第2章_射频识别技术(2)

《物联网技术》课件第2章射频识别技术2020年1月23日电子工业出版社刘化君刘传清编著《物联网技术》教材配套课件22.3.1电感耦合RFID系统2.3.2反向散射耦合RFID系统2.3RFID系统的工作原理RFID系统的基本工作原理•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天线发射出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线的调制器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送到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，最终发出信号控制读写器完成不同的读写操作。•从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看，RFID系统一般可以分为电感耦合（磁耦合）系统和电磁反向散射耦合（电磁场耦合）系统。电感耦合系统是通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。•电感耦合方式一般适合于中、低频率工作的近距离RFID系统；电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作频率的远距离RFID系统。电感耦合方式和电磁反向散射耦合方式如图2-7所示。N读写器S电子标签近距离电感耦合读写器电子标签远距离电磁耦合图2-7电感耦合方式和电磁反向散射耦合方式2.3.1电感耦合RFID系统•电感耦合方式电路结构如图2-8所示。电感耦合的射频载波频率为13.56MHz和小于135KHz的频段，应答器和读写器之间的工作距离小于1m。R1VsRs存储和控制电路二进制码信息读写器应答器（电子标签）L1iL2v2VD解调和解码滤波放大2C0C1C1．应答器的能量供给•电磁耦合方式的应答器几乎都是无源的，能量（电源）从读写器获得。由于读写器产生的磁场强度受到电磁兼容性能有关标准的严格限制，因此系统的工作距离较近。•在图2-8所示的读写器中，vS为射频信号源，L1C1构成谐振回路（谐振于vs的频率），Rs是射频源的内阻，R1是电感线圈L1的损耗电阻。vs在L1上产生高频电流i，谐振时高频电流i最大，高频电流产生的磁场穿过线圈，并有部分磁力线穿过距离读写器电感线圈L1一定距离的应答器线圈L2。由于所有工作频率范围内的波长（13.56MHz的波长为22.1m，135KHz的波长为2400m）比读写器和应答器线圈之间的距离大很多，所以两线圈之间的电磁场可以当作简单的交变磁场。•穿过电感线圈L2的磁力线通过感应，在L2上产生电压v2，将其通过VD和C0整流滤波后，即可产生应答器工作所需的直流电压。电容器C2的选择应使L2C2构成对工作频率谐振的回路，以使电压v2达到最大值。•电感线圈可以看作变压器初次级线圈，不过他们之间耦合很弱。读写器和应答器之间的功率传输效率与工作频率、应答器线圈的匝数、应答器线圈包围的面积、两线圈的相对角度以及它们之间的距离是成比例的。•因为电感耦合系统的效率不高，所以只适合于低电流电路。只有功耗极低的只读电子标签（小于135KHz）可用于1m以上的距离。具有写入功能和复杂安全算法的电子标签的功率消耗较大，因而其一般的作用距离为15cm。2．数据传输•应答器向读写器的数据传输采用负载调制方法。应答器二进制数据编码信号控制开关器件，使其电阻发生变化，从而使应答器线圈上的负载电阻按二进制编码信号的变化而改变。负载的变化通过映射到，使的电压也按二进制编码规律变化。该电压的变化通过滤波放大和调制解调电路，恢复应答器的二进制编码信号，这样，读写器就获得了应答器发出的二进制数据信息。2.3.2反向散射耦合RFID系统•1．反向散射–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。•2．RFID反向散射耦合方式–一个目标反射电磁波的频率有反射横截面来确定。反射横截面的大小与一系列的参数有关，如目标的大小、形状和材料，电磁波的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以RFID反向散射耦合方式采用特高频和超高频，应答器和读写器的距离大于1m。RFID反向散射耦合方式的原理框图如图2-9所以，读写器、应答器和天线构成一个收发通信系统。负载调制存储和控制电路电源电路收发耦合P1P2阅读器应答器图2-9RFID反向散射耦合方式原理图•（1）应答器的能量供给–无源应答器的能量由读写器提供，读写器天线发射的功率经自由空间衰减后到达应答器，设到达功率为。中被吸收的功率经应答器中的整流电路后形成应答器的工作电压。–在UHF和SHF频率范围，有关电磁兼容的国际标准对读写器所能发射的最大功率有严格的限制，因此在有些应用中，应答器采用完全无源方式会有一定困难。为解决应答器的供电问题，可在应答器上安装附加电池。为防止电池不必要的消耗，应答器平时处于低功耗模式，当应答器进入读写器的作用范围时，应答器由获得的射频功率激活，进入工作状态。•（2）应答器至读写器的数据传输–由读写器传到应答器的功率的一部分被天线反射，反射功率经自由空间后返回读写器，被读写器天线接收。接收信号经收发耦合器电路传输到读写器的接收通道，被放大后经处理电路获得有用信息。–应答器天线的反射性能受连接到天线的负载变化的影响，因此，可采用相同的负载调制方法实现反射的调制。其表现为反射功率是振幅调制信号，它包含了存储在应答器中的识别数据信息。•（3）读写器至应答器的数据传输–读写器至应答器的命令及数据传输，应根据RFID的有关标准进行编码和调制，或者按所选用应答器的要求进行设计。3．声表面波应答器•（1）声表面波器件–声表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)器件以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。SAW器件体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较宽，并且可以采用与集成电路工艺相同的平面加工工艺，制造简单，重获得性和设计灵活性高。–声表面波器件具有广泛的应用，如通信设备中的滤波器。在RFID应用中，声表面波应答器的工作频率目前主要为2.45GHz。•（2）声表面波应答器–声表面波应答器的基本结构如图2-10所示，长长的一条压电晶体基片的端部有指状电极结构。基片通常采用石英铌酸锂或钽酸锂等压电材料制作，指状电极电声转换器（换能器）。在压电基片的导电板上附有偶极子天线，其工作频率和读写器的发送频率一致。在应答器的剩余长度安装了反射器，反射器的反射带通常由铝制成。换能器反射带压电晶体基片偶极子天线反射器2.4RFID中间件技术•RFID中间件（Middleware）技术将企业级中间件技术延伸到RFID领域，是RFID产业链的关键共性技术。它是RFID读写器和应用系统之间的中介。RFID中间件屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑，从而驱动更广泛、更丰富的RFID应用。2.4.1RFID中间件的组成及功能特点•RFID中间件是介于前端读写器硬件模块与后端数据库、应用软件之间的一类软件,是RFID应用部署运作的中枢。它使用系统软件所提供的基础服务（功能），衔接网络上应用系统的各个部分或不同的应用，能够达到资源共享、功能共享的目的。目前，对RFID中间件还没有很严格的定义，普遍接受的描述是：中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，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。使用中间件主要有3个目的：–①隔离应用层与设备接口；–②处理读写器与传感器捕获的原始数据；–③提供应用层接口用于管理读写器、查询RFID观测数据。1.RFID中间件的组成•RFID中间件（即RFIDEdgeServer）也是EPCglobal推荐的RFID应用框架中相当重要的一环，它负责实现与RFID硬件以及配套设备的信息交互与管理，同时作为一个软硬件集成的桥梁，完成与上层复杂应用的信息交换。鉴于使用中间件的三个主要原因，大多数中间件应由读写器适配器、事件管理器和应用程序接口3个组件组成。–（1）读写器适配器:读写器适配器的作用是提供读写器接口。读写器适配器程序提供一种抽象的应用接口，来消除不同读写器与API之间的差别。–（2）事件管理器:事件管理器的作用是过滤事件。读写器不断从电子标签读取大量未经处理的数据.而不同的数据子集，中间件应能够聚合汇总应用系统定制的数据集合。事件管理器就是按照规则取得指定的数据。过滤有两种类型，一是基于读写器的过滤；二是基于标签和数据的过滤。提供这种事件过滤的组件就是事件管理器。–（3）应用程序接口:应用程序接口的作用是提供一个基于标准的服务接口。这是一个面向服务的接口，即应用程序层接口，它为RFID数据的收集提供应用程序层语义。2.RFID中间件的主要功能•RFID中间件的任务主要是对读写器传来的与标签相关的数据进行过滤、汇总、计算、分组，减少从读写器传往应用系统的大量原始数据、生成加入了语义解释的事件数据。因此说，中间件是RFID系统的“神经中枢”，也是RFID应用的核心设施。具体说来，RFID中间件的功能主要集中在以下4个方面。•（1）数据实时采集:RFID中间件最基本的功能是从多种不同读写器中实时采集数据。•（2）数据处理:RFID的特性决定了它在短时间能产生海量的数据，而这些数据有效利用率非常低，必须经过过滤聚合处理，缩减数据的规模。•（3）数据共享:RFID产生的数据最终的目的是数据的共享，随着部署RFID应用的企业增多，大量应用出现推动数据共享的需求，高效快速的将物品信息共享给应用系统，提高了数据利用的价值，是RFID中间件的一个重要功能。这主要涉及的数据的存储、订阅和分发，以及浏览器控制。•（4）安全服务:RFID中间件采集了大量的数据，并把这些数据共享，这些数据可能是很敏感数据，比如个人隐私，这就需要中间件实现网络通信安全机制，根据授权提供给应用系统相应的数据。3.中间件的工作机制及特点•从理论上讲，中间件的工作机制为：在客户端上的应用程序需要从网络中的某个地方获取一定的数据或服务，这些数据或服务可能处于一个运行着不同操作系统的特定查询语言数据库的服务器中。客户/服务器应用程序中负责寻找数据的部分只需访问一个中间件系统，由中间件完成到网络中寻址数据源或服务，进而传输客户请求、重组答复信息，最后将结果送回应用程序的任务。•中间件作为一个用API定义的软件层，在具体实现上应具有强大的通信能力和良好的可扩展性。作为一个中间件应所具备：–①标准的协议和接口，具备通用性、易用性；–②分布计算，提供网络、硬件、操作系统透明性；–③满足大量应用需要；–④能运行于多种硬件和操作系统平台。其中，具有标准的协议和接口更为重要，因为由此可实现不同硬件、操作系统平台上的数据共享、应用互操作。2.4.2RFID中间件体系结构•RFID中间件技术涉及的内容比较多，包括：并发访问技术、目录服务及定位技术、数据及设备监控技术、远程数据访问、安全和集成技术、进程及会话管理技术等。但任何RFID中间件应能够提供数据读出和写入、数据过滤和聚合、数据的分发、数据的安全等服务。根据RFID应用需求,中间件必须要具备通用性、易用性、模块化等特点。对于通用性要求,系统采用面向服务架构(ServiceOrientedArchitecture,SOA)的实现技术,WebServices以服务的形式接受上层应用系统的定制要求并提供相应服务,通过读写器适配器提供通用的适配接口以“即插即用”的方式接收读写器进入系统；对于易用性要求,系统采用B/S结构,以Web服务器作为系统的控制枢纽,以Web浏览器作为系统的控制终端,可以远程控制中间件系统以及下属的读写器。如图2-11所示,将中间件系统按照数据流程划分为设备