第四章RFID系统构成及工作原理资料.ppt

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 教材开发的 四导 风格 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 1 2 3 导教 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 主要内容 RFID系统构架 RFID编码 调制与数据校验 04 03 05 06 RFID系统的基本原理 RFID标签数据写入 实训项目 习题 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 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 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 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 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 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 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 足够小以至于能够贴到需要的物品上 有全向或半球覆盖的方向性 能够给标签的芯片提供最大可能的信号 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 具有鲁棒性 价格便宜 在选择读写器天线时应考虑的主要因素有 天线的类型 天线的阻抗 应用到物品上的RF的性能 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 2 RFID反向散射耦合方式 3RFID系统的基本原理 3 电磁反向散射系统 RFID反向散射耦合方式的原理框图如图4 34所示 图中的读写器 电子标签和天线构成了一个收发通信系统 2 RFID反向散射耦合方式 3RFID系统的基本原理 3 电磁反向散射系统 1 电子标签的能量供给无源电子标签的能量由读写器提供 读写器天线发射的功率P1经自由空间衰减后到达电子标签 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 电子标签采用完全无源方式会有一定困难 为解决电子标签的供电问题 可在电子标签上安装附加电池 为防止电池产生不必要的消耗 电子标签平时处于低功耗模式 当电子标签进入读写器的作用范围时 电子标签由获得的射频功率激活 进入工作状态 2 电子标签至读写器的数据传输由读写器传到电子标签的功率的一部分被天线反射 反射功率P2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 电子标签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P2是振幅调制信号 它包含了存储在电子标签中的识别数据信息 3 读写器至电子标签的数据传输读写器至电子标签的命令及数据传输 应根据RFID的有关标准进行编码和调制 或者按所选用电子标签的要求进行设计 3RFID系统的基本原理 3 电磁反向散射系统 3 RFID反向散射耦合工作原理 电磁反向散射系统的工作可分为以下两个过程 1 电子标签接受读写器发射的信号 其中包括已调制载波和未调制载波 当电子标签接收的信号没有被调制时 载波能量全部被转换成直流电压 这个直流电压供给电子标签内芯片能量 当载波携带数据或者命令时 电子标签通过接收电磁波作为自己的能量来源 并对接收信号进行处理 从而接收读写器的指令或数据 2 电子标签向读写器返回信号时 读写器只向标签发送未调制载波 载波能量一部分被电子标签转化成直流电压 供给电子标签工作 另一部分被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向读写器传送信息 电磁反向散射系统 如图4 35所示 电子标签的等效电路如图4 36所示 其中 Vs代表天线接收信号 Za表示天线阻抗 Z1表示芯片的输入阻抗 式 4 13 式 4 14 给出了Za和Z1的表达式 即Za Ra jXa 4 13 Z1 R1 jX1 4 14 3RFID系统的基本原理 3 电磁反向散射系统 3 RFID反向散射耦合工作原理 4RFID标签数据写入 RFID系统中的所有标识对象都有一个的ID代码 以射频耦合方式将标识对象的ID标记于RFID标签之中 称为RFID的数据写入 或称为数据加载 最初的RFID标签用户端数据写入也称为初始化 RFID标签就是加载的操作对象 4RFID标签数据写入 1 RFID标签基本术语 1 擦写擦写就是清除标签中原来储存的数据 写入新的数据 擦写的操作对象一定是已经写入了数据的标签 但RFID标签UID部分是与标识对象无关的标签自身数据 是不可以擦写的 2 单纯写入单纯写入就是只向标签里存储数据 单纯写入是相对擦写而言的 其操作可以是已经写入了数据的标签的再写入 也可以是空白标签的首次写入 首次写入也称为初始化 3 智能标签打印机用于RFID智能标签写入和打印的专用设备 有的文献也称为标签打印机 编码器 我们统称为智能标签打印机 4 贴标机用于RFID智能标签写入和打印专用设备 我们也称为贴标机 5 标签机用于智能标签写入 打印和贴标一体化的专用设备 实际上就是智能标签打印机和贴标机两机集成 我们统称为 标签机 4RFID标签数据写入 2 RFID数据写入模式 在RFID标签中需要写入的数据通常有如表所示的三种情况 4RFID标签数据写入 2 RFID数据写入模式 1 Date on Network和Date on Tag 数据的写入与应用有Date on Network和Date on Tag两种模式 通常 实施RFID系统的用户都具备相当的信息化基础 在越来越强大的数据库支持下 所有的信息都存储在容量巨大且性能优越的数据库中 而标签中只存放标识对象的ID代码 这就是Date on Network模式 在Date on Network模式下 只要有了ID代码 通过RFID中间件存储相关数据简直是小菜一碟 而且数据采集界面的数据流量变小 则识别速度与可靠性将会呈几何级数提高 反之亦然 这也是我们提倡仅写入ID的重要原因 2 UID码UID码是RFID标签的产品型号及序列号等标签自身属性数据 是标签身份代码 在标签出厂检验时 由标签制造商写入 UID码与标识对象无关 UID码不需要用户参与写入 但由于其代码是唯一的 用户可将其应用于系统的防伪和防盗码功能 3 ID码ID代码标识对象身份代码 在RFID系统中 标识对象的ID码是必须写入的基本数据 ID代码按第4章的有关编码规则编制 4RFID标签数据写入 2 RFID数据写入模式 4RFID标签数据写入 3 RFID数据写入模式 在哪个环节给RFID标签写入数据 从有效利用RFID数据的角度出发 数据的写入应该是越早越好 一般来说 在标签前写入数据的情况居多 但具体确定哪个环节 还要针对用户的业务流程及RFID系统应用集成度的实际情况决定 1 在初始化时一次性写入如果确定采用内置式标签 那么可以委托标签制造商一次性写入标识对象的相关数据 这样可以降低标签操作成本 4RFID标签数据写入 3 RFID数据写入模式 2 在业务流程多个不同的环节多次写入在实际使用中 你也许需要在业务流程多个不同的环节多次写入 已较为复杂的制造业应用为例 当根据确定RFID系统应用集成度之后 实际上已经基本确定了标签数据写入的具体环节 应用集成度1 单纯 贴一运 委托他人写入或在发货前写入数据并标签 应用集成度2 贴一检一运 三结合 在出货前写入数据并标签 应用集成度3 WMS贴标 在检货后写入数据并标签 应用集成度4 自动贴标在产品制造下线时自动写入或离线批次写入或入库前写入 应用集成度5 集成贴标 在生产计划下达时从物料开始全面写入 4RFID标签数据写入 4 怎样写入 如果选择了如以上所述的供应链RFID的应用 则大多数都选用智能标签 一次性大批量写入数据 打印标签 然后再贴到标识对象上 在 标物分离 的初始状态 从供应商那里买来的空白智能标签 一般是卷成一盘一盘的成卷存放 因此也被称为卷标 在这样的空白标签上写入数据 一般都选用智能标签打印机 如果标签已经贴在标签对象之上 RFID嵌体直接嵌入标识对象或其商品标签中 在这种 签物不分离 状态下 标签是跟标识对象在一起 此时就只能采用读写器写入数据 这种情况一般是应用过程中的实时数据写入 那么读写器应用配置在相应的流程控制点或数据采集点上 4RFID标签数据写入 5 智能标签打印机