RFID技術(shù)簡介及系統(tǒng)架構(gòu)

1、RFID技術(shù)簡介及系統(tǒng)架構(gòu)無線射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification , RFID)是一種非接觸的自動識別 技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)或雷達(dá)反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID系統(tǒng)至少包含電子標(biāo)簽和讀寫器兩部分。電子標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專用芯片組成。RFID讀寫器通過天線與 RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實現(xiàn)對標(biāo)簽識別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮?。典型的讀寫器包含有高頻模塊(發(fā)送器和接收器)、控制單元以及讀寫器天線。依據(jù)電子標(biāo)簽供電方式的不同，電子標(biāo)簽可以分為有源電子標(biāo)簽(

2、Active tag)、無源電子標(biāo)簽(Passive tag) 和半無源電子標(biāo)簽(Semipassive tag)。有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池， 無源射頻標(biāo)簽沒有內(nèi)裝電池，半無源電子標(biāo)簽(Semi passive tag) 部分依靠電池工作。電子標(biāo)簽依據(jù)頻率的不同可分為低頻電子標(biāo)簽、高頻電子標(biāo)簽、超高頻電子標(biāo)簽和微波電子標(biāo)RFID分類按能量供應(yīng)按工作頻率超高頻RFID分類低頻段射頻標(biāo)簽，簡稱為低頻標(biāo)簽，其工作頻率范圍為30kHz300kHz。典型工作頻率有125KHz和133KHz。低頻標(biāo)簽一般為無源標(biāo)簽，其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦 合線圈的輻射近場中獲得。低頻標(biāo)簽與閱讀器之間傳送數(shù)據(jù)時

3、，低頻標(biāo)簽需位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)。低頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下小于1米。低頻標(biāo)簽的典型應(yīng)用有：門禁考勤管理、動物識別、容器識別、工具識別等。高頻段射頻標(biāo)簽的工作頻率一般為3MHz- 30MHz典型工作頻率為13.56MHz。該頻段的射頻標(biāo)簽，其工作原理與低頻標(biāo)簽完全相同，即采用電感耦合方式工作，高頻標(biāo)簽一般也采用無源方式，其工作能量同低頻標(biāo)簽一樣，也是通過電感(磁)耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，標(biāo)簽必須位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)，廣泛應(yīng)用于電子票證、電子身份證、小區(qū)物業(yè)管理、門禁管理系統(tǒng)等。超高頻與微波頻段的射頻標(biāo)簽簡稱超高頻射頻標(biāo)簽，其典型工

4、作頻率有433.92MHz （有源）、862MH” 928MHz 2.45GHz （有源）、5.8GHz （有源）。工作時，862MHz- 928MHz 射頻 標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場的遠(yuǎn)區(qū)場內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標(biāo)簽提供射頻能量，將有源標(biāo)簽喚醒。相應(yīng)的射頻識別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1m,典型f#況為4m-6m,最大可達(dá)10m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只 有在閱讀器天線定向波束范圍內(nèi)的射頻標(biāo)簽可被讀/寫。由于閱讀距離的增加，應(yīng)用中有可能在閱讀區(qū)域中同時出現(xiàn)多個射頻標(biāo)簽的情況，從而提出了多標(biāo)簽同時讀取的需求。目前， 先進(jìn)的射頻識別系統(tǒng)均將多標(biāo)簽

5、識讀問題作為系統(tǒng)的一個重要特征。超高頻標(biāo)簽主要用于鐵路車輛自動識別、集裝箱識別，還可用于公路車輛識別與自動收費(fèi)系統(tǒng)中。低頻高頻超高頻微波（有源）工作頻率125-134KHz13.56MHz862-928MHz433MHz 2.4GHz、5.8GHz市場份額74%17%6%3%讀取距離<1米<2米>4米>80米讀取速率慢中等快很快潮濕劃、境無影響無影響有影響略有影響方向性無無有無國際標(biāo)準(zhǔn)11784/85,1422318000-3.1/1444318000-6B18000-4各種RFID技術(shù)對比根據(jù)各個頻段 RFID系統(tǒng)的基本特點，電子門票子系統(tǒng)使用高頻RFID技術(shù)，展館空

6、間人員定位和物品管理使用有源的RFID技術(shù)。為了實現(xiàn)展覽館人員定位、資產(chǎn)管理、電子門票及語音導(dǎo)覽四個功能的統(tǒng)一性， 降低系 統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，游客及工作人員使用有源 2.4G標(biāo)簽及無源高頻13.56MHz標(biāo)簽 的雙頻復(fù)合卡。電子票務(wù)功能：使用雙頻卡中的高頻功能，取消紙質(zhì)門票的使用， 借助自動檢票機(jī)采集的游客出入時間，進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)分析預(yù)測人流高峰等情況，實現(xiàn)精細(xì)化管理。另外， 對于 展館工作人員，雙頻卡的高頻功能也是展館某些區(qū)域的門禁卡。人員定位管理功能：對于展覽館內(nèi)的游覽及工作人員，使用雙頻卡中的 2.4G有源部分 的功能，同時借助展覽館內(nèi)布設(shè)的無線路由器， 可以實現(xiàn)人員的定位功能，

7、 借助電子地圖可 直觀的顯示展館內(nèi)人員分布情況，合理的導(dǎo)引游覽線路。2.4G有源標(biāo)簽，實資產(chǎn)管理功能：對于展覽館內(nèi)的貴重資產(chǎn)，通過安裝附加傳感器的有效防止資產(chǎn)丟現(xiàn)資產(chǎn)的防盜偵測，借助展覽館內(nèi)布設(shè)的無線路由器可對其進(jìn)行路徑追蹤, 失。語音導(dǎo)覽功能：在人員定位的基礎(chǔ)上進(jìn)行展位區(qū)域劃分，并合理的制定語音導(dǎo)覽策略, 使每一個進(jìn)入該展位的游客均可收聽到該展位的詳細(xì)介紹。以上幾個功能模塊的系統(tǒng)物理架構(gòu)如下所示：O 有源RFID終端設(shè)備有源RFID路由器無線通信方式o OA 4 A- A7C - - - i 0 O aQ高頻RFID檢票機(jī)資產(chǎn)管理系統(tǒng)人員定位系統(tǒng)電子門票系統(tǒng)*數(shù)據(jù)庫驅(qū)動數(shù)據(jù)處理事件處理事件分

8、析驅(qū)動數(shù)據(jù)庫*+ + + +中間件數(shù)據(jù)處理命令處理狀態(tài)處理驅(qū)動 驅(qū)動 驅(qū)動H + +驅(qū)動 驅(qū)動 驅(qū)動應(yīng)用程序接口系統(tǒng)軟件架構(gòu)如下:一件.IIh 一計，.1一，有源RFID路由器有源RFID物品終端高頻RFID檢票機(jī)有源RFID人員終端有源RFID語音導(dǎo)覽高頻RFID門禁系統(tǒng)優(yōu)勢系統(tǒng)選用的有源 RFID定位及防盜子系統(tǒng)的顯著的特點就是低速率、低功耗、低成本、 自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其硬件特點主要有一下幾點：1 .低速率根據(jù)不同的工作頻段，其數(shù)據(jù)傳輸速率會有所不同，但都處于較低的速率。選型所在 2.4GHz頻段，有16個速率為250kbps的信道。從能量消耗和成本、效率來看，此數(shù)據(jù)速率 能為

9、這兩種應(yīng)用提供更好的支持，同時通過子網(wǎng)劃分防止數(shù)據(jù)量過大造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。2 .低功耗在工作模式下，由于選型有源RFID的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收/發(fā)時間短；而在非工作模式時， 終端節(jié)點又處于休眠模式。加之設(shè)備的搜索、休眠激活和信 道接入時延都很短，使得終端節(jié)點非常省電。一般終端節(jié)點的電池工作時間可以長達(dá)624個月。選型有源 RFID標(biāo)簽在協(xié)議中對電池的使用也做了優(yōu)化。對于典型的應(yīng)用，堿性電池 有可能達(dá)到數(shù)年；對于某些工作時間和總時間（工作時間+休眠時間）之比小于1%勺情況，電池的壽命甚至可以超過 10年。3 .低成本由于有源RFID相對于藍(lán)牙、Wi-Fi要簡單得多（不到藍(lán)牙的1/

10、10）,降低了對通信控制 器的要求，因此可以采用8位單片機(jī)和規(guī)模很小的存儲器，大大降低了器件成本。4 .短時延選型有源RFID通信時延以及從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。典型的搜索設(shè)備時延為 30ms,休眠激活的時延是 15ms,活動設(shè)備信道接入的時延為15ms,因此系統(tǒng)實時性很高。5 .免許可無線通信頻段選型有源RFID采用的物理、MAC!協(xié)議是IEEE802.15.4，而它正是工作在 2.4GHz的工 業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，對全球2.4GHz頻段均免許可使用。6 .可靠性選型有源RFID無線網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)為自愈網(wǎng)絡(luò)，傳輸可靠 性高。另外，系統(tǒng)輔助以信號強(qiáng)度定位方式

11、，在保證定位進(jìn)度的情況下，避免了以信號到達(dá)時間進(jìn)行定位系統(tǒng)中受環(huán)境因素干擾的不利特性。7 .大容量網(wǎng)絡(luò)每個子網(wǎng)整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個終端節(jié)點，再加上各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目將非?？捎^，十分符合大面積傳感器網(wǎng)絡(luò)的布建要求。8 .三級安全模式提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)完整性校驗，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，并在數(shù)據(jù)傳輸中 提供了三級安全處理。第一級是無安全方式；對于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已 經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)， 設(shè)備就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。第二級安全處理：設(shè)備可以使用接入控制列表(ACL)來防止非法設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三極安

12、全 處理：在數(shù)據(jù)傳輸中采用屬于高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對稱密碼，AES可以用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法設(shè)備。不同的應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。9 .維護(hù)簡便除需定期根據(jù)設(shè)備提示更換電池以外， 系統(tǒng)及產(chǎn)品穩(wěn)定性極高， 不需大量人工維護(hù)。 例 如，一個700個路由器的有源 RFID系統(tǒng)，建設(shè)完成3年期間，路由器故障不足 20臺，故障 率極低。對于整個系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)，RFID中間件扮演RFID標(biāo)簽和應(yīng)用程序之間的中介角色，從應(yīng)用程序端使用中間件所提供一組通用的應(yīng)用程序接口(API),即能連到RFID讀寫器，讀取RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)。這樣一來，即使存儲RFID標(biāo)簽情報的數(shù)據(jù)庫軟件或后端應(yīng)用

13、程序增加或改由其它軟件取代，或者讀寫RFID讀寫器種類增加等情況發(fā)生時，應(yīng)用端不需修改也能處理， 省去多對多連接的維護(hù)復(fù)雜性問題。RFID中間件是一種面向消息的中間件(Message-Oriented Middleware , MOM)信息(Information) 是以消息(Message)的形式，從一個程序傳送到另一個或多個程序。信息可以以異步(Asynchronous)的方式傳送，所以傳送者不必等待回應(yīng)。面向消息的中間件包含的功能不僅是傳遞(Passing)信息，還必須包括解譯數(shù)據(jù)、安全性、數(shù)據(jù)廣播、錯誤恢復(fù)、定位 網(wǎng)絡(luò)資源、找出符合成本的路徑、消息與要求的優(yōu)先次序以及延伸的除錯工具等服

14、務(wù)。由于引入了 RFID中間件，使得系統(tǒng)有了以下幾點突出優(yōu)勢：1 .獨立于架構(gòu)RFID中間件獨立并介于 RFID讀寫器與后端應(yīng)用程序之間，并且能夠與多個RFID讀寫器以及多個后端應(yīng)用程序連接，以減輕架構(gòu)與維護(hù)的復(fù)雜性。2 .數(shù)據(jù)流RFID的主要目的在于將實體對象轉(zhuǎn)換為信息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是RFID最重要的功能。RFID中間件具有數(shù)據(jù)的搜集、過濾、整合與傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到企業(yè)后端的應(yīng)用系統(tǒng)。3 .處理流RFID中間件采用程序邏輯及存儲再轉(zhuǎn)送的功能來提供順序的消息流，具有數(shù)據(jù)流設(shè)計 與管理的能力。設(shè)備選型有源RFID設(shè)備參數(shù)如下:參數(shù)室內(nèi)路由器無線網(wǎng)關(guān)人員定位卡防盜終端頻率2.4GHz2.4GHz2.4GHz2.4GHz調(diào)制方式QPSKQPSKQPSKQPSK通信速率250kbps250kbps250kbps250kbps傳輸距離150300100150頻道數(shù)16161616功耗<12mA1.8W26mA/77uA<12mA加密AESAESAESAES尺寸（mm86x86x4386x54x7工作溫度-20 C70 c-20 C70C-20 C70C-20 C70C濕度10% - 90%10% - 90%10% - 90