1、RFID系統(tǒng)工作原理,王志軍,1,1.RFID系統(tǒng)組成典型的RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件組成。,2,1.1硬件組成,1 閱讀器 閱讀器（Reader）又稱讀寫(xiě)器。閱讀器主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的雙向通信，同時(shí)接收來(lái)自主機(jī)系統(tǒng)的控制指令。閱讀器的頻率決定了RFID系統(tǒng)工作的頻段，其功率決定了射頻識(shí)別的有效距離。閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)的不同可以是讀或讀/寫(xiě)裝置，它是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。 閱讀器通常由射頻接口、邏輯控制單元和天線三部分組成。,3,4,（1）射頻接口 射頻接口模塊主要任務(wù)和功能： 產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活電子標(biāo)簽并為其提供能量。 對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，

2、將數(shù)據(jù)傳輸給電子標(biāo)簽。 接收并調(diào)制來(lái)自電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)。 注意，在射頻接口中有兩個(gè)分隔開(kāi)的信號(hào)通道，分別來(lái)往于電子標(biāo)簽和閱讀器兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸。 （2）邏輯控制單元 邏輯控制單元也稱讀寫(xiě)模塊，主要任務(wù)和功能： 與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)送來(lái)的指令。 控制閱讀器與電子標(biāo)簽的通信過(guò)程。 信號(hào)的編碼與解碼。 對(duì)閱讀器和標(biāo)簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。 執(zhí)行防碰撞算法。 對(duì)閱讀器和標(biāo)簽的身份進(jìn)行驗(yàn)證。,5,天線 天線是一種能將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，或者將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去的裝置。在RFID系統(tǒng)中，閱讀器必須通過(guò)天線來(lái)發(fā)射能量，來(lái)形成電磁場(chǎng)，通過(guò)電磁場(chǎng)對(duì)電子標(biāo)

3、簽進(jìn)行識(shí)別。因此，閱讀器天線所形成的電磁場(chǎng)范圍即為閱讀器的可讀區(qū)域。 2 電子標(biāo)簽 電子標(biāo)簽 (Electronic Tag) 也稱為智能標(biāo)簽 (Smart Tag) ，是由IC芯片和無(wú)線通信天線組成的超微型的小標(biāo)簽，其內(nèi)置的射頻天線用于和閱讀器進(jìn)行通信。電子標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)中真正的數(shù)據(jù)載體。系統(tǒng)工作時(shí)，閱讀器發(fā)出查詢（能量）信號(hào)，標(biāo)簽（無(wú)源）在收到查詢（能量）信號(hào)后將其一部分整流為直流電源供電子標(biāo)簽內(nèi)的電路工作，一部分能量信號(hào)被電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制后反射回閱讀器。,6,電子標(biāo)簽內(nèi)部各模塊的功能： （1）天線：用來(lái)接收由閱讀器送來(lái)的信號(hào)，并把要求的數(shù)據(jù)傳送回給閱讀器。 （2）電壓調(diào)節(jié)

4、器：把由閱讀器送來(lái)的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電源，并經(jīng)大電容存儲(chǔ)能量，再通過(guò)穩(wěn)壓電路以提供穩(wěn)定的電源。 （3）調(diào)制器：邏輯控制電路送出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后加載到天線返給閱讀器。 （4）解調(diào)器：去除載波，取出調(diào)制信號(hào)。 （5）邏輯控制單元：譯碼閱讀器送來(lái)的信號(hào)，并依據(jù)要求返回?cái)?shù)據(jù)給閱讀器。 （6）存儲(chǔ)單元：包括ERPROM和ROM，作為系統(tǒng)運(yùn)行及存放識(shí)別數(shù)據(jù)。,7,1.2 軟件組成,1 中間件 中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序。分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源。中間件位于客戶機(jī)、服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計(jì)算機(jī)資源和網(wǎng)絡(luò)通信。,8,9,中間件的主要任務(wù)和功能： （1）閱讀器協(xié)調(diào)

5、控制 終端用戶可以通過(guò)RFID中間件接口直接配置、監(jiān)控以及發(fā)送指令給閱讀器。一些RFID中間件開(kāi)發(fā)商還提供了支持閱讀器即插即用的功能，使終端用戶新添加不同類型的閱讀器時(shí)不需要增加額外的程序代碼。 （2）數(shù)據(jù)過(guò)濾與處理 當(dāng)標(biāo)簽信息傳輸發(fā)生錯(cuò)誤或有冗余數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，RFID中間件可以通過(guò)一定的算法糾正錯(cuò)誤并過(guò)濾掉冗余數(shù)據(jù)。RFID中間件可以避免不同的閱讀器讀取同一電子標(biāo)簽的碰撞，確保了閱讀準(zhǔn)確性。 （3）數(shù)據(jù)路由與集成 RFID中間件能夠決定采集到的數(shù)據(jù)傳遞給哪一個(gè)應(yīng)用。RFID中間件可以與企業(yè)現(xiàn)有的企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）、客戶關(guān)系管理（CRM）、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WMS）等軟件集成在一起，為它們提供數(shù)

6、據(jù)的路由和集成，同時(shí)中間件可以保存數(shù)據(jù)，分批的給各個(gè)應(yīng)用提交數(shù)據(jù)。 （4）進(jìn)程管理 RFID中間件根據(jù)客戶定制的任務(wù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與事件的觸發(fā)。如在倉(cāng)儲(chǔ)管理中，設(shè)置中間件來(lái)監(jiān)控貨品庫(kù)存的數(shù)量，當(dāng)庫(kù)存低于設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，RFID中間件會(huì)觸發(fā)事件，通知相應(yīng)的應(yīng)用軟件。,10,2 各種RFID系統(tǒng)原理,基本工作原理：由閱讀器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入有效工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量、電子標(biāo)簽被激活，使得電子標(biāo)簽將自身編碼信息通過(guò)內(nèi)置射頻天線發(fā)送出去；閱讀器的接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器信號(hào)處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后將有效信息送至后臺(tái)主機(jī)系

7、統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的處理；主機(jī)系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算識(shí)別該標(biāo)簽的身份，針對(duì)不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和控制，最終發(fā)出指令信號(hào)控制閱讀器完成相應(yīng)的讀寫(xiě)操作。,11,從電子標(biāo)簽到閱讀器之間的通信及能量感應(yīng)方式來(lái)看，系統(tǒng)一般可以分為兩類：電感耦合（Inductive Coupling）系統(tǒng)和電磁反向散射耦合（Backscatter Coupling）系統(tǒng)。 電感耦合通過(guò)空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。該方式一般適合于中、低頻工作的近距離RFID系統(tǒng)，典型工作頻率：125kHz，225kHz，和13.56MHz。識(shí)別作用距離一般小于1m，典型作用距離為020cm。 電磁反向散射耦合基于雷達(dá)模型，發(fā)射出

8、去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。該方式一般適用于高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)，典型的工作頻率：433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。識(shí)別作用距離大于1m，典型作用距離為46m。,12,2.1 電感耦合RFID系統(tǒng)電感耦合工作方式對(duì)應(yīng)于ISO/IEC14443協(xié)議。電感耦合電子標(biāo)簽由一個(gè)電子數(shù)據(jù)作為載體，通常由單個(gè)微芯片及天線（大面積線圈）等組成。在標(biāo)簽中的微芯片工作所需的全部能量由閱讀器發(fā)送的感應(yīng)電磁能提供。高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，并穿越線圈橫截面和周圍空間，以使附近的電子標(biāo)簽產(chǎn)生電磁感應(yīng)。,1 能量供應(yīng) 閱讀器

9、天線線圈激發(fā)磁場(chǎng)，其中一小部分磁力線穿過(guò)電子標(biāo)簽天線線圈，通過(guò)感應(yīng)，在電子標(biāo)簽的天線線圈上產(chǎn)生電壓U，將其整流后作為微芯片的工作電源。,13,電容器Cr與閱讀器的天線線圈并聯(lián)，電容器與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發(fā)射頻率相符的并聯(lián)震蕩回路，該回路的諧振使得閱讀器的天線線圈產(chǎn)生較大的電流。 電子標(biāo)簽的天線線圈和電容器C1構(gòu)成震蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過(guò)該回路的諧振，電子標(biāo)簽線圈上的電壓U達(dá)到最大值。這兩個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)可以被解釋為變壓器（變壓器的耦合）。,14,2 數(shù)據(jù)傳輸 對(duì)于電子標(biāo)簽和閱讀器天線之間的作用距離不超0.16，并電子標(biāo)簽處于近場(chǎng)范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽與閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸

10、為負(fù)載調(diào)制（電感耦合、變壓器耦合）。 如果把諧振的電子標(biāo)簽放入閱讀器天線的交變磁場(chǎng)，那么電子標(biāo)簽就可以從磁場(chǎng)獲得能量。采用從供應(yīng)閱讀器天線的電流在閱讀器內(nèi)阻上的壓降就可以測(cè)得這個(gè)附加的功耗。電子標(biāo)簽天線上負(fù)載電阻的接通與斷開(kāi)促使閱讀器天線上的電壓發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了用電子標(biāo)簽對(duì)天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。而通過(guò)數(shù)據(jù)控制負(fù)載電壓的接通和斷開(kāi)，這些數(shù)據(jù)就可以從標(biāo)簽傳輸?shù)介喿x器了。 此外，由于閱讀器天線和電子標(biāo)簽天線之間的耦合很弱，因此閱讀器天線上表示有用信號(hào)的電壓波動(dòng)比閱讀器的輸出電壓小。在實(shí)踐中，對(duì)13.56MHz的系統(tǒng)，天線電壓（諧振時(shí)）只能得到約10mV的有用信號(hào)。因?yàn)闄z測(cè)這些小電壓變化很不方便，所以

11、可以采用天線電壓振幅調(diào)制所產(chǎn)生的調(diào)制波邊帶。如果電子標(biāo)簽的附加負(fù)載電阻以很高的時(shí)鐘頻率接通或斷開(kāi)，那么在閱讀器發(fā)送頻率將產(chǎn)生兩條譜線，此時(shí)該信號(hào)就容易檢測(cè)了，這種調(diào)制也稱為副載波調(diào)制。,15,2.2電磁反向散射RFID系統(tǒng),1反向散射調(diào)制 電磁波從天線向周圍空間發(fā)射，到達(dá)目標(biāo)的電磁波能量的一部分（自由空間衰減）被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向上去。反射能量的一部分最終會(huì)返回發(fā)射天線，稱其為回波。在雷達(dá)技術(shù)中，用這種反射波測(cè)量目標(biāo)的距離和方位。 在RFID系統(tǒng)中，利用電磁波反射完成從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用于915MHz、2.45GHz甚至更高頻率的系統(tǒng)中。該RFID系

12、統(tǒng)工作分為以下兩個(gè)過(guò)程： （1）標(biāo)簽接收讀寫(xiě)器發(fā)射的信號(hào)，其中包括已調(diào)制載波和未調(diào)制載波。當(dāng)標(biāo)簽接收的信號(hào)沒(méi)有被調(diào)制時(shí)，載波能量全部被轉(zhuǎn)換為直流電壓，該電壓供給電子標(biāo)簽內(nèi)部芯片能量；當(dāng)載波攜帶數(shù)據(jù)或者命令時(shí)，標(biāo)簽通過(guò)接收電磁波作為自己的能量來(lái)源，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，從而接收讀寫(xiě)器的指令或數(shù)據(jù)。,16,（2）標(biāo)簽向讀寫(xiě)器返回信號(hào)時(shí)，讀寫(xiě)器只向標(biāo)簽發(fā)送未調(diào)制載波，載波能量一部分被標(biāo)簽轉(zhuǎn)化成直流電壓，供給標(biāo)簽工作；另一部分能量被標(biāo)簽通過(guò)改變射頻前端電路的阻抗調(diào)制并反射載波來(lái)向讀寫(xiě)器傳遞信息。 電子標(biāo)簽的等效電路圖如下所示，Vs為天線接收信號(hào)，Za表示天線的阻抗，Z1表示芯片的輸入阻抗。為了達(dá)到調(diào)制

13、背向反射載波的目的，Z1有兩種狀態(tài)，分別為Z11和Z12。 當(dāng)標(biāo)簽需要發(fā)送的信息為二進(jìn)制數(shù)“1”時(shí)，芯片的阻抗?fàn)顟B(tài)為Z11；當(dāng)標(biāo)簽需要發(fā)送的信息為二進(jìn)制數(shù)“0”時(shí)，芯片的阻抗?fàn)顟B(tài)為Z12。這樣在兩種狀態(tài)下標(biāo)簽反射回讀寫(xiě)器的信號(hào)為： S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2 式中，s(t)為標(biāo)簽接收到的信號(hào)。,17,當(dāng)電子標(biāo)簽的阻抗采取不同的變化方式時(shí)，可以形成不同的后向散射調(diào)制方式，使得標(biāo)簽返回的能量和進(jìn)入標(biāo)簽的能量具有不同的特性。以下為四種情況： （1）OOK調(diào)制方式(On-Off Keying, OOK)。在該方式下，阻抗?fàn)顟B(tài)為1時(shí)，完全反射；阻抗?fàn)顟B(tài)為2時(shí)完全匹配，而且這兩種阻

14、抗?fàn)顟B(tài)下標(biāo)簽的反射系數(shù)的相位相同。 |S1|=1 |S2|=0 arg(S1)=arg(S2) (2)BPSK調(diào)制方式(Binary Phase Shift Keying, BPSK)。在該方式下，這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)有相同程度的失配，但是這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)的下標(biāo)簽的反射系數(shù)的相位相反。 0 |S1|= |S2|1 arg(S1)=-arg(S2),18,(3) 任意調(diào)制因子的ASK（Amplitude Shift Keying, ASK）調(diào)制。在該方式下，這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)有著不同程度的失配，但是這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)的下標(biāo)簽的反射系數(shù)的相位相同。 0 |S1|S2|1 arg(S1)=arg(S2) 這種阻抗變

15、化的方式可以使標(biāo)簽反射的信號(hào)形成任意調(diào)制因子的ASK調(diào)制方式。 (4) PR-ASK（Phase Reverse Amplitude Shift Keying, PR-ASK ）方式。該方式下，這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)有不同程度的失配，而且這兩種阻抗?fàn)顟B(tài)的下標(biāo)簽的反射系數(shù)的相位相同。 0 |S1|S2|1 arg(S1)=-arg(S2) 這種阻抗變化的方式可以使標(biāo)簽反射的信號(hào)形成相位相反的幅度鍵控調(diào)制方式。,19,2 反向散射調(diào)制的能量傳輸 電磁波從天線向周圍空間發(fā)射，會(huì)遇到不同的目標(biāo)。到達(dá)目標(biāo)的電磁波能量一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向上去。反射能量的一部分最終返回發(fā)射天線。下面

16、我們看該方式調(diào)制的能量傳輸。 （1）閱讀器到標(biāo)簽的能量傳輸 在距離閱讀器距離為R的電子標(biāo)簽處的功率密度為 式中，PTX為讀寫(xiě)器的發(fā)射功率，GTX為發(fā)射天線的增益，R是標(biāo)簽到讀寫(xiě)器天線之間的距離，EIRP為天線的有效輻射功率，是指讀寫(xiě)器發(fā)射功率和天線增益的乘積。 在電子標(biāo)簽和發(fā)射天線都處于最佳姿態(tài)，并且極化方向相匹配時(shí)，電子標(biāo)簽可以吸收的最大功率與閱讀器發(fā)射信號(hào)的功率密度S成正比：,20,（2）電子標(biāo)簽到閱讀器的能量傳輸 電子標(biāo)簽返回的能量與它的雷達(dá)散射截面面積成正比，它是目標(biāo)反射電磁波能力的測(cè)度。散射面積取決于一系列的參數(shù)，這既包含物體本身的特性，如目標(biāo)的大小、形狀、材料和表面結(jié)構(gòu)，也包括反射

17、電磁波的特性，如電磁波的波長(zhǎng)和極化方向等。 電子標(biāo)簽在空間某個(gè)位置接收到閱讀器發(fā)射的電磁波，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，電子標(biāo)簽反射電磁波的能量為： 返回閱讀器的功率密度為 接收天線的有效面積為 式中，GRX為天線的增益。,21,可以得出，閱讀器接收的標(biāo)簽反射信號(hào)的總功率為 2.3 聲表面波標(biāo)簽的識(shí)別原理 1 聲表面波RFID原理 聲表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）是傳播于晶體表面的一種機(jī)械波，其聲速僅為電磁波速的十萬(wàn)分之一，傳播衰耗很小。聲表面波器件的功能部分，是采用現(xiàn)代微電子技術(shù)在表面拋光的壓電材料基片上制作的叉指換能器、反射體和

18、耦合柵等金屬電極結(jié)構(gòu)，基于（逆）壓電效應(yīng)，射頻信號(hào)在經(jīng)歷電磁波-聲表面波-電磁波的換能過(guò)程中得到處理，達(dá)到預(yù)定功能要求。以高頻諧振器、帶通濾波器為代表的現(xiàn)代聲表面波器件，具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好、功能多及設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，已成為了先進(jìn)廣泛使用的電子關(guān)鍵元器件。 SAW標(biāo)簽由叉指換能器和若干反射器組成，如下圖所示。,22,換能器的兩條總線與電子標(biāo)簽的天線相連接，閱讀器的天線周期的發(fā)送高頻詢問(wèn)脈沖，在電子標(biāo)簽天線的接收范圍之內(nèi)，被接收到的高頻脈沖通過(guò)叉指換能器轉(zhuǎn)變成聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑ァ７瓷淦鹘M對(duì)入射表面波部分反射，并返回到叉指換能器，叉指換能器又將反射聲表面波脈沖串轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l電

19、脈沖串。如果將反射器組按某種特定的規(guī)律設(shè)計(jì)，使其反射信號(hào)表示規(guī)定的編碼信息，那么閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串就帶有該物品的特定編碼，通過(guò)解調(diào)與處理，即可達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。,聲表面波標(biāo)簽,23,2 聲表面波RFID系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)點(diǎn) 由于聲表面波SAW器件工作在射頻波段，無(wú)源而且抗電磁干擾能力較強(qiáng)，因此SAW技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電子標(biāo)簽具有一定的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是對(duì)集成電路（IC）技術(shù)的補(bǔ)充。 SAW標(biāo)簽應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括物流管理、路橋收費(fèi)、公共交通、門(mén)禁控制、防偽、超市防盜、航空行李分揀、郵包跟蹤、流水線控制與跟蹤、體育競(jìng)賽等。同時(shí)也適用于壓力、應(yīng)力、扭曲、加速度和溫度等變化參數(shù)的測(cè)量，如鐵路紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)的熱軸定位、軌道衡、超偏載檢測(cè)系統(tǒng)、汽車輪胎壓力等。 其主要優(yōu)點(diǎn)如下： （1）讀取范圍大且可靠，識(shí)別距離遠(yuǎn)。 （2）可使用在金屬和液體產(chǎn)品上。 （3）標(biāo)簽芯片與天線匹配簡(jiǎn)單，制作工藝成本低。 （4）不僅能識(shí)別靜止物體，而且能識(shí)別速度達(dá)300k