RFID設(shè)備選型與應(yīng)用讀寫器原理與選型

本(Ben)節(jié)內(nèi)容

了解讀寫器的基本組成

了解讀寫器的功能特性了解讀寫器的分類及技術(shù)參數(shù)能分析日常的RFID應(yīng)用系統(tǒng)1234第一頁，共二十三頁。RFID系統(tǒng)天線電子標(biāo)簽讀寫器RFID(RadioFrequencyIdentification)，即射頻識(shí)別，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，可快(Kuai)速地進(jìn)行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換。RFID系統(tǒng)可利用射頻識(shí)別實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：第二頁，共二十三頁。RFID系(Xi)統(tǒng)框圖第三頁，共二十三頁。

讀寫器一般認(rèn)為是射頻識(shí)別即RFID系統(tǒng)的讀寫終端設(shè)備。它不但可以閱讀射頻標(biāo)簽，還可以檫寫數(shù)據(jù)，故叫讀寫器。若只能閱讀，不能檫寫，則叫讀卡器或射頻識(shí)別器。讀寫器應(yīng)用非常廣泛，主要應(yīng)用于身份識(shí)別、貨物識(shí)別、安全(Quan)認(rèn)證和數(shù)據(jù)收錄等方面，具備安全(Quan)、準(zhǔn)確、快速、擴(kuò)展、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。常見的讀寫器桌面式一體式手持式固定式第四頁，共二十三頁。電源I/O接口微處理器、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘等解碼及糾錯(cuò)電路電源電路放大器天線前置放大器射頻接收器射頻處理器射頻振蕩器電源電路控制處理器模塊射頻模塊讀寫器的基本組成(Cheng)結(jié)構(gòu)第五頁，共二十三頁。天線是發(fā)射和接收射頻載波信號(hào)的設(shè)備；它主要負(fù)責(zé)將讀寫器中的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻載波信號(hào)并發(fā)送給電子標(biāo)簽，或者接收標(biāo)簽發(fā)送過來的射頻載波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)；讀寫器的天線可以外置也可以內(nèi)置，一些天線的尺寸較大所以選擇獨(dú)立安裝；天線的類型取決于讀寫器的工作頻率和天線的參數(shù)；天線的設(shè)計(jì)對(duì)(Dui)閱讀器的工作性能來說非常重要，對(duì)(Dui)于無源標(biāo)簽來說，它的工作能量全部由閱讀器的天線提供。射頻模塊主要包括發(fā)射器、射頻接收器、時(shí)鐘發(fā)生器和電壓調(diào)節(jié)器等。該模塊是讀寫器的射頻前端，同時(shí)也是影響讀寫器成本的關(guān)鍵部位，主要負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的發(fā)射及接收。其中的調(diào)制電路負(fù)責(zé)將需要發(fā)送給電子標(biāo)簽的信號(hào)加以調(diào)制，然后再發(fā)送；解調(diào)電路負(fù)責(zé)將解調(diào)標(biāo)簽送過來的信號(hào)并進(jìn)行放大；時(shí)鐘發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生系統(tǒng)的正常工作時(shí)鐘。邏輯控制模塊是整個(gè)讀寫器工作的控制中心、智能單元，是讀寫器的“大腦”，讀寫器在工作時(shí)由邏輯控制模塊發(fā)出指令，射頻接口模塊按照不同的指令做出不同的操作。它主要包括微控制器、存儲(chǔ)單元和應(yīng)用接口驅(qū)動(dòng)電路等。微控制器可以完成信號(hào)的編解碼、數(shù)據(jù)的加解密以及執(zhí)行防碰撞算法；存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)存儲(chǔ)一些程序和數(shù)據(jù)；應(yīng)用接口負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行輸入或輸出的通信。第六頁，共二十三頁。與電子標(biāo)簽之間通信1與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的通信2讀寫器的識(shí)別能力3讀寫器的適用性4讀寫器(Qi)的功能特性………第七頁，共二十三頁。

射頻識(shí)別(Bie)是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號(hào)識(shí)別(Bie)特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，在讀寫器與標(biāo)簽的通信中無線電信號(hào)是通過調(diào)成無線電頻率的電磁場(chǎng)，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標(biāo)簽上傳送出去。標(biāo)簽包含了電子存儲(chǔ)的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識(shí)別。與條形碼不同的是，射頻標(biāo)簽不需要處在識(shí)別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。讀寫器與電子標(biāo)簽之間的通信第八頁，共二十三頁。RFID標(biāo)簽分為有源（主動(dòng)(Dong)）和無源（被動(dòng)(Dong)）兩種。

有源標(biāo)簽本身具有內(nèi)部電源供應(yīng)器，用以供應(yīng)內(nèi)部所需電源以產(chǎn)生對(duì)外的訊號(hào)。

無源式標(biāo)簽沒有內(nèi)部供電電源。其內(nèi)部集成電路通過接收到的電磁波利用電感耦合原理產(chǎn)生的能量進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這些電磁波是由RFID讀取器發(fā)出的。當(dāng)標(biāo)簽接收到足夠強(qiáng)度的訊號(hào)時(shí)，可以向讀取器發(fā)出數(shù)據(jù)。第九頁，共二十三頁。電子(Zi)標(biāo)簽實(shí)例第十頁，共二十三頁。讀(Du)寫器與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的通信讀寫器將讀取到的電子標(biāo)簽信息傳遞到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，然后計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)讀寫器進(jìn)行控制和信息交換，從而完成特定的應(yīng)用任務(wù)。該過程主要涉及計(jì)算機(jī)與讀寫器之間的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)問題。一般讀寫器的I/O接口形式主要有：①RS-232串行接口：計(jì)算機(jī)普遍適用的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，能夠進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)信息傳遞。它的優(yōu)勢(shì)在于通用、標(biāo)準(zhǔn)，缺點(diǎn)是傳輸距離不會(huì)達(dá)到很遠(yuǎn)，傳輸速度也不會(huì)很快。②RS-485串行接口：也是一類標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口，數(shù)據(jù)傳遞運(yùn)用差分模式，抵抗干擾能力較強(qiáng)，傳輸距離比RS-232傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸速度與RS-232差不多。③以太網(wǎng)接口：閱讀器可以通過該接口直接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。④USB接口：也是一類標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口，傳輸距離較短，傳輸速度較高。第十一頁，共二十三頁。讀寫(Xie)器的識(shí)別能力RFID系統(tǒng)對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別時(shí)，讀寫器產(chǎn)生的磁場(chǎng)給電子標(biāo)簽提供了能量，使電子標(biāo)簽將產(chǎn)品信息傳回讀寫器。在此過程中如果電子標(biāo)簽產(chǎn)生碰撞、移動(dòng)，或者同時(shí)有2個(gè)或2個(gè)以上的電子標(biāo)簽同時(shí)在同一個(gè)閱讀器的作用范圍內(nèi)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的干擾，這個(gè)干擾被稱為沖突，其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致該次數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖。虼吮仨毑捎眠m當(dāng)?shù)募夹g(shù)防止沖突的產(chǎn)生。第十二頁，共二十三頁。從多個(gè)電子標(biāo)簽到一個(gè)閱讀器的通信稱為多路存取，多路存取中有四種方法可以將不同的標(biāo)簽信號(hào)分開：空分多路法（SDMA）、頻分多路法（FDMA）、時(shí)分多路法（TDMA）和碼分多路法（CDMA）。針對(duì)RFID系統(tǒng)低成本、較少硬件資源和數(shù)據(jù)傳輸速度以及數(shù)據(jù)可靠性(Xing)的要求，TDMA構(gòu)成了RFID系統(tǒng)防沖突算法最為廣泛使用的一族。TDMA是把整個(gè)可供使用的通路容量按時(shí)間分配給多個(gè)用戶的技術(shù)，可分為電子標(biāo)簽控制法和閱讀器控制法。電子標(biāo)簽控制法主要有ALOHA法，閱讀器控制法有輪詢法和二進(jìn)制搜索法。第十三頁，共二十三頁。ALOHA算(Suan)法ALOHA算法是一種信號(hào)隨機(jī)接入的方法，采用電子標(biāo)簽控制方式，即電子標(biāo)簽一進(jìn)入閱讀器的作用范圍內(nèi)，就自動(dòng)向閱讀器發(fā)送自身的序列號(hào)，隨即與閱讀器開始通信。閱讀器一旦檢測(cè)到?jīng)_突產(chǎn)生，就會(huì)發(fā)送命令讓其中一個(gè)電子標(biāo)簽暫停發(fā)送數(shù)據(jù)，隨機(jī)等待一段時(shí)間以后再重新發(fā)送數(shù)據(jù)。由于每個(gè)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間只是重復(fù)發(fā)送時(shí)間的一小部分，以致在兩個(gè)數(shù)據(jù)幀之間產(chǎn)生相當(dāng)長(zhǎng)的間歇。所以存在著一定的概率，使兩個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀不產(chǎn)生沖突。公共信道上在單位時(shí)間T內(nèi)平均發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)G和傳輸通路的吞吐率S的計(jì)算公式見式（1）和式（2）。其中：n是系統(tǒng)中標(biāo)簽的數(shù)量，nr是T時(shí)間內(nèi)由電子標(biāo)簽n發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)第十四頁，共二十三頁。根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)G和吞吐率S之間的關(guān)系，可以得出，當(dāng)G＝0.5時(shí)，S的最大值為18.4%。這說(Shuo)明80％以上的數(shù)據(jù)通路沒有被利用，該方法實(shí)現(xiàn)防沖突的效率代價(jià)較高。但是由于ALOHA算法實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單性，并且適于標(biāo)簽數(shù)量不定的場(chǎng)合，能夠作為一種防沖突法較好的適用于只讀電子標(biāo)簽系統(tǒng)。為了提高ALOHA算法的吞吐率，可以采用改進(jìn)的ALOHA算法。時(shí)隙ALOHA算法在ALOHA算法的基礎(chǔ)上將時(shí)間分成多個(gè)離散的相同大小的時(shí)隙，標(biāo)簽只能在每個(gè)時(shí)隙的分界處才能發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣標(biāo)簽或發(fā)送成功或完全沖突，將原先ALOHA算法的產(chǎn)生沖突時(shí)間間隔T=2τ縮減到T=τ。根據(jù)公式S=G?e(?G)可以得到當(dāng)G＝1時(shí)吞吐率S達(dá)到最大值為36.8%。時(shí)隙ALOHA算法比ALOHA算法效率最大提高了一倍，但是同時(shí)要求所有的電子標(biāo)簽必須由閱讀器同步控制，因此這是一種隨機(jī)的、閱讀器控制的TDMA防沖突法。第十五頁，共二十三頁。二(Er)進(jìn)制搜索法

二進(jìn)制搜索法又名二叉樹搜索法。所有用二進(jìn)制唯一標(biāo)識(shí)的電子標(biāo)簽的序列號(hào)可以構(gòu)成一顆完全二叉樹。在閱讀器作用范圍內(nèi)同步向閱讀器發(fā)送的信號(hào)的標(biāo)簽的序列號(hào)也構(gòu)成一顆二叉樹。

閱讀器根據(jù)信號(hào)沖突的情況反復(fù)對(duì)完全二叉樹的分枝進(jìn)行篩剪，最終找出這顆二叉樹。在尋找的過程當(dāng)中逐一確定了作用區(qū)域內(nèi)響應(yīng)的電子標(biāo)簽，同時(shí)也完成了它們與閱讀器之間的信息交換。下面是程序流程圖：第十六頁，共二十三頁。第十七頁，共二十三頁。下面來舉例說明這個(gè)算法系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)情況。這里采用8位的序列號(hào)來唯一標(biāo)識(shí)256個(gè)電子標(biāo)簽。假設(shè)同一時(shí)刻進(jìn)入閱讀器作用范圍的電子標(biāo)簽有四個(gè)，它們的序列號(hào)分別為：A：10110010B：10100011C：10110011D：11100011

算法系統(tǒng)在第1次重復(fù)操作中由閱讀器發(fā)送序列號(hào)〈11111111B，即在本例中最大可能的8位序列號(hào)。由于作用在閱讀器范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽的序列號(hào)都小于或等于11111111B，所以此命令被閱讀器作用范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽響應(yīng)。ABCD四個(gè)標(biāo)簽同步將自己的序列號(hào)回送閱讀器，閱讀器接收(Shou)到的回送的代碼為1X1X001X?？梢源_定，在接收序列的第0、4、6位產(chǎn)生沖突。其中，第6位是發(fā)生沖突的最高位，這意味著在≥11000000B和≤10111111B的范圍內(nèi)至少各有一個(gè)電子標(biāo)簽存在，這樣就可以限制下一次重復(fù)操作的搜索范圍。

算法系統(tǒng)在第2次重復(fù)操作中由閱讀器發(fā)送的請(qǐng)求命令（序列號(hào)）為≤10111111B，滿足此條件的電子標(biāo)簽ABC就會(huì)做出響應(yīng)，然后回送自己的序列號(hào)，閱讀器接收到的代碼為101X001X。同理在序列號(hào)≥10110000B和≤10101111B的范圍內(nèi)至少各有一個(gè)電子標(biāo)簽存在。由此可以進(jìn)一步限定范圍進(jìn)行第三次搜索。第十八頁，共二十三頁。依據(jù)以上方法，依次類推，最終可以確定一個(gè)唯一的電子標(biāo)簽序列號(hào)。閱讀器隨即和這一標(biāo)簽建立數(shù)據(jù)通路，一對(duì)一的進(jìn)行沒有干擾的信息交換。等信息交換完畢，閱讀器對(duì)這一標(biāo)簽進(jìn)行滅活處理，使其在一定的時(shí)間內(nèi)不能夠再響應(yīng)閱讀器的請(qǐng)求命令。經(jīng)(Jing)過4次這樣的過程，就逐步完成了對(duì)每一個(gè)標(biāo)簽的識(shí)別和通信，有效的防止了系統(tǒng)的沖突問題。該例的算法示意圖如圖。二進(jìn)制搜索示意圖第十九頁，共二十三頁。動(dòng)態(tài)二進(jìn)制搜索法是一種改進(jìn)的二進(jìn)制搜索算法。在二進(jìn)制搜索算法中，電子標(biāo)簽的序(Xu)列號(hào)總是一次次完整的傳輸，然而，當(dāng)標(biāo)簽的序(Xu)列號(hào)較長(zhǎng)時(shí)（有可能達(dá)到幾個(gè)到幾十個(gè)字節(jié)），需要傳送大量的數(shù)據(jù)，這就增加了搜索時(shí)間和出錯(cuò)頻率。在實(shí)際應(yīng)用中有些位是讀寫器的補(bǔ)充信息，可以不必發(fā)送，這樣可以大量提升效率。

與ALOHA法相比，二進(jìn)制搜索法識(shí)別率較高，隨著識(shí)別區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量的增加，效率會(huì)保持并逼近在50%，并且該算法不存在錯(cuò)誤判斷的問題。但算法實(shí)現(xiàn)的時(shí)延長(zhǎng)，泄露的信息較多，安全性差。實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索算法的前提是系統(tǒng)必須能夠?qū)_突按位進(jìn)行識(shí)別，所以必須選擇相對(duì)復(fù)雜的信道編碼（一般采用Manchester編碼），這也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。第二十頁，共二十三頁。讀(Du)寫器的分類從接觸方式分：讀寫器分為接觸式讀寫器，非接觸式讀寫器，單界面讀寫器和雙界面讀寫器以及多卡座接觸式讀寫器。從接口分：讀寫器從接口上來看主要有：并口讀寫器、串口讀寫器材、USB讀寫器、PCMICA卡讀寫器和IEEE1394讀寫器。前兩種讀寫器由于接口速度慢或者安裝不方便已經(jīng)基本被淘汰了。USB讀寫器是目前市場(chǎng)上最流行的讀寫器。從射頻頻率上分：低頻閱讀器、高頻閱讀器、超高頻讀寫器、雙頻讀寫器、433MHz有源讀寫器、微波有源讀寫器等。第二十一頁，共二十三頁。讀寫器(Qi)的技術(shù)