項目四射頻識別技術應用項目的開發4.1任務一：射頻識別技術基礎知識4.2任務二：RFID系統的組成4.3任務三：幾種常見的RFID系統4.4任務四：RFID中間件技術4.5任務五：RFID典型模塊應用實踐4.1任務一：射頻識別技術基礎知識

4.1.1射頻識別

1.概述

RFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫，意為射頻識別。射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。

2.射頻識別技術特點

(1)數據的讀寫功能。

(2)電子標簽的小型化和多樣化。

(3)耐環境性。

(4)可重復使用。

(5)穿透性。

(6)數據的記憶容量大。

(7)系統安全性。4.1.2RFID技術分類

1.?RFID技術分類

1)根據標簽的供電形式分類

(1)有源式電子標簽。

(2)無源式電子標簽。

(3)半有源式電子標簽。2)根據電子標簽的工作頻率分類

(1)低頻段電子標簽。

(2)中高頻段電子標簽。

(3)超高頻與微波標簽。

3)根據標簽的可讀性分類

(1)只讀電子標簽。

(2)可讀可寫標簽。

(3)一次寫入多次讀出標簽。4)根據標簽的工作方式分類

(1)主動式電子標簽。

(2)被動式電子標簽。

(3)半主動式電子標簽。

2.?RFID系統的分類

1)?EAS系統

EAS(ELECTRONICARTICLESURVEILLANCE)是一種設置在需要控制物品出入的門口的RFID技術。這種技術的典型應用場合是商店、圖書館、數據中心等地方，當未被授權的人從這些地方非法取走物品時，EAS系統會發出警告。2)便攜式數據采集系統

便攜式數據采集系統是使用帶有RFID閱讀器的手持式數據采集器采集RFID標簽上的數據。這種系統具有比較大的靈活性，適用于不宜安裝固定式RFID系統的應用環境。3)物流控制系統

在物流控制系統中，固定布置的RFID閱讀器分散布置在給定的區域，并且閱讀器直接與數據管理信息系統相連，信號發射機是移動的，一般安裝在移動的物體、人上面。當物體、人流經閱讀器時，閱讀器會自動掃描標簽上的信息并把數據信息輸入數據管理信息系統存儲、分析、處理，達到控制物流的目的。4)定位系統

定位系統用于自動化加工系統中的定位以及對車輛、輪船等進行運行定位支持。閱讀器放置在移動的車輛、輪船上或者自動化流水線中移動的物料、半成品或成品上，信號發射機嵌入到操作環境的地表下面。信號發射機上存儲有位置識別信息，閱讀器一般通過無線的方式或者有線的方式連接到主信息管理系統。4.1.3RFID技術標準

由于RFID的應用牽涉到眾多行業，因此其相關的標準非常復雜。從類別看，RFID標準可以分為以下四類：技術標準(如RFID技術、IC卡標準等)；數據內容與編碼標準(如編碼格式、語法標準等)；性能與一致性標準(如測試規范等)；應用標準(如船運標簽、產品包裝標準等)。具體來講，RFID相關的標準涉及電氣特性、通信頻率、數據格式和元數據、通信協議、安全、測試、應用等方面。4.2任務二：RFID系統的組成

4.2.1RFID的工作原理及系統組成

1.工作原理

RFID的工作原理是：標簽進入磁場后，如果接收到閱讀器發出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息(即PassiveTag，無源標簽或被動標簽)，或者主動發送某一頻率的信號(即ActiveTag，有源標簽或主動標簽)，閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。

2.?RFID系統的組成

射頻識別系統至少應包括以下兩個部分，一是讀寫器，二是電子標簽(或稱射頻卡、應答器等，本文統稱為電子標簽)。另外還應包括天線，主機等。圖4.1RFID系統的組成圖4.2射頻識別系統基本組成4.2.2RFID系統中的軟件組件

1.邊沿接口系統

邊沿接口系統還具有以下功能：

(1)從不同讀寫器中過濾重復數據。

(2)設置基于事件方式觸發的外部執行機構。

(3)提供智能功能，選擇發送到軟件系統。

(4)遠程管理功能。

2.?RFID中間件

使用RFID中間件有三個主要目的：

(1)隔離應用層和設備接口。

(2)處理讀寫器和傳感器捕獲的原始數據，使應用層看到的都是有意義的高層事件，大大減少所需處理的信息。

(3)提供應用層接口用于管理讀寫器和查詢RFID觀測數據，目前，大多數可用的RFID中間件都有這些特性。

3.企業應用接口

前端軟件最重要的功能是保障電子標簽和讀寫器之間的正常通信，通過硬件設備的運行和接收高層的后端軟件控制來處理和管理電子標簽和讀寫器之間的數據通信。前端軟件完成的基本功能有：

(1)讀/寫功能：

(2)防碰撞功能：

(3)安全功能：

(4)檢/糾錯功能：

4.應用軟件

應用軟件也是系統的數據中心，它負責與讀寫器通信，將讀寫器經過中間件轉換之后的數據，插入到后臺企業倉儲管理系統的數據庫中，對電子標簽管理信息、發行電子標簽和采集的電子標簽信息集中進行存儲和處理。一般說來，后端應用軟件系統需要完成以下功能：

(1)?RFID系統管理：

(2)電子標簽管理：

(3)數據分析和存儲：4.3任務三：幾種常見的RFID系統

從電子標簽到讀寫器之間的通信和能量感應方式來看，RFID系統一般可分為電感耦合(磁耦合)系統和電磁反向散射耦合(電磁場耦合)系統。電感耦合系統是通過空間高頻交變磁場實現耦合，依據的是電磁感應定律；電磁反向散射耦合，即雷達原理模型，發射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規律。圖4.3電感耦合和電磁耦合4.3.1電感耦合RFID系統

電感耦合方式電路結構如圖4.4所示。電感耦合的射頻載波頻率為13.56?MHz和小于135kHz的頻段，應答器和讀寫器之間的工作距離小于1?m。圖4.4電感耦合方式的電路結構

1.應答器的能量供給

電磁耦合方式的應答器幾乎都是無源的，能量(電源)從讀寫器獲得。由于讀寫器產生的磁場強度受到電磁兼容性能有關標準的嚴格限制，因此系統的工作距離較近。

2.數據傳輸

應答器向讀寫器的數據傳輸采用負載調制方法。應答器二進制數據編碼信號控制開關器件，使其電阻發生變化，從而使應答器線圈上的負載電阻按二進制編碼信號的變化而改變。4.3.2反向散射耦合RFID系統

1.反向散射

雷達技術為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應用基礎。當電磁波遇到空間目標時，其能量的一部分被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。

2.?RFID反向散射耦合方式

一個目標反射電磁波的頻率由反射橫截面來確定。反射橫截面的大小與一系列的參數有關，如目標的大小、形狀和材料，電磁波的波長和極化方向等。圖4.5RFID反向散射耦合方式原理圖1)應答器的能量供給

無源應答器的能量由讀寫器提供，讀寫器天線發射的功率P1經自由空間衰減后到達應答，被吸收的功率經應答器中的整流電路后形成應答器的工作電壓。2)應答器至讀寫器的數據傳輸

由讀寫器傳到應答器的功率的一部分被天線反射，反射功率P2經自由空間后返回讀寫器，被讀寫器天線接收。接收信號經收發耦合器電路傳輸到讀寫器的接收通道，被放大后經處理電路獲得有用信息。3)讀寫器至應答器的數據傳輸

讀寫器至應答器的命令及數據傳輸，應根據RFID的有關標準進行編碼和調制，或者按所選用應答器的要求進行設計。

3.聲表面波應答器

1)聲表面波器件

聲表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)器件以壓電效應和與表面彈性相關的低速傳播的聲波為依據。SAW器件體積小、重量輕、工作頻率高、相對帶寬較寬，并且可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡單，重獲得性和設計靈活性高。2)聲表面波應答器

聲表面波應答器的基本結構如圖4.6所示，長長的一條壓電晶體基片的端部有指狀電極結構。基片通常采用石英鈮酸鋰或鉭酸鋰等壓電材料制作。在壓電基片的導電板上附有偶極子天線，其工作頻率和讀寫器的發送頻率一致。在應答器的剩余長度安裝了反射器，反射器的反射帶通常由鋁制成。圖4.6聲表面波應答器原理結構圖4.4任務四：RFID中間件技術

RFID中間件(Middleware)技術將企業級中間件技術延伸到RFID領域，是RFID產業鏈的關鍵共性技術。它是RFID讀寫器和應用系統之間的中介。RFID中間件屏蔽了RFID設備的多樣性和復雜性，能夠為后臺業務系統提供強大的支撐，從而驅動更廣泛、更豐富的RFID應用。4.4.1RFID中間件的組成及功能特點

1.?RFID中間件的組成

1)讀寫器適配器

2)事件管理器

3)應用程序接口

2.?RFID中間件的主要功能

1)數據實時采集

2)數據處理

3)數據共享

4)安全服務

3.中間件的工作機制及特點

中間件作為一個用API定義的軟件層，在具體實現上應具有強大的通信能力和良好的可擴展性。作為一個中間件應具備如下四點：

(1)標準的協議和接口，具備通用性、易用性；

(2)分布式計算，提供網絡、硬件、操作系統透明性；

(3)滿足大量應用需要；

(4)能運行于多種硬件和操作系統平臺。4.4.2RFID中間件體系結構

RFID中間件技術涉及的內容比較多，包括：開發訪問技術、目錄服務及定位技術、數據及設備監控技術、遠程數據訪問、安全和集成技術、進程及會話管理技術等。但任何RFID中間件應能夠提供數據讀出和寫入、數據過濾和聚合、數據的分發、數據的安全等服務。圖4.7分布式RFID中間件分層結構示意圖

1.設備管理系統

設備管理系統實現的主要功能：一是為網絡上的讀寫器進行適配，并按照上層的配置建立實時的UDP連接并做好接收標簽數據的準備；二是對接收到的數據進行預處理。

2.事件處理

設備管理系統產生事件，并將事件傳遞到事件處理系統中，由事件處理系統進行處理，然后通過數據服務接口把數據傳遞到相關的應用系統。

3.數據服務接口

來自事件處理系統的數據最終是分類的XML文件。同一類型的數據以XML文件的形式保存，并提供給相應的一個或多個應用程序使用。而數據服務接口主要是對這些數據進行過濾、入庫操作，并提供訪問相應數據庫的服務接口。4.5任務五：RFID典型模塊應用實踐

本實踐是用一塊基于MFRC522射頻芯片的高頻RFID模塊，配合實驗箱配套的高頻標簽(即非接觸式IC卡)完成高頻RFID的讀寫。通過STC16C51單片機連接MFRC522控制器，進行IC卡的讀寫操作，HFRFID的擴展子板通過串口與智能網關進行通信和數據交換。4.5.1高頻(HF)讀卡模塊

1.?MFRC522射頻芯片

MFRC522是高度集成的非接觸式(13.56?MHz)讀寫卡芯片。此發送模塊利用調制和解調的原理，并將它們完全集成到各種非接觸式通信方法和協議中。MFRC522發送模塊支持的工作模式是ISO14443A。

2.非接觸式IC卡

目前市面上有多種類型的非接觸式IC卡，按照不同協議大體可以分為三類，各類IC卡特點及工作特性如表4.2所示。

3.?Philips的MIFARE卡

Philips的MIFARE卡有M1卡和ML卡。下面分別作簡要介紹。

1)?M1卡簡介

(1)?M1卡工作原理。

卡片的電氣部分只由一個天線和ASIC組成。(2)?M1卡主要指標如下。(3)?M1卡存儲結構。

①M1卡分為16個扇區，每個扇區由4塊(塊0、塊1、塊2、塊3)組成，也將16個扇區的64個塊按絕對地址編號為0～63，存儲結構如圖4.8所示。圖4.8M1存貯結構圖②第0扇區的塊0(即絕對地址0塊)，它用于存放廠商代碼，已經固化，不可更改。

③每個扇區的塊0、塊1、塊2為數據塊，可用于存儲數據。

數據塊可作兩種應用：

·用作一般的數據保存，可以進行讀、寫操作。

·用作數據值，可以進行初始化值、加值、減值、讀值操作。

④每個扇區的塊3為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼B。具體結構如下：⑤每個扇區的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據實際需要設定各自的密碼及存取控制。存取控制為4個字節，共32位，扇區中的每個塊(包括數據塊和控制塊)的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的，在存取控制中每個塊都有相應的三個控制位，定義如下：三個控制位以正和反兩種形式存在于存取控制字節中，決定了該塊的訪問權限(如進行減值操作必須驗證KEYA，進行加值操作必須驗證KEYB，等等)。三個控制位在存取控制字節中的位置，以塊0為例，對塊0的控制如圖4.9所示。圖4.9三個控制位在塊0存取控制字節中的位置圖存取控制(4字節，其中字節9為備用字節)結構如下所示：⑥數據塊(塊0、塊1、塊2)的存取控制如表4.3所示。⑦控制塊塊3的存取控制與數據塊(塊0、1、2)不同，它的存取控制如表4.4所示。(4)?M1卡與讀寫器MFRC522的通信，如圖4.10所示。圖4.10M1卡與讀寫器MFRC522的通信2)?ML卡簡介

(1)?ML卡性能介紹。

(2)?ML卡存儲結構。

4.?ISO14443協議標準簡介

ISO14443協議是超短距離智慧卡標準，該標準定義出讀取距離7～15?cm的短距離非接觸智能卡的功能及運作標準，ISO14443標準分為TYPEA和TYPEB兩種。Philips公司的MIFARE系列的MIFARE1符合的ISO14443TYPEA標準。圖4.11PICC狀態轉化圖

5.上位機與高頻RFID模塊間的通信協議

高頻RFID模塊和高頻標簽間除了簡單的讀卡外，還有寫入數據、修改密碼的功能，這就需要上位機和這些RFID模塊之間進行通信。以下便是上位機和高頻RFID之間的一些協議。4.5.1MIFARE1卡通信測試實訓

1.實訓目的

熟悉HFRFID硬件，了解HFRFID讀卡模塊與PC串口的通信過程和各種操作指令。

2.實訓設備

(1)?PC機和串口測試軟件。

(2)?HFRFID讀卡模塊，通過串口連接到PC機。

(3)?MIFARE1卡一張。

3.實訓內容

了解MIFARE1卡的功能和使用方法、掌握HFRFID讀卡模塊的讀卡過程、掌握HFRFID讀卡模塊與PC串口的通信協議和通信過程。

4.實訓原理

HFRFID讀卡器與PC機通過串口，使用自定義協議進行通信，該協議定義如下：

·通信格式：

數據包長度L(1?Byte)命令字C(1?Byte)數據包D(L-1?Bytes)

·通信方向：

->下位機送給上位機

<-上位機送給下位機

·協議規范(1)啟動。

(2)尋卡。

(3)防沖突。

(4)選擇。

(5)終止。

(6)參數設置。

(7)密碼下載(扇區1密碼為12個F)。

(8)數據讀(扇區1塊0塊1塊2)。

(9)數據寫(