第1章(RFID技術(shù)概述)

RFID原理及應(yīng)用主講人：李媚TELQ：41786659信息學(xué)院計(jì)算機(jī)系2023/2/311.1RFID技術(shù)應(yīng)用預(yù)覽（1）安全防護(hù)領(lǐng)域；（2）生產(chǎn)銷售領(lǐng)域；（3）管理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域；（4）交通運(yùn)輸領(lǐng)域；……第1章RFID技術(shù)概述2023/2/32（1）安全防護(hù)領(lǐng)域門禁保安，汽車防盜，電子物品監(jiān)控2023/2/33（2）生產(chǎn)銷售生產(chǎn)線自動(dòng)化（寶馬汽車裝配），倉(cāng)儲(chǔ)管理，產(chǎn)品防偽，RFID卡收費(fèi)（智能停車場(chǎng)）2023/2/34（3）管理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)畜牧管理，運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)2023/2/35（4）交通運(yùn)輸高速自動(dòng)收費(fèi)，火車和集裝箱自動(dòng)識(shí)別。2023/2/36（5）其它智能圖書館2023/2/371.2RFID技術(shù)的特點(diǎn)2023/2/38RFID自動(dòng)識(shí)別的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)主要表現(xiàn)如下：1.快速掃描

條形碼掃描RFID讀寫2023/2/392.體積小型化、形狀多樣化

2023/2/310

3.抗污染能力和耐久性4.可重復(fù)使用

5.穿透性和無屏障閱讀

6.數(shù)據(jù)的記憶容量大條形碼：50B，二維碼：越500漢字，RFID：數(shù)M

7.安全性2023/2/3112023/2/312RFID各頻段分類及典型頻率低（30-300KHz，125KHz），<1米，工具識(shí)別高（3M-30MHz，13.56MHz），<1米，門禁卡超高（850-910MHz，433MHz），4-10米，ETC微波（2.45GHz）13.56MHz13.56MHz2023/2/3131.3RFID系統(tǒng)的組成

典型的RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、RFID中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件4部分構(gòu)成2023/2/3141.3.1硬件組件1.閱讀器（讀寫器，Reader）※閱讀器通常由射頻接口、邏輯控制單元和天線3部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。負(fù)責(zé)與Tag雙向通信，接受來自主機(jī)的控制指令。2023/2/315邏輯控制單元：執(zhí)行指令，控制閱讀器和電子標(biāo)簽的通信，編碼與解碼，對(duì)數(shù)據(jù)加密與解密，執(zhí)行防碰撞算法，對(duì)閱讀器和標(biāo)簽身份驗(yàn)證。射頻接口：產(chǎn)生高頻發(fā)射能量并激活電子標(biāo)簽對(duì)發(fā)射信號(hào)調(diào)制，并傳輸給電子標(biāo)簽接受來自于電子標(biāo)簽的射頻信號(hào)2023/2/316天線：接收電磁波電流信號(hào)，或電流信號(hào)電磁波發(fā)射出去。2023/2/3172.電子標(biāo)簽（ElectronicTag）電子標(biāo)簽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。2023/2/318電子標(biāo)簽（ElectronicTag）：也稱為智能標(biāo)簽（SmartLabel），是指由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)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體。2023/2/3191.RFID軟件系統(tǒng)分類（1）前端軟件：供應(yīng)商提供演示、驅(qū)動(dòng)、接口，集成商或客戶開發(fā)的前端操作軟件。讀寫、防碰撞、安全、檢測(cè)糾錯(cuò)。（2）中間件軟件：RFID運(yùn)作的中樞（3）后端軟件：處理采集信息的后臺(tái)軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)管理、電子標(biāo)簽管理、數(shù)據(jù)分析和儲(chǔ)存。（4）其它軟件：開發(fā)、測(cè)試、評(píng)估、演示、模擬等。1.3.2軟件組件2023/2/3202.什么是中間件（Middleware）？屬于軟件復(fù)用的范疇；處于操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用軟件中間，在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、和數(shù)據(jù)庫(kù)之上，應(yīng)用軟件的下層；為上層應(yīng)用軟件提供運(yùn)行與開發(fā)環(huán)境，幫助用戶靈活高效的開發(fā)和集成復(fù)雜應(yīng)用軟件。2023/2/321RFID中間件

RFID中間件扮演著電子標(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提供的一組通用的應(yīng)用程序接口（API），即能連到RFID閱讀器，讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)。2023/2/3222023/2/323為何要用RFID中間件2023/2/324RFID中間件主要包括以下4個(gè)功能閱讀器協(xié)調(diào)控制：終端用戶通過RFID中間件直接配置、監(jiān)控以及發(fā)送指令給Reader。數(shù)據(jù)過濾與處理：糾錯(cuò)、過濾掉冗余數(shù)據(jù)、防碰撞（不同閱讀器讀取同一電子標(biāo)簽）。數(shù)據(jù)路由與集成：對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)。進(jìn)程管理：根據(jù)定制負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的監(jiān)控與事件的觸發(fā)。2023/2/325RFID中間件的需求2023/2/3263.RFID應(yīng)用系統(tǒng)軟件

RFID應(yīng)用系統(tǒng)軟件是針對(duì)不同行業(yè)的特定需求開發(fā)的應(yīng)用軟件，可以有效地控制閱讀器對(duì)電子標(biāo)簽信息進(jìn)行讀寫，并且對(duì)收集到的目標(biāo)信息進(jìn)行集中的統(tǒng)計(jì)與處理。RFID應(yīng)用系統(tǒng)軟件可以集成到現(xiàn)有的電子商務(wù)和電子政務(wù)平臺(tái)中，與ERP、CRM以及SCM等系統(tǒng)結(jié)合以提高各行業(yè)的生產(chǎn)效率。2023/2/3271.4RFID技術(shù)的物理學(xué)原理RFID是一種易于操控、簡(jiǎn)單實(shí)用且特別適用于自動(dòng)化控制的應(yīng)用技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。

2023/2/3282023/2/3291.4.1與RFID相關(guān)的電磁場(chǎng)理論了解電磁傳播規(guī)律有助于更好地理解和應(yīng)用射頻識(shí)別系統(tǒng)。2023/2/3301.天線場(chǎng)的概念射頻標(biāo)簽和讀寫器通過各自的天線構(gòu)建起兩者之間的非接觸信息傳輸通道，這種空間信息傳輸通道的性能完全由天線周圍的場(chǎng)區(qū)特性決定，是電磁傳播的基本規(guī)律。射頻信號(hào)加載到天線之后，在緊鄰天線的空間中，除了輻射場(chǎng)之外，還有一個(gè)非輻射場(chǎng)。該場(chǎng)與距離的高次冪成反比，隨著離開天線的距離增大迅速減小。在這個(gè)區(qū)域，由于電抗場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)，因而將此區(qū)域稱為電抗近場(chǎng)區(qū)，它的外界約為一個(gè)波長(zhǎng)。超過電抗近場(chǎng)區(qū)就到了輻射場(chǎng)區(qū)，按照與天線距離的遠(yuǎn)近，又把輻射場(chǎng)區(qū)分為輻射近場(chǎng)區(qū)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。2023/2/331

通常，可以根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)與天線的距離將天線周圍的場(chǎng)劃分為三個(gè)區(qū)域。（1）無功近場(chǎng)區(qū)。

無功近場(chǎng)區(qū)又稱為電抗近場(chǎng)區(qū)，是天線輻射場(chǎng)中緊鄰天線口徑的一個(gè)近場(chǎng)區(qū)域。在該區(qū)域中，電抗性儲(chǔ)能場(chǎng)占支配地位，該區(qū)域的界限通常取為距天線口徑表面λ/2π處。從物理概念上講，無功近場(chǎng)區(qū)是一個(gè)儲(chǔ)能場(chǎng)，其中的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換類似于變壓器中的電場(chǎng)、磁場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)換。2023/2/332（2）輻射近場(chǎng)區(qū)。超過電抗近場(chǎng)區(qū)就到了輻射場(chǎng)區(qū)，輻射場(chǎng)區(qū)的電磁場(chǎng)已經(jīng)脫離了天線的束縛，并作為電磁波進(jìn)入空間。按照與天線距離的遠(yuǎn)近，又把輻射場(chǎng)區(qū)分為輻射近場(chǎng)區(qū)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。在輻射近場(chǎng)區(qū)中，輻射場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)，并且輻射場(chǎng)的角度分布與距離天線口徑的距離有關(guān)。對(duì)于通常的天線，此區(qū)域也稱為菲涅爾區(qū)。（3）輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)即通常所說的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，又稱為夫朗荷費(fèi)區(qū)。在該區(qū)域中，輻射場(chǎng)的角分布與距離無關(guān)。嚴(yán)格地講，只有離天線無窮遠(yuǎn)處才能到達(dá)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。2023/2/3332.天線的方向性圖

天線的方向性圖是指該輻射區(qū)域中輻射場(chǎng)的角度分布，因而遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)是天線輻射場(chǎng)區(qū)中最重要的一個(gè)。公認(rèn)的輻射近場(chǎng)區(qū)與遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的分界距離R為式中，D為天線直徑；λ為天線波長(zhǎng)，D>>λ。對(duì)于天線而言，當(dāng)天線的最大尺寸L小于波長(zhǎng)時(shí)，天線周圍只存在無功近場(chǎng)區(qū)與輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，沒有輻射近場(chǎng)區(qū)。無功近場(chǎng)區(qū)的外界約為λ/2π，超過了這個(gè)距離，輻射場(chǎng)就占主要優(yōu)勢(shì)。通常將滿足的天線稱為小天線。

2023/2/334天線場(chǎng)周圍的分布特點(diǎn)：輻射場(chǎng)中的能量以電磁波的形式向外傳播，無功近場(chǎng)中的射頻能量以電磁、電場(chǎng)的形式相互轉(zhuǎn)換并不向外傳播；天線周圍場(chǎng)強(qiáng)的分布情況，離天線越近，場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)。2023/2/3351.4.2能量耦合和數(shù)據(jù)傳輸1.耦合類型根據(jù)射頻識(shí)別系統(tǒng)作用距離的遠(yuǎn)近情況，標(biāo)簽天線與讀寫器天線之間的耦合可以分為三類：密耦合系統(tǒng)、遙耦合系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離系統(tǒng)。1）密耦合系統(tǒng)密耦合系統(tǒng)，又稱緊密耦合系統(tǒng)，是具有很小作用距離的射頻識(shí)別系統(tǒng)，其典型作用距離范圍為0～1cm。密耦合系統(tǒng)是利用射頻標(biāo)簽與讀寫器天線的無功近場(chǎng)區(qū)之間的電感耦合（閉合磁路）構(gòu)成的無接觸空間信息傳輸射頻通道進(jìn)行工作的。密耦合系統(tǒng)的工作頻率一般局限于30MHz以下的頻率。2023/2/3362）遙耦合系統(tǒng)遙耦合系統(tǒng)的典型作用距離可以達(dá)1m，所有遙耦合系統(tǒng)在讀寫器與標(biāo)簽之間都是電感（磁）耦合，遙耦合系統(tǒng)的發(fā)送頻率通常使用135KHz以下的頻率，或使用6.75MHz、13.56MHz以及27.125MHz頻率。遙耦合系統(tǒng)又可細(xì)分為近耦合系統(tǒng)（典型的作用距離為15cm）與疏耦合系統(tǒng)（典型的作用距離為1m）。2023/2/3373）遠(yuǎn)距離系統(tǒng)遠(yuǎn)距離系統(tǒng)的典型作用距離為1～10m，個(gè)別系統(tǒng)具有更遠(yuǎn)的作用距離。所有的遠(yuǎn)距離系統(tǒng)均是利用標(biāo)簽與讀寫器天線輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)之間的電磁場(chǎng)耦合（電磁波的發(fā)射與反射，也稱之為反向散射耦合）所構(gòu)成的無接觸空間信息傳輸通道進(jìn)行工作的。遠(yuǎn)距離系統(tǒng)的典型工作頻率為915MHz（這在歐洲是不允許的）、2.45GHz和5.8GHz，此外，還有一些其他頻率，如433MHZ等。2023/2/3382.數(shù)據(jù)傳輸原理射頻識(shí)別系統(tǒng)一般包括讀寫器、標(biāo)簽和天線等部分，讀寫器和標(biāo)簽之間的通信通過電磁波實(shí)現(xiàn)，按照通信距離可分為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)。讀寫器和標(biāo)簽之間數(shù)據(jù)交換方式也相應(yīng)地稱為負(fù)載調(diào)制和反向散射調(diào)制。（1）負(fù)載調(diào)制(變壓器模型)。近距離低頻射頻識(shí)別系統(tǒng)是通過準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的耦合實(shí)現(xiàn)的。在這種情況下，讀寫器和標(biāo)簽之間的天線能量交換方式類似于變壓器結(jié)構(gòu)，稱為負(fù)載調(diào)制。這種調(diào)制方式在125kHz和13.56MHz射頻識(shí)別系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

2023/2/339（2）反向散射調(diào)制（雷達(dá)模型）。在典型的遠(yuǎn)場(chǎng)，如915MHz和2.4GHz射頻識(shí)別系統(tǒng)中，讀寫器和標(biāo)簽之間的距離為幾米，而載波波長(zhǎng)僅有幾到幾十厘米。讀寫器和射頻標(biāo)簽之間的能量傳遞方式為反向散射調(diào)制。反向散射調(diào)制技術(shù)是指無源RFID射頻標(biāo)簽將數(shù)據(jù)發(fā)送回讀寫器所采用的通信方式。射頻標(biāo)簽返回?cái)?shù)據(jù)的方式是控制天線的阻抗，控制射頻標(biāo)簽天線阻抗的方法有許多種，都是基于一種稱為“阻抗開關(guān)”的方法。實(shí)際采用的幾種阻抗開關(guān)有變?nèi)荻O管、邏輯門、高速開關(guān)等。2023/2/3402023/2/3411.4.3反向散射調(diào)制的能量傳遞

電磁波從天線向周圍空間發(fā)射，會(huì)遇到不同的目標(biāo)。到達(dá)目標(biāo)的電磁能量一部分被目標(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返回發(fā)射天線。在雷達(dá)技術(shù)中，用這種反射測(cè)量目標(biāo)的距離和方位。1.讀寫器到射頻標(biāo)簽的能量傳輸在距離讀寫器R的射頻標(biāo)簽處的功率密度為2023/2/342

在射頻標(biāo)簽和發(fā)射天線最佳對(duì)準(zhǔn)和正確極化時(shí)，射頻標(biāo)簽可吸收的最大功率與入射波的功率密度S成正比，可表示為

2.射頻標(biāo)簽到讀寫器的能量傳輸

射頻標(biāo)簽返回的能量與其雷達(dá)散射截面（RadarCrossSection，RCS）成正比，它是目標(biāo)反射電磁波能力的測(cè)度指標(biāo)。散射截面取決于一系列的參數(shù)，如目標(biāo)的大小、形狀、材料、表面結(jié)構(gòu)、波長(zhǎng)和極化方向等。射頻標(biāo)簽返回的能量為2023/2/343

因而返回讀寫器的功率密度為

接收天線的有效面積為接收功率為2023/2/3442023/2/3451.5RFID系統(tǒng)特征1.5.1RFlD系統(tǒng)的基本模型射頻標(biāo)簽與讀寫器之間的電磁耦合包含近距離的電感耦合與遠(yuǎn)距離的電磁耦合。

在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作過程中，空間傳輸通道中發(fā)生的過程可歸結(jié)為三種事件模型：數(shù)據(jù)交換是目的，

時(shí)序是數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)形式，

能量是時(shí)序得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。射頻識(shí)別系統(tǒng)的模型如圖1-8所示。2023/2/3462023/2/3471．能量讀寫器向射頻標(biāo)簽供給射頻能量。無源標(biāo)簽：其工作所需的能量即由該射頻能量中取得（一般由整流方法將射頻能量轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫创嬖跇?biāo)簽中的電容器里）；半無源標(biāo)簽：該射頻能量能夠喚醒標(biāo)簽轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。有源標(biāo)簽：一般不利用讀寫器發(fā)出的射頻能量，因而讀寫器能夠以較小的發(fā)射能量取得較遠(yuǎn)的通信距離。2023/2/3482．時(shí)序

讀寫器與標(biāo)簽工作的順序。

雙向系統(tǒng)（讀寫器向射頻標(biāo)簽發(fā)送命令與數(shù)據(jù)，射頻標(biāo)簽向讀寫器返回所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)）：讀寫器一般處于主動(dòng)狀態(tài)，即讀寫器發(fā)出詢問后，射頻標(biāo)簽予以應(yīng)答，稱這種方式為閱讀器先講方式。另一種情況是射頻標(biāo)簽先講方式，即射頻標(biāo)簽滿足工作條件之后，首先發(fā)送信息，讀寫器根據(jù)射頻標(biāo)簽發(fā)送的信息，進(jìn)行記錄或進(jìn)一步發(fā)送詢問信息，與射頻標(biāo)簽構(gòu)成一個(gè)完整地對(duì)話，來達(dá)到讀寫器對(duì)射頻標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別的目的。

多標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)：一般情況下，讀寫器處于主動(dòng)狀態(tài)，即采取讀寫器先講方式。

實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽的讀取，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中也有采用標(biāo)簽先講方式的應(yīng)用。多標(biāo)簽讀寫問題是射頻識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用中面臨的一個(gè)較為復(fù)雜的問題，目前已有多種方法可以有效地解決這種問題。2023/2/3493．?dāng)?shù)據(jù)傳輸射頻識(shí)別系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換包含兩個(gè)方面的含義：從讀寫器向射頻標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸和從射頻標(biāo)簽向讀寫器方向的數(shù)據(jù)傳輸。

讀寫器向射頻標(biāo)簽方向的數(shù)據(jù)傳輸可以分為兩種情況：有線（接觸）寫入方式和無線（非接觸）寫入方式。具體采用何種寫入方式需要結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)的需求、代價(jià)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易程度等因素來決定。2023/2/3502023/2/3511.5.2RFlD系統(tǒng)的性能指標(biāo)可讀寫RFID系統(tǒng)的性能有以下幾個(gè)指標(biāo)：

1.射頻標(biāo)簽存儲(chǔ)容量：只讀20B，有源8B-64KB，無源48-736B；特例1bit（超市防盜）

2.工作方式：全雙工，半雙工和時(shí)序系統(tǒng)；

3.數(shù)據(jù)傳輸速度：只讀，無源讀寫和有源讀寫；

4.讀寫距離

5.多個(gè)標(biāo)簽識(shí)別能力

6.射頻標(biāo)簽與天線間射頻載波頻率：低，高，超高，微波；

7.RFID系統(tǒng)的連通性

8.數(shù)據(jù)載體：EEPROM，F(xiàn)RAM，SRAM

9.狀態(tài)模式：微處理器

10.能量供應(yīng)。2023/2/3521.5.3RFlD系統(tǒng)的分類1.按照Reader和Tag之間的能量感應(yīng)方式：電感耦合和電磁耦合；2.按標(biāo)簽供電形式：無源，半無源和有源；3.按工作頻率：低，高，超高，微波；4.按通信方式：RTF（Reader先講）和TTF；5.按應(yīng)用模式：固定式，便攜式，一體式和模塊式；

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