数据控制负载电压的接通和断开 这些数据就可以从标签传输到阅读器了 此外 由于阅读器天线和电子标签天线之间的耦合很弱 因此阅读器天线上表示有用信号的电压波动比阅读器的输出电压小 在实践中 对13 56MHz的系统 天线电压 谐振时 只能得到约10mV的有用信号 因为检测这些小电压变化很不方便 所以可以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带 如果电子标签的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开 那么在阅读器发送频率将产生两条谱线 此时该信号就容易检测了 这种调制也称为副载波调制 2 2电磁反向散射RFID系统 1反向散射调制电磁波从天线向周围空间发射 到达目标的电磁波能量的一部分 自由空间衰减 被目标吸收 另一部分以不同的强度散射到各个方向上去 反射能量的一部分最终会返回发射天线 称其为回波 在雷达技术中 用这种反射波测量目标的距离和方位 在RFID系统中 利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输 主要应用于915MHz 2 45GHz甚至更高频率的系统中 该RFID系统工作分为以下两个过程 1 标签接收读写器发射的信号 其中包括已调制载波和未调制载波 当标签接收的信号没有被调制时 载波能量全部被转换为直流电压 该电压供给电子标签内部芯片能量 当载波携带数据或者命令时 标签通过接收电磁波作为自己的能量来源 并对接收信号进行处理 从而接收读写器的指令或数据 2 标签向读写器返回信号时 读写器只向标签发送未调制载波 载波能量一部分被标签转化成直流电压 供给标签工作 另一部分能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向读写器传递信息 电子标签的等效电路图如下所示 Vs为天线接收信号 Za表示天线的阻抗 Z1表示芯片的输入阻抗 为了达到调制背向反射载波的目的 Z1有两种状态 分别为Z11和Z12 当标签需要发送的信息为二进制数 1 时 芯片的阻抗状态为Z11 当标签需要发送的信息为二进制数 0 时 芯片的阻抗状态为Z12 这样在两种状态下标签反射回读写器的信号为 S0 t s t S1S1 t s t S2式中 s t 为标签接收到的信号 当电子标签的阻抗采取不同的变化方式时 可以形成不同的后向散射调制方式 使得标签返回的能量和进入标签的能量具有不同的特性 以下为四种情况 1 OOK调制方式 On OffKeying OOK 在该方式下 阻抗状态为1时 完全反射 阻抗状态为2时完全匹配 而且这两种阻抗状态下标签的反射系数的相位相同 S1 1 S2 0arg S1 arg S2 2 BPSK调制方式 BinaryPhaseShiftKeying BPSK 在该方式下 这两种阻抗状态有相同程度的失配 但是这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相反 0 S1 S2 1arg S1 arg S2 3 任意调制因子的ASK AmplitudeShiftKeying ASK 调制 在该方式下 这两种阻抗状态有着不同程度的失配 但是这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同 0 S1 S2 1arg S1 arg S2 这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成任意调制因子的ASK调制方式 4 PR ASK PhaseReverseAmplitudeShiftKeying PR ASK 方式 该方式下 这两种阻抗状态有不同程度的失配 而且这两种阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同 0 S1 S2 1arg S1 arg S2 这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成相位相反的幅度键控调制方式 2反向散射调制的能量传输电磁波从天线向周围空间发射 会遇到不同的目标 到达目标的电磁波能量一部分被目标吸收 另一部分以不同的强度散射到各个方向上去 反射能量的一部分最终返回发射天线 下面我们看该方式调制的能量传输 1 阅读器到标签的能量传输在距离阅读器距离为R的电子标签处的功率密度为式中 PTX为读写器的发射功率 GTX为发射天线的增益 R是标签到读写器天线之间的距离 EIRP为天线的有效辐射功率 是指读写器发射功率和天线增益的乘积 在电子标签和发射天线都处于最佳姿态 并且极化方向相匹配时 电子标签可以吸收的最大功率与阅读器发射信号的功率密度S成正比 2 电子标签到阅读器的能量传输电子标签返回的能量与它的雷达散射截面面积成正比 它是目标反射电磁波能力的测度 散射面积取决于一系列的参数 这既包含物体本身的特性 如目标的大小 形状 材料和表面结构 也包括反射电磁波的特性 如电磁波的波长和极化方向等 电子标签在空间某个位置接收到阅读器发射的电磁波 一部分自身吸收用于提供自身工作的能量 另一部分被反射回去 电子标签反射电磁波的能量为 返回阅读器的功率密度为接收天线的有效面积为式中 GRX为天线的增益 可以得出 阅读器接收的标签反射信号的总功率为2 3声表面波标签的识别原理1声表面波RFID原理声表面波 SurfaceAcousticWave SAW 是传播于晶体表面的一种机械波 其声速仅为电磁波速的十万分之一 传播衰耗很小 声表面波器件的功能部分 是采用现代微电子技术在表面抛光的压电材料基片上制作的叉指换能器 反射体和耦合栅等金属电极结构 基于 逆 压电效应 射频信号在经历电磁波 声表面波 电磁波的换能过程中得到处理 达到预定功能要求 以高频谐振器 带通滤波器为代表的现代声表面波器件 具有体积小 重量轻 可靠性高 一致性好 功能多及设计灵活等优点 已成为了先进广泛使用的电子关键元器件 SAW标签由叉指换能器和若干反射器组成 如下图所示 换能器的两条总线与电子标签的天线相连接 阅读器的天线周期的发送高频询问脉冲 在电子标签天线的接收范围之内 被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波 并在晶体表面传播 反射器组对入射表面波部分反射 并返回到叉指换能器 叉指换能器又将反射声表面波脉冲串转变为高频电脉冲串 如果将反射器组按某种特定的规律设计 使其反射信号表示规定的编码信息 那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码 通过解调与处理 即可达到自动识别的目的 声表面波标签 2声表面波RFID系统的应用领域及优点由于声表面波SAW器件工作在射频波段 无源而且抗电磁干扰能力较强 因此SAW技术实现的电子标签具有一定的独特优势 是对集成电路 IC 技术的补充 SAW标签应用领域非常广泛 包括物流管理 路桥收费 公共交通 门禁控制 防伪 超市防盗 航空行李分拣 邮包跟踪 流水线控制与跟踪 体育竞赛等 同时也适用于压力 应力 扭曲 加速度和温度等变化参数的测量 如铁路红外轴温探测系统的热轴定位 轨道衡 超偏载检测系统 汽车轮胎压力等 其主要优点如下 1 读取范围大且可靠 识别距离远 2 可使用在金属和液体产品上 3 标签芯片与天线匹配简单 制作工艺成本低 4 不仅能识别静止物体 而且能识别速度达300km h的高速运动物体 5 可在高温差 100 300 强电磁干扰等恶劣环境下使用 3声表面波RFID系统的关键技术 1 标签编码容量与作用距离增加反射体数目和改进编码方法 是提高SAW标签编码容量的主要措施 增加反射体数目会增加芯片长度 并受声表面波传输损耗和成本限制 即使采用声道折叠 并列声道和转向结构等来减小芯片长度 但为保持反射回波脉冲均匀 每个反射体的反射能力应降低 则必然导致回波强度减小 作用距离减小 2 应答器和读写器的配合读写器属于通用简易脉冲雷达系统 RFID系统的性能与读写器的性能息息相关 技术实现难度取决于比特率 标签性能和编码调制方法 声表面波标签回波的主要特征是 反射回波幅度小 涨幅有涨落 但其时间特征可以预知 因此 读写器应有同步时钟 等时间闸等适应声表面波标签特征的电路 以提高声表面波标签的性能 3 小型低成本且适合待识别物品的电子标签天线为增加识别距离和提高识别可靠性 应尽量加大天线尺寸 但在一些应用中 却希望标签尺寸越小越好 因此 小型且低成本适合待识别物品的电子标签天线是应用的关键 4 封装标签附着物品和使用环境千差万别 所以其封装结构各有特色 但是必须达到如下几个要求 保证压片芯片在工作寿命期间能耐外部环境应力及变化 不造成性能劣化 至少不影响或较少影响标签天线的高频电磁波接受效果 固定于待识别物的方法简单 附着牢靠 对物品无损伤 外形美观 与待识别物和谐 满足安全和环保等要求