1、第7章 RFID 技 術7.1 RFID技術原理7.2 RFID標準7.3 RFID系統(tǒng)原理7.4 RFID組網技術7.5 RFID技術應用小結第7章 RFID 技 術7.1 RFID技術原理本章目標了解RFID的組成及分類。掌握RFID系統(tǒng)的工作原理。掌握RFID標準。了解RFID組網技術。本章目標了解RFID的組成及分類。掌握RFI學習導航學習導航射頻識別技術即無線電頻率識別(Radio Frequency Identification，RFID)的簡稱，又稱電子標簽、無線射頻識別，是一種無線通信技術。它主要利用無線微波對物體進行近距離無接觸的探測和跟蹤。在無線傳感器網絡中往往利用RFID

2、技術賦予無線傳感器網絡節(jié)點ID號。7.1 RFID技術原理射頻識別技術即無線電頻率識別(Rad7.1.1 組成RFID應用系統(tǒng)由讀寫器、標簽和高層等部分組成，如圖7-1所示。讀寫器和標簽可以構成一個簡單的應用系統(tǒng)，例如公交車上的消費系統(tǒng)。復雜的應用需要一個讀寫器同時讀取n個標簽。更復雜的應用系統(tǒng)需要解決讀寫器的高層處理問題。射頻識別技術的核心在標簽上，讀寫器是根據標簽的性能而設計的。雖然在RFID系統(tǒng)中標簽的價格和性能比讀寫器低，但通常情況下，在應用中標簽的數量是很大的，尤其是在物流應用中，標簽的應用量不僅大而且可能一次性使用，而讀寫器的數量相對要少并且可以重復使用。7.1.1 組成RFID應

3、用系統(tǒng)由讀寫器、標簽和高層圖7-1 RFID應用系統(tǒng)組成圖7-1 RFID應用系統(tǒng)組成7.1.2 分類RFID的分類多種多樣，根據不同的標準和要求以及分類的依據不同，主要可以分為以下幾種。1. 按供電方式分類根據標簽的供電方式可以將RFID系統(tǒng)分為有源、無源和半有源系統(tǒng)。有源的RFID與無源的RFID系統(tǒng)主要是指標簽的工作電源是否由內部電池供給。有源電子標簽又稱為主動標簽，標簽的工作電源完全由內部電池供給，同時標簽電池的能量供應部分轉換為電子標簽與讀寫器通信所需的射頻能量。7.1.2 分類RFID的分類多種多樣，根據不同的標無源電子標簽又稱為被動式標簽，沒有內裝電池。在讀寫器的讀出范圍之外時，

4、電子標簽處于無源狀態(tài)；在讀寫器的讀出范圍之內時，電子標簽從讀寫器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電源。半有源射頻標簽內的電池供電，僅對標簽內要求供電維持數據的電路，或者標簽芯片工作所需電壓的輔助支持，及本身耗電量很少的標簽電路供電。標簽進入工作狀態(tài)之前，一直處于休眠狀態(tài)，相當于無源標簽，標簽內部電池能量消耗很少，因而電池可維持幾年，甚至長達10年之久。無源電子標簽又稱為被動式標簽，沒有內裝電池。在讀寫器的讀當標簽進入讀寫器的讀卡范圍區(qū)域內，受到讀寫器發(fā)出的射頻信號激勵，進入工作狀態(tài)時，標簽與讀寫器之間信息交換的能量支持以讀寫器供應的射頻能量為主。標簽內部電池的作用主要在于彌補標簽所處位置的射頻

5、場強不足，標簽內部電池的能量并不轉換為射頻能量。當標簽進入讀寫器的讀卡范圍區(qū)域內，受到讀寫器發(fā)出的射頻信號激2. 按工作頻率分類根據工作頻率，RFID系統(tǒng)可以分為低頻、高頻、超高頻和微波。RFID主要頻段標準及特性如表7-1所示。2. 按工作頻率分類根據工作頻率，RFID系統(tǒng)可以表7-1 RFID主要頻段標準及特性表7-1 RFID主要頻段標準及特性7.1.3 工作原理RFID系統(tǒng)由讀寫器、標簽和應用系統(tǒng)組成。其主要的工作原理簡單描述如下： 由讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號。 當電子標簽進入有效工作區(qū)域時產生感應電流，從而獲得能量，電子標簽被激活，使得電子標簽將自身編碼信息通過內置的

6、射頻天線發(fā)送出去。 讀寫器的接收天線接收到從標簽發(fā)送來的調制信號，經天線調節(jié)器傳送到讀寫器信號處理模塊，經解調和解碼后將有效信息送至后臺主機系統(tǒng)進行相關的處理。7.1.3 工作原理RFID系統(tǒng)由讀寫器、標簽和應用 讀寫器的應用系統(tǒng)根據邏輯運算識別該標簽的身份，針對不同的設定作出相應的處理和控制，最終發(fā)出指令信號控制讀寫器完成相應的讀寫操作。 讀寫器的應用系統(tǒng)根據邏輯運算識別該標簽的身份，針對不1. 讀寫器讀寫器又稱為閱讀器，主要負責與電子標簽的雙向通信，同時接收來自主機系統(tǒng)的控制指令。讀寫器的頻率決定了RFID系統(tǒng)工作的頻段，其功率決定了射頻識別的有效距離。讀寫器根據使用技術的不同可以是讀或者

7、讀/寫裝置，它是RFID系統(tǒng)信息控制和處理的中心。讀寫器系統(tǒng)組成如圖7-2所示。1. 讀寫器讀寫器又稱為閱讀器，主要負責與電子標簽圖7-2 讀寫器系統(tǒng)組成圖7-2 讀寫器系統(tǒng)組成讀寫器由射頻接口、邏輯控制單元和天線三部分組成。下面分別介紹三部分的主要任務和功能。(1) 射頻接口模塊的主要任務和功能如下：產生高頻發(fā)射能量，激活電子標簽并為其提供能量。對發(fā)射信號進行調制，將數據傳輸給電子標簽。接收并調制來自電子標簽的射頻信號。(2) 邏輯控制單元也稱為讀寫模塊，其主要任務和功能如下：與應用系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行從應用系統(tǒng)軟件發(fā)送來的指令。讀寫器由射頻接口、邏輯控制單元和天線三部分組成。下面分別控

8、制讀寫器和標簽的通信過程。對信號進行編碼和解碼。對讀寫器和標簽之間傳輸的數據進行加密和解密。執(zhí)行防碰撞算法。對讀寫器和標簽進行身份驗證。控制讀寫器和標簽的通信過程。對信號進行編碼和解碼。(3) 天線模塊。天線是一種能將接收到的電磁波轉換為電流信號，或者將電流信號轉換成電磁波發(fā)射出去的裝置。在RFID系統(tǒng)中，讀寫器必須通過天線發(fā)射能量，來形成電磁場，通過電磁場對電子標簽進行識別。因此，讀寫器天線所形成的電磁場范圍即為讀寫器的可讀區(qū)域。(3) 天線模塊。天線是一種能將接收到的電磁波轉換為電流2. 電子標簽電子標簽是由IC芯片和無線通信天線組成的超微型的小標簽，其內置的射頻天線用于和讀寫器進行通信。

9、電子標簽是RFID系統(tǒng)中真正的數據載體。系統(tǒng)工作時，讀寫器發(fā)出查詢信號，電子標簽在收到查詢信號后，將其一部分能量整流為直流電源，供電子標簽內的電路工作；另一部分能量信號被電子標簽內保存的數據信息調制后反射回讀寫器。電子標簽系統(tǒng)組成如圖7-3所示。2. 電子標簽電子標簽是由IC芯片和無線通信天線組圖7-3 電子標簽系統(tǒng)組成圖7-3 電子標簽系統(tǒng)組成從圖7-3中可以看出，電子標簽系統(tǒng)包括射頻接口、邏輯控制單元和存儲單元。其中射頻接口部分包括調制器、解調器和電壓調節(jié)器；存儲單元包括EEPROM和ROM。各個部分的功能如下：天線：用來接收由讀寫器送來的信號，并把要求的數據傳送回讀寫器。調制器：邏輯控制

10、電路送出的數據經調制電路調制后，加載到天線并傳送給讀寫器。從圖7-3中可以看出，電子標簽系統(tǒng)包括射頻接口、邏輯控制解調器：去除載波，取出調制信號。電壓調節(jié)器：把由讀寫器送來的射頻信號轉換為直流電源，并經過大電容存儲能量，再通過穩(wěn)壓電路來提供穩(wěn)定的電源。邏輯控制單元：譯碼讀寫器送來的信號，并依據要求返回數據給閱讀器。存儲單元：用于系統(tǒng)運行及存放識別數據。解調器：去除載波，取出調制信號。電壓調節(jié)器：把由讀3. 應用系統(tǒng)對于獨立的應用，讀寫器可以完成應用需求。例如，公交車上的讀寫器可以實現對公交票卡的讀取和收費。但是對于由多讀寫器構成的網絡架構的信息系統(tǒng)，應用系統(tǒng)是必不可少的，即針對RFID的具體應

11、用，需要在應用系統(tǒng)中將讀寫器獲取的數據有效地整合起來，提供查詢歷史檔案等相關管理和服務功能，通過對數據的加工、分析和挖掘，為正確決策提供依據。在RFID網絡應用中，中間件技術提供了將現有的系統(tǒng)與RFID讀寫器連接起來的技術。3. 應用系統(tǒng)對于獨立的應用，讀寫器可以完成應用需RFID中間件是介于RFID讀寫器和后端應用程序之間的獨立軟件，能夠與多個RFID讀寫器和多個后端應用程序連接，分布式應用軟件借助這種軟件在不同的技術之間共享資源。中間件位于客戶機、服務器的操作系統(tǒng)之上，管理計算機資源和網絡通信。圖7-4所示為中間件技術系統(tǒng)組成。RFID中間件是介于RFID讀寫器和后端應用程序之間的獨立軟圖

12、7-4 中間件技術系統(tǒng)組成圖7-4 中間件技術系統(tǒng)組成中間件各部分功能如下：讀寫器協(xié)調控制：終端用戶可以通過RFID中間件接口直接配置、監(jiān)控以及發(fā)送指令給讀寫器。一些RFID中間件開發(fā)商還提供了支持讀寫器即查即用的功能，使終端用戶新添加不同類型的讀寫器時，不需要增加額外的程序代碼。數據過濾與處理：當標簽信息傳輸發(fā)生錯誤或有冗余數據產生時，RFID中間件可以通過一定的算法糾正錯誤并過濾掉冗余數據。RFID中間件可以避免不同的讀寫器讀取同一電子標簽的碰撞，確保了讀卡的準確性。中間件各部分功能如下：讀寫器協(xié)調控制：終端用戶可以數據路由與集成：RFID中間件能夠決定將采集到的數據傳遞給一個應用。RFI

13、D中間件可以將企業(yè)現有的資源計劃、客戶關系管理以及倉庫管理系統(tǒng)等軟件集成在儀器中，提供數據的路由和集成，同時中間件還可以保存數據，分批地給各個應用提交數據。進程管理：RFID中間件根據客戶定制的任務負責數據的監(jiān)控與事件的觸發(fā)。如在倉庫管理中，設置中間件來監(jiān)控貨品庫存的數量，當數量低于設置的標準時，RFID中間件會觸發(fā)事件，通知相應的應用軟件。數據路由與集成：RFID中間件能夠決定將采集到的數據傳遞RFID標準化的目的在于，通過制定、發(fā)布和實施標準，解決編碼、通信、空中接口和數據共享等問題，最大程度地促進了RFID技術與相關系統(tǒng)的應用。RFID標準的主要內容包括以下幾個方面：7.2 RFID標準

14、RFID標準化的目的在于，通過制定、發(fā)技術：包含的層面很多，主要是接口和通信技術，如空中接口、防碰撞方法、中間件技術和通信協(xié)議等。一致性：主要指數據結構、編碼格式和內存分配等相關內容。電池輔助與傳感器的融合：目前RFID技術也融合了傳感器，例如可進行溫控和應變檢測的應答器在物品追蹤中應用廣泛。幾乎所有帶傳感器的標簽和有源標簽都需要從電池中獲得能量。應用：RFID技術涉及眾多的具體應用，如停車收費系統(tǒng)、身份識別、動物識別、物流、跟蹤和門禁等。各種不同的應用涉及不同的行業(yè)，因此標準也涉及了各行業(yè)的規(guī)范。技術：包含的層面很多，主要是接口和通信技術，如空中接口、RFID標準主要有國際標準、國家標準和行

15、業(yè)標準。國際標準是由國際標準化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)制定的。國家標準是各國根據自身國制制定的有關標準，其中日本定義了Ubiquitous ID標準。行業(yè)標準的典型一例是由國際物品編碼協(xié)會(EAN)和美國同一代碼委員會(UCC)指定的EPC Global標準，主要用于物品識別。RFID標準主要有國際標準、國家標準和行業(yè)標準。國7.2.1 ISO標準ISO/IEC制定的RFID標準可以分為技術標準、數據標準、性能標準和應用標準四類，如圖7-5所示。我國常用的兩個RFID標準為ISO14443和ISO15693，這兩個標準主要用于非接觸智能卡；ISO18000系列包括了有源和無源R

16、FID技術標準，主要是基于物品管理的RFID空中接口參數。7.2.1 ISO標準ISO/IEC制定的RFID標圖7-5 ISO/IEC制定的RFID標準圖7-5 ISO/IEC制定的RFID標準1. ISO14443ISO14443是一種非接觸式IC卡。非接觸式IC卡由于作用距離不同，有三種不同的標準，如表7-2所示。表7-2 三種非接觸式IC卡標準1. ISO14443ISO14443是一種非接ISO14443是近耦合非接觸式IC卡的國際標準，主要用于身份證和各種智能卡、存儲卡等。ISO14443協(xié)議總共分為四部分：第一部分規(guī)定了卡片的物理特性，即非接觸式IC卡的機械性能尺寸應滿足85.72

17、 mm54.03 mm0.76 mm容差。第二部分規(guī)定了信號能量及信號接口，協(xié)議規(guī)定了兩種信號接口：A型和B型，讀寫器需要采用兩者之一的方式。第三部分規(guī)定了卡片初始化和抗沖突特性。ISO14443標準提供了兩種不同的防碰撞協(xié)議，即A型和B型。A型采用位檢測防碰撞協(xié)議，B型通過一組命令來管理防碰撞過程。ISO14443是近耦合非接觸式IC卡的國際標準，主要用第四部分規(guī)定了卡片數據傳輸協(xié)議。用于非接觸環(huán)境的半雙工分組傳輸協(xié)議，可應用于電子標簽的激活過程和解激活過程。第四部分規(guī)定了卡片數據傳輸協(xié)議。用于非接觸環(huán)境的半雙工分2. ISO15693ISO15693是疏耦合射頻卡的國際標準，該標準由物理特

18、性、空間接口與初始化、防碰撞協(xié)議和傳輸協(xié)議、命令擴展和安全特性四部分組成，下面重點介紹前三部分：第一部分規(guī)定了卡片的物理特性，即非接觸式IC卡的機械性能尺寸應滿足85.72 mm54.03 mm0.76 mm容差。第二部分為空間接口與初始化，電子標簽能量供應是由發(fā)送頻率為13.56MHz的讀寫器的交變電磁場來提供的。電子標簽中包含有一個大面積的天線線圈。典型的線圈有36匝。2. ISO15693ISO15693是疏耦合射第三部分為防碰撞協(xié)議和傳輸協(xié)議，ISO15693標準的防碰撞技術采用時隙ALOHA算法。傳輸協(xié)議在本書中不作介紹。第三部分為防碰撞協(xié)議和傳輸協(xié)議，ISO15693標準的防3.

19、ISO18000ISO18000分為6部分，即ISO18000-1ISO18000-4、ISO18000-6和ISO18000-7。ISO18000-1：基于單品管理的射頻識別，它規(guī)范了空中接口通信協(xié)議中共同遵守的讀寫器與標簽的通信參數表、知識產權基本規(guī)則等內容。ISO18000-2：基于單品管理的射頻識別，適用于125134 kHz，規(guī)定了標簽和讀寫器之間通信的物理接口，讀寫器應具有與A型(全雙工)標簽和B型(半雙工)標簽的通信能力；規(guī)定了協(xié)議和指令以及多標簽通信的防碰撞方法。3. ISO18000ISO18000分為6部分ISO18000-3：基于單品管理的射頻識別，適用于高頻段13.56

20、 MHz，規(guī)定了讀寫器與標簽之間的物理接口、協(xié)議和命令以及防碰撞方法。ISO18000-4：基于單品管理的射頻識別，適用于微波段2.45 GHz，規(guī)定了讀寫器與標簽之間的物理接口、協(xié)議和命令以及防碰撞方法。該標準包括兩種模式，模式1是無源標簽，工作方式是讀寫器主動；模式2是有源標簽，工作方式是標簽主動。ISO18000-3：基于單品管理的射頻識別，適用于高頻ISO18000-6：基于單品管理的射頻識別，適用于超高頻段860960 MHz，規(guī)定了讀寫器與標簽之間的物理接口、協(xié)議和命令以及防碰撞方法。它包含A、B、C三種無源標簽的接口協(xié)議，通信距離最遠可以達到10 m。ISO18000-7：適用于

21、超高頻段433.92 MHz，屬于有源電子標簽，規(guī)定了讀寫器與標簽之間的物理接口、協(xié)議和命令以及防碰撞方法。其有源標簽識讀范圍大，適用于大型固定資產的跟蹤。ISO18000-6：基于單品管理的射頻識別，適用于超高7.2.2 EPC Global標準EPC Global是由美國統(tǒng)一代碼協(xié)會(UCC)和國際物品編碼協(xié)會(EAN)于2003年9月共同成立的非盈利性組織，其前身是1999年10月1日在美國麻省理工學院成立的非盈利性組織Auto-ID 中心，以創(chuàng)建“物聯(lián)網”(Internet of Things)為自己的使命。為此，該中心將與眾多企業(yè)成員共同制訂一個統(tǒng)一的、類似于Internet的開放技

22、術標準，在現有計算機互聯(lián)網的基礎上，實現商品信息的交換與共享。旗下有沃爾瑪集團、英國Tesco等100多家歐美的零售流通企業(yè)，同時有IBM、微軟、飛利浦、Auto-ID Lab等公司提供技術研究支持。7.2.2 EPC Global標準EPC GlobEPC Global致力于建立一個向全球電子標簽用戶提供標準化服務的EPC Global網絡，前提是遵循該公司制定的技術規(guī)范。目前EPC global Network技術規(guī)范1.0版給出了所有的系統(tǒng)定義和功能要求。EPC Global已在加拿大、日本、中國等國建立了分支機構，專門負責EPC碼段在這些國家的分配與管理、EPC相關技術標準的制定、EP

23、C相關技術在本土的宣傳普及以及推廣應用等工作。EPC Global體系框架如圖7-6所示。EPC Global致力于建立一個向全球電子標簽用戶提供圖7-6 EPC Global體系框架圖7-6 EPC Global體系框架EPC Global體系架構分為EPC物理對象交換標準、EPC基礎設施標準和EPC數據交換標準三部分。各部分的功能如下：EPC物理對象交換標準：EPC Global體系框架定義了EPC物理對象交換標準，保證當用戶將一種物理對象提交給另一個用戶時，后者能確定該物理對象有EPC代碼并能較好地對其進行說明。EPC基礎設施標準：該標準用來收集和記錄EPC數據的主要設施部件接口標準，允

24、許用戶使用互操作部件來構建其內部系統(tǒng)。EPC Global體系架構分為EPC物理對象交換標準、EPC數據交換標準：該標準為用戶提供了一種點對點共享EPC數據的方法，并提供了用戶訪問EPC Global核心業(yè)務和其他相關共享業(yè)務的機會。EPC數據交換標準：該標準為用戶提供了一種點對點共享EP7.2.3 Ubiquitous ID標準Ubiquitous ID(UID)Center由日本政府的經濟產業(yè)省牽頭，主要由日本廠商組成，目前有300多家日本電子廠商、信息企業(yè)和印刷公司等參與。該識別中心實際上就是日本有關電子標簽的標準化組織。UID Center的泛在識別技術體系架構由泛在識別碼(ucode

25、)、信息系統(tǒng)服務器、泛在通信器和ucode解析服務器等四部分構成。其特點如下：7.2.3 Ubiquitous ID標準Ubiqu ucode是賦予現實世界中任何物理對象的唯一識別碼。它具備128位的充裕容量，并可以用128位為單元進一步擴展至256、384或512位。ucode的最大優(yōu)勢是能包容現有編碼體系的元編碼設計，可以兼容多種編碼。 ucode標簽具有多種形式，包括條碼、射頻標簽、智能卡、有源芯片等。泛在識別中心把標簽進行分類，設立了9個級別的不同認證標準。信息系統(tǒng)服務器存儲并提供與ucode相關的各種信息。 ucode是賦予現實世界中任何物理對象的唯一識別碼 ucode通過解析服務器

26、，確定與ucode相關的信息存放在哪個信息系統(tǒng)服務器上。ucode解析服務器的通信協(xié)議為ucodeRP和eTP，其中eTP是基于eTron(PKI)的密碼認證通信協(xié)議。 泛在通信器主要由IC標簽、標簽讀寫器和無線廣域通信設備等部分構成，用來把讀到的ucode送至ucode解析服務器，并從信息系統(tǒng)服務器獲得有關信息。 ucode通過解析服務器，確定與ucode相關的信泛在識別中心對網絡和應用安全問題非常重視，針對未來可能出現的安全問題如截聽和非法讀取等，節(jié)點進行信息交換時需要相互認證，而且通信內容是加密的，避免非法閱讀。EPC Global和UID Center的概要對比如表7-3所示。泛在識別

27、中心對網絡和應用安全問題非常重視，針對未來可能出表7-3 EPC Global和UID Center的概要對比表7-3 EPC Global和UID Center的日本UID標準和歐美EPC標準，主要涉及產品電子編碼、射頻識別系統(tǒng)及信息網絡系統(tǒng)三個部分，其思路在大部分層面上都是一致的，但在使用的無線頻段、信息位數和應用領域等方面有許多不同點。例如，日本的電子標簽采用的頻段為2.45 GHz和13.56 MHz，歐美的EPC標準采用UHF頻段，902928 MHz；日本的電子標簽的信息位數為128位，EPC標準的位數為96位。在RFID技術的普及戰(zhàn)略方面，EPC global將應用領域限定在物流

28、領域，著重于成功的大規(guī)模應用；而UID Center則致力于RFID技術在人類生產和生活的各個領域中的應用，通過豐富的應用案例來推進RFID技術的普及。日本UID標準和歐美EPC標準，主要涉及產品電子編碼、射頻識一般的射頻識別系統(tǒng)由標簽和讀寫器組成。標簽放置在要識別的物體上；讀寫器可以對標簽進行讀或者寫。本節(jié)將簡要介紹低頻、高頻、超高頻系統(tǒng)硬件原理。7.3 RFID系統(tǒng)原理一般的射頻識別系統(tǒng)由標簽和讀寫器7.3.1 低頻RFID系統(tǒng)原理與本書配套的低頻RFID系統(tǒng)開發(fā)套件采用125 kHz頻段，讀寫器射頻前端采用EM4095芯片與低頻電子標簽配合使用。該系統(tǒng)主要應用于動物識別、容器識別、工具識

29、別、電子閉鎖防盜等。1. 標簽低頻段射頻標簽簡稱為低頻標簽，其工作頻率范圍為30300 kHz。典型的工作頻率為125 kHz和133 kHz。低頻標簽一般為無源標簽，7.3.1 低頻RFID系統(tǒng)原理與本書配套的低頻RF其工作能量通過電感耦合方式從讀寫器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標簽與讀寫器之間傳送數據時，位于讀寫器天線輻射的近場區(qū)內。其工作能量通過電感耦合方式從讀寫器耦合線圈的輻射近場中獲得。2. 讀寫器低頻讀寫器射頻前端讀寫模塊采用EM4095芯片，是EM Microelectronic公司開發(fā)的一款CMOS集成的應用于100150 kHz頻率的RFID系統(tǒng)的前端收發(fā)芯片，其工作電壓為

30、5 V，主要完成的工作包括：載波頻率的天線驅動。對發(fā)送的數據進行AM調制后傳送到天線上并發(fā)送。解調天線上感應到的AM信號。EM4095芯片的典型應用如圖7-7所示。2. 讀寫器低頻讀寫器射頻前端讀寫模塊采用EM40圖7-7 EM4095芯片的典型應用圖7-7 EM4095芯片的典型應用EM4095芯片的SHD引腳和MOD引腳用來操作設備，當SHD為高電平的時候，EM4095芯片為睡眠模式，電流消耗很小，在上電的時候，SHD輸入必須是高電平，用來使其能正確的初始化操作；當SHD為低電平的時候，回路允許發(fā)射射頻場，并且開始對天線上的振幅信號進行調制。引腳MOD用來對125 kHz射頻信號進行調制。

31、低頻讀寫器外觀如圖7-8所示。EM4095芯片的SHD引腳和MOD引腳用來操作設備，當圖7-8 低頻讀寫器外觀圖7-8 低頻讀寫器外觀3. 天線低頻125 kHz頻率天線耦合方式為電感耦合，所以在電路板PCB上制作天線需要考慮具有足夠的電感量。線圈的繞制采用螺旋形方式，根據對電感量的要求和線圈的面積來確定電路板的層數，并在各層上以保證每層中電流的方向相同為前提來制作線圈。3. 天線低頻125 kHz頻率天線耦合方式為電感7.3.2 高頻RFID系統(tǒng)原理與本書配套的高頻RFID系統(tǒng)采用典型的13.56MHz頻段，讀寫器射頻前端采用MFRC522芯片與高頻電子標簽Mifare one配合使用。該系

32、統(tǒng)主要應用于一卡通、公交消費、考勤等。1. 標簽高頻標簽采用的Mifare one IC卡為A類型卡，該卡必須在13.56 MHz標準內，其主要指標如下：容量為8K位EEPROM。7.3.2 高頻RFID系統(tǒng)原理與本書配套的高頻RF分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)為4塊，每塊16個字節(jié)，以塊為存取單位；每個扇區(qū)有獨立的一組密碼及訪問控制。每張卡有唯一的序列號，為32位。具有防沖突機制，支持多卡操作。無電源，自帶天線，內含加密控制邏輯和通信邏輯電路。數據保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次。工作溫度為-2050(濕度為90%)，工作頻率為13.56 MHz，通信速率為160 kb/s，讀寫距離為10

33、 cm以內。分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)為4塊，每塊16個字節(jié)，以塊為存2. 讀寫器讀寫器射頻前端的讀寫模塊采用MFRC522射頻芯片，MFRC522是高度集成的非接觸式13.56MHz讀寫芯片。此發(fā)送模塊利用調制解調原理，完全集成到各種非接觸式通信方法和協(xié)議中。MFRC522發(fā)送模塊支持ISO14443A標準。其內部發(fā)送器部分可驅動讀寫器天線與ISO14443A電子標簽通信，無需其他電路。其電路原理框圖如圖7-9所示。2. 讀寫器讀寫器射頻前端的讀寫模塊采用MFRC5圖7-9 高頻讀寫器原理框圖圖7-9 高頻讀寫器原理框圖高頻讀寫器主控部分由AVR單片機構成，外圍集成了RS232、RS485、蜂

34、鳴器和指示燈及液晶顯示屏部分等，具有對Mifare one IC卡進行讀寫、液晶顯示及串口輸出數據等功能。高頻讀寫器實物圖如圖7-10所示。高頻讀寫器主控部分由AVR單片機構成，外圍集成了RS23圖7-10 高頻讀寫器實物圖圖7-10 高頻讀寫器實物圖3. 天線13.56 MHz射頻天線及其匹配電路共由三部分組成：天線線圈、匹配電路(LC諧振電路)和濾波電路。在天線的匹配設計中必須保證產生一個盡可能強的電磁場，以使卡片能夠獲得足夠的能量為其供電。由于諧振電路的帶通特性，天線的輸出能量必須保證足夠的通帶范圍來傳送調制后的信號。3. 天線13.56 MHz射頻天線及其匹配電路共天線線圈是一個特定的

35、諧振頻率的LC電路，其輸出阻抗是輸入端信號電壓與信號電流之比，輸入阻抗具有電感分量和電抗分量，電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取。因此在設計中應盡量使電抗分量為零，即讓天線表現出純電阻特性。天線線圈是一個特定的諧振頻率的LC電路，其輸出阻抗是輸入7.3.3 超高頻RFID系統(tǒng)原理超高頻標簽符合ISO18000-6標準，標簽和讀寫器之間以命令和應答的方式進行信息交互。讀寫器為主動，標簽為被動。1. 標簽超高頻電子標簽分為A型和B型。A型標簽向讀寫器的數據傳輸采用反向散射的方式，數據傳輸速率為40 kb/s，采用FM0編碼。編碼時字節(jié)的高位先編碼，FM0編碼的波形如圖7-11所示。圖中

36、第1個數字1的電平取決于它的前一位。編碼規(guī)則是：數字0，在位起始和位中間都有電平的跳變；數字1，僅在位起始電平跳變。7.3.3 超高頻RFID系統(tǒng)原理超高頻標簽符合IS圖7-11 FM0編碼的波形圖圖7-11 FM0編碼的波形圖B型卡與A型卡相同，應答器向閱讀器的數據傳輸采用反向散射調制，數據編碼采用FM0編碼，數據傳輸速率為40 kb/s。B型卡與A型卡相同，應答器向閱讀器的數據傳輸采用反向散射2. 讀寫器讀寫器射頻芯片采用符合ISO18000-6C協(xié)議的AS3992，主控芯片采用C8051F340。1) 射頻芯片AS3992AS3992內部集成了模擬前端和協(xié)議處理系統(tǒng),其主要特點如下：支持

37、ISO18000-6C協(xié)議。兼容ISO18000-6A/B協(xié)議。2. 讀寫器讀寫器射頻芯片采用符合ISO18000具有8位并行接口和SPI串行接口兩種數據接口方式與MCU連接。芯片內部集成度高，集成接收電路、發(fā)送電路和協(xié)議轉換單元。采用FM0進行編碼。AS3992芯片內集成的接收電路包括混頻器、低通和高通濾波器、PM和AM解調器、EPC協(xié)議處理器以及CRC校驗等，如圖7-12所示。具有8位并行接口和SPI串行接口兩種數據接口方式與MCU由圖7-12可知，AS3992工作流程下：需要發(fā)送出去的命令或信號經過協(xié)議處理器轉化為標準的數據幀，經過調制、射頻放大后輸出到天線。來自天線的信號經過混頻器和放

38、大濾波以及調制解調和協(xié)議處理器后，送至MCU。由圖7-12可知，AS3992工作流程下：需要發(fā)送圖7-12 AS3992組成框圖圖7-12 AS3992組成框圖2) 主控芯片C8051F340C8051F340芯片是集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有片內上電復位、VDD監(jiān)視器、電壓調整器、看門狗定時器和時鐘振蕩器，其主要特性如下：兼容高速、流水線結構的8051微控制器內核。具有片內電壓基準和溫度傳感器。精確校準的12MHz內部振蕩器和4倍時鐘乘法器。多達64KB的片上FLASH存儲器。多達4352字節(jié)的片內RAM。硬件實現I2C、增強型UART和增強性SPI串行接口。4個通用的16位定時器和

39、多達10個I/O端口。2) 主控芯片C8051F340C8051F340讀寫器網絡規(guī)劃和部署的目標是：以最低的成本構建具有一定服務質量的讀寫器網絡，即達到目標區(qū)域最大程度的覆蓋，滿足要求的通信概率，盡可能地減少干擾，達到所要求的服務質量；盡量減少讀寫器數量，以降低成本。7.4 RFID組網技術讀寫器網絡規(guī)劃和部署的目標是：以最低的成本7.4.1 讀寫器網絡部署特點在無線傳感器網絡的應用中，由于被動標簽讀卡距離較近，需要適當規(guī)劃讀寫器的部署，它直接影響著讀寫器網絡的覆蓋和識別效果。合理有效的讀寫器部署方案可以減少網絡搭建時間，全面覆蓋有效區(qū)域。RFID讀寫器網絡部署的特點有以下缺點：RFID網絡

40、系統(tǒng)結構呈現嚴重的非對稱性，無源電子標簽的性能比較弱，標簽之間無法相互通信，無源標簽無法主動發(fā)送通信信號，只能通過反向散射的方式與讀寫器進行通信。7.4.1 讀寫器網絡部署特點在無線傳感器網絡的應用讀寫器與標簽通信的距離一般比較小，屬于短距離通信。由于射頻信號的本質特性，并且為了保證覆蓋，讀寫識別區(qū)域之間的交叉不可必免。由于標簽之間不能互相通信，標簽和讀寫器之間只能建立起星型網絡，不能建立樹型網絡或者網狀型網絡。鑒于RFID網絡以上的缺點，本書提出無線傳感器網絡和RFID網絡相結合的方法，可以避免RFID網絡的缺點，并且由于RFID主要是標識身份ID，可以彌補無線傳感器網絡中節(jié)點身份識別的難題

41、。無線傳感器節(jié)點與RFID網絡相結合的優(yōu)點在于：讀寫器與標簽通信的距離一般比較小，屬于短距離通信。由于射利用RFID技術給無線傳感器網絡中的每一個節(jié)點賦予一個身份ID，無線傳感器節(jié)點利用ID可以明確告知用戶節(jié)點所處的位置及所執(zhí)行的功能。RFID可以利用無線傳感器網絡的組網技術建立起自己的網絡，并且增大傳輸距離。無線傳感器網絡和RFID技術結合，使無線傳感器網絡中的節(jié)點有了身份標識，RFID可以利用無線傳感器網絡的組網特性建立起RFID網絡。利用RFID技術給無線傳感器網絡中的每一個節(jié)點賦予一個身7.4.2 Zigbee與RFID組網RFID涵蓋的頻率范圍很寬，從幾十kHz到幾GHz。RFID主

42、要偏向于身份識別，身份識別是生活和生產管理中比較重要的事情。為了便于管理，將個人、車輛、貨物進行編號，即日常生活中的身份證號、銀行卡號、車牌號和條碼等，并使用讀寫器等設備將這些編號讀進計算機進行數字化處理以提高管理的效率。Zigbee網絡具有短距離無線傳輸組網的特點，RFID具有身份識別的功能，將Zigbee網絡和RFID相結合，再通過串口或者其他方式將RFID節(jié)點與Zigbee終端節(jié)點相連接，如圖7-13所示。7.4.2 Zigbee與RFID組網RFID涵蓋的圖7-13 Zigbee與RFID相連組網圖7-13 Zigbee與RFID相連組網RFID給每個Zigbee終端節(jié)點一個身份標識，這個身份標識將借助Zigbee網絡傳輸給Zigbee協(xié)調器，由Zigbee協(xié)調器上傳給用戶中心進行處理。每個Zigbee終端節(jié)點被RFID賦予一個身份標識，可以明確判斷每個Zigb