射频识别技术 电子标签应用与选型技术.ppt

射频识别技术RFID Technology,电子标签的应用与选型技术,1 电子标签简介,1.1 电子标签的特点与组成 无线标签技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。无线标签技术可识别高速运动物体并可识别多个标签，操作快捷方便。RFID标签具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据量大、存储信息可以修改等优点。,电子标签是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型小标签。标签中保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，无线标签附着在待识别物体表面。存储在芯片中的数据，由阅读器以无线电波的形式非接触的读取，并通过阅读器的处理器，进行信息解读并进行相关的管理。因此说，电子标签是一种非接触式的自动识别技术，是目前使用的条形码的无线版本。电子标签的应用将给零售、物流等产业带来革命性的变化。电子标签十分方便于大规模生产，并能够做到日常免维护。读写设备采用微波技术，同时收发电路成本低，性能可靠，是近距离自动识别技术实施的好方案。收发天线采用微带平板天线，便于各种场合安装且易于生产，天线环境适应性强，机械、电气性能好。,电子标签实物图片,电子标签实物图片,射频标签的结构,电子标签构造示例,RFID技术给零售、物流等产业带来了革命性的变化，因此条形码技术就受到了极大的冲击。条形码技术的主要突出问题和缺陷主要有：视距问题、信息容量小的问题、红外扫描识别带来的问题等。 RFID技术关键在于可以让物品实现真正的自动化管理，不再像条形码那样需要逐个扫描。在RFID标签中存储着规范可互用的信息，通过无线数据通讯网络可以自动采集并连接到中央信息系统，RFID标签可以以任意形式附加在包装中，不需要像条形码那样占用固定空间。此外，RFID不需要人工识别标签，读卡器每250ms就可以从射频标签中读出位置和商品的信息。,射频识别标签的构成 射频识别标签一般由天线、调制器、编码发生器、时钟及存储器构成。,天线,调制器,控制器（CPU）,电源,编码发生器,时钟,存储器,系统工作时，阅读器发出查询信号，电子标签收到查询能量信号后，将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制（ASK）后反射回阅读器。阅读器接收反射回的幅度调制信号，从中提取出的电子标签中保存的标识性数据信息。,1 特点 电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体目标对象上。电子标签内编写的程序可按具体需要进行随时读取和改写。电子标签中的内容也可在被改写的同时可以被永久锁死、进行保护。通常电子标签的芯片体积很小，厚度一般不超过0.35mm，可印制在纸张、塑料、木材、玻璃、纺织品等包装材料上，也可以直接制作在商品标签上。总之，电子标签的特点有： （1） 具有一定的存储容量，存储被识别物品的相关信息。 （2） 在一定工作环境及技术条件下，能够对电子标签的存储数据进行读取和写入操作。 （3） 维持对识别物品的识别及相关信息的完整。 （4） 具有可编程操作，对于永久性数据不能进行修改。 （5） 对于有源标签，通过读写器能够显示电池的工作状况。,2 组成 电子标签与读写器之间通过电磁波进行通信，与其他通信系统一样，电子标签可以看做一个特殊的收发信机（Transceiver）。 电子标签可以分为两个部分，即标签芯片和标签天线。标签天线的功能是收集阅读器发射到空间的电磁波，和将芯片本身发射的能量以电磁波的方式发射出去。标签芯片的功能是对标签接收的信号进行解调、解码等各种处理，并把电子标签需要返回的信号进行编码、调制等各种处理。,1.2 标签的技术参数 RFID射频标签附着在待识别物体上，在RFID系统中，这是一种损耗件。在目前各个厂家制造的RFID系统中，除了个别厂家之外，绝大多数厂家的产品都互不兼容。对于较大的应用系统而言，标签的成本决定着整个系统的建设成本。射频电子标签由标签天线、芯片等采用特殊的封装工艺封装而成。根据射频标签的技术特征，针对标签的技术参数有：能量需求、读写速度、封装形式、内存、工作频率、传输速率和数据的安全性等。下面逐一介绍。,（1） 标签的能量需求 标签的能量需求指激活标签芯片电路所需要的能量范围。在一定距离内的标签，激活能量太低就无法激活标签。（2） 标签的传输速率 标签的传输速率指的是标签向读写器反馈所携带的数据的传输速率及接收来自读写器的写入数据命令的速率。 （3）标签的读写速度 标签的读写速度由标签被读写器识别和写入的时间决定，一般为毫秒级，因此携带UHF标签的物体运动速度可以达到1100m/s，即可以达到360km/h的速度。,（4） 标签的工作频率 标签的工作频率指的是标签工作时采用的频率，即低频、中频、高频、超高频或微波等。（5） 标签的容量 标签的容量指的是射频标签携带的可供写入数据的内存量，一般可以达到1KB（1024Byte）的数据量。（6） 标签的封装形式 标签的封装形式主要取决于标签天线的形状，不同的天线可以封装成不同的标签形式，运用在不同的场合，并且具有不同的识别性能。,表1 射频识别系统的技术特征,1.3射频识别标签的分类及其构成 分类 （1）按标签的工作方式分类 主动式标签。用自身的射频能量主动地发射数据给读写器的标签。主动标签含有电源。 被动式标签。由读写器发出查询信号触发后进入通信状态的标签。被动标签可有源也可无源。,（2）按标签的读写方式分类 只读型标签。只能读出不能写入的标签。可分为以下三类： 只读标签：内容出厂时已写入，识别时只可读出，不可改写。 一次性编程只读标签：标签内容只可在应用前一次性编程写入，识别过程中内容不可改写。 可重复编程只读标签：标签内容经擦除后可重新编程写入，识别过程中内容不可改写。 读写型标签。标签内容既可被读写器读出，又可由读写器写入的标签。,（3）按标签有无能源分类 无源标签。标签中不含电池的标签。工作能量来自阅读器射频能量。 有源标签。标签中含有电池的标签。不需利用阅读器的射频能量。 半有源标签：阅读器的射频能量起到唤醒标签转入工作状态的作用。,（4）按标签的工作频率分类 低频标签：典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。 高频标签：工作频率高于低频标签，无线电波较长（一般为几米），亦是典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。 超高频和微波标签：工作频率远高于低频和高频标签，工作波长较短（分米级或厘米量级），工作方式为电磁反向散射耦合方式。,（5） 按照作用距离分类 密耦合标签：作用距离小于1cm的标签。 近耦合标签：作用距离约为15cm的标签。 疏耦合标签：作用距离约为1m的标签。 远距离标签：作用距离从1m到10m甚至更远的标签。,（6）无芯片标签和SAW标签 一般意义上的电子标签都包含有电子标签天线及标签电路。标签电路经过集成后，降低了电子标签的生产成本和整体功耗。以IC芯片为主要特征的电子标签不是唯一的电子标签形式。近年来，随着技术的发展，出现了无芯片标签。 声表面波SAW标签 声表面波标签以声表面波器件为核心，克服了IC芯片工作时要求直流电源供电的缺陷，同样实现了电子标签的数据保存功能及无接触空间无限通信的功能。,声表面波标签的工作原理：天线接收到的射频能量信号经SAW标签内部的变换器后形成激荡SAW存储数据条纹的脉冲，SAW激励神经脉冲经存储数据条纹图形反射后形成数据脉冲，数据脉冲再经过变换器体现为天线负载调制，阅读器经过解调反射的负载调制信号提取SAW电子标签的数据。例： RFSAW Inc公司生产的SAW电子标签，采用铌化锂晶体作为声表面波器件的基地材料，适应射频读取的工作频率范围为1.72.5GHz。每个标签具有不可更改的唯一的标识UID。,图5-3 声表面波标签,其主要特点有： 成本比半导体RFID IC芯片更低。 克服了半导体RFID IC电子标签的成本、性能等限制。 具有可满足实用需要的足够长的电子标签识别代码UID。 具有足够远的阅读距离，具有取代条形码的优势。,（2） 无芯片电子标签 无芯RFID标签指的是不含有IC芯片的射频识别标签。最具有前景的无芯标签的主要潜在优势在于其最终能以0.1美分的花费直接印在产品和包装上，才有可能在诸如包装消费品、邮递物品、药品和书籍等最大的RFID应用领域内全面实施，以更灵活可靠的特性取代每年十万亿使用量的条形码。 无芯片电子标签最适宜使用的场合有物品管理（工厂名册、图书馆、洗衣店、药品、消费品、档案、邮件），大容量安全文档、空运包裹等高价值物流。 无芯片电子标签的特点是超薄、低成本，存储数据量少。典型的实现技术有远程磁学技术（Remote Magnetics）、层状非晶体管电路技术（Laminar Transistorless Circuits）、层状晶体管电路技术等。,EPC目前定义了5种电子标签,2 电子标签天线 2.1 电子标签天线简介 天线具有将导行波与自由空间波相互转换的功能，它存在于一个由波束范围、立体弧度和立体角构成的三维世界中。无线发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接收下来，并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备。 作为射频电子标签的天线必须满足一下的性能要求： （1）足够小以至于能够嵌入制造到本身就很小的电子标签上。 （2）有全向或半球覆盖的方向性。 （3）提供最大可能的信号给标签的芯片，并给标签提供能量。 （4）无论标签处于什么方向，天线的极化都能与阅读器的询问信号相匹配。 （5）具有鲁棒性。 （6）作为损耗件的一部分，天线的价格必须非常便宜。,因此，在选择天线的时候，必须考虑如下因素： （1）天线的类型。 （2）天线的阻抗。 （3）在应用到电子标签上时的射频性能。 （4）在有其他的物品围绕标签物品时的射频性能。 在实际应用中，标签的使用方式有两种，一种是标签移动，通过固定的阅读器进行识别；一种是标签不动，通过手持机等移动的阅读器来进行识别。 在一个电子标签中，标签面积主要是由天线面积决定的。然而天线的物理尺寸受到工作频率电磁波波长的限制，如超高频（900MHz）的电磁波波长为30cm，因此应该在设计时考虑到天线的尺寸，一般设计为510cm的小天线。 此外，考虑到天线的阻抗问题、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响，为了以最大功率进行传输数据，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗相匹配。因此在电子标签中应该使用方向性天线，而不是全向天线，方向性天线具有更少的辐射模式和更少的返回损耗干扰。,2.2 电子标签天线的分类 RFID电子标签主要有线圈型、微带贴片型和偶极子型三种。工作距离小于1m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，工作在中、低频段。工作在1m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子的RFID天线，工作在高频及微波频段。 1 线圈型 某些应用要求RFID的线圈天线外形很小，且需要一定的工作距离，如动物识别。为了增大RFID与读写器之间的天线线圈互感量，通常在天线线圈内部插入具有高磁导率的铁氧体材料，来补偿线圈横截面小的问题。 2 微带贴片天线 微带贴片天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片导体构成的。微带贴片天线质量轻，体积小，剖面薄，其馈线方式和极化制式的多样化及馈电网络、有源电路集成一体化等特点成为了印刷天线的主流。微带贴片天线适用于通信方向变化不大的RFID应用系统中。,3 偶极子天线 在远距离耦合的RFID系统中，最常用的为偶极子天线。信号从偶极子天线中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，从而在天线周围空间激发起电磁场。 偶极子天线分为四种类型，分别为半波偶极子天线、双线折叠偶极子天线、三线折叠偶极子天线和双偶极子天线。,半波偶极子,三线折叠偶极子,双偶极子,双线折叠偶极子,四种类型的偶极子天线,3 电子标签芯片 3.1 电子标签芯片简介 标签芯片是电子标签的核心部分，主要功能有标签信息存储、标签接收信号的处理和标签发射信号的处理。电子标签芯片按功能和结构特征可以分为射频、模拟前端，数字控制，存储单元三个模块。,图5-5 电子标签芯片系统框图,3.2 射频前端 电子标签芯片的射频前端除了提供阅读器与电子标签数字模块的传输接口之外，还提供数字电路的电源，其主要功能有：（1）把由标签天线端输入的射频信号整流为供标签工作的直流能量。（2）对射频输入的AM调制信号进行包络检波，得到所需信号包络，供后级模拟端比较电路工作使用。（3）射频前端模块还需将数字基带送来的返回信号对天线端进行调制反射。,3.3 模拟前端 电子标签芯片的模拟前端在射频前端和数字电路之间，包括稳压电路、偏置及时钟电路和包络信号迟滞比较电路。其主要功能有：（1）为芯片提供稳定的电压。（2）将射频输入端得到的包络信号进行检波，得到数字基带所需的信号。（3）为数字基带信号提供上电复位信号。（4）提供芯片的稳定偏置电流。（5）为数字基带提供稳定的时钟信号。,3.4 数字控制模块 数字部分由PPM译码模块、命令处理模块、CRC模块、主状态机、编码模块、防碰撞控制、映射模块、通用寄存器、专用寄存器、EEPROM接口组成。其主要功能是处理模拟解调后的数据，负责与EEPROM及与阅读器的通信。,图5-6 数字基带的组成,电子标签的状态转移：（1）未上电状态：当电子标签不能从阅读器处获得足够的能量来使它复位进入就绪状态时。（2）就绪状态：电子标签从阅读器处获得足够的能量使它提取足够的电源并复位后进入的状态，可以相应选择标志置“0”的请求。（3)休眠状态：电子标签处于该状态时，除了询问标志置“1”的请求外，能够相应其他任何地址标志置“1”的请求。 (4)选中状态：处于该状态时，电子标签可以相应选择标志置“1”的请求、非地址模式的请求和使用地址模式并且唯一序列号相符的请求。,图5-7 标签的状态转移图,4 电子标签的发展趋势 电子标签芯片所需的功耗更低，无源标签、半无源标签技术更趋成熟。（1）作用距离更远：随着低功耗IC技术的发展，所需功耗可以降到5W甚至更低，使得无源系统的作用距离达到几十米以上。（2）无线可读写性能更加完善：使其误码率和抗干扰性趋于可以接受的程度。（3）适合高速移动物体识别：电子标签和阅读器之间的通信速率会大大提高。（4）快速多标签读写功能：采用适应大量物品识别环境下的系统通信协议，实现快速的多标签读/写功能。（5）一致性能更好：随着加工工艺的提高，成品率和一致性将得到提高。（6）强场强下的自保功能更加完善：强的能量场中，电子标签接收到的电磁能量很强，产生高电压，为此需要加强自保功能，保护电子标签芯片不受损害。,（7）智能型更强、更为完善的加密：保护数据未经授权而获取。（8）带有传感器功能的标签（9）带有其他附属功能的标签：附加蜂鸣器或光指示。（10）具有杀死功能的电子标签：到达寿命或需要终止应用时标签自行销毁。（11）新的生产工艺：新的天线印刷技术来降低电子标签的生成成本。（12）体积更小：目前日立公司设计开发的带有内置天线的芯片厚度为约0.1mm。（13）成本更低,LF标签特点及典型应用,从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重要的特点之一。 毫无疑问，射频标签的工作频率是其最重要的特点之一。射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。 工作在不同频段或频点上的射频标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段之中。典型的工作频率有：125kHz，133kHz，13.56MHz，27.12MHz，433MHz，902928MHz，2.45GHz，5.8GHz等。,低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz 300kHz。典型工作频率有：125KHz，133KHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。,RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作, 也就是在读写器线圈和标签线圈间存在着变压器耦合作用.通过读写器交变场的作用在标签天线中感应的电压被整流,可作供电电压使用. 磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。,特性： 1. 工作在低频的标签的一般工作频率从120KHz到134KHz, TI 的工作频率为134.2KHz。该频段的波长大约为2500m. 2. 除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。 3. 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。 4低频产品有不同的封装形式。好的封装形式就是价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。 5虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。 6相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。 7标签的价格相对与其他频段来说要贵。,主要应用：1 畜牧业的管理系统 2 汽车防盗和无钥匙开门系统的应用 3 马拉松赛跑系统的应用 4 自动停车场收费和车辆管理系统 5 自动加油系统的应用 6 酒店门锁系统的应用 7 门禁和安全管理系统,符合的国际标准： a) ISO 11784 RFID畜牧业的应用编码结构 b) ISO 11785 RFID畜牧业的应用技术理论 c) ISO 14223-1 RFID畜牧业的应用空气接口 d) ISO 14223-2 RFID畜牧业的应用协议定义 e) ISO 18000-2 定义低频的物理层、防冲撞和通信协议 f) DIN 30745 主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准,HF标签特点及典型应用,中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz 30MHz。典型工作频率为：13.56MHz。该频段的射频标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签，因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念，即不会在此造成理解上的混乱。为了便于叙述，我们将其称为高频射频标签。 高频标签一般也采用无源为主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。高频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。,特性： 1. 工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m。 2. 除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。标签需要离开金属一段距离。 3. 该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。 4. 标签一般以电子标签的形式。 5. 虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。 6. 该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。 7. 可以把某些数据信息写入标签中。 8. 数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。,主要应用： 1 图书管理系统的应用 2 瓦斯钢瓶的管理应用 3 服装生产线和物流系统的管理和应用 4 三表预收费系统 5 酒店门锁的管理和应用 6 大型会议人员通道系统 7 固定资产的管理系统 8 医药物流系统的管理和应用 9 智能货架的管理,符合的国际标准： a）ISO/IEC 14443 近耦合IC卡，最大的读取距离10cm. b) ISO/IEC 15693 疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m. c) ISO/IEC 18000-3 该标准定义了13.56MHz系统的物理层，防冲撞算法和通讯协议。 d) 13.56MHz ISM Band Class 1 定义13.56MHz符合EPC的接口定义。,UHF标签特点及典型应用,超高频频段的射频标签，其典型工作频率860960MHz，。UHF射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为46m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。 由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求，进而这种需求发展成为一种潮流。目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。,UHF射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用，读写器的发射功率容限，射频标签及读写器的价格等方面。典型的UHF射频标签的识读距离为35m，个别有达10m或10m以上的产品。对于可无线写的射频标签而言，通常情况下，写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。 UHF射频标签的数据存贮容量一般限定在2Kbits以内，再大的存贮容量是乎没有太大的意义，从技术及应用的角度来说，UHF射频标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有：1Kbits，128Bits，64Bits