1、射頻識別技術RFID Technology,RFID系統的工作原理 2,4.1 RFID系統組成 典型的RFID系統主要由閱讀器、電子標簽、中間件和應用系統軟件組成。,4.1.1 硬件組件 1. 閱讀器 閱讀器（Reader）又稱讀寫器。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的控制指令。閱讀器的頻率決定了RFID系統工作的頻段，其功率決定了射頻識別的有效距離。閱讀器根據使用的結構和技術的不同可以是讀或讀/寫裝置，它是RFID系統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。,圖4-2 RFID閱讀器,（1）射頻接口 射頻接口模塊主要任務和功能： 產

2、生高頻發射能量，激活電子標簽并為其提供能量。 對發射信號進行調制，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。 注意，在射頻接口中有兩個分隔開的信號通道，分別來往于電子標簽和閱讀器兩個方向的數據傳輸。 （2）邏輯控制單元 邏輯控制單元也稱讀寫模塊，主要任務和功能： 與應用系統軟件進行通信，并執行從應用系統軟件發送來的指令。 控制閱讀器與電子標簽的通信過程。 信號的編碼與解碼。 對閱讀器和標簽之間傳輸的數據進行加密和解密。 執行防碰撞算法。 對閱讀器和標簽的身份進行驗證。,天線 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射出去的裝置。在RFID系統中，

3、閱讀器必須通過天線來發射能量，來形成電磁場，通過電磁場對電子標簽進行識別。因此，閱讀器天線所形成的電磁場范圍即為閱讀器的可讀區域。 2 電子標簽 電子標簽 (Electronic Tag) 也稱為智能標簽 (Smart Tag) ，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閱讀器進行通信。電子標簽是RFID系統中真正的數據載體。系統工作時，閱讀器發出查詢（能量）信號，標簽（無源）在收到查詢（能量）信號后將其一部分整流為直流電源供電子標簽內的電路工作，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閱讀器。,電子標簽內部各模塊的功能： （1）天線：用來接收由閱讀器

4、送來的信號，并把要求的數據傳送回給閱讀器。 （2）電壓調節器：把由閱讀器送來的射頻信號轉換為直流電源，并經大電容存儲能量，再通過穩壓電路以提供穩定的電源。 （3）調制器：邏輯控制電路送出的數據經調制電路調制后加載到天線返給閱讀器。 （4）解調器：去除載波，取出調制信號。 （5）邏輯控制單元：譯碼閱讀器送來的信號，并依據要求返回數據給閱讀器。 （6）存儲單元：包括ERPROM和ROM，作為系統運行及存放識別數據。,4.1.2 軟件組件 1 中間件 中間件是一種獨立的系統軟件或服務程序。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、服務器的操作系統之上，管理計算機資源和網絡

5、通信。,中間件的主要任務和功能： （1）閱讀器協調控制 終端用戶可以通過RFID中間件接口直接配置、監控以及發送指令給閱讀器。一些RFID中間件開發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不需要增加額外的程序代碼。 （2）數據過濾與處理 當標簽信息傳輸發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閱讀器讀取同一電子標簽的碰撞，確保了閱讀準確性。 （3）數據路由與集成 RFID中間件能夠決定采集到的數據傳遞給哪一個應用。RFID中間件可以與企業現有的企業資源計劃（ERP）、客戶關系管理（CRM）、倉

6、儲管理系統（WMS）等軟件集成在一起，為它們提供數據的路由和集成，同時中間件可以保存數據，分批的給各個應用提交數據。 （4）進程管理 RFID中間件根據客戶定制的任務負責數據的監控與事件的觸發。如在倉儲管理中，設置中間件來監控貨品庫存的數量，當庫存低于設置的標準時，RFID中間件會觸發事件，通知相應的應用軟件。,4.2 各種RFID系統原理 基本工作原理：由閱讀器通過發射天線發送特定頻率的射頻信號，當電子標簽進入有效工作區域時產生感應電流，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射頻天線發送出去；閱讀器的接收天線接收到從標簽發送來的調制信號，經天線調節器傳送到閱讀器信號

7、處理模塊，經解調和解碼后將有效信息送至后臺主機系統進行相關的處理；主機系統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，最終發出指令信號控制閱讀器完成相應的讀寫操作。,從電子標簽到閱讀器之間的通信及能量感應方式來看，系統一般可以分為兩類：電感耦合（Inductive Coupling）系統和電磁反向散射耦合（Backscatter Coupling）系統。 電感耦合通過空間高頻交變磁場實現耦合，依據的是電磁感應定律。該方式一般適合于中、低頻工作的近距離RFID系統，典型工作頻率：125kHz，225kHz，和13.56MHz。識別作用距離一般小于1m，典型作用距離為020c

8、m。 電磁反向散射耦合基于雷達模型，發射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規律。該方式一般適用于高頻、微波工作的遠距離RFID系統，典型的工作頻率：433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。識別作用距離大于1m，典型作用距離為46m。,4.2.1 電感耦合RFID系統 電感耦合工作方式對應于ISO/IEC14443協議。電感耦合電子標簽由一個電子數據作為載體，通常由單個微芯片及天線（大面積線圈）等組成。在標簽中的微芯片工作所需的全部能量由閱讀器發送的感應電磁能提供。高頻的強電磁場由閱讀器的天線線圈產生，并穿越線圈橫截面和周圍空間，以使附近的電

9、子標簽產生電磁感應。 1. 能量供應 閱讀器天線線圈激發磁場，其中一小部分磁力線穿過電子標簽天線線圈，通過感應，在電子標簽的天線線圈上產生電壓U，將其整流后作為微芯片的工作電源。,電容器Cr與閱讀器的天線線圈并聯，電容器與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發射頻率相符的并聯震蕩回路，該回路的諧振使得閱讀器的天線線圈產生較大的電流。 電子標簽的天線線圈和電容器C1構成震蕩回路，調諧到閱讀器的發射頻率。通過該回路的諧振，電子標簽線圈上的電壓U達到最大值。這兩個線圈的結構可以被解釋為變壓器（變壓器的耦合）。,2 數據傳輸 對于電子標簽和閱讀器天線之間的作用距離不超過 ，并電子標簽處于近場范圍內

10、，電子標簽與閱讀器的數據傳輸為負載調制（電感耦合、變壓器耦合）。 如果把諧振的電子標簽放入閱讀器天線的交變磁場，那么電子標簽就可以從磁場獲得能量。采用從供應閱讀器天線的電流在閱讀器內阻上的壓降就可以測得這個附加的功耗。電子標簽天線上負載電阻的接通與斷開促使閱讀器天線上的電壓發生變化，實現了用電子標簽對天線電壓進行振幅調制。而通過數據控制負載電壓的接通和斷開，這些數據就可以從標簽傳輸到閱讀器了。 此外，由于閱讀器天線和電子標簽天線之間的耦合很弱，因此閱讀器天線上表示有用信號的電壓波動比閱讀器的輸出電壓小。在實踐中，對13.56MHz的系統，天線電壓（諧振時）只能得到約10mV的有用信號。因為檢測

11、這些小電壓變化很不方便，所以可以采用天線電壓振幅調制所產生的調制波邊帶。如果電子標簽的附加負載電阻以很高的時鐘頻率接通或斷開，那么在閱讀器發送頻率將產生兩條譜線，此時該信號就容易檢測了，這種調制也稱為副載波調制。,4.2.2 電磁反向散射RFID系統 1 反向散射調制 電磁波從天線向周圍空間發射，到達目標的電磁波能量的一部分（自由空間衰減）被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一部分最終會返回發射天線，稱其為回波。在雷達技術中，用這種反射波測量目標的距離和方位。 在RFID系統中，利用電磁波反射完成從電子標簽到閱讀器的數據傳輸，主要應用于915MHz、2.45GHz甚至

12、更高頻率的系統中。該RFID系統工作分為以下兩個過程： （1）標簽接收讀寫器發射的信號，其中包括已調制載波和未調制載波。當標簽接收的信號沒有被調制時，載波能量全部被轉換為直流電壓，該電壓供給電子標簽內部芯片能量；當載波攜帶數據或者命令時，標簽通過接收電磁波作為自己的能量來源，并對接收信號進行處理，從而接收讀寫器的指令或數據。,（2）標簽向讀寫器返回信號時，讀寫器只向標簽發送未調制載波，載波能量一部分被標簽轉化成直流電壓，供給標簽工作；另一部分能量被標簽通過改變射頻前端電路的阻抗調制并反射載波來向讀寫器傳遞信息。 電子標簽的等效電路圖如下所示，Vs為天線接收信號，Za表示天線的阻抗，Z1表示芯片

13、的輸入阻抗。為了達到調制背向反射載波的目的，Z1有兩種狀態，分別為Z11和Z12。 當標簽需要發送的信息為二進制數“1”時，芯片的阻抗狀態為Z11；當標簽需要發送的信息為二進制數“0”時，芯片的阻抗狀態為Z12。這樣在兩種狀態下標簽反射回讀寫器的信號為： S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2 式中，s(t)為標簽接收到的信號。,當電子標簽的阻抗采取不同的變化方式時，可以形成不同的后向散射調制方式，使得標簽返回的能量和進入標簽的能量具有不同的特性。以下為四種情況： （1）OOK調制方式(On-Off Keying, OOK)。在該方式下，阻抗狀態為1時，完全反射；阻抗狀態為2時完全

14、匹配，而且這兩種阻抗狀態下標簽的反射系數的相位相同。 |S1|=1 |S2|=0 arg(S1)=arg(S2) (2) BPSK調制方式(Binary Phase Shift Keying, BPSK)。在該方式下，這兩種阻抗狀態有相同程度的失配，但是這兩種阻抗狀態的下標簽的反射系數的相位相反。 0 |S1|= |S2|1 arg(S1)=-arg(S2),(3) 任意調制因子的ASK（Amplitude Shift Keying, ASK）調制。在該方式下，這兩種阻抗狀態有著不同程度的失配，但是這兩種阻抗狀態的下標簽的反射系數的相位相同。 0 |S1|S2|1 arg(S1)=arg(S2

15、) 這種阻抗變化的方式可以使標簽反射的信號形成任意調制因子的ASK調制方式。 (4) PR-ASK（Phase Reverse Amplitude Shift Keying, PR-ASK ）方式。該方式下，這兩種阻抗狀態有不同程度的失配，而且這兩種阻抗狀態的下標簽的反射系數的相位相同。 0 |S1|S2|1 arg(S1)=-arg(S2) 這種阻抗變化的方式可以使標簽反射的信號形成相位相反的幅度鍵控調制方式。,2 反向散射調制的能量傳輸 電磁波從天線向周圍空間發射，會遇到不同的目標。到達目標的電磁波能量一部分被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向上去。反射能量的一部分最終返回發射天

16、線。下面我們看該方式調制的能量傳輸。 （1）閱讀器到標簽的能量傳輸 在距離閱讀器距離為R的電子標簽處的功率密度為 式中，PTX為讀寫器的發射功率，GTX為發射天線的增益，R是標簽到讀寫器天線之間的距離，EIRP為天線的有效輻射功率，是指讀寫器發射功率和天線增益的乘積。 在電子標簽和發射天線都處于最佳姿態，并且極化方向相匹配時，電子標簽可以吸收的最大功率與閱讀器發射信號的功率密度S成正比：,式中，Ae為電子標簽的有效面積： GTag為電子標簽的天線增益，因此，有： 無源RFID系統的電子標簽通過電磁場供電，標簽功耗很大，讀寫距離越短，性能就越差。RFID電子標簽能否工作也主要由電子標簽的工作電壓

17、所決定，這也決定了無源RFID系統的識別距離。但隨著 集成電路工藝的發展，射頻電子標簽芯片本身的功耗逐漸在降低。目前，典型的低功耗電子標簽的工作電壓為1.2V左右，標簽本身的功耗可以低至數十微瓦到數微瓦。這使得無源電子標簽的識別距離在無線電發射功率受到限制的情況下可以達到10m以上。,（2）電子標簽到閱讀器的能量傳輸 電子標簽返回的能量與它的雷達散射截面面積成正比，它是目標反射電磁波能力的測度。散射面積取決于一系列的參數，這既包含物體本身的特性，如目標的大小、形狀、材料和表面結構，也包括反射電磁波的特性，如電磁波的波長和極化方向等。 電子標簽在空間某個位置接收到閱讀器發射的電磁波，一部分自身吸

18、收用于提供自身工作的能量，另一部分被反射回去，電子標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。,可以得出，閱讀器接收的標簽反射信號的總功率為 4.2.3 聲表面波標簽的識別原理 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械波，其聲速僅為電磁波速的十萬分之一，傳播衰耗很小。聲表面波器件的功能部分，是采用現代微電子技術在表面拋光的壓電材料基片上制作的叉指換能器、反射體和耦合柵等金屬電極結構，基于（逆）壓電效應，射頻信號在經歷電磁波-聲表面波-電磁波的換能過程中得到處理，達到

19、預定功能要求。以高頻諧振器、帶通濾波器為代表的現代聲表面波器件，具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好、功能多及設計靈活等優點，已成為了先進廣泛使用的電子關鍵元器件。 SAW標簽由叉指換能器和若干反射器組成，如下圖所示。,換能器的兩條總線與電子標簽的天線相連接，閱讀器的天線周期的發送高頻詢問脈沖，在電子標簽天線的接收范圍之內，被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉變成聲表面波，并在晶體表面傳播。反射器組對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變為高頻電脈沖串。如果將反射器組按某種特定的規律設計，使其反射信號表示規定的編碼信息，那么閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串就

20、帶有該物品的特定編碼，通過解調與處理，即可達到自動識別的目的。,圖4-6 聲表面波標簽,2 聲表面波RFID系統的應用領域及優點 由于聲表面波SAW器件工作在射頻波段，無源而且抗電磁干擾能力較強，因此SAW技術實現的電子標簽具有一定的獨特優勢，是對集成電路（IC）技術的補充。 SAW標簽應用領域非常廣泛，包括物流管理、路橋收費、公共交通、門禁控制、防偽、超市防盜、航空行李分揀、郵包跟蹤、流水線控制與跟蹤、體育競賽等。同時也適用于壓力、應力、扭曲、加速度和溫度等變化參數的測量，如鐵路紅外軸溫探測系統的熱軸定位、軌道衡、超偏載檢測系統、汽車輪胎壓力等。 其主要優點如下： （1）讀取范圍大且可靠，識別距離遠。 （2）可使用在金屬和液體產品上。 （3）標簽芯片與天線匹配簡單，制