射频识别系统应答器.docx
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射频识别系统应答器
射频识别系统应答器
TransponderOfRadioFrequencyIdentificationSyste
摘要
射频识别系统又称无线射频识别系统，英文名“RadioFrequencyIdentification”，通常我们更多的称呼它的缩写“RFID”，是非接触自动式技术的一种。
它具有耐高温、防水、防磁、工作距离远、存储信息量大、存储信息容易更改、方便、快捷等优点、在物流、零售等行业的安全防盗方面有广泛应用。
同时，因为硬件小，使用起来很方便，在生活中非常实用[1]。
本论文主要是讲解了RFID的组成与原理。
通过AT89C2051单片机来控制整个系统的正常运行，使用无线通信的技术，搭建一个简单的射频识别系统。
完整的射频识别系统分为阅读器和应答器和阅读器。
阅读器接通电源后，由阅读器天线发送高频信号，产生电磁场，从而使应答器发生电磁感应作为应答器工作的电源。
应答器工作后会通过应答器天线不断向外发送编码信号，阅读器接受到这些编码信号解码后接得到了需要得到的信息，再通过特定的显示设备显示出来。
本设计主要是应答器部分，应答器正常工作后，将特定的信息经过Manchester码编码，通过ASK调制后，经应答器发送出去，对应的阅读器接受这些信号解码后就是需要得到的信息了。
关键词：
RFID射频识别系统应答器
Abstract
RadioFrequencyIdentificationsystemisalsocalledRadioFrequencyIdentification（RFID）system,theEnglishname"RadioFrequencyIdentification",usuallywecallitmoreoftheabbreviated"RFID",isincontactwithakindofautomatictypetechnology.Ithasahightemperatureresistant,waterproof,preventmagnetic,workingdistance,largeamountofinformationstorage,storage,informationiseasytochange,andtheadvantagesofconvenient,quick,theanti-theftsecurityaspectsoflogistics,retailandotherindustrieshaveawiderangeofapplications.Atthesametime,becausethehardwareissmall,itisconvenienttouse,verypracticalinlife.
ThispapermainlyexplainsthecompositionandprincipleofRFID,theuseofwirelesscommunicationtechnology,throughtheAT89C2051singlechipmicrocomputertocontrolthenormaloperationofthewholesystem,soastobuildasimpleRFIDsystem.Thecompleteradiofrequencyidentificationsystemisdividedintoreaderandresponderandreader.Readerafterturningonthepowersupply,highfrequencysignalsentbythereaderantenna,togenerateelectromagneticfields,whichmakethetransponderpowerelectromagneticinductionasatransponderwork.Transponderafterworkwillbesentoutthroughresponderantennacontinuallycodingsignal,readeraccepttothesecodingsignaldecodingfollowedbytheneedtogetinformation,thenthroughaparticulardisplaydevicedisplay.
Thisdesignmainlytransponderpart,afterthenormalworkofthetransponder,thespecificinformationafterManchestercodecoding,ASKmodulation,sendoutbythetransponder,thecorrespondingreaderacceptthesesignaldecodingistheneedtogetinformation.
Keywords:
RFIDradiofrequencyidentificationsystemtransponder
绪论
RFID是一种无线电磁波通信系统，作为一个实体，他工作时不需要与对象物体直接接触，当对象物体进入工作范围后，系统会自动读取对象物品的预存信息，从而达到信息传输的目的。
早在上世纪40年代，射频识别系统就被实际运用到军事领域，用来区分敌方的飞机。
伴随社会的快速发展，射频识别在日常工作学习中也有了越来越多的应用，现在它已经被应用于我们生活的很多角落，完全的融入我们的生活当中，给我们的生活带来了极大的便利，我相信在不久的将来，射频识别系统将会成为现代化社会不可或缺的一部分。
目前RFID主要运用：
库房管理、牲畜养殖编号、门禁系统、智能化生产线、商场零售、公路收费站收费、宠物跟踪与识别、病人护理、图书分类管理、实物跟踪以及一些物品的防伪功能，涉及到物流、运输、交通、养殖和生活等领域，被利用到生活各行各业。
射频识别技术因为其广泛的应用范围、庞大的经济潜力被全球各大IT企业所看好，包括Philips、IBM、Microsoft、Sun、BEA、Motorola、Ti、SPA等在内的各大集团企业都看到了射频识别技术的发展潜力，各自都投入大量的人力物力从事射频识别技术的研发及产品开发，并取得完满的结果。
在产品方面，很多企业已经将射频识别产品投入到实际的应用中，射频识别技术的应用，改变了很多传统工作的运作模式，使工作更加的快捷便利，更重要的是它大大的提高了工作效率。
与传统的条形码相比，射频识别系统的电子标签工作距离更远、存储信息更多、读取信息更快和可多次利用的特点[2]。
1射频识别技术的背景
1.1射频识别技术的背景及意义
射频识别技术，又被称为RFID，目前火热的物联网就是在它的基础上构建的，随着物联网的大热和相关应用的快速发展推广，射频识别技术与相关应用也随之呈爆炸式的趋势快速发展。
最近这些年，物联网技术在各的发展趋势越来越热，物联网的技术或多或少的被应用于各种新的建设当中，物联网已经开始渗透进我们的生活当中。
智能化农业、智能化园区、智能化医疗、智能化校园、智能化建筑、智能化医疗等等，这些新的名词不断地出现在我们的生活中，使得我们生活更加的便利，同时，也将物联网的概念带入生活。
随着物联网的大火，对物联网的基础技术——RFID也有了更多的需求。
RFID技术是物联网技术的基础，RFID产品主要用于物联网的最基本环节，因此大量应用在物联网之中，随着物联网越来越普及的推广，从另一方面来说，也是对RFID技术的推广，物联网的快速发展也代表着RFID技术的飞速进步[3]。
在之前的几年内，RFID产品在我们不知不觉中已经融入到我们的日常的生活学习工作之中，它几乎已经遍及我们生活的每一个角落。
我们常用的食堂饭卡，手机SIM卡，公交卡，学生使用的校园一卡通，市民卡，银行卡，门禁卡等等，这类产品都是对非接触的RFID技术的运用，RFID卡没有磁条卡等储存信息小、安全性差的缺点，它将完全取代过去的磁条卡，走进我们的日常生活当中。
中国RFID产业联盟做过一个调查，在2010年，我国RFID行业产生的经济效益121.5亿RMB，相对于2009年的85.1亿RMB，提高了42.8%。
在2011年总产值有181亿RMB，2012年，总产值更是高达259.7亿RMB。
RFID行业每年都以50%左右增幅的快速发展，发展前景一片大好。
但是，RFID行业目前也有它的困难。
集中表现在四个方面：
1、在我国主要经营RFID产业的企业大多数是中小型公司，实力不够强，各公司设计地域较小，受地域影响较大，在其它地区影响力小。
2、我国自主开发的RFID产品应用一般使用的都是低频段和高频段，对于高频、超高频、超高频乃至射频段研发力量不足，缺少技术进步的推动力量。
3、目前致力于RFID技术开发的公司大多数是国营单位，对于面向市场和应用的能力不足。
4、整体上来说，我国在RFID产业技术力量不够强，相对外国我国在技术方面还有些落后，在设备方面还要受制于外国，很多设备还要进口，没有自主生产的能力。
随着物联网技术的发展普及，物联网的基础技术RFID行业也面临着一场巨大的挑战，同时这也是一场喜人的发展机遇。
在当前的市场情况看来，RFID技术相关市场前景非常巨大，产品应用非常广泛，越来越多的传统行业需要使用RFID产品，如传统的零售、物流、食品、养殖、服装等行业，这些都是RFID产品的客户群体。
这些传统行业现在很多使用的标签还是纸质标签，用条型码来标注产品，但是随着RFID技术的进步，使他们有了更好的选择，那就是RFID标签[4]。
相对于老式的标签，RFID标签有着非常明显的优势：
1、RFID标签大量推广可以提高工作效率，节省财力人力。
2、RFID标签体型较小，安装位置非常隐蔽，安全可靠.3、RFID标签读取信息非常便利且标签难以损坏更耐用。
4、RFID标签拥有特定的可读写的存储单元用来保存特定对象的信息，还可以对该信息进行更新，修改所存储的内容。
但是，目前RFID标签在市场应用中，我们发现了两个限制RFID推广的大问题：
当前使用RFID标签成本问题，传统行业采用RFID标签的话，对于RFID标签的需求量是非常庞大的，但目前RFID标签的成本还是太高，使用RFID标签代价太大。
在实际使用时，RFID标签工作环境一般较为复杂，客户需要更高的稳定性和可靠性，同时还能够快速的读取需要的产品信息。
要想解决市场面临的两个问题，就需要我们RFID技术能有新的突破：
1、我国自主知识产权较少，技术力量不足，基本的生产设备还需进口，这些方面限制了RFID产品的生产成本，使我国RFID产品价格难以降低，比如说，在标签方面，900MHz以上RFID标签成本大概就在1RMB左右，虽然它的性能在稳定性和可靠性方面完胜过去的13.6MHz的标签，但过高的成本却让客户望而却步。
从当前国内的市场情况来看，RFID标签的生产设备大部分依靠进口，特别是900MHz以上的标签生产设备，国内几乎都是从德国、韩国、台湾等国家或者地区进口，进口设备大约占总数的90%左右，而且他们还将进口的设备当作是自身产品质量的保证和招牌，这种情形对于国内的设备生产行业是非常不利的，对于国内的RFID行业也是没有好处的。
同时，RFID标签的核心技术，标签的芯片在国内也是没有几家公司可以自主生产，他们生产的芯片对于日益发展壮大的RFID行业需求来说完全是杯水车薪。
要想降低标签的成本，主要可以从两方面着手：
解决标签的成本问题，我们主要能从两个方面努力：
一是投入更多力量研发标签生产设备，减少标签生产费用。
二是加大RFID标签芯片的研发力度，推动国内芯片的发展，降低生产芯片的费用。
自主开发RFID标签芯片，减少核心芯片的成本。
2、我国RFID技术力量相对落后，相关企业大多致力于开发13.6MHz的产品应用，对于更高要求的900MHz以上的技术还在发展阶段，对于其它的高频超高频技术还不够成熟，处于开发阶段，而想要提高产品的可靠性和稳定性，使用高频和超高频是必然的。
1.2射频法设计思路
1比特（bit）在计算机语言中是数据表示的最小单位，它只能表示“1”或“0”两种状态。
对于使用1bit应答器的RFID系统而言，它只有“应答器不在工作范围内”和“应答器在工作范围内”两种工作状态，它的功能虽然看起来非常简单，但1bit应答器在生活中的应用却是非常普遍的，它最常见的使用就是超市中的电子防盗器。
电子标签防盗器一般由一个阅读器、标签和一个可选的在付款后对标签进行去活化处理的设备三部分组成。
我们日常使用的RFID系统中，商品的标签在登录价码的时候就已经就失活了。
当然还有一些RFID系统使用的活化器可以对已经去活处理的标签再次激活，然后接着投入使用。
在所有的RFID系统中，系统的识别率都与阅读器天线和应答器之间的最大使用距离有关[5]。
射频法的工作原理是基于L-C振荡回路工作的。
将振荡回路工作频率设置为一个特定的谐振频率fH。
最开始的设计方案是将卷绕的漆包线电感和电容焊接在硬标签中。
现在的RFID系统已经相当成熟，在产品名牌薄膜的导体上蚀刻应答器线圈，整个设计更加的合理科学了。
由于使阻尼电阻过大，会使得谐振回路的品质降低，因此在实际应用中，在厚度为25μm的聚乙烯薄膜上的铝导体厚度不能大于50μm。
电子标签的电容片一般使用10um的薄膜作为材料。
在不断变化的磁场中，振荡回路的线圈会感应到磁场辐射的能量。
当振荡回路的谐振频率fH和交变磁场的频率fG一致时，振荡回路会发生谐振振荡，振荡回路从不断变化的磁场获取能量。
同时，在振荡线圈上的振荡过程中，交变磁场中振荡线圈的短时电流改变和电压改变也一定程度上反应了振荡线圈的振荡过程。
这种线圈电压的短时间内下降（或线圈电流短时间内上升）的现象，被称作降落（Dip）[6]。
阅读器线圈和应答器线圈的距离、应答器内振荡回路的品质因数都是影响振荡过程强度的关键所在。
在这两个因素中，两个线圈之间的距离尤其起决定作用，也就是说，应答器的振荡回路和振荡器的线圈，当两者间距离缩短时增强。
就电子防盗器而言，具体使用的材料品质决定了振荡回路的品质，实际应用方面的结构则限制了两个线圈之间的距离。
为了能够快捷有效地区分贴在物体对象上的1比特应答器振荡回路，这就必须使得Dip数据要有比较大的变化。
为了达到这个要求，我们采用了工作频率是持续变化的磁场，而不是恒定不变的，频率持续的使振荡器不断扫过最大和最小频率之间的范围。
当应答器振荡回路的谐振频率刚好和振荡器频率吻合时，振荡回路开始振荡，此时振荡器线圈会产生一个变化较大的Dip。
在一般的扫频系统中，应答器的谐振频率与磁场的频率变化有关，与应答器的运动速度无关。
同时，应答器的频率容许偏差与所在的金属环境有关，但它对于具体使用时识别能力是没有影响的。
一般在商场购物后，收银员不会撕下标签，而是对标签进行去活化处理，负责就是引起特定的报警器示警。
去活化一般是一个特殊的装置，它可以产生非常强的磁场，磁场中的感应电流会击穿应答器内的电容。
电容器被击穿是不可逆转的，与此同时振荡回路也遭到严重损坏，因此扫描信号将无法激活该回路。
我们在生活中不难看到，在一些商场的出口会有一个大型的框型和闸门结合在一起，这是为了能够产生需要的交变磁场。
使用射频系统闸门的最大宽度可达2m，但此时标签的检出率却有点低。
特别是一些金属包装的商品对磁场影响很大，更是降低了标签的检出率，为了提高检出率，标签的大小需要做到50x50mm。
而且我们日常生活中周围复杂的环境对于RFID系统来说也是一大困扰，除了各种商品的材质影响，还有各种电磁波，比如电缆，如果他们的频率刚好处于谐振频率，那么也是会引起报警的，这无形中对于RFID系统提出了更多的要求。
1.3射频识别技术的发展
根据不同频率范围的电磁信号的工作原理，大体上可分为：
在高频范围雷达侦查对象时的空间耦合模型（雷达发出电磁波遇到目标后反射回雷达接收机并带着相关信息），在低频范围的变压器耦合模型（线圈在磁场中发生电磁感应实现能量传递，同时以电磁波实现信息传递）。
在1948年，HafryStockman发表了一片关于射频识别的文章“利用反射功率的通信”则是正式完成了RFID技术的理论基础。
以十年为限，RFID技术的发展可分为以下几个阶段：
1940年至1950年：
雷达技术开始应用并得到改进使射频识别技术面世，1948年奠定了RFID技术的理论基础。
1950年至1960年：
早期射频识别技术还在实验室中摸索，处于的探索阶段。
1960-1970年：
射频识别技术开始出现一些应用，射频识别技术有了较大发展。
1970年至1980年：
更多的射频识别产品出现，RFID技术得到快速发展。
1980年至1990年：
射频识别技术及产品开始投入生活中应用，RFID产品开始进入大规模使用的时期。
1990年至2000年：
射频识别产品被普遍应用，射频识别产品慢慢融入我们生活中各个角落，人们开始重视射频识别技术标准化的问题。
2000年后：
射频识别产品种类越来越多，各种电子标签都有了极大发展，电子标签的生产成本也有了极大的降低，使用方面更是遍及人类生活，RFID标准化问题被更多的人所重视[7]。
现在，RFID技术已经相当完善，技术也发展得非常成熟，电子标签已融入每一个人的日常生活中，给人类生活带来极大的便捷，人们已经离不开RFID技术。
1.4射频识别系统应答器的分类
RFID系统应答器一般贴附在被识别对象上，应答器作为记录对象信息的标志，在实际的RFID应用系统中，它作为一种耗材存在。
在当前生产RFID系统的各个厂家中，除了少数的生产厂家以外，大部分厂家的产品都是不能兼容。
在RFID系统中，应答器由天线、芯片等采用各自的封装工艺封装而成。
虽然应答器的包装外表看起来可能差异很大，但是其内在的结构却都是差不多的，因为它的内在结构是由其基本工作原理决定的。
通常应答器只需要具备被识别的能力，也就是只读能力，但在有的使用领域，对应答器的要求更高，应答器还需有可写的能力，即可以更改应答器的信息。
应答器的存储容量很大，大的可以达到几千字节。
但我们生活中超市使用的RFID应答器的容量只有1比特，因为1比特已经足以使它正常工作了，当含有1比特应答器的商品合法的走出超市时，收银员会对应答器做灭活处理，否则，超市的报警器就会发出警报[8]。
射频识别系统的应答器主要作用是沟通电子标签与阅读器读卡器之间的信息，使电子标签与读卡器实现信息传输的功能，射频识别系统的应答器总体上能够分为：
有源应答器、半无源应答器和无源应答器。
有源应答器，这种应答器需要配备一个完整的带电源智能卡模块为它的正常工作提供所需的能量，它可以RFID系统读卡器主动的进行传输信息。
但这种应答器需要较大的能量，因此有源应答器整个体型通常较大，重量也比较重。
半无源应答器，这种类型的应答器自身含有附带电源的智能卡模块，但自带电源并不能维持整个应答器的工作，只是起辅助作用，电源单元的用途一般是为了维持存储器内的数据状态，对RFID读卡器和应答器之间的信息传输起辅助作用。
在工作状态时，应答器与RFID读卡器进行数据交互，工作需要的能量全部由读卡器提供，应答器天线在读卡器产生的磁场中发生电磁感应产生电流，为自身正常工作提供能量。
在不需要信息传输时，应答器处于睡眠状态，只有受到RFID读卡器射频磁场激活后，半无源应答器才会进入正常的工作状态。
无源应答器，从名字上就可以理解为应答器自身是没有电源的，与RFID读卡器没有进行数据传输的时候，应答器处于休眠状态。
当此应答器进入RFID读卡器的产生的磁场中时，它可以通过自身的天线在阅读器读卡器产生磁场中发生电磁感应获取能量，为应答器正常运行提供能量[9]。
工作频率不一样的电子标签有着不同的有点，工作频率较低的电子标签生产成本较低，工作时需要能量也更少，对物体的穿透能力强，并且国家对低频无线电的管制也较松，含水量较大的物体对它的干扰也很小，适合用于蔬菜水果之类的物体；而频率超高的电子标签数据传输快，作用距离远，但是对障碍物穿透性较差，能量损耗大，抗干扰能量差，对工作环境要求高，一般在船只监测、仓库管理等方面有较多应用；对于处于二者之间频率的电子标签，各方面性能比较居中，生产成本也没超高频电子标签那么贵，一般用在各种IC卡、一卡通之类方面。
电子标签分类方法有很多种，除了按照它的电特性来区分外，还可以根据它反面是否有背胶能够称为干嵌体与湿标签；根据标签基础材料分，分别是PVC标签与纸质标签；还可以根据标签的外形、大小来分，这都是实际使用中的延伸，这就是仁者见仁，智者见智的问题了[10]。
1.5射频识别的频率标准
系统工作的频率是整个射频识别系统最基础的参数。
频率一旦选定，也就等于确定了整个系统的造价大小和具体的使用方向。
RFID系统其实就是一个无线通信系统，它会占有相应的空间信道。
在通信信道中，各种电磁波相互之间会产生干扰干扰，RFID系统也会受到电磁波的自身特性影响
我们的生活中电磁波无处不在。
电视收音机电台的信号、飞机飞行、手机等各个方面都会用到电磁波。
每个国家都有对电磁波进行管理的机构，无线电设备的使用和生产都需要经过相关机构的同意。
RFID系统是无线电系统，因此它不能影响到其它设备的正常运行。
工业、医疗和科学使用的频段范围（ISM）是局部的无线电通信频段，所以，一般RFID也是使用ISM频段，工作频率一般是0-135KHz[11]。
RFID系统工作频率解释：
频段9-135KHz，这个频段不属于ISM使用的频段，因此，很多无线电机构都在使用。
这个频段拥有比较成熟的技术，但因为波长较大使其需要很大的发射功率。
一般主要应用在军事、航空和航海的导航方面，另外一些门禁系统也有用到。
频段6.78MHz，这个频段属于短波，这个频段的电磁波白天最大可以传播几百千米，但在晚上传播距离非常远，一般无线电广播和天气预报领域一般使用这个频段的电磁波。
频段13.56MHz，这个频段的电磁波无论昼夜都拥有穿过大陆的能力，一般应用在新闻、通信、电感射频识别、远程遥控等方面。
频段27.125MHz，这个频段电磁波在美国、欧洲、加拿大一般作为民用无线电使用。
频段40.680MHz，这个频段属于甚高频，在甚高频中属于频率较低的。
这个频率的电磁波一般为表面波，各种物体对它的影响较大，因此主要应用在遥控和测控方面。
频段433.920MHz，这个频段一般被业余无线电组织使用。
在该频段的ISM应用一般为散射射频识别系统、小型电话、蓝牙耳机等。
频段869MHz，一般为邮政、会议等近距离使用。
频段915MHz，RFID系统一般使用的就是这个频段的电磁波。
频段2.45GHz，这个频段的电磁波经过障碍物时衰减极大，主要在射频识别、遥控发射器和无线网方面有较多运用。
频段5.8GHz，这个频段主要运用在大门开启、洗手间自动冲洗传感和射频识别系统。
频段24.125GHz，该频段主要使用在移动信号传感器和无线电定位系统。
2射频识别系统理论基础及方案
2.1射频识别系统原理
射频识别系统运行理论基础：
当阅读器连接电源后，高频振荡器发射13.56MHz的方波信号，经过功率放大器放大后输送到阅读器天线，由阅读器天线将这个电磁波发射出去，从
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