第4章RFID系統(tǒng)工作原理

1、樂山師范學(xué)院課件第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理制作：羅國平制作：羅國平樂山師范學(xué)院課件第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理4.1 RFID系統(tǒng)組成典型的RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件組成。樂山師范學(xué)院課件 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(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽雙向通信，同時(shí)接收來自主機(jī)系統(tǒng)的控制指令。閱讀器的頻率決定了RFID系統(tǒng)工作的頻段，其功率決定了射頻識(shí)別的有效距離。閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)的不同可以是只讀或讀/寫裝置，它是RFID系統(tǒng)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

2、組成。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件 (1) 射頻接口 射頻接口模塊主要任務(wù)和功能： 1.產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活電子標(biāo)簽并為其提供能量。 2.對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將數(shù)據(jù)傳輸給電子標(biāo)簽。 3.接收并解調(diào)來自電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)。 注意，在射頻接口中有兩個(gè)分隔開的信號(hào)通道，分別來往于電子標(biāo)簽和閱讀器兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)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(wù)和功能： 1.與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)送來的指令。 2.控制閱讀器與電子標(biāo)簽的通信過程。 3.信號(hào)的編碼與解碼。 4.

3、對(duì)閱讀器和標(biāo)簽之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。 5.執(zhí)行防碰撞算法。 6.對(duì)閱讀器和標(biāo)簽的身份進(jìn)行驗(yàn)證。樂山師范學(xué)院課件 天線 天線是一種能將接收到的電磁波轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，或者將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去的裝置。在RFID系統(tǒng)中，閱讀器必須通過天線來發(fā)射能量，來形成電磁場(chǎng)，通過電磁場(chǎng)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。因此，閱讀器天線所形成的電磁場(chǎng)范圍即為閱讀器的可讀區(qū)域。 2 電子標(biāo)簽 電子標(biāo)簽(Electronic Tag)也稱為智能標(biāo)簽(Smart Tag),是由IC芯片和無線通信天線組成的超微型的小標(biāo)簽，其內(nèi)置的射頻天線用于和閱讀器進(jìn)行通信。電子標(biāo)簽式RFID系統(tǒng)中真正的數(shù)據(jù)載體。系統(tǒng)工作時(shí)，閱讀器發(fā)

4、出查詢(能量)信號(hào)，標(biāo)簽(無源)在收到查詢(能量)信號(hào)后將其一部分整流為直流電源供電子標(biāo)簽內(nèi)的電路工作，一部分能量信號(hào)被電子標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制后反射回閱讀器。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件電子標(biāo)簽內(nèi)部各模塊的功能：1.天線：用來接收閱讀器送來的信號(hào)，并把要求的數(shù)據(jù)傳回給閱讀器。2.電壓調(diào)節(jié)器：把閱讀器送來的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電源，并經(jīng)大電容存儲(chǔ)能量，再通過穩(wěn)壓電路以提供穩(wěn)定的電源。3.調(diào)制器：邏輯控制電路送出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后加載到天線返給閱讀器。4. 解調(diào)器：去除載波，取出調(diào)制信號(hào)。5.邏輯控制單元：譯碼閱讀器送來的信號(hào)，并依據(jù)要求返回?cái)?shù)據(jù)給閱讀器。

5、6.存儲(chǔ)單元：包括EEPROM和ROM，作為系統(tǒng)運(yùn)行及存放識(shí)別數(shù)據(jù)。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件4.1.2 軟件組件 1.中間件 中間件是一種獨(dú)立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序。分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源。中間件位于客戶機(jī)、服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計(jì)算機(jī)資源和網(wǎng)絡(luò)通信。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件中間件的主要任務(wù)和功能：(1)閱讀器協(xié)調(diào)控制 終端用戶與可以通過RFID中間件接口直接配置、監(jiān)控以及發(fā)送指令給閱讀器。一些RFID中間件開發(fā)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那個(gè)類型的閱讀器時(shí)不需要增

6、加額外的程序代碼。(2)數(shù)據(jù)過濾與處理 當(dāng)標(biāo)簽信息傳輸發(fā)生錯(cuò)誤或有冗余數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，RFID中間件可以通過一定的算法糾正錯(cuò)誤并過濾掉冗余數(shù)據(jù)。RFID中間件可以避免不同的閱讀器讀取同一電子標(biāo)簽的碰撞，確保了閱讀準(zhǔn)確性。(3)數(shù)據(jù)路由與集成 RFID中間件能夠決定采集到的數(shù)據(jù)傳遞給哪一個(gè)應(yīng)用。RFID中間件可以與企業(yè)現(xiàn)有的企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、客戶關(guān)系管理(CRM)、倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)(WMS)等軟件集成在一起，為它們提供數(shù)據(jù)的路由和集成，同時(shí)中間件可以保存數(shù)據(jù)，分批的給各個(gè)應(yīng)用提交數(shù)據(jù)。(4)進(jìn)程管理 RFID中間件根據(jù)客戶定制的任務(wù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與事件的觸發(fā)。如在倉儲(chǔ)管理中，設(shè)置中間件來監(jiān)控貨品庫

7、存的數(shù)量，當(dāng)庫存低于設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，RFID中間件會(huì)觸發(fā)事件，通知相應(yīng)的應(yīng)用軟件。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件 4.2各種RFID系統(tǒng)原理 基本工作原理：由閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入有效工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量，電子標(biāo)簽被激活，使得電子標(biāo)簽將自身編碼信息通過內(nèi)置射頻天線發(fā)送出去；閱讀器的接收天線接收到從標(biāo)簽發(fā)送來的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器信號(hào)處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后將有效信息送至后臺(tái)主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的處理；主機(jī)系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算識(shí)別該標(biāo)簽的身份，針對(duì)不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和控制，最終發(fā)出指令信號(hào)控制閱讀器完成相應(yīng)

8、的讀寫操作。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件 從電子標(biāo)簽到閱讀器之間的通信及能量感應(yīng)方式來看，系統(tǒng)一般可以分為兩類：電感耦合(Inductive Coupling)系統(tǒng)和電磁反射散射耦合(Backscatter Coupling)系統(tǒng)。 電感耦合通過空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。該方式一般適合于中、低頻工作的近距離RFID系統(tǒng)，典型工作頻率：125kHz,225kHz和13.56MHz。識(shí)別作用距離一般小于1m，典型作用距離為020cm。 電磁反向散射耦合基于雷達(dá)模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。

9、該方式一般適用于高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)，典型的工作頻率：433MHz，915MHz,2.45GHz和5.8GHz。識(shí)別作用距離大于1m,典型作用距離為46m。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件 4.2.1 電感耦合RFID系統(tǒng) 電感耦合工作方式對(duì)應(yīng)于ISO/IEC14443協(xié)議。電感耦合電子標(biāo)簽由一個(gè)電子數(shù)據(jù)作為載體，通常由單個(gè)微芯片及天線(大面積線圈)等組成。在標(biāo)簽中的微芯片工作所需的全部能量由閱讀器發(fā)送的感應(yīng)能提供。高頻的強(qiáng)電磁場(chǎng)由閱讀器的天線線圈產(chǎn)生，并穿越線圈橫截面和周圍空間，以使附近的電子標(biāo)簽產(chǎn)生電磁感應(yīng)。 1.能量供應(yīng) 閱讀器天線線圈激發(fā)磁場(chǎng)，

10、其中一小部分磁力線穿過電子標(biāo)簽天線線圈，通過感應(yīng)，在電子標(biāo)簽的天線線圈上產(chǎn)生電壓U，將其整流后作為微芯片的工作電源。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件 電容器Cr與閱讀器的天線線圈并聯(lián)，電容器與天線線圈的電感一起，形成諧振頻率與閱讀器發(fā)射頻率相符的并聯(lián)震蕩回路，該回路的諧振使得閱讀器的天線線圈產(chǎn)生較大的電流。 電子標(biāo)簽的天線線圈和電容C1構(gòu)成震蕩回路，調(diào)諧到閱讀器的發(fā)射頻率。通過該回路的諧振，電子標(biāo)簽線圈上的電壓U達(dá)到最大值。這兩個(gè)線圈的結(jié)構(gòu)可以被解釋為變壓器(變壓器耦合)。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件 2 數(shù)據(jù)傳輸 對(duì)于電子標(biāo)簽和閱讀

11、器天線之間的作用距離不超過0.16,并電子標(biāo)簽處于近場(chǎng)范圍范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽與閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸為負(fù)載調(diào)制(電感耦合、變壓器耦合)。 如果把諧振的電子標(biāo)簽放入閱讀器天線的交變磁場(chǎng)，那么電子標(biāo)簽就可以從磁場(chǎng)獲得能量。采用從供應(yīng)閱讀器天線的電流在閱讀器內(nèi)阻上的壓降就可以測(cè)得這個(gè)附加的功耗。電子標(biāo)簽天線上負(fù)載電阻的接通與斷開促使閱讀器天線上的電壓發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了用電子標(biāo)簽對(duì)天線電壓進(jìn)行振幅調(diào)制。而通過數(shù)據(jù)控制負(fù)載電壓的接通和斷開，這些數(shù)據(jù)就可以從標(biāo)簽傳輸?shù)介喿x器了。 此外，由于閱讀器天線和電子標(biāo)簽天線之間的耦合很弱，因此閱讀器天線上表示有用信號(hào)的電壓波動(dòng)比閱讀器的數(shù)出電壓小。在實(shí)踐中，對(duì)13.56MHz

12、的系統(tǒng)，天線電壓(諧振時(shí))只能得到約10mV的有用信號(hào)。因?yàn)闄z測(cè)這些小電壓變化很不方便，所以可以采用天線電壓振幅調(diào)制所產(chǎn)生的調(diào)制波邊帶。如果電子標(biāo)簽的附加負(fù)載電阻以很高的時(shí)鐘頻率接通或斷開，那么在閱讀器發(fā)送頻率將產(chǎn)生兩條譜線，此時(shí)該信號(hào)就容易檢測(cè)了，這種調(diào)制也稱為副載波調(diào)制。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件 4.2.2 電磁反向散射RFID系統(tǒng) 1 反向散射調(diào)制 電磁波從天線向周圍空間發(fā)射，到達(dá)目標(biāo)的電磁波能量的一部分(自由空間衰減)被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強(qiáng)度散射到各個(gè)方向上去。反射能量的一部分最終會(huì)返回發(fā)射天線，稱其為回波。在雷達(dá)技術(shù)中，用這種反射波測(cè)量目標(biāo)

13、的距離和方位。 在RFID系統(tǒng)中，利用電磁波反射完成從電子標(biāo)簽到閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用于915MHz、2.45GHz甚至更高頻率的系統(tǒng)中。該RFID系統(tǒng)工作氛圍一下兩個(gè)過程： (1)、標(biāo)簽接收讀寫器發(fā)射的信號(hào)，其中包括已調(diào)制載波和未調(diào)制載波。當(dāng)標(biāo)簽接收的信號(hào)沒有被調(diào)制時(shí)，載波能量全波被轉(zhuǎn)換為直流電壓，該電壓供給電子標(biāo)簽內(nèi)部芯片能量；當(dāng)載波攜帶數(shù)據(jù)或者命令時(shí)，標(biāo)簽通過接收電磁波作為自己的能量來源，并接收信號(hào)進(jìn)行處理，從而接收讀寫器的指令或數(shù)據(jù)。第第4章章 RFID系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理樂山師范學(xué)院課件 (2)標(biāo)簽向讀寫器返回信號(hào)時(shí)，讀寫器只向標(biāo)簽發(fā)送未調(diào)制載波，載波能量一部分被標(biāo)簽轉(zhuǎn)化成直流電壓，供給標(biāo)簽工作；另一部分能量被標(biāo)簽通過改變射頻前端電路的阻抗調(diào)制并反射載波來向讀寫器傳遞信息。 電子標(biāo)簽的等效電路圖參見圖4-6，Vs為天線接收信號(hào)，Za表示天線的阻抗，Zl表示芯片的輸入阻抗。為了達(dá)到調(diào)制背向反射載波的目的，Zl有兩種狀態(tài)，分別為Zl1何Zl2。 當(dāng)標(biāo)簽需要發(fā)送的信息為二進(jìn)制數(shù)“1”時(shí)，芯片的阻抗?fàn)顟B(tài)為Zl1；當(dāng)標(biāo)簽