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1、RFID原理及应用,许毅 陈建军,第1章 RFID技术概述,1.1RFID技术的特点,RFID自动识别的优势及特点主要表现如下：1.快速扫描 2.体积小型化、形状多样化 3.抗污染能力和耐久性 4.可重复使用 5.穿透性和无屏障阅读 6.数据的记忆容量大 7.安全性,1.2 RFID系统的组成,典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件4部分构成,1.2.1硬件组件,1.阅读器阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线3部分组成，其内部结构如图1-3所示。,在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于来往于电子标签与阅读器两个方向的数据传输。传送往电子标签的数据通过发
2、射器分支通道发射，而来自于电子标签的数据则通过接收器分支通道接收。天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系统中，阅读器必须通过天线发射能量，形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别，所以可以说，阅读器上的天线所形成的电磁场范围就是阅读器的可读区域。,2.电子标签,电子标签的内部结构如图所示。,电子标签（Electronic Tag）也称为智能标签（Smart Label），是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。系统工作时，阅读器发出查询（能量）信号，标签（无源）在收到查询（能量）信号后将其
3、一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作；另一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器。电子标签是射频识别系统真正的数据载体,1.2.2软件组件,1.中间件 中间件位于客户机、服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。RFID中间件扮演着电子标签和应用程序之间的中介角色，从应用程序端使用中间件提供的一组通用的应用程序接口（API），即能连到RFID阅读器，读取电子标签数据。这样，即使存储电子标签信息的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者RFID阅读器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，解决了多对多连接的维护复杂性问题。,RFID中间件主要包括以下
4、4个功能阅读器协调控制数据过滤与处理数据路由与集成进程管理2.RFID应用系统软件 RFID应用系统软件是针对不同行业的特定需求开发的应用软件，可以有效地控制阅读器对电子标签信息进行读写，并且对收集到的目标信息进行集中的统计与处理。RFID应用系统软件可以集成到现有的电子商务和电子政务平台中，与ERP、CRM以及SCM等系统结合以提高各行业的生产效率。,1.3 RFID技术的物理学原理,RFID是一种易于操控、简单实用且特别适用于自动化控制的应用技术，其基本原理是利用射频信号耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。1.3.1与RFID相关的电磁场理论 了解电磁传
5、播规律有助于更好地理解和应用射频识别系统。,1.天线场的概念射频标签和读写器通过各自的天线构建起两者之间的非接触信息传输通道，这种空间信息传输通道的性能完全由天线周围的场区特性决定，是电磁传播的基本规律。射频信号加载到天线之后，在紧邻天线的空间中，除了辐射场之外，还有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，因而将此区域称为电抗近场区，它的外界约为一个波长。超过电抗近场区就到了辐射场区，按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。,通常，可以根据观测点与天线的距离将天线周围的场划分为三个区域。（1）无功近场区。无功近
6、场区又称为电抗近场区，是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中，电抗性储能场占支配地位，该区域的界限通常取为距天线口径表面/2处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换。,（2）辐射近场区。超过电抗近场区就到了辐射场区，辐射场区的电磁场已经脱离了天线的束缚，并作为电磁波进入空间。按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。对于通常的天线，此区域也称为菲涅尔区。（3）辐射远场区。辐射远场区即通常所说的远场区，又称为夫朗荷费区。在该区
7、域中，辐射场的角分布与距离无关。严格地讲，只有离天线无穷远处才能到达天线的远场区。,2.天线的方向性图 天线的方向性图是指该辐射区域中辐射场的角度分布，因而远场区是天线辐射场区中最重要的一个。公认的辐射近场区与远场区的分界距离R为式中，D为天线直径；为天线波长，D。对于天线而言，当天线的最大尺寸L小于波长时，天线周围只存在无功近场区与辐射远场区，没有辐射近场区。无功近场区的外界约为/2，超过了这个距离，辐射场就占主要优势。通常将满足的天线称为小天线。,1.3.2能量耦合和数据传输,1.耦合类型 根据射频识别系统作用距离的远近情况，标签天线与读写器天线之间的耦合可以分为三类：密耦合系统、遥耦合系
8、统和远距离系统。1）密耦合系统 密耦合系统，又称紧密耦合系统，是具有很小作用距离的射频识别系统，其典型作用距离范围为01cm。密耦合系统是利用射频标签与读写器天线的无功近场区之间的电感耦合（闭合磁路）构成的无接触空间信息传输射频通道进行工作的。密耦合系统的工作频率一般局限于30MHz以下的频率。,2）遥耦合系统 遥耦合系统的典型作用距离可以达1m，所有遥耦合系统在读写器与标签之间都是电感（磁）耦合，遥耦合系统的发送频率通常使用135KHz以下的频率，或使用6.75MHz、13.56MHz以及27.125MHz频率。遥耦合系统又可细分为近耦合系统（典型的作用距离为15cm）与疏耦合系统（典型的作
9、用距离为1m）。,3）远距离系统 远距离系统的典型作用距离为110m，个别系统具有更远的作用距离。所有的远距离系统均是利用标签与读写器天线辐射远场区之间的电磁场耦合（电磁波的发射与反射，也称之为反向散射耦合）所构成的无接触空间信息传输通道进行工作的。远距离系统的典型工作频率为915MHz（这在欧洲是不允许的）、2.45GHz和5.8GHz，此外，还有一些其他频率，如433MHZ等。,2.数据传输原理 射频识别系统一般包括读写器、标签和天线等部分，读写器和标签之间的通信通过电磁波实现，按照通信距离可分为远场和近场。读写器和标签之间数据交换方式也相应地称为负载调制和反向散射调制。（1）负载调制。近
10、距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合实现的。在这种情况下，读写器和标签之间的天线能量交换方式类似于变压器结构，称为负载调制。这种调制方式在125kHz和13.56MHz射频识别系统中得到了广泛的应用。（2）反向散射调制。在典型的远场，如915MHz和2.4GHz射频识别系统中，读写器和标签之间的距离为几米，而载波波长仅有几到几十厘米。读写器和射频标签之间的能量传递方式为反向散射调制。反向散射调制技术是指无源RFID射频标签将数据发送回读写器所采用的通信方式。射频标签返回数据的方式是控制天线的阻抗，控制射频标签天线阻抗的方法有许多种，都是基于一种称为“阻抗开关”的方法。实际采用的几种阻抗开关
11、有变容二极管、逻辑门、高速开关等。,1.3.3反向散射调制的能量传递,电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁能量一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终返回发射天线。在雷达技术中，用这种反射测量目标的距离和方位。1.读写器到射频标签的能量传输 在距离读写器R的射频标签处的功率密度为,在射频标签和发射天线最佳对准和正确极化时，射频标签可吸收的最大功率与入射波的功率密度S成正比，可表示为,2.射频标签到读写器的能量传输 射频标签返回的能量与其雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）成正比，它是目标反射电磁波能力的测度
12、指标。散射截面取决于一系列的参数，如目标的大小、形状、材料、表面结构、波长和极化方向等。射频标签返回的能量为,因而返回读写器的功率密度为,接收天线的有效面积为,接收功率为,1.4 RFID系统特征,1.4.1 RFlD系统的基本模型射频标签与读写器之间通过天线架起空间电磁破的传输通道。射频标签与读写器之间的电磁耦合包含两种情况，即近距离的电感耦合与远距离的电磁耦合。在射频识别系统工作过程中，空间传输通道中发生的过程可归结为三种事件模型：数据交换是目的，时序是数据交换的实现形式，能量是时序得以实现的基础。射频识别系统的模型如图1-8所示。,1能量 读写器向射频标签供给射频能量。对于无源射频标签来
13、说，其工作所需的能量即由该射频能量中取得（一般由整流方法将射频能量转变为直流电源存在标签中的电容器里）；对于半无源射频标签来说，该射频能量能够唤醒标签转入工作状态。有源射频标签一般不利用读写器发出的射频能量，因而读写器能够以较小的发射能量取得较远的通信距离。,2时序对于双向系统（读写器向射频标签发送命令与数据，射频标签向读写器返回所存储的数据）来说，读写器一般处于主动状态，即读写器发出询问后，射频标签予以应答，称这种方式为阅读器先讲方式。另一种情况是射频标签先讲方式，即射频标签满足工作条件之后，首先发送信息，读写器根据射频标签发送的信息，进行记录或进一步发送询问信息，与射频标签构成一个完整地对
14、话，来达到读写器对射频标签进行识别的目的。在读写器识别范围内存在多个标签时，对于具有多标签识别功能的射频系统，一般情况下，读写器处于主动状态，即采取读写器先讲方式。实现多标签的读取，现实应用中也有采用标签先讲方式的应用。多标签读写问题是射频识别技术及应用中面临的一个较为复杂的问题，目前已有多种方法可以有效地解决这种问题。,3数据传输射频识别系统所完成的功能可归结为数据获取的一种实现手段，因而国外也有将其归为自动数据获取技术范畴。射频识别系统中的数据交换包含两个方面的含义：从读写器向射频标签方向的数据传输和从射频标签向读写器方向的数据传输。读写器向射频标签方向的数据传输可以分为两种情况：有线写入
15、方式和无线写入方式。具体采用何种写入方式需要结合应用系统的需求、代价、技术实现的难易程度等因素来决定。,1.4.2 RFlD系统的性能指标 可读写RFID系统的性能有以下几个指标：射频标签存储容量 工作方式、数据传输速度 读写距离 多个标签识别能 射频标签与天线间射频载波频率 RFID系统的连通性 数据载体、状态模式 能量供应。,1.4.3 RFlD系统的分类 根据RFID系统完成的功能不同，可以粗略地把RFID系统分成4种类型：EAS系统 便携式数据采集系统 物流控制系统 定位系统。,1.4.4 RFID系统的基本区别特征 射频识别系统包含有许多不同改型品种，由众多厂家生产。为了了解射频识别
16、系统的全貌，有必要找出能把各种射频识别系统相互区别的特征，如图1-9所示。,1.5 RFID技术现状与面临的问题,1.5.1 RFID技术发展现状与趋势 RFID技术是一项涉及信息、材料、装备及工艺等诸多学科、多技术交叉融台的技术群，涵盖无线电通信、电磁辐射、芯片设计、制造、封装、天线设计、数据变换、信息安全等技术。分别从如下几个方面介绍RFID技术发展的现状与趋势。（1）芯片设计与制造、（2）天线设计与制造、（3）标签封装技术与设备、（4）读写器设计与制造、（5）RFID中间件、（6）公共服务体系、（7）RFID测试、（8）标准制订,1.5.2当前RFID应用和发展面临的问题 我国当前RFID应用和发展还面临一些关键问题与挑战，主要包括：1.标签成本问题 2.标准制订问题 3.公共服务体系问题 4.产业链形成问题 5.技术和安全问题,
