RFID技术ppt课件

第1章前言射频识别技术概述 射频识别技术 RadioFrequencyIdentification 缩写RFID 是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术 射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合 交变磁场或电磁场 实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术 从信息传递的基本原理来说 射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型 初级与次级之间的能量传递及信号传递 在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型 雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机 1 2RFID技术背景 RFID技术的发展阶段 RFID技术作为一项先进的自动识别和数据采集技术 通过无线射频方式进行非接触双向数据通信 对目标加以识别并获取相关数据 被公认为21世纪十大重要技术之一 已经成功应用到生产制造 物流管理 公共安全等各个领域 随着RFID技术的不断发展和标准的不断完善 RFID产业链从硬件制造技术 中间件到系统集成应用等各环节都将得到提升和发展 产品将更加成熟 廉价和多样性 应用领域将更加广泛 RFID技术在未来的发展中结合其他高新技术 如GPS 生物识别等技术 由单一识别向多功能方向发展的同时 将结合现代通信及计算机技术 实现跨区域 跨行业应用 2009年2月IBM首次提出 智慧地球 的概念 就在当年美国将物联网列为振兴本国经济的两大重点之一 同年8月温家宝总理视察中科院无锡物联网产业研究所 提出 感知中国 1941 1945雷达的改进奠定RFID技术的理论基础 1951 1960早期RFID技术探索阶段 主要是实验研究 1961 1970RFID技术理论得到发展 开始应用尝试 1971 1980RFID技术与产品研发大大发展 各种技术加速发展 1981 1990RFID技术及产品进入商业应用 封闭系统应用开始出现 1991 2000RFID技术标准问题日趋重视 RFID产品广泛应用 2001 RFID标准更加重视 产品更加丰富 有源 无源电子标签得到发展 1 3国内外研究现状及发展趋势 现状 标准全球产业格局 目前RFID产业主要集中在RFID技术应用比较成熟的欧美市场 飞利浦 西门子 ST 意法半导体有限公司 TI等半导体厂商基本垄断了RFID芯片市场 IBM HP 微软 SAP SAP是公司名称 即SAP公司 它是成立于1972年总部位于德国沃尔多夫市的全球最大的企业管理和协同化电子商务解决方案供应商 全球第三大独立软件供应商 Sybase Sybase公司成立于1984年11月 总部设在美国加州的Emeryville 现为美国加州的Dublin市 作为全球最大的独立软件厂商之一 Sybase公司致力于帮助企业等各种机构进行应用 内容及数据的管理和发布 Sun等国际巨头抢占了RFID中间件 系统集成研究的有利位置 Alien外星人 Intermec美国易腾迈公司 Symbol Transcore Matrics Impinj等公司则提供RFID标签 天线 读写器等产品及设备 研发 美国TI Intel等集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发 美国Symbol等已经研发出兼容条形码和RFID的扫描器 IBM Microsoft和HP等在积极开发支持RFID应用的软件及系统 美国在交通 身份识别 生产自动化 物流等领域已经开始逐步应用RFID技术 美国政府是RFID应用的积极推动者 欧洲的Philips STMicroelectronics在积极开发廉价RFID芯片 美国Checkpoint在开发支持多系统的RFID识别系统 诺基亚在开发并推广其能够基于RFID的移动电话购物系统 欧洲SAP则在积极开发支持RFID的企业应用管理软件 在诸如交通 身份识别 生产线自动控制等封闭系统应用方面与美国基本处在同一阶段 日本是一个制造业强国 它在电子标签研究领域起步较早 政府也将RFID作为一项关键的技术来发展 中国 2010年对与中国的RFID与物联网产业 是极其重要和具有里程碑意义的一年 2009年温家宝总理考察无锡 首次提出 感知中国 2010年推动物联网发展的举措相继出台 标志着中国RFID与物联网产业的春天 这一年物联网被正式列入国家发展战略 出台了物联网发展十二五规划 产业联盟迅速涌现 2010年6月9日中国物联网标准联合工作组在北京成立 这标志着物联网标准制定工作有了一个新的进展 上海世博会上物联网技术得到大规模应用 包括采用RFID芯片的7000万张世博门票 融合了RFID和SIM卡技术300万张世博手机门票以及利用RFID与物联网技术实现的车辆管理 垃圾管理 食品全追溯系统等 但核心技术和产品方面尤其是芯片 中间件等方面依然未取得突破 我国在这方面的发展仍落后与欧美发达国家或地区 发展趋势 1 建立统一的国际标准 2 实现产品的低成本 3 隐私保护和安全问题 需要对标签的数据进行严格的加密 并对通信过程进行加密 立法保护 4 更小的体积 1 4RFID技术的应用领域 1 交通系统 在1996年 佛山市政府安装了RFID系统用来自动收取过路费 解决了公路的拥堵问题 2 生产的自动化控制 德国的BMW公司为了使汽车在流水线能够准确的完成装配 将射频系统装在汽车装配线上 3 货物跟踪管理及监控 射频识别技术为货物的跟踪管理及监控提供方面 快捷 准确的自动化技术 将记录有集装箱位置 物品类别 数量等数据的电子标签安装在集装箱上 借助射频识别技术 就可以准确的确定集装箱在货场内的准确位置 货物的跟踪 管理以及监控方面 澳大利亚和英国的希斯罗机场将射频识别技术应用在旅客行李的管理中 提高了分拣效率 降低了出错率 4 运动计时 5 仓库 配送等 1 5RFID技术的前景展望 RFID技术的发展也面临着一些阻碍 其中最大的障碍就是电子标签的价格太贵 芯片价格稍微贵一点的都是应用于军事 生物科技和医学方面 因此 应用在物流 零售方面成本较高 因此发展受到阻碍 还有一些数据及隐私问题等 但是 我们相信电子标签的价格会随着技术的发展以及生产规模的不断扩大而得到解决 隐私问题需要各个国家通过立法对用户的隐私权加以保护来解决 射频技术将会在全球科学技术发展中得到重大突破 第2章RFID系统说明及协议分析 2 1RFID系统说明 电子标签 读写器 后台计算机 图2 1RFID系统基本组成 天线 电子标签 RFID标签俗称电子标签 也称应答器 tag transponder responder 根据工作方式可分为主动式 有源 和被动式 无源 两大类 我们主要研究被动式RFID标签及系统 被动式RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成 利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯 RFID标签中存储一个唯一编码 通常为64bits 96bits甚至更高 其地址空间大大高于条码所能提供的空间 因此可以实现单品级的物品编码 当RFID标签进入读写器的作用区域 就可以根据电感耦合原理 近场作用范围内 或电磁反向散射耦合原理 远场作用范围内 在标签天线两端产生感应电势差 并在标签芯片通路中形成微弱电流 如果这个电流强度超过一个阈值 就将激活RFID标签芯片电路工作 从而对标签芯片中的存储器进行读 写操作 微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能 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存储单元四部分 读写器 读写器也称阅读器 询问器 reader interrogator 是对RFID标签进行读 写操作的设备 主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分 读写器是RFID系统中最重要的基础设施 一方面 RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号 再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形 最后从中解调出返回的信息 完成对RFID标签的识别或读 写操作 另一方面 上层中间件及应用软件与读写器进行交互 实现操作指令的执行和数据汇总上传 在上传数据时 读写器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤 将其加工为读写器事件后再上传 减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量 因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统 实现一部分中间件的功能 如信号状态控制 奇偶位错误校验与修正等 未来的读写器呈现出智能化 小型化和集成化趋势 还将具备更加强大的前端控制功能 例如直接与工业现场的其它设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度 在物联网中 读写器将成为同时具有通讯 控制和计算 communication control computing 功能的C3核心设备 天线 天线 antenna 是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备 RFID系统中包括两类天线 一类是RFID标签上的天线 由于它已经和RFID标签集成为一体 因此不再单独讨论 另一类是读写器天线 既可以内置于读写器中 也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连 目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成 天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视 在实际应用中 天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素 高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性 还需要根据应用环境的特点对方向特性 极化特性和频率特性等进行专门设计 中间件 中间件 middleware 是一种面向消息的 可以接受应用软件端发出的请求 对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收 处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件 中间件在RFID应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景 硬件接口 适用标准造成的可靠性和稳定性问题 还可以为上层应用软件提供多层 分布式 异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同 中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过滤 聚合和计算 抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业务事件 以满足来自多个客户端的检索 发布 订阅和控制请求 应用软件 应用软件 applicationsoftware 是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面 协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置 逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件 并使用可视化界面进行展示 2 1 2RFID系统的基本工作原理 RFID的基本原理就是将RFID电子标签安装在被识别的物体上 当被标识的物体进入RFID系统的阅读范围时 利用空间电感耦合或者电磁耦合进行通讯 实现标签和读写器之间的非接触式信息通讯 标签向读写器发送携带信息 读写器接收这些信息并进行解码 通过串口RS232或RS485 将读写器采集到的数据实时送入客户机的终端处理系统 并通过网络传输给服务器 从而完成信息的全部采集与处理过程 以达到自动识别被标识物体的目的 RFID系统组成框图 电子标签 电子标签 由芯片和标签天线或线圈组成 标签中存储一个UID码 作为该标签的唯一标识 电子标签是RFID系统的核心部分 也是射频识别系统的显著标志 实际应用中 电子标签附着在带识别物体的表面 读写器非接触式的读取存储在标签中的数据 处理以后送给中央信息系统进行管理 其主要作用是存储相关的识别信息 并与读写器之间实现通信 在特定条件下还可以具备自毁 Kill 功能 从而保证标签内的信息不会外泄 具有一定的保密能力 电子标签 读写器 读写器是读写标签信息的设备 读写器 即读写器 是整个RFID系统中重要的组成部分之一 由收发射频模块 控制模块 天线和接口电路组成 由于RFID系统大多采用 读写器优先 的工作方式 因此成为整个RFID系统的通信中心 主要具有以下功能 1 通过高频载波为标签提供工作所需的能量 2 通过发射 接收射频信号 实现与标签之间的通信功能 3 与客户机之间通过标准接口如RS232 485等 实现与应用系统软件通信 4 通过基带部分实现相关协议标准 5 对标签中所存储的信息实现阅读 写入以及修改等功能 6 具有防冲突功能 在读写范围内实现多标签的同时识别 7 对读写器与标签之间的数据进行加密解密等安全设置和身份验证 通常 读写器可以按照体积和用途分为小型 手持型 面板型 隧道型以及出入通道型和大型通道型等几类 客户机 服务器和通信网络 在RFID系统中 客户机主要用于实现与读写器之间的通信功能 读写器可以通过RS232 485等标准接口与客户机进行通信 进而通过通信网络与服务器进行连接 通过服务器对数据进行记录并实现对数据库的管理 从而构成一个完整的信息管理平台 2 2射频识别系统的分类 2 2 1射频标签工作频率的分类从应用概念来说 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 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 902 928MHz 2 45GHz 5 8GHz等 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 低频段射频标签 1 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 低频标签的典型应用有 动物识别 容器识别 工具识别 电子闭锁防盗 带有内置应答器的汽车钥匙 等 与低频标签相关的国际标准有 ISO11784 11785 用于动物识别 ISO18000 2 125 135kHz 低频标签有多种外观形式 应用于动物识别的低频标签外观有 项圈式 耳牌式 注射式 药丸式等 典型应用的动物有牛 信鸽等 低频标签的主要优势体现在 标签芯片一般采用普通的CMOS工艺 具有省电 廉价的特点 工作频率不受无线电频率管制约束 可以穿透水 有机组织 木材等 非常适合近距离的 低速度的 数据量要求较少的识别应用 例如 动物识别 等 低频标签的劣势主要体现在 标签存贮数据量较少 只能适合低速 近距离识别应用 与高频标签相比 标签天线匝数更多 成本更高一些 中高频段射频标签 2 中高频段射频标签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 我们将其称为中频射频标签 中频标签一般也采用无源设主 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 中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米 中频标签由于可方便地做成卡状 典型应用包括 电子车票 电子身份证 电子闭锁防盗 电子遥控门锁控制器 等 相关的国际标准有 ISO14443 ISO15693 ISO18000 3 13 56MHz 等 中频标准的基本特点与低频标准相似 由于其工作频率的提高 可以选用较高的数据传输速率 射频标签天线设计相对简单 标签一般制成标准卡片形状 超高频与微波标签 3 超高频与微波标签超高频与微波频段的射频标签 简称为微波射频标签 其典型工作频率为 433 92MHz 862 902 928MHz 2 45GHz 5 8GHz 微波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场区内 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4 6m 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 以目前技术水平来说 无源微波射频标签比较成功产品相对集中在902 928MHz工作频段上 2 45GHz和5 8GHz射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世 半无源标签一般采用钮扣电池供电 具有较远的阅读距离 微波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 典型的微波射频标签的识读距离为3 5m 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 微波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 微波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等 由Auto IDCenter制定的产品电子代码EPC的容量为 90Bits 2 2 2按照能量供应方式进行分类 1 有源系统 电子标签使用内置电池来供电 有源系统的识别距离相比较下较长 由于不需要担心功耗的问题 有源系统可以实现的功能也比较多 缺点是受限于内置的电池 使用周期比较短并且成本相对比较高 2 无源系统 电子标签没有内置电池 主要通过读写器发射的电磁场能量来唤醒标签的芯片工作 由于无需内置电池 且靠外部唤醒 所以这系统特点是体积小 寿命长 成本低 但是实现的功能简单 3 半有源系统 标签带有内置电池 但只是起到激活系统的作用 电子标签首先被内置电池激活 激活后的前部操作就无需电池供电 即可进入无源电子标签工作模式 2 2 3按照主动 被动 半主动式系统分类 根据数据调制方式不同 RFID系统可以分为主动式 被动式和半主动式系统 无源系统为被动式 有源系统为主动式 半有源系统为半主动式 主动式射频识别系统用自身的射频能量主动发送数据给读写器 调制方式为调幅 调频或者调相 被动式射频识别系统使用反向散射调制的方式发送数据 它必须利用读写器提供的未经调制的连续载波来调制自己的信号 半主动式射频识别系统也称为电池支援式反向散射调制系统 电子标签内部的电池只起到对电子标签内部数字电路供电的作用 但是标签并不通过自身能量主动发送