RFID技术介绍及其应用举例

RFID技术介绍及其应用举例摘要：RFID（无线射频识别）技术，又称为电子标签或者无线标签，是一种利用无线射频通信实现的非接触式自动识别技术，被列为21世纪最有前途的重要产业和应用技术之一。本文从几个方面来介绍RFID的相关知识，首先，介绍RFID的技术、国内外的研究现状、以及其优缺点、工作原理。然后，例举实例说明了RFID的应用。最后，总结了RFIDD的应用现状和今后的发展前景。关键词：RFID技术；无线技术；标签1. 概述由于自动化与信息化的普及水平还不高，近几年来矿难、交通等事故以及自然灾害的频频发生，给我们敲响了警钟。让我们思考如何使灾害给人们所带来的伤痛降到最低，有时候面对错综复杂的环境，地面人员只有依靠先进的监控设备才能及时了解人员、车辆的位置，及一些指标的变化，对人员和车辆进行实时的监控、管理和调度，以免因人员疏忽、通道堵塞、车辆碰撞等造成的损失。一旦事故发生，监控设备还可以帮助地面入员实时地掌握被困人员的分布信息，及时有效地制定出抢救方案，以避免灾难的进一步扩大，将损失降到最低。 RFID（无线射频识别）1 元媛、姜岩峰，射频识别(RFID)技术综述，半导体技术，2006年11月，931卷，第期，pp：801804技术，是一种电子标签或者无线标签，利用无线射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。成本的节约和效率的提升，促使RFID技术成为各个行业实现信息化的重要切入点。近年来，随着在物流2 李泉林，郭龙岩、综述 RFID技术及其应用领域J.RFID技术与应用，2006，1(1):51一62.、制造、公共信息服3 张亚勇，周玉成.RIFD技术在人造板库存管理中的应用J.微计算机信息，2006(35):164一16.务等行业的广泛应用，RFID技术自身的产业化也在稳步发展之中，在行业中的应用也日益广泛和深入。同时，RFID技术开始与通信技术以及互联网技术融合，朝着构建一个实现全球物品、人员信息实时共享的物联网目标迈进，而这也正是RFID产业长远发展的动力所在。与此同时，电信业凭借着在无线通信技术领域的优势以及对于社会信息化的基础设置公众通信网的运营，成为信息化最重要的推动力量，提升社会信息化水平。2国内外发展现状在国内RFID 技术主要应用于高速公路自动收费、公交电子月票系统、人员识别与物资跟踪4 周鹏，张明.浅析RFID射频识别与物流信息处理J.大众科技.2006,2.、生产线自动化控制、仓储管理、汽车防盗系统、铁路车辆和货运集装箱的识别5 王佐.仓库管理系统的十项最佳功能.J.中国物流与采购，2003,22.等。随着RFID 的发展，人工收费和IC 卡收费等多种停车收费方式将逐渐被基于RFID 技术的不停车高速公路自动收费系统替代，如北京机场高速路、深圳皇岗口岸等目前已经使用了RFID 系统。在国外RFID 技术发展很快，产品种类多，各有特点，自成系列。它被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车火车交通监控、高速公路自动收费、停车场管理、物品管理、流水线生产自动化、安全出入检查、动物管理、车辆防盗等等。尽管RFID系统在国内已涉足多个领域，且发展迅速，但与国外先进技术相比仍有很大的差距，尤其在芯片设计与制造、标签封装、UHF(UnderHigher Frequency，超高频)RFID系统设计与制造方面仍存在技术与产品的匮乏。随着RFID技术的不断发展，其社会价值与市场价值证明了我国在这一产业实行自主研发的重要性。从2006年颁发的中国RFID技术政策白皮书6 国家科技部等十五部委，中国射频识别(RFID)技术政策白皮书，2006年6月就可以看出，我国对于自主发展RFID技术创新体系和完整产业链是有战略部署的，RFID技术实施进程正在有步骤按计划地进行中。目前，我国RFID技术正处于发展的初级阶段，需要该领域的研究人员及时跟踪国际最新技术的研发，结合重点行业应用，研发出具有自主知识产权的RFID技术。3. RFID技术优缺点分析RFID的工作原理比较简单，在系统工作过程中，读卡器首先通过天线发送加密数据载波信号到RFID汽车标签，标签的发射天线工作区域被激活，同时将加密的载有车辆信息的加密载波信号发射出去，接收天线接收到射频卡发来的载波信号，经读卡器接收处理后，提取出车辆信息送至计算机，完成预设的系统功能和自动识别，实现车辆的自动化管理。目前， 在物流产业中使用的RFID 标签大部分带宽频率为13.56MHz。它们可分为两大类：一类标签符合ISO 15693 标准，适用于物流产业中包裹管理所用到的行包标签形的RFID 标签。另一类标签符合ISO 14443 标准，适用于通信范围从几毫米到几米的非接触式IC 卡。近来，发展RFID 标签的产业采用了新的波段，即2.45 GHz 的波段。这一波段与13.56 MHz 相比具有更短的波长，因此标签所需的天线更小、更便宜，成本也能相应降低。但是，2.45 GHz 波段的标签可能干扰使用同一频段的无线局域网装置的工作。美国物流产业标准制定机构统一编码委员会和欧洲几个组织正在考虑使用915 MHzUHF 波段。915 MHz 波段的波长较2.45 GHz 的波长更长，对隐埋式标签的读取有更强的能力。 RFID 技术的先进性，在于利用无线电波，非接触式、远距离、动态多目标大批量同时传送识别信息，实现真正的“一物一码”，可快速地进行物品追踪和数据交换。由于RFID 技术免除了跟踪过程中的人工干预，在节省大量人力的同时可极大地提高工作效率，所以对物流和供应链管理具有巨大的吸引力。RFID 技术在物流中使用的技术效益分析，由于RFID 标签可以唯一地标识商品，通过同计算机技术、网络技术、数据库技术等的结合，可以在物流的各个环节上跟踪货物，实时掌握商品的动态信息。应用该技术，可以实现如下目标，获得预期的效益：缩短作业时间。改善盘点作业质量。增大配送中心的吞吐量。降低运转费用。实现可视化管理。信息的传送更加迅速、准确。RFID 技术在物流行业中应用的技术障碍，当前，制约RFID 发展的最大障碍是技术标准。现有协议过多过滥，术语不统一，更重要的是，缺乏全球共同遵守的权威统一的标准，RFID 难以在实践中不断完善。此外，RFID 采用频段之争又是一大障碍。要用RFID 技术实现全球物流领域的信息交换，必须有全球统一的物流RFID 频段。但目前美国使用915 MHz，欧洲采用805.8MHz，日本定在960 MHz，而中国还在讨论之中。4. RFID的应用举例4.1 将RFID应用在矿井中的优势随着科技的不断发展，将先进的科学技术应用到井下作业中，既能够有效地避免重大事故的发生或者将损失减小到最低，又能够提高生产效率。我国现已有几家煤矿开始尝试RFID技术，但大多数的应用仅局限于考勤等人员管理方面，并未发挥出这项技术的最大优势。本例中实现的井下作业管理系统就是在RFID射频识别技术的基础上搭建的一条地面上下沟通的桥梁，使地面人员能够及时动态地了解井下人员、车辆、设备的身份、分布以及作业情况，一方面可以应用于井下安全管理，一旦有事故发生，地面人员可以准确、及时、快速地进行抢险救灾、安全救护等等；另一方面还可以改善井下的生产调度，通过动态地获取胶轮车、轨道车等运输车辆设备的方位信息等，可以有效地进行车辆轨道的调度，既能提高工作效率，又可以避免发生阻塞甚至事故；同时，该系统还具备人员考勤功能，亦可对进出矿场的人员及车辆进行身份识别，以保障矿场的生产安全和财产安全。4.2 系统构成及工作原理RFID系统的主要设备包括阅读器(Reader)和标签(Tag)。图21为电磁耦台方式下RFID系统的工作原理框图。由图2I可见，阅读器主要是由耦合元件阅读器天线、射频通信模块、控制单元以及一些外围电路组成。其中，RF收发模块主要实现与标签的双向通信，该模块具有两个分隔开的信号通道：发射通路对待发的信号进行调制后再发送给应答器，而接收通路则对接收信号进行解调。数据处理模块的核心是MCU(微型处理器)，如图所示：单片机、DSP(数字信号处理器)等，其作用包括：对发射接收信号进行编解码和加解密；控制阅读器与应答器的通信，并利用防冲突算法保证多个应答器的正常通信；和后台PC端的客户应用软件通信；控制外围设各的工作，扩展阅读器功能，如显示、键盘、报警等等。阅读器一端是通过附加的接口(RS232、RS485、USB、CAN总线、以太网接口等)连接到计算机终端或者系统网络中，用来实现监控室命令的接收，并且完成地面监控人员对地下系统返回数据的采集、处理等应用层操作。图22为RFID并下作业管理系统的结构图。实际应用时，阅读器安装在监测点的巷道壁上，标签携带于工人身上或安装于车辆上，这种方位设计直接影响到系统天线的结构与安装。每个监测点的阅读器定期地发送查询信号，询闯周围有无被测物；当工人或车辆经过监测点时，收到查询信号，经验证后返回自身ID号：阅读器将收到的被测物ID号通过总线发送到监控室Pc端：监控室可通过客户端软件看到返回的工人或车辆身份信息，进行石期的数据处理并可以通过软件向闵读器发出不同的指令，拓展系统功能。4.3 系统实现的功能4.3.1 简单的查询功能监控室Pc端将功能区设置为简单查询后，向线上所有阅读器发送该查询指令；阅读器通过天线循环地向各标签发送查询信号；标签一直处于接收状态，当收到查询信号后检验是否有误传现象，若无误则返回自身ID号，若有误则放弃：当阅读器接收到返回的标签信息后，判断是否有误传现象后，将正确的标签ID号返回给Pc端，并发出呜叫提醒工人己完成识别过程：Pc端收到返回的信息后，将其显示于软件接收区，如“标签X已经过阅读器Y”。简单查询功能为应用软件的默认功能，即阅读器未收到来自PC端的任何指令时，会默认执行此项功能。4.3.2 特定目标搜索功能特定目标搜索是将Ad Hoe技术应用于RFID系统形成RFID自组织阻络，通过此移动网络的建立，实现对网内某个标签进行搜寻的特殊功能。监控人员将客户端软件功能区设置为特定目标搜索后，选择所要寻找的标签号以及中转阅读器号，将指令发送给该阅读器；阅读器收到指令后，查询自身路由信息，寻找能够到达目的标签的下一站标签号，向其发送搜索信号：中间节点标签收到来自阅读器或其他中间节点标签的搜索信号时，判断是否误传，若无则查询自身路由信息，找到能够到达目的标签的下一站标签号，向其继续发送搜索信号；信号经过多跳最终到达目的标签后，该标签再反向寻找能够到达中转阅读器的下一站标签，直至返回到该阅读器；最终通过总线，阅读器将搜索结果反馈给客户端软件，接收区显示“阅读器Y已搜索到标签X”。5. RFID井下作业管理系统硬件电路的设计 在井下作业管理的应用背景基础上，根据RFID系统的应用环境和RFID技术的工作原理，本文从系统分析、芯片选型、电路设计和电路调试几方面着手，设计了一套小型化的RFID系统硬件电路。图31为本系统的硬件框图，其中井下部分由安装于巷道壁上的阅读器与携带于工人身上的标签构成，井下系统与地面监控PC通过RS485总线经电平转换连接。如图所示，对系统硬件的设计主要包括：阅读器的MCU主控模块、RF模块、LCD模块、电源模块、串通信口模块以及标签整体电路的设计。5.1 阅读器电路设计阅读器是RFID系统内标签和地面监控PC之间通信的桥梁，其硬件电路核心是MCU主控模块，由主控模块中的单片机控制实现RF(射频)收发模块、LCD显示模块、ISP下载模块和串行通信四个模块功能(如图31所示)。其中，RF模块接收单片机指令通过阅读器天线发送信息给标签或从标签天线接收信息，单片机再将接收到的有效信息显示在LCD上，并通过串口RS485总线经电平转换后发送给地面监控Pc，而单片机内部的执行程序则由ISP口下载到芯片内。5.2 RF模块电路设计NRF2401内部功能模块与控制引脚由图33、34可见，共24个引脚。芯片具有两个数据通道，由DR、DOUT和CLK实现数据的传输，芯片特有的DuoCeiverTM技术能使两个通道利用同一天线同时收发数据，可通过软件设置选择数据传输速率(250kbps或1000kbps)；芯片通过三线结构(DATA、CLK、CS)与MCU连接，实现SPI(串口外设接口)通信；两个天线接口允许芯片连接单口或双口天线，接口处天线输入阻抗为400Q；芯片有四种工作模式，由引脚PWR UP、CE、TX EN和CS设置决定；晶振的选择有五种方案：48121620MHz，外部晶振接入引脚为XCI、XC2，内部需通过配置字设置；引脚IREF为参考电流输入端；此外，芯片还具有多个电源和接地端口。阅读器RF收发模块的电路如图33所示，通过16Pin插孔与主控模块连接，外部晶振选择16MHz，纤接单口天线通过电容电感构成的50Q一400平衡差分阻抗匹配电路与芯片天线接口相连。由于AT89S51本身没有SPI接口，这里采用软件模拟SPI通信，模拟引脚为P13(CLK)、P12(CS)、P14(D删)和P26(DATAO)。电路中单片机电压为5V，而NRF2401的供电电压范围为1936V，为了保证芯片的正常工作，设计时将两者上下行通信分别设计：单片机向RF模块发送控制信号和配置信号时串接电阻降压，而RF模块向单片机传送数据或发送数据状态信号时进行电平转换来。33V-SV电平芯片SN74LVC4245是一个8位放大总线收发器(见图35)，包含两个独立的数据总线端口A和B，A端口电压为5V，由VCCA=5V供电，B端口电压为33V，由vccB=3V供电，丽为输出使能端，DIP控制数据传输方向。具体设置如表31所示。本系统中将sN74Lvc4245应用于NRF240l向单片机传输的过程中，将33V的数据口电平转换为5V，接地使能，P34经反向接DIR控制SN74LVC4245的数据传输方向。5.3 单片机对LOD显示模块的控制电路本系统中采用的LCD液晶显示模块内置东芝公司的T6963C液晶驱动控制器，该模块为240x 64点阵，该液晶显示模块由液晶显示控制器T6963C及其周边电路、行驱动器T6A40组、列驱动器T6A39组、液晶驱动偏压电路、显示存储器以及液晶屏组成。LCD上的数据传输方式、显示窗口长度、宽度等通过硬件设置，T6963C对液晶屏的显示驱动、点阵扫描、显示存储器管理等操作都由T6963C自动进行。显示模块对外仅是一个20芯的双列扁平电缆接口，通过该接口与阅读器上LCD插口接线相连。51单片机与内置T6963C控制器液晶显示模块接口的连接可有两种方式：通过PO、P2口连接的称为直接访问方式；通过其它IO口(如P1、P3或扩展IO口)连接的称为间接访问方式。参考LCD模块技术资料7 深圳市耀宇科技有限公司，图形点阵液晶显示模块使用手7NYM24064A，http：wwwyaovu-tcmcom，设计出MCU模块与LCD模块的连接方式见图36。本系统采用直接访问方式，LCD的数据线连接AT89S51的P0口数据总线，片选和数据指令寄存器选择信号由AT89S51引脚P21、P22控制，读写信号引脚与单片机的一RD、WR对应连接。vO脚采用分压方式设置LCD亮度。5.4 单片机lSP下载模块电路AT89S51支持ISP在线系统编程，可以在电路上增加下载1：3，通过设计的下载模块电路和下载软件将程序下载到芯片内部的Flash中，这样便于系统的设计及应用的拓展。用户在Keil C51的uVision开发环境上编写单片机程序后，编译出十六迸制目标文件(hex)，通过下载软件和ISP并口下载线将AT89S51的Flash先擦出再写入新的Hex文件。5.5 阅读器串行通信电路的设计本系统中采用MAXIM公司生产的差分平衡收发芯片MAX4898 Maxim Integrated Products Inc，MAX489Datashee http：wwwnordicsemino来实现与PC端的串行通信。系统中MAX489与RS485RS232转换器中MAX488之间的信号传输采用双绞线，可实现信号的可靠传输，而在传输线末端接120f)电阻是用阻抗匹配的方法来消除传输线上的信号反射。RS485支持32个节点，这些节点可以总线形、环形或星形构成网络，阅读器串口电路设计如图310所示。5.6 主要电路设计标签的整体电路结构如图31所示。RF模块和MCU模块集成在芯片NRF24E1内，成为整个标签的核心。标签上电后，标签电路中的MCU首先通过逻辑接口将EEPROM中的程序及数据读入自身的RAM(随机存储器)中，然后调入MCU中的程序开始运行标签通信协议，通过MCU控制RF，将信息从天线发射或接收。根据NRF24E1典型电路设计的标签电路如图313所示9 NORDIC VLSI ASAIne，NRF24E1 ProductSpecificationhttp：wwwnordicsemino。外部晶振选择16MHz：外接50f2单口天线通过平衡差分阻抗匹配电路与芯片的天线接IZ：l ANTl、ANT2相连。AT25320是具有32k存储空间的EEPROM，通过SPI接121与NRF24E110 程敏峰，基于NRF24E1的RFID系统研究及应用，苏州大学硕士学位论文，2007年5月连接，上电后NRF24E1内部MCU读入AT25320中的下载程序；10钟下载口外接成都无线龙公司的开发工具C51RF4N仿真器，用于EEPROM程序的下载；P04、P05口连接按钮用于调试电路，P03、P06口连接发光二极管用于显示发射接收状态。完成了上述的电路原理图设计工作后，本课题又利用Protel 99SE软件实现了整套电路的PCB版图设计。经过加工、焊接制作的系统电路板采用与电路设计类似的分块调试方法，对阅读器的MCU主控模块、RF模块、LCD模块、电源模块、串通信口模块以及标签整体电路分别进行并通过了调试。软件设计部分：考虑到应用背景及防冲突等问题，本章首先对系统工作频率进行划分，为标签和阅读器设定独立的工作频率，并规范了系统协议帧格式以及RF模块的初始配置等。根据井下作业管理系统的硬件电路，本文将系统软件分为三个部分进行设计：阅读器软件、标签软件和监控Pc应用软件。其中，阅读器的软件设计围绕单片机展开，实现了5l单片机模拟SPI与NRF2401通信、简单识别标签、单片机控制LCD显示、单片机控制串行通信等功能；标签中采用的芯片NRF24E1是将增强型51单片机与NRF2401集成，其工作方式与阅读器相似，针对两者的不同点，本章中主要介绍