RFID技术PPT课件.pptx

1、物联网通信技术及应用第5章 RFID技术5.1 RFID概述5.2 RFID基本原理5.3 RFID的天线与射频前端5.4 RFID编码与调制5.5 RFID防碰撞算法5.6 RFID技术应用第5章 RFID技术5.1 RFID概述概述射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)是实现物联网的关键技术，它利用射频信号无接触信息传递，进而实现自动识别物理对象的技术。RFID无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，识别目标过程中无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，可实现数据远程读取，操作快捷方便。RFI

2、D技术如同物联网的触角，使自动识别每一个物体变得可能。5.1 RFID概述概述美国埃森哲实验室首席科学家弗格森认为RFID是一种突破性的技术：“第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。”。5.1 RFID概述概述5.1.1 RFID发展历程发展历程19401950年：雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。19501960年：早期RFID技术的探索阶段，主要处于

3、实验室实验研究。19601970年：RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。19701980年：RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。19801990年：RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。5.1 RFID概述概述5.1.1 RFID发展历程发展历程19902000年：RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。2000年后：标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成

4、本不断降低，规模应用行业扩大。至今，RFID技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多个电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID技术与产品正在成为现实并走向应用。5.1 RFID概述概述5.1.2 RFID系统与物联网系统与物联网 2005年国际电信联盟(ITU)发布的ITU互联网报告2005：物联网全面分析了物联网的概念，认为物联网是一种通过诸如射频自动识别RFID以及智能计算等技术将全世界的设备连接起来所实现的网络。物联网是通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，

5、它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。5.1 RFID概述概述5.1.2 RFID系统与物联网系统与物联网 RFID技术是物联网技术的基础，也只有了解和掌握RFID相关技术的发展及相关技术，才能理解物联网的实现原理。“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。5.1 RFID概述概述5.1.3 RFID的标准体系的标准体系RFID技术的发展对每个人的日常生活产生了广泛的影响，为了规范电子标签及读写器的开发工作，解决RFID系统的互联和兼容问题，实现对世界范围

6、内的物品进行统一管理，RFID的标准化是当前亟须解决的重要问题，为此各个国家及国际相关组织都在积极参与和推进RFID技术标准的制定。5.1 RFID概述概述5.1.3 RFID的标准体系的标准体系主要的RFID相关规范有欧美的EPCglobal标准体系、ISO 18000系列标准和日本的UID规范。其中，ISO标准主要定义电子标签和读写器之间互操作的空中接口。因此，RFID技术也存在3个主要的技术标准体系，即欧美的EPCglobal标准体系、ISO国际标准体系和日本的UID标准。5.1 RFID概述概述1.ISO制定的制定的RFID标准体系标准体系根据国际标准化组织ISO/IEC联合技术委员会

7、JTC1子委员会SC31的标准化工作计划，RFID标准可以分为4个方面：数据标准（如 编 码 标 准 ISO/IEC15691,数 据 协 议 ISO/IEC 15692、ISO/IEC 15693,解决了应用程序标签和空中接口多样性的要求，提供了一套通用的通信机制）；空中接口标准（ISO/IEC 18000系列）；测试标准（性能测试标准ISO/IEC 18047和一致性测试标准ISO/IEC 18046)；实时定位（RTLS)(ISO/IEC 24730系列应用接口与空中接口通信的标准）方面的标准。RFID标准的逻辑框架结构如图5.3所示。5.1 RFID概述概述1.ISO制定的制定的RFI

8、D标准体系标准体系图5.3ISO定义的RFID标准逻辑框架5.1 RFID概述概述2.EPCglobal标准体系标准体系与ISO通用性RFID标准相比，EPCglobal标准体系是面向物流供应链领域，可以看成是一个应用标准。EPCglobal的目标是解决供应链的透明性和追踪性，透明性和追踪性是指供应链各环节中所有合作伙伴都能够了解单件物品的相关信息，如位置、生产日期等信息。为此EPCglobal制定了EPC（Electronic Product Code）编码标准，它可以实现对所有物品提供单件唯一标识；也制定了空中接口协议、读写器协议。这些协议与ISO标准体系类似。在空中接口协议方面，目前EP

9、Cglobal的策略尽量与ISO兼容，如Gen2 UHF RFID标准递交ISO将成为ISO 18000 6C标准。但EPCglobal空中接口协议有它的局限范围，仅仅关注UHF 860930MHz。5.1 RFID概述概述2.EPCglobal标准体系标准体系除了信息采集以外，EPCglobal为供应链各方了信息共享，制定了相关物联网标准，包括EPC中间件规范、对象名解析服务ONS(Object Naming Service)、物理标记语言PML(PhysicalMarkup Language)。这样从信息的发布、信息资源的组织管理、信息服务的发现以及大量访问之间的协调等方面做出规定。EPC

10、系统由EPC编码标准、射频识别系统、EPC中间件、对象名称解析服务（ONS）、EPC信息服务（EPCIS）组成。在EPC系统中，读写器读出的 EPC 只是一个信息参考（指针），由这个信息参考从 Internet找到IP地址，并获取该地址中存放的相关的物品信息，并采用分布式的EPC中间件处理由读写器读取的一连串EPC信息。5.1 RFID概述概述2.EPCglobal标准体系标准体系由于在标签上只有一个EPC代码，计算机需要知道与该EPC匹配的其他信息，这就需要ONS来提供一种自动化的网络数据库服务，EPC中间件将EPC代码传给ONS，ONS指示EPC中间件到一个保存着产品文件的服务器（EPC

11、IS)查找，该文件可由EPC中间件复制，因而，文件中的产品信息就能传到供应链上。EPC系统的工作流程如图5.4所示。5.1 RFID概述概述2.EPCglobal标准体系标准体系图5.4EPC系统的工作流程5.1 RFID概述概述3.Ubiquitous ID标准体系标准体系日本泛在ID（Ubiquitous ID，UID）中心制定RFID相关标准的思路类似于EPCglobal，目标也是构建一个完整的标准体系，即从编码体系、空中接口协议到泛在网络体系结构，但是每一个部分的具体内容存在差异。泛在网络与EPCglobal的物联网还是有区别的。EPC采用业务链的方式，面向企业，面向产品信息的流动(物

12、联网)，比较强调与互联网的结合。UID采用扁平式信息采集分析方式，强调信息的获取与分析，比较强调前端的微型化与集成。5.1 RFID概述概述4.RFID中国标准化情况中国标准化情况我国目前已经从多个方面开展了相关标准的研究制定工作。制定了集成电路卡模块技术规范、建设事业IC卡应用技术等应用标准，并且得到了广泛应用；在频率规划方面，已经做了大量的试验；在技术标准方面，依据ISO/IEC15693系列标准已经基本完成国家标准的起草工作，ISO/IEC18000系列标准制定国家标准的工作已列入国家标准制订计划。此外，中国RFID标准体系框架的研究工作也已基本完成。5.2 RFID基本原理典型的RFI

13、D系统是由电子标签、读写器、系统高层三个部分所组成。RFID的基本组成如图5.5所示。图5.5RFID系统的基本组成5.2.1 RFID系统组成系统组成5.2 RFID基本原理电子标签(Electronic Tag)又被称为应答器或射频卡。电子标签附着在待识别的物品上，每个电子标签具有唯一的电子编码，是RFID的数据载体。电子标签是RFID系统的核心，读写器则是根据电子标签的性能设计的，电子标签和读写器通过射频信号进行通信。电子标签电子标签5.2 RFID基本原理RFID标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元4部分。图5.6电子标签结构示意图1.1

14、.电子标签结构电子标签结构5.2 RFID基本原理电子标签内部各模块功能如下：l射频前端连接电子标签天线与芯片数字电路部分主要用于对射频信号进行整流和调制解调；l逻辑控制单元传出的数据只有经过射频前端的调制后，才能加载到天线上去，成为天线传送的射频信号；l解调器负责将经过调制的信号加以解调，获得最初的信号；l电压调节器主要用于将从读写器接收到的射频信号转换成电源，通过稳压电路来确保稳定的电压供应。l逻辑控制单元主要用于对数字信号进行编码/解码以及防碰撞协议的处理，另外还对存储器进行读写操作；1.1.电子标签结构电子标签结构5.2 RFID基本原理电子标签内部各模块功能如下：存储器用于存储被识别

15、物体的相关信息，常用的存储器有ROM和EEPROM等。电子标签天线主要用于收集读写器发射到空间的电磁信号，并把电子标签本身的数据信号以电磁信号的形式发射出去。1.1.电子标签结构电子标签结构5.2 RFID基本原理常见的RFID电子标签一般有卡片形电子标签、标签类电子标签和植入式带电子标签，如图5.7所示。2.2.电子标签形式电子标签形式图5.7电子标签形式5.2 RFID基本原理读写器又被称为阅读器或询问器是构成RFID系统的重要部件之一，它能够读取电子标签中的数据，也能够将数据写入到电子标签中。读写器还可以与系统高层进行连接，以通过系统高层完成数据信息的存储、管理与控制，是电子标签与系统高

16、层的连接通道。读写器读写器5.2 RFID基本原理读写器由射频模块、控制处理模块和天线组成，如图5.8所示。1.1.读写器的基本组成读写器的基本组成5.2 RFID基本原理l控制处理模块与系统高层中的应用系统软件进行通信；执行从应用系统软件发来的动作指令；控制与电子标签的通信过程；对基带信号进行编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和电子标签之间传送的数据进行加密和解密；进行读写器与电子标签之间的身份认证；对键盘、显示设备等其他外部设备控制。控制处理模块最重要的功能是对读写器进行控制操作。1.1.读写器的基本组成读写器的基本组成5.2 RFID基本原理l射频模块用于将射频信号转换为基带信号，对天

17、线接收的信号进行解调，对控制处理模块需要发送的数据进行调制l天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系统中，读写器必须通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别。天线可以是一个独立的部分，也可以被内置到读写器中。1.1.读写器的基本组成读写器的基本组成5.2 RFID基本原理根据读写器外形和应用场合，读写器又可分为固定式读写器、原始设备制造商（Original Equipment Manufacturer,OEM)模块式读写器、手持便携式读写器、工业读写器和读卡器等，如图5.9所示。2.2.读写器的结构形式读写器的结构形式

18、（a）固定式读写器（b）OEM模块（c）手持式读写器图5.9RFID读写器形式5.2 RFID基本原理读写器可通过标准接口与系统高层连接，系统高层可将许多读写器获取的数据有效地整合起来，实现查询、管理与传输数据等功能。系统高层一般由中间件和应用软件构成。中间件是介于 RFID 读写器与后端应用程序之间的独立软件，可以与多个读写器和多个后端应用程序相连，中间件位于客户机、服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。应用程序通过中间件连接到读写器，读取电子标签中的数据。系统高层系统高层5.2 RFID基本原理5.2.2 RFID工作原理工作原理RFID的基本原理是利用射频信号的空间耦合(电磁感应

19、或电磁传播)传输特性，实现对静止的、移动的待识别物品的自动识别。1.RFID1.RFID系统的工作原理系统的工作原理 5.2 RFID基本原理 5.10RFID系统工作原理示意图5.2 RFID基本原理射频标签与读写器之间通过天线架起空间电磁波的传输通道。射频标签与读写器之间的电磁耦合包含两种情况，即近距离的电感耦合与远距离的电磁反向散射耦合，如图5.11所示。(a)电感耦合 (b)电磁反向散射耦合5.11RFID系统耦合方式5.2 RFID基本原理在电感耦合方式中，读写器一方的天线相当于变压器的一次绕组，射频标签一方的天线相当于变压器的二次绕组，耦合介质是空间磁场，耦合磁场在一次绕组与二次绕

20、组之间构成闭合回路，因而电感耦合方式是变压器方式。在电感耦合方式中，天线将读写器产生的能量以电磁波的方式发送到定向的空间范围内，形成读写器的有效识别区域。位于读写器有效识别区域中的射频标签从读写器天线发出的电磁场中提取工作能量，并通过射频标签的内部电路及标签天线将标签中存储的数据信息传送到读写器。电感耦合方式适用于低高频率近距离无接触射频识别系统。识别作用距离小于1米，典型作用距离为1020厘米。5.2 RFID基本原理电磁反向散射耦合方式采用雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时带回目标信息，依据的是电磁波空间传输规律。如图5.12所示 (a)电感耦合 (b)电磁反向散射耦合图5

21、.12电磁反向散射耦合原理模型5.2 RFID基本原理功率P1是从读写器天线发射出来的，其（由于自由空间衰减）只有一部分到达电子标签天线。到达电子标签天线的功率 P1为电子标签天线提供电压，整流后为电子标签芯片供电。P1的一部分被天线反射，其反射功率为P2。反射功率P2经自由空间后到达读写器，被读写器天线接收。读写器无线接收的信号经收发耦合器电路传输至收发器，放大后经电路处理获得有用信息。电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作的远距离RFID系统。识别作用距离大于1米，典型作用距离为3l0米。5.2 RFID基本原理1.1.低频低频RFIDRFID系统系统5.2.3 RFID系统的频率

22、系统的频率低频工作频率为30kHz300kHz，采用电感耦合方式通信。低频信号穿透性好，抗金属和液体干扰能力强，能在水、木材和有机物质等环境中应用，但难以屏蔽外界的低频干扰信号。一般来说，低频RFID标签读取距离一般短于10cm，读取距离跟标签大小成正比。低频RFID标签一般在出厂时就初始化好了不可更改的编码。一些低频标签也加入了写入和防碰撞功能。低频标签主要应用在动物追踪与识别、门禁管理、汽车流通管理、POS系统和其他封闭式追踪系统中。5.2 RFID基本原理2.2.高频高频RFIDRFID系统系统高频工作频率为3MHz30MHz，常见高频工作频率有6.75MHz、13.56MHz和27.1

23、25MHz。高频系统也采用电磁感应方式来进行通信，具有良好的抗金属与液体干扰的性能，读取距离大多在1m以内。高频RFID标签传输速度较高，但抗噪声干扰性较差，一般具备读写与防冲突功能。现在高频RFID标签是RFID领域中应用最广泛的，如证、卡、票领域（二代身份证、公共交通卡、门票等），还包括供应链的物品追踪、门禁管理、图书馆、医药产业、智能货架等应用。以Mifareone及其兼容卡为代表。5.2 RFID基本原理2.2.高频高频RFIDRFID系统系统高频的电子标签按照ISO协议可以分为以下三种类型：ISO14443A：通信距离在10cm以下，这种卡为逻辑加密卡，如果对安全性要求更高，请使用C

24、PU卡；ISO14443B：二代身份证采用此协议，通信距离在10cm以下；ISO15693：理论通信距离可以达到1m，读写距离通常也在10cm以下，可用在物流管理上。5.2 RFID基本原理2.2.高频高频RFIDRFID系统系统低频和高频RFID系统基本上都采用电感耦合识别方式电感耦合方式的电子标签几乎都是无源的，这意味着电子标签工作的全部能量都要由读写器提供。由于低频和高频RFID的波长较长，电子标签基本都处于读写器天线的近场区，电子标签通过电磁感应而不是通过辐射获得信号和能量的，因此电子标签与读写器的距离很近，这样电子标签可以获得较大的能量。低频和高频RFID电子标签与读写器的天线基本上

25、都采用线圈的形式，两个线圈之间的作用可以理解为变压器的耦合，两个线圈之间的耦合功率的传输效率与工作频率、线圈匝数、线圈面积、线圈间的距离，以及线圈的相对角度等多种因素有关。5.2 RFID基本原理3.3.超高频超高频RFIDRFID系统系统被动式超高频RFID标签工作频率为860960MHz，主动式超高频RFID标签则工作在433MHz。在超高频频段，各个国家都有自己规定的频率，我国一般以915MHz为主。超高频的优点就是传输距离远，最远可以达到15m，具备防碰撞性能，并且具有锁定与消除标签的功能。超高频的ISO标准主要以下两种为主：(1)ISO18000-6B：这种标签包含8Bytes不可修

26、改且唯一的UID号，包括UID在内共有256Bytes内存，但是相对ISO18000-6C标签，其价格较高；(2)ISO18000-6C：以Gen2电子标签为主，其优点是具有可以修改的EPC码，并且可以直接读取EPC码，而且价格便宜。5.2 RFID基本原理4.4.微波微波RFIDRFID系统系统微波RFID标签主要工作在2.45GHz，有些则为5.8GHz，因为其工作频率高，在RFID标签中传输速度最大，但抗金属液体能力最差。被动式微波RFID标签主要使用反向散射耦合方式进行通信，传输距离较远。如果要加大传输距离还可以改为主动式。微波RFID标签非常适合用于高速公路等收费系统。微波电子标签与

27、读写器的距离较远，一般大于1m,典型情况为410m,最大可达10m以上5.3 RFID的天线与射频前端5.3.15.3.1RFIDRFID的天线的天线1.近场天线工作模式近场天线工作模式当RFID的线圈天线进入读写器产生的交变磁场中时，RFID天线与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器，两者的线圈相当于变压器的一次绕组和二次绕组。由RFID的线圈天线形成的谐振回路，包含RFID天线的线圈电感L、并联电容C其谐振频率为：5.3 RFID的天线与射频前端1.远场远场天线工作模式天线工作模式在反向散射工作模式中，读写器和标签之间采用电磁波来进行信息的传输，一般适用于微波频段。当读写器对标签进行阅读

28、识别时，首先发出未经调制的电磁波，此时，位于远场的标签天线接收到电磁波信号，并在天线上产生感应电压，标签内部电路将这个感应电压进行整流，并放大，于激活标签芯片。当标签芯片被激活后，用自身的全球唯一标识号对标签芯片阻抗进行变换，当标签天线和标签芯片之间的阻抗匹配较好时，基本不反射信号；而阻抗匹配不好时，则将几乎全部反射，这样，反射信号就出现了振幅的变化，这种情况类似于对反射信号进行幅度调制处理。读写器通过接收到经过调制的反射信号，判断该标签的标识号并进行识别。5.3 RFID的天线与射频前端5.3.25.3.2RFIDRFID的射频前端的射频前端 1.读写器的射频前端读写器的射频前端读写器典型的

29、天线电路有3种：串联谐振回路、并联谐振回路和具有初级与次级线圈的耦合电路。由于读写器的天线主要用于产生磁通，该磁通通过电子标签（向其提供电源），实现读写器和电子标签之间的能量和数据信息传递。串联谐振电路由于具有电路简单；谐振时可获得最大的回路电流（使读写器线圈能够产生最大的磁通），通过调整谐振电路的品质因数，可得到足够的频带宽度等特点，从而被广泛用于读写器天线电路。5.3 RFID的天线与射频前端1.读写器的射频前端读写器的射频前端在图5.13所示的串联电路中，电感L存储磁能，电容C存储电能。当电感L存储的磁能和电容C存储的电能相等时，电路发生串联谐振，输入阻抗表现为纯电阻。图5.13串联电路

30、5.3 RFID的天线与射频前端1.读写器的射频前端读写器的射频前端在图5.13所示的RLC串联电路中，总阻抗为电路发生串联谐振，电路的总阻抗呈现纯电阻特性，即电感L存储的磁能和电容C存储的电能相等。可以得到串联谐振的条件为：5.3 RFID的天线与射频前端1.读写器的射频前端读写器的射频前端由此可以得出，RLC电路产生串联谐振时的角频率0和频率0分别为：串联谐振时，电容和电感上的电压大小相等，方向相反，互相抵消，电阻上的电压等于电源电压，所以串联谐振也称为电压谐振。5.3 RFID的天线与射频前端2.电子标签的射频前端电子标签的射频前端电子标签的天线主要用于耦合读写器的磁通，该磁通不仅给电子

31、标签供电，还可实现读写器和电子标签之间的能量和数据信息传递。并联谐振又称为电流谐振，在谐振时，电感和电容支路中的电流到达最大值，即谐振回路两端可获得最大的电压，从而使电子标签最大程度地耦合来自读写器的能量；能拥有足够的频带宽度。无源电子标签的天线电路多采用并联谐振电路。5.3 RFID的天线与射频前端2.电子标签的射频前端电子标签的射频前端并联谐振回路如图5.14，由电阻R、电感L和电容C并联而成，其中电感L是由电子标签的线圈构成的。对于某一频率的正弦信号，当出现电路端口的电压和电流相位相同的现象时，表明该电路发生了谐振。图5.14并联谐振电路5.3 RFID的天线与射频前端2.电子标签的射频

32、前端电子标签的射频前端并联谐振电路的导纳电路发生并联谐振，电路的总阻抗呈现纯电阻特性，即端口的电压和电流的相位相同。可以得到并联谐振的条件为：5.3 RFID的天线与射频前端2.电子标签的射频前端电子标签的射频前端由此可以得出，RLC电路产生并联谐振时的角频率0和频率0分别为：与串联谐振类似，要使电路发生并联谐振同样有两种方式：一是改变电路中电感L或电容C的值，让电路的谐振频率与输入信号频率相等；二是改变输入信号频率，让输入频率与电路的谐振频率相等。5.4 RFID编码与调制5.4.1 RFID编码与调制编码与调制在RFID系统中，读写器和电子标签之间的数据传输方式与基本的数字通信系统结构类似

33、。读写器与电子标签之间的数据传输是双向的，读写器到电子标签的信号流向如图5.15所示，电子标签到读写器的过程是相反的。图5.15RFID系统基本通信结构框图5.4 RFID编码与调制1.解码与编码解码与编码信号编码的作用是对发送端要传输的信息进行编码，使传输信号与信道相匹配，防止信息受到干扰或发生碰撞。根据编码目的不同，可分为信源编码和信道编码。信源编码是对信源输出的信号进行变换，信源解码是信源编码的逆过程。在RFID系统中，当电子标签是无源标签时，经常要求基带编码在每两个相邻数据位元间具有跳变的特点，相邻数据间的码跳变不仅可以在连续出现“0”时保证对电子标签的能量供应，且便于电子标签从接收码中提取时钟信息。5.4 RFID编码与调制1.解码与编码解码与编码信道编码是对信源编码器输出的信号进行再变换，目的是前向纠错，是为了区分通路、适应信道条件以及提高通信可靠性而进行的编码。数字信号在信道