1、第六章 RFID讀寫器 讀寫器，又稱為閱讀器（取決于是否可以讀寫器，又稱為閱讀器（取決于是否可以改寫電子標簽數據）、編程器等，是讀取和寫改寫電子標簽數據）、編程器等，是讀取和寫入電子標簽信息的設備。讀寫器是射頻識別系入電子標簽信息的設備。讀寫器是射頻識別系統中非常重要的組成部分。統中非常重要的組成部分。 FTRD2000 UHF閱讀器 433 MHz遠距離閱讀器 13.56 MHz遠距離閱讀器 125 kHz工業級閱讀器 讀卡器引言一方面，電子標簽返一方面，電子標簽返回的微弱電磁信號通回的微弱電磁信號通過無線方式進入讀寫過無線方式進入讀寫器的射頻模塊并轉換器的射頻模塊并轉換成數字信號，再經過成

2、數字信號，再經過邏輯處理單元進行處邏輯處理單元進行處理和存儲，完成對電理和存儲，完成對電子標簽的識別或讀寫子標簽的識別或讀寫操作。操作。另一方面，另一方面，上層軟件與上層軟件與讀寫器需要讀寫器需要進行交互，進行交互，實現操作指實現操作指令的執行和令的執行和數據的匯總數據的匯總上傳。上傳。讀寫器是射頻識別系統中非常重要的組成部分，同時具備通信、控制和計算讀寫器是射頻識別系統中非常重要的組成部分，同時具備通信、控制和計算功能的核心設備。功能的核心設備。6.1 讀寫器的基本原理 n讀寫器的基本功能 讀寫器的基本任務是和電子標簽建立通信關系，完成對電子標讀寫器的基本任務是和電子標簽建立通信關系，完成對

3、電子標簽信息的讀寫。在這個過程中涉及的一系列任務，如通信的建立、簽信息的讀寫。在這個過程中涉及的一系列任務，如通信的建立、防止碰撞和身份驗證等都是由讀寫器處理完成的。具體來說，讀寫防止碰撞和身份驗證等都是由讀寫器處理完成的。具體來說，讀寫器具有以下功能：器具有以下功能： （1 1）給標簽提供能量給標簽提供能量。標簽在被動式或者半被動式的情況下，。標簽在被動式或者半被動式的情況下，需要讀寫器提供能量來激活電子標簽。需要讀寫器提供能量來激活電子標簽。 （2 2）實現與電子標簽的通信實現與電子標簽的通信。讀寫器對標簽進行數據訪問，其。讀寫器對標簽進行數據訪問，其中包括對電子標簽的讀數據和寫數據。中包

4、括對電子標簽的讀數據和寫數據。6.1 讀寫器的基本原理n讀寫器的基本功能(續) （3）實現與計算機通信。讀寫器能夠利用一些接口實現與計算機的通信，并能夠給計算機提供信息，用于系統終端與信息管理中心進行數據交換，從而解決整個系統的數據管理和信息分析需求。 （4）實現多個電子標簽識別。讀寫器能夠正確地識別其工作范圍內的多個電子標簽，具備防碰撞功能，可以與多個電子標簽進行數據交換。 （5）實現移動目標識別。讀寫器不但可以識別靜止不動的物體，也可以識別移動的物體。 （6）讀寫器必須具備數據記錄功能。即對于需要記錄的數據信息進行實時記錄，以達到信息中心進一步進行數據分析的需求。6.1 讀寫器的基本原理n

5、讀寫器的工作過程 射頻標簽讀寫設備均遵循如圖的信息處理與控制模式，讀寫器射頻標簽讀寫設備均遵循如圖的信息處理與控制模式，讀寫器與射頻標簽（數據載體）之間通過空間信道實現讀寫器向射頻標簽與射頻標簽（數據載體）之間通過空間信道實現讀寫器向射頻標簽發送指令，射頻標簽接收讀寫器的指令后作出必要的響應，由此實發送指令，射頻標簽接收讀寫器的指令后作出必要的響應，由此實現了射頻識別功能。現了射頻識別功能。 讀寫器所獲得的信息一般均要回送到應用系統，同時能夠接收讀寫器所獲得的信息一般均要回送到應用系統，同時能夠接收應用系統下達的指令。如果應用系統要從非接觸的數據載體（電子應用系統下達的指令。如果應用系統要從非

6、接觸的數據載體（電子標簽）中讀取或者寫入數據，需要非接觸的讀寫器作為接口。從應標簽）中讀取或者寫入數據，需要非接觸的讀寫器作為接口。從應用軟件的角度分析，對數據載體的訪問應該是盡可能透明的用軟件的角度分析，對數據載體的訪問應該是盡可能透明的. 6.1 讀寫器的基本原理n讀寫器工作方式 讀寫器先發言（讀寫器先發言（Reader Talks FirstReader Talks First，RTFRTF） 標簽先發言（標簽先發言（Tag Talks FirstTag Talks First，TTFTTF） 一般情況下，電子標簽處于一般情況下，電子標簽處于“等待等待”或稱為或稱為“休眠休眠”的工的工作

7、狀態，當電子標簽進入讀寫器的作用范圍時，檢測到一定特征作狀態，當電子標簽進入讀寫器的作用范圍時，檢測到一定特征的射頻信號，便從的射頻信號，便從“休眠休眠”的工作狀態轉到的工作狀態轉到“接收接收”狀態，接收狀態，接收到讀寫器發送的指令后，進行相應的處理，然后將結果返回讀寫到讀寫器發送的指令后，進行相應的處理，然后將結果返回讀寫器。這類只接收到讀寫器的特殊命令才發送數據的電子標簽被稱器。這類只接收到讀寫器的特殊命令才發送數據的電子標簽被稱為為RTFRTF方式。方式。6.2 讀寫器的基本構成 讀寫器的基本組成包括：讀寫器的基本組成包括：l射頻模塊（高頻接口）射頻模塊（高頻接口）l控制處理模塊控制處理

8、模塊l天線天線讀寫器天線的作用是發射電磁能量以激活讀寫器天線的作用是發射電磁能量以激活電子標簽，并向電子標簽發出指令，同時電子標簽，并向電子標簽發出指令，同時也要接收來自電子標簽的信息。也要接收來自電子標簽的信息。6.2 讀寫器的基本構成讀寫器天線的設計和選擇就必須滿足以下基本條件：讀寫器天線的設計和選擇就必須滿足以下基本條件： 1 1）天線線圈的電流最大，用于產生最大的磁通量；）天線線圈的電流最大，用于產生最大的磁通量； 2 2）功率匹配，以最大程度地利用磁通量的可用能量；）功率匹配，以最大程度地利用磁通量的可用能量； 3 3）足夠的帶寬，保證載波信號的傳輸，這些信號是）足夠的帶寬，保證載波

9、信號的傳輸，這些信號是用數字信號調制而成的；用數字信號調制而成的； 4 4）要求低剖面、小型化，讀寫器由于結構、安裝和）要求低剖面、小型化，讀寫器由于結構、安裝和使用環境等變化多樣，讀寫器產品正朝著小型化方向使用環境等變化多樣，讀寫器產品正朝著小型化方向發展。發展。6.2 讀寫器的基本構成 目前，目前，RFIDRFID讀寫器的天線主要有讀寫器的天線主要有線圈型線圈型、微帶貼片型微帶貼片型、偶極子型偶極子型三三種基本形式。種基本形式。 小于小于1 1m m的近距離應用系統一般采的近距離應用系統一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線，用工藝簡單、成本低的線圈型天線，它們主要適合工作在中低頻段。它們主

10、要適合工作在中低頻段。 1 1m m以上遠距離的應用系統需要采以上遠距離的應用系統需要采用微帶貼片型或偶極子型天線，這用微帶貼片型或偶極子型天線，這些類型的天線工作在高頻及微波頻些類型的天線工作在高頻及微波頻段。段。 偶極子天線微帶貼片型6.2 讀寫器的基本構成 讀寫器天線可以外置也可以內置：讀寫器天線可以外置也可以內置：對于近距離對于近距離RFIDRFID系統（如系統（如13.5613.56MHzMHz小于小于1010cmcm的識別系的識別系統），天線一般和讀寫器集成在一起；統），天線一般和讀寫器集成在一起；對于遠距離對于遠距離RFIDRFID系統（如系統（如UHFUHF頻段大于頻段大于3

11、3m m的識別系的識別系統），天線和讀寫器常采取分離式結構，通過阻抗匹統），天線和讀寫器常采取分離式結構，通過阻抗匹配的同軸電纜將讀寫器和天線連接到一起。配的同軸電纜將讀寫器和天線連接到一起。 與電子標簽不同的是，讀寫器天線一般無尺寸要求，與電子標簽不同的是，讀寫器天線一般無尺寸要求，可選擇的種類較多。可選擇的種類較多。6.3 讀寫器的結構形式 n固定式讀寫器 固定式讀寫器是最常見的一種讀寫器形式，它是將射頻控制器固定式讀寫器是最常見的一種讀寫器形式，它是將射頻控制器和高頻接口封裝在一個固定的外殼中，完全集成射頻識別的功能。和高頻接口封裝在一個固定的外殼中，完全集成射頻識別的功能。有時為了減少

12、設備尺寸、降低成本和便于運輸，也可以將天線和射有時為了減少設備尺寸、降低成本和便于運輸，也可以將天線和射頻模塊封裝在一個外殼單元中，這樣就可構成集成式讀寫器或一體頻模塊封裝在一個外殼單元中，這樣就可構成集成式讀寫器或一體化讀寫器。化讀寫器。 固定式讀寫器典型的技術指標如下：固定式讀寫器典型的技術指標如下： 供電電壓：供電電壓：DC 12DC 12V V、AC 220AC 220V V； 天線：分離式天線或雙天線，集成天線；天線：分離式天線或雙天線，集成天線； 通信接口：通信接口：RS-232RS-232、RS-485RS-485、以太網口等；、以太網口等； 工作溫度：工作溫度：3030+70+

13、70。6.3 讀寫器的結構形式125 kHz工業級讀寫器 2.4 GHz遠距離讀寫器 工業讀卡器和發卡機是常見的固定式讀寫器，如圖所示：工業讀卡器和發卡機是常見的固定式讀寫器，如圖所示：1.工業讀寫器 大多具備標準的現場總線接口，以便容易集成到現有設備中，大多具備標準的現場總線接口，以便容易集成到現有設備中，它主要應用在礦井、畜牧、自動化生產等工業領域。這類讀寫器還它主要應用在礦井、畜牧、自動化生產等工業領域。這類讀寫器還滿足多種不同的防護需要，甚至有的還帶防爆保護措施。滿足多種不同的防護需要，甚至有的還帶防爆保護措施。6.3 讀寫器的結構形式2發卡機 發卡機也叫做讀卡器、發卡器等，主要用來對

14、電子標簽進行具發卡機也叫做讀卡器、發卡器等，主要用來對電子標簽進行具體內容的操作，包括建立檔案、消費糾正、掛失、補卡以及信息糾體內容的操作，包括建立檔案、消費糾正、掛失、補卡以及信息糾正等，經常與計算機放在一起。從本質上說，發卡機實際上就是小正等，經常與計算機放在一起。從本質上說，發卡機實際上就是小型的射頻讀寫器。型的射頻讀寫器。3OEM模塊 有些應用需要讀寫器的封裝外殼，有些應用需要讀寫器的封裝外殼，同時同時RFIDRFID讀寫器也只是作為集成設備中讀寫器也只是作為集成設備中的一個單元，這樣只需要標準讀寫器的的一個單元，這樣只需要標準讀寫器的射頻前端模塊，而后端的控制處理模塊射頻前端模塊，而

15、后端的控制處理模塊和和I/OI/O接口可以大為簡化。經過簡化的接口可以大為簡化。經過簡化的OEMOEM讀寫器模塊讀寫器模塊( (如圖所示如圖所示) )可以作為應可以作為應用系統設備中的一個嵌入式單元。用系統設備中的一個嵌入式單元。OEM模塊6.3 讀寫器的結構形式n便攜式讀寫器 便攜式讀寫器便攜式讀寫器也叫手持式讀寫器（如圖所示），是適合于用戶也叫手持式讀寫器（如圖所示），是適合于用戶手持使用的一類射頻電子標簽讀寫設備。從外觀上看，便攜式讀寫手持使用的一類射頻電子標簽讀寫設備。從外觀上看，便攜式讀寫器一般帶有器一般帶有LCDLCD顯示屏，并且帶有鍵盤面板以便于操作或輸入數據。顯示屏，并且帶有鍵

16、盤面板以便于操作或輸入數據。通常可以選用通常可以選用RS-232RS-232接口來實現便攜式讀寫器與接口來實現便攜式讀寫器與PCPC之間的數據交換。之間的數據交換。6.3 讀寫器的結構形式 便攜式讀寫器一般采用大容量可充電的電池進行供電，操作系便攜式讀寫器一般采用大容量可充電的電池進行供電，操作系統可采用嵌入式統可采用嵌入式LinuxLinux、WinCEWinCE等嵌入式操作系統。根據環境的不等嵌入式操作系統。根據環境的不同，還可能具有其他的特性，如防水、防塵等。同，還可能具有其他的特性，如防水、防塵等。 便攜式讀寫器還有其自身的一些特點，主要包括省電設計以及便攜式讀寫器還有其自身的一些特點

17、，主要包括省電設計以及天線與讀寫器一體化設計。天線與讀寫器一體化設計。 省電設計：便攜式讀寫器由于要自帶電源工作，因而其所有電省電設計：便攜式讀寫器由于要自帶電源工作，因而其所有電源需求均由內部電池供給。由于讀寫標簽功率以及電源轉換的效率源需求均由內部電池供給。由于讀寫標簽功率以及電源轉換的效率的要求，和對設備長時間工作的期望等因素，省電設計已成為便攜的要求，和對設備長時間工作的期望等因素，省電設計已成為便攜式讀寫器首先要考慮的問題。式讀寫器首先要考慮的問題。 一體化設計：便攜式的特點決定了讀寫器與天線應采用一體化一體化設計：便攜式的特點決定了讀寫器與天線應采用一體化的設計方案。在個別情況下，

18、也可采用可替換的天線以滿足對便攜的設計方案。在個別情況下，也可采用可替換的天線以滿足對便攜式讀寫器更大讀取范圍的要求。式讀寫器更大讀取范圍的要求。6.4 讀寫器管理技術 n讀寫器管理協議 讀寫器管理讀寫器管理，主要是指讀寫器的配置、監視、控制、認證和協，主要是指讀寫器的配置、監視、控制、認證和協調。最初的讀寫器管理方法主要是基于讀寫器設備廠商提供的系統調。最初的讀寫器管理方法主要是基于讀寫器設備廠商提供的系統配置功能。基于單一讀寫器管理的方法越來越體現出其局限性，多配置功能。基于單一讀寫器管理的方法越來越體現出其局限性，多讀寫器管理已成為讀寫器系統設計中的重要研究方法。讀寫器管理已成為讀寫器系

19、統設計中的重要研究方法。 EPCGlobalEPCGlobal作為在超高頻作為在超高頻RFIDRFID領域占主導地位的組織，提出了領域占主導地位的組織，提出了對讀寫器管理的相應方法，其實質是把讀寫器管理融入對讀寫器管理的相應方法，其實質是把讀寫器管理融入EPCEPC網絡體系網絡體系架構中，利用架構中，利用EPCEPC網絡的元素來實現讀寫器管理，并且提出了基于網絡的元素來實現讀寫器管理，并且提出了基于EPCEPC體系架構的讀寫器協議（體系架構的讀寫器協議（Reader ProtocolReader Protocol）。）。 讀寫器管理協議是分層實現的，共分為三層，即讀寫器層、消讀寫器管理協議是分

20、層實現的，共分為三層，即讀寫器層、消息層和傳輸層。息層和傳輸層。 6.4 讀寫器管理技術 讀寫器層與消息層之間的接口稱為讀寫器層與消息層之間的接口稱為“消息通道消息通道”，每一個消息，每一個消息通通道都可以在讀寫器層與消息層之間獨立傳送消息。兩個基本的消息道都可以在讀寫器層與消息層之間獨立傳送消息。兩個基本的消息通道如下：通道如下： （1 1）控制通道。用于傳遞由消息系統向讀寫器發送請求消息，）控制通道。用于傳遞由消息系統向讀寫器發送請求消息，讀寫器從該通道接收信息系統主機發送的請求并給予回應。控制通讀寫器從該通道接收信息系統主機發送的請求并給予回應。控制通道中交換的消息遵循請求道中交換的消息

21、遵循請求/ /響應模式，讀寫器與信息系統主機之間的響應模式，讀寫器與信息系統主機之間的管理與控制交互主要是通過控制通道完成。管理與控制交互主要是通過控制通道完成。 （2 2）通知通道。完成由讀寫器到信息系統主機的異步消息交）通知通道。完成由讀寫器到信息系統主機的異步消息交互，實現由讀寫器向信息系統主機報告標簽的讀取信息情況。互，實現由讀寫器向信息系統主機報告標簽的讀取信息情況。 讀寫器管理協議中，提供了基本的讀寫器管理功能，表現為：讀寫器管理協議中，提供了基本的讀寫器管理功能，表現為：讀寫器讀寫器IDID獲取；讀寫器名字管理；讀寫器制造商信息；讀寫器基本獲取；讀寫器名字管理；讀寫器制造商信息；

22、讀寫器基本配置；讀寫器信號強度。配置；讀寫器信號強度。6.4 讀寫器管理技術 讀寫器管理確立為讀寫器管理確立為EPCEPC網絡體系中的一個組成部分，即讀寫器管網絡體系中的一個組成部分，即讀寫器管理角色。讀寫器管理角色的任務如下：理角色。讀寫器管理角色的任務如下： 1 1）監控部署區域內每一個讀寫器的工作狀態；）監控部署區域內每一個讀寫器的工作狀態； 2 2）管理每一個讀寫器的配置情況；）管理每一個讀寫器的配置情況； 3 3）執行其他讀寫器管理任務，如讀寫器自動發現、軟件的配置）執行其他讀寫器管理任務，如讀寫器自動發現、軟件的配置與更新、管理讀寫器的功耗等。與更新、管理讀寫器的功耗等。 讀寫器與

23、讀寫器管理角色之間的接口稱為讀寫器管理接口，讀讀寫器與讀寫器管理角色之間的接口稱為讀寫器管理接口，讀寫器管理接口的主要任務如下：寫器管理接口的主要任務如下： 1 1）提供方法查詢讀寫器的配置，如讀寫器標識、天線數量等；）提供方法查詢讀寫器的配置，如讀寫器標識、天線數量等； 2 2）提供方法監控讀寫器的工作狀態，如標簽讀取數量、通信信）提供方法監控讀寫器的工作狀態，如標簽讀取數量、通信信道狀態、天線連接性、傳輸功率級別等；道狀態、天線連接性、傳輸功率級別等； 3 3）提供方法控制讀寫器的配置）提供方法控制讀寫器的配置, ,如使能如使能/ /禁止某天線或其他特禁止某天線或其他特征等；征等； 4 4

24、）提供方法實現其他讀寫器管理功能，如讀寫器自動發現、軟）提供方法實現其他讀寫器管理功能，如讀寫器自動發現、軟件配置以及管理讀寫器功耗等。件配置以及管理讀寫器功耗等。6.4 讀寫器管理技術n多讀寫器組網技術多讀寫器系統的拓撲實現方式有如下幾種：多讀寫器系統的拓撲實現方式有如下幾種： （1 1）將每個讀寫器的通信串口和多串口卡相連，再將多串口卡的）將每個讀寫器的通信串口和多串口卡相連，再將多串口卡的輸出端口和計算機系統相連，計算機對數據進行本地過濾和存儲操輸出端口和計算機系統相連，計算機對數據進行本地過濾和存儲操作后接入局域網或者遠程網絡。多串口卡實際上起到了一個簡單的作后接入局域網或者遠程網絡。

25、多串口卡實際上起到了一個簡單的數據中間件的作用，經過簡單的設計，可以使多串口卡起到數據過數據中間件的作用，經過簡單的設計，可以使多串口卡起到數據過濾與校驗的作用。濾與校驗的作用。 （2 2）每個讀寫器都和計算機直接相連，計算機經過本地數據處理）每個讀寫器都和計算機直接相連，計算機經過本地數據處理后按照一定的協議向數據庫或者獲得授權使用這些數據的其他終端后按照一定的協議向數據庫或者獲得授權使用這些數據的其他終端分發數據。這種系統拓撲結構明晰，但是成本較高。分發數據。這種系統拓撲結構明晰，但是成本較高。 （3 3）所有讀寫器都和專用數據處理中間件相連，中間件對讀寫器）所有讀寫器都和專用數據處理中間

26、件相連，中間件對讀寫器發送來的數據進行本地過濾處理，然后直接傳入網絡。這種結構可發送來的數據進行本地過濾處理，然后直接傳入網絡。這種結構可以很方便地將讀寫器數據直接進行網絡傳輸，對數據進行網絡操控以很方便地將讀寫器數據直接進行網絡傳輸，對數據進行網絡操控和管理。中間件可能還會兼容不同協議的讀寫器。和管理。中間件可能還會兼容不同協議的讀寫器。6.4 讀寫器管理技術 一般來講，一般來講，RFIDRFID多讀寫器網絡系統應該根據用戶現有的網絡布多讀寫器網絡系統應該根據用戶現有的網絡布線情況和網絡操控功能需求進行設計。比如，對于不具備網絡條件線情況和網絡操控功能需求進行設計。比如，對于不具備網絡條件的

27、應用環境，可選的方案是通過多串口卡或者中間件將系統連入網的應用環境，可選的方案是通過多串口卡或者中間件將系統連入網絡；對于網絡條件比較便利、又不太考慮成本因素的情況，則可以絡；對于網絡條件比較便利、又不太考慮成本因素的情況，則可以考慮將每臺讀寫器和計算機分別相連，每臺計算機均單獨接入計算考慮將每臺讀寫器和計算機分別相連，每臺計算機均單獨接入計算機，進行數據傳輸和共享。機，進行數據傳輸和共享。 在一些特殊應用場合，還可以通過微波、衛星通信等方式實現在一些特殊應用場合，還可以通過微波、衛星通信等方式實現讀寫器到數據管理系統的信息傳播。讀寫器到數據管理系統的信息傳播。 微波是利用高頻無線電波在空氣中

28、的傳播來進行通信。讀寫器微波是利用高頻無線電波在空氣中的傳播來進行通信。讀寫器將數據信號載波到高頻微波信號上定向發射，接收站將信號捕獲后將數據信號載波到高頻微波信號上定向發射，接收站將信號捕獲后進行收發處理或轉發。微波是直線傳播的，具有高度的方向性。另進行收發處理或轉發。微波是直線傳播的，具有高度的方向性。另外，如果信號傳輸超過一定距離（最大外，如果信號傳輸超過一定距離（最大5050kmkm），則需要中繼站進行），則需要中繼站進行接力傳輸。接力傳輸。6.4 讀寫器管理技術n讀寫器發展趨勢 隨著隨著RFIDRFID技術的不斷發展，讀寫器將朝著多功能、多制式兼容、技術的不斷發展，讀寫器將朝著多功能

29、、多制式兼容、多頻段兼容、小型化、多數據接口、便攜式、多智能天線端口、多頻段兼容、小型化、多數據接口、便攜式、多智能天線端口、嵌入式和模塊化的方向發展，而且成本也將越來越低。嵌入式和模塊化的方向發展，而且成本也將越來越低。 （1 1）多功能。為了適應市場對射頻識別系統多樣性和多功能的）多功能。為了適應市場對射頻識別系統多樣性和多功能的要求，讀寫器將集成更多更加方便實用的功能。同時為了適應某要求，讀寫器將集成更多更加方便實用的功能。同時為了適應某些便利的應用，讀寫器將具有更多的智能性，具備一定的數據處些便利的應用，讀寫器將具有更多的智能性，具備一定的數據處理能力，可以按照一定的規則將應用系統處理

30、程序下載到讀寫器理能力，可以按照一定的規則將應用系統處理程序下載到讀寫器中。這樣，讀寫器就可以脫離中央處理計算機，脫機情況下工作，中。這樣，讀寫器就可以脫離中央處理計算機，脫機情況下工作，完成門禁、報警等功能。完成門禁、報警等功能。 （2 2）多制式兼容。由于目前全球沒有統一的射頻識別技術標準。）多制式兼容。由于目前全球沒有統一的射頻識別技術標準。但是隨著射頻識別技術的逐漸統一，只要這些標簽協議是公開的但是隨著射頻識別技術的逐漸統一，只要這些標簽協議是公開的或者是經過許可的，某些廠家的讀寫器將兼容多種不同制式的電或者是經過許可的，某些廠家的讀寫器將兼容多種不同制式的電子標簽，以提高產品的應用適應能力和市場競爭力。子標簽，以提高產