第四章RFID系统构成及工作原理

RFID系统的构成及工作原理湖南现代物流职业技术学院米志强2015.1.18国家级十二五规划教材配套资源国家级十二五规划教材配套资源导读导学导教导训案例导入，深入浅出配套资料丰富，易学易懂能力指引，目标明确任务单驱动，步骤清晰教材开发的“四导”风格国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理掌握RFID系统的组成；掌握RFID编码、调制与数据校验；掌握RFID技术的工作原理；区分RFID的电感耦合和电磁反向散射工作原理；RFID标签数据写入工作情况。具备良好的团队协作和沟通交流能力。具备良好的观察分析能力，对新应用系统的快速掌握能力。导教国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理4导学掌握RFID应用系统的构架及组成；理解RFID技术的工作原理；了解常见电子标签的分类及应用。学习目标：国家级十二五规划教材配套资源主要内容0102RFID系统构架RFID编码、调制与数据校验04030506RFID系统的基本原理RFID标签数据写入实训项目习题国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理导读RFID：数据的神经末梢，RFID系统在湖南长丰汽车公司的案例案例分析与讨论：（1）简述湖南长丰汽车公司RFID系统的主要构成及在生产中起到的作用？（2）简述RFID系统的工作原理？国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理1RFID系统构架RFID是一种系统，一种射频识别系统。典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件4部分构成，一般我们把中间件和应用软件统称为应用系统。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理在实际RFID解决方案中，不论是简单的RFID系统还是复杂的RFID系统都包含一些基本组件。组件分为硬件组件和软件组件。1RFID系统构架若从功能实现的角度观察，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分，如图4-3示。这种观点同现代信息技术观点相吻合。边沿系统主要是完成信息感知，属于硬件组件部分；软件系统完成信息的处理和应用；通信设施负责整个RFID系统的信息传递。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理1RFID系统构架1、电子标签电子标签（ElectronicTag）也称也称应答器或智能标签（SmartLabel），是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。电压调节器：把由标签阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源；调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给阅读器；解调器：把载波去除以取出真正的调制信号；逻辑控制单元：用来译码阅读器送来的信号，并依其要求回送数据给阅读器；存储单元：包括EEPROM与ROM，作为系统运行及存放识别数据的位置。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理1RFID系统构架2、读写器读写器是一个捕捉和处理RFID标签数据的设备，它可以是单独的个体，也可以嵌入到其他系统之中。读写器也是构成RFID系统的重要部件之一，由于它能够将数据写到RFID标签中，因此称为读写器。读写器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/执行器，报警器的输入/输出接口、通信接口及电源等部件组成。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理1RFID系统构架3、控制器控制器是读写器芯片有序工作的指挥中心，主要功能是：与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；控制与标签的通信过程；基带信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和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的控制。其中，最重要的是对读写器芯片的控制操作。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的设备，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。RFID系统读写器天线的特点是：①足够小以至于能够贴到需要的物品上；②有全向或半球覆盖的方向性；③能够给标签的芯片提供最大可能的信号；④无论物品什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配；⑤具有鲁棒性；⑥价格便宜。在选择读写器天线时应考虑的主要因素有：①天线的类型；②天线的阻抗；③应用到物品上的RF的性能；④在有其他物品围绕贴标签物品时RF的性能。1RFID系统构架4、读写器天线国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理1RFID系统构架5、通信设施通信设施为不同的RFID系统管理提供安全通信连接，是RFID系统的重要组成部分。通信设施包括有线或无线网络和读写器或控制器与计算机连接的串行通信接口。无线网络可以是个域网（PAN）（如蓝牙技术）、局域网（如802.11x、WiFi），也可以是广域网（如GPRS、3G技术）或卫星通信网络（如同步轨道卫星L波段的RFID系统）。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理2RFID编码、调制与数据校验1、RFID编码射频识别系统的结构与通信系统的基本模型相类似，满足了通信功能的基本要求。读写器和电子标签之间的数据传输构成了与基本通信模型相类似的结构。读写器与电子标签之间的数据传输需要三个主要的功能块，如图4-8所示。按读写器到电子标签的数据传输方向，是读写器（发送器）中的信号编码（信号处理）和调制器（载波电路），传输介质（信道），以及电子标签（接收器）中的解调器（载波回路）和信号译码（信号处理）。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理2RFID编码、调制与数据校验2、RFID调制脉冲调制是指将数据的NRZ码变换为更高频率的脉冲串，该脉冲串的脉冲波形参数受NRZ码的值0和1调制。主要的调制方式为频移键控FSK和相移键控PSK。（1）FSK调制FSK是指对已调脉冲波形的频率进行控制，FSK调制方式用于频率低于135kHz(射频载波频率为125kHz)的情况，图4-12所示为FSK方式一例，数据传输速率为fc/40,fc为射频载波频率。FSK调制时对应数据1的脉冲频率f1=fc/5,对应数据0的脉冲频率f0=fc/8。00011数据时钟数据NRZ码FSK脉冲f0f0f1f1国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理2RFID编码、调制与数据校验3、RFID数据校验在RFID系统中，数据传输的完整性存在两个方面的问题：一是外界的各种干扰可能使数据传输产生错误；二是多个电子标签同时占用信道会使发送数据产生碰撞。运用数据检验（差错检测）和防碰撞算法可分别解决这两个问题。通常，在设计数字通信系统时，首先应从合理地选择调制制度、解调方法及发送功率等方面考虑。若采取上述措施仍难以满足要求，则需考虑采用下述差错控制技术。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理2RFID编码、调制与数据校验3、RFID数据校验1、差错按加性干扰引起的错码分布规律的不同，可将差错分为以下三种类型。（l）随机差错：由随机噪声（如热噪声）造成的误码、错码的出现是随机的；错码之间没有相关性，是统计独立的；错码的分布是零散的。（2）突发差错：由脉冲噪声（如闪电等）造成的误码、错码的出现是成串的；差错分布比较密集，也就是说在一些短促的时间区间内会出现大量错码；差错之间有相关性。差错的持续时间称为突发长度。（3）混合差错：既出现随机差错又出现突发出错，而且哪一种都不能忽略不计的差错称为混合差错。出现上述三种差错的信道分别称为随机信道、突发信道和混合信道。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理2RFID编码、调制与数据校验3、RFID数据校验2、差错控制为了降低误码率，提高数字通信的可靠性，往往要采用差错控制技术来发现可能产生的错码或发现并纠正错码。差错控制方式常用的有以下四种。（1）检错重发方式（AutomationRepeatRequest，ARQ）（2）前向纠错方式（ForwardErrorCorrection，FEC）（3）反馈校验方式（4）混合纠错方式（HybridErrorCorrection，HEC）国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理3、检纠错码RFID数据信息由信息码元k与监督码元（也称检纠错码）r组成，如图4-28所示。2RFID编码、调制与数据校验3、RFID数据校验图4-28信息码元与监督码元示意图国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理4、检、纠错码的分类2RFID编码、调制与数据校验3、RFID数据校验1）分组码码组的检纠错码元仅与本码组的信息码元有关，而与其他码元组的信息码元无关。这样的码组叫分组码。2）卷积码码组的检纠错码元不仅与本码组的信息码元相关，而且与本码组相邻的前m个时刻输入的码组的信息码元之间也具有约束关系，这样的码组叫卷积码，其性能优于分组码。3）交织码交织码是利用交织技术构造出来的编码。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理3RFID系统的基本原理1、基本工作原理RFID系统的基本工作原理是：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器发送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成不同的读/写操作。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理3RFID系统的基本原理1、基本工作原理电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微频工作的远距离射频识别系统，其典型的工作频率有433MHz、915MHz、2.45kHz、5.8GHz。其识别作用距离大于1m，典型的作用距离为4～6m。电感耦合系统与电磁耦合系统如图4-32所示。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理3RFID系统的基本原理2、电感耦合系统1、能量供应发射磁场的一小部分磁力线穿过距离读写器天线线圈一定距离的电子标签天线线圈。通过感应，在电子标签的天线线圈产生一个电容，将其整流后作为微芯片的工作电源。将一个电容器Cr与读写器并联，其中电容器与天线线圈的电感一起形成谐振频率与读写器发射频率相符的并联振荡回路，该回路的谐振使得读写器的天线线圈产生较大的电流，这种方法也用于产生供远距离电子标签工作所需要的能量。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理3RFID系统的基本原理2、电感耦合系统2、数据传输电子标签与读写器的数据传输采用负载调制时，其电感耦合是一种变压器耦合，即作为初级线圈的读写器和作为次级线圈的电子标签之间的耦合。只要线圈之间的距离不超过0.16，并且电子标签处于发送天线的近场范围内，则变压器耦合就有效。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理3RFID系统的基本原理3、电磁反向散射系统1、反向散射调制雷达技术为RFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用基础。当电磁波遇到空间目标时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分则以不同的强度散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被天线接收（因此发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大和处理，即可获得目标的有关信息。对RFID系统来说，可以采用电磁反向散射耦合工作方式，利用电磁波反射完成从电子标签到读写器的数据传输。这种工作方式主要应用在915MHz、2.45GHz或更高频率的系统中。国家级十二五规划教材配套资源第四章RFID系统的构成与工作原理2、R