无线射频技术课件

RFID技术,韩朝龙蒋超,一.什么是RFID？RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子条码等等，俗称电子标签。,一、射频识别技术,一、射频识别技术,射频识别技术射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术通过射频信号自动识别目标对象来获取相关数据利用无线电波进行双向通信的一种自动识别技术，完成识别工作时无需人工干预，适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。射频卡不怕油渍、灰尘污染等，短距离的射频卡可以在这样的环境中替代条码，长距离的产品多用于交通中，距离可达几十米。,四种识别技术的优缺点比较,一、射频识别技术,二、RFID系统的组成RFID系统主要由两部分组成：读写器和射频标签，如下图所示。,二、RFID系统的组成,1.阅读器阅读器（Reader）又称读写器。阅读器主要负责与电子标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距离。阅读器根据使用的结构和技术的不同可以是读或读/写装置，它是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分组成。,（1）射频接口模块主要任务和功能：产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。接收并调制来自电子标签的射频信号。注意，在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别来往于电子标签和阅读器两个方向的数据传输。（2）逻辑控制单元也称读写模块，主要任务和功能：与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送来的指令。控制阅读器与电子标签的通信过程。信号的编码与解码。对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。执行防碰撞算法。对阅读器和标签的身份进行验证。,（3）天线天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系统中，阅读器必须通过天线来发射能量，来形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别。因此，阅读器天线所形成的电磁场范围即为阅读器的可读区域。2电子标签电子标签(ElectronicTag)也称为智能标签(SmartTag)，是由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。电子标签是RFID系统中真正的数据载体。系统工作时，阅读器发出查询（能量）信号，标签（无源）在收到查询（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，一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器。,电子标签内部各模块的功能：（1）天线：用来接收由阅读器送来的信号，并把要求的数据传送回给阅读器。（2）电压调节器：把由阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容存储能量，再通过稳压电路以提供稳定的电源。（3）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返给阅读器。（4）解调器：去除载波，取出调制信号。（5）逻辑控制单元：译码阅读器送来的信号，并依据要求返回数据给阅读器。（6）存储单元：包括ERPROM和ROM，作为系统运行及存放识别数据。,射频标签具有如下功能：具有一定容量的存储器，用以存储被识别对象的信息。在一定的工作环境及技术条件下标签数据可读写。具有确定的使用期限，使用期限内无需维修。维持对识别对象的识别及相关信息的完整。数据信息编码后，工作时可传输给读写器。可编程，且一旦编程后，永久性数据不能再修改。对于有源标签，通过读写器能显示出电池的工作情况。,二、RFID系统的组成,（2）射频标签的分类按标签获取电能的方式不同，可分为：有源射频标签(主动式标签)和无源射频标签(被动式标签)有源射频标签内部自带电池进行供电，电能充足、工作可靠性高、信号传送的距离远。无源射频标签内部不带电池，要靠外界提供能量。无源射频标签具有永久的使用期，支持长时间的数据传输和永久性的数据存储。缺点：数据传输的距离要比有源射频标签小,二、RFID系统的组成,（2）射频标签的分类按内部使用存储器类型的不同，可分为：只读标签和可读可写标签。只读标签内部只有只读存储器和随机存储器。可读可写标签内部的存储器除了ROM、RAM和缓冲存储器之外，还有非活动可编程记忆存储器。,二、RFID系统的组成,（2）射频标签的分类按标签中存储器数据存储能力的不同，可分为：标识标签与便携式数据文件。标识标签中存储的只是标识号码，用于对特定的标识项目，如人、物、地点进行标识，关于被标识项目的详细的特定信息，只能在与系统相连接的数据库中进行查找。便携式数据文件是指标签中存储的数据非常大，可以看作是一个数据文件。这种标签一般都是用户可编程的，如包装说明、工艺过程说明等。,二、RFID系统的组成,RFID系统原理基本工作原理：由阅读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、电子标签被激活，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；阅读器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到阅读器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关的处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定作出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制阅读器完成相应的读写操作。,三、RFID的工作原理及过程,RFID的工作过程标签与阅读器之间的数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进行的。读写器将设定数据的无线电载波信号经过发射天线向外发射。当射频标签进入发射天线的工作区时，射频标签被激活后即将自身信息代码经天线发射出去。系统的接收天线接收到射频标签发出的载波信号，经天线的调制器传给读写器。读写器对接到的信号进行解调解码，送后台电脑控制器。计算机控制器根据逻辑运算判断该射频标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作。执行机构按计算机的指令动作。通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，根据不同的项目设计不同的软件来完成要达到的功能。,三、RFID的工作原理及过程,从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分为两类：电感耦合（InductiveCoupling）系统和电磁反向散射耦合（BackscatterCoupling）系统。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。该方式一般适合于中、低频工作的近距离RFID系统，典型工作频率：125kHz，225kHz，和13.56MHz。识别作用距离一般小于1m，典型作用距离为020cm。电磁反向散射耦合基于雷达模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。该方式一般适用于高频、微波工作的远距离RFID系统，典型的工作频率：433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为46m。,电感耦合RFID系统电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子标签由一个电子数据作为载体，通常由单个微芯片及天线（大面积线圈）等组成。在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿越线圈横截面和周围空间，以使附近的电子标签产生电磁感应。1.能量供应阅读器天线线圈激发磁场，其中一小部分磁力线穿过电子标签天线线圈，通过感应，在电子标签的天线线圈上产生电压U，将其整流后作为微芯片的工作电源。,电容器Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路，该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，电子标签线圈上的电压U达到最大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器（变压器的耦合）。,2数据传输对于电子标签和阅读器天线之间的作用距离不过，并电子标签处于近场范围内，电子标签与阅读器的数据传输为负载调制（电感耦合、变压器耦合）。如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的交变磁场，那么电子标签就可以从磁场获得能量。采用从供应阅读器天线的电流在阅读器内阻上的压降就可以测得这个附加的功耗。电子标签天线上负载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现了用电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载电压的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器了。此外，由于阅读器天线和电子标签天线之间的耦合很弱，因此阅读器天线上表示有用信号的电压波动比阅读器的输出电压小。在实践中，对13.56MHz的系统，天线电压（谐振时）只能得到约10mV的有用信号。因为检测这些小电压变化很不方便，所以可以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果电子标签的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开，那么在阅读器发送频率将产生两条谱线，此时该信号就容易检测了，这种调制也称为副载波调制。,1反向散射调制电磁波从天线向周围空间发射，到达目标的电磁波能量的一部分（自由空间衰减）被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线，称其为回波。在雷达技术中，用这种反射波测量目标的距离和方位。在RFID系统中，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输，主要应用于915MHz、2.45GHz甚至更高频率的系统中。该RFID系统工作分为以下两个过程：,电磁反向散射RFID系统,（2）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，载波能量一部分被标签转化成直流电压，供给标签工作；另一部分能量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递信息。,（1）标签接收读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未调制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换为直流电压，该电压供给电子标签内部芯片能量；当载波携带数据或者命令时，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反向散射调制的能量传输电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁波能量一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终返回发射天线。,RFID技术特征（1）数据的无线读写（ReadWrite）功能（2）容易小型化和多样化的形状（3）耐环境性（4）可重复使用（5）穿透性（6）数据的记忆容量大（7）系统安全（8）数据安全,四、RFID的种类,1、根据RFID系统完成的功能不同，可以把RFID系统分成四种类型：EAS系统、便携式数据采集系统、物流控制系统和定位系统。1）EAS系统EAS是一种设置在需要控制物品出入门口的RFID技术。这种技术的典型应用场合是商店、图书馆和数据中心等地方，当未被授权的人从这些地方非法取走物品时，EAS系统会发出警告。典型的EAS系统一般由三部分组成：附着在商品上的电子标签，电子传感器。电子标签灭活装置，以便授权商品能正常出入。监视器，在出口形成一定区域的监视空间。,2）便携式数据采集系统便携式数据采集系统是使用带有RFID阅读器的手持式数据采集器采集RFID标签上的数据。这种系统具有比较大的灵活性，适用于不宜安装固定式RFID系统的应用环境。手持式阅读器(数据输入终端)可以在读取数据的同时，通过无线电波数据传输方式实时地向主计算机系统传输数据，也可以暂时将数据存储在阅读器中，成批地向主计算机系统传输数据。,四、RFID的种类,3）物流控制系统在物流控制系统中，RFID阅读器分散布置在给定的区域，并且阅读器直接与数据管理信息系统相连，信号发射机是移动的，一般安装在移动的物体、人上面。当物体、人流经阅读器时，阅读器会自动扫描标签上的信息并把数据信息输入数据管理信息系统进行存储、分析和处理，以达到控制物流的目的。,四、RFID的种类,4）定位系统定位系统用于自动化加工系统中的定位，以及对车辆、轮船等进行运行定位支持。阅读器放置在移动的车辆、轮船或者自动化流水线中移动的物料、半成品和成品上，信号发射机嵌入到操作环境的地表下面。信号发射机上存储有位置识别信息，阅读器一般通过无线的方式(有的采用有线的方式)连接到主信息管理系统。,四、RFID的种类,2、RFID的类型(以电力来源分类),四、RFID的种类,3、RFID的类型(以频率分类)低频LowFrequency(LF)：主要规格125134KHz。低频的最大优点在于其标签靠近金属或液体的物品能够有效发射讯号，不像其他较高频率标签的讯号会被金属或液体反射回来，但缺点是读取距离短、无法同时进行多标签读取以、及资讯量较低，一般应用于门禁系统、动物晶片、汽车防盗器和玩具等。,四、RFID的种类,高频HighFrequency(HF)：主要规格13.56MHz。常见的主要规格有13.56MHz；ISO-14443AMifare和ISO-15693；电子卷标都是被动式感应耦合，读取距离约10-100公分；优点在于传输速度较快且可进行多标签辨识；缺点是于环境干扰较为敏感，在金属或较潮湿的环境下，读取率较低；应用于门禁系统、悠游卡、电子钱包、图书管理、产品管理、文件管理、栈板追踪、电子机票、行李卷标；技术最成熟且应用和市场也最广泛且接受度高；故建议现阶段应大力发展此领域技术和应用。,图1-23门禁管理和电子钱包（高频HFISO-14443Mifare）,四、RFID的种类,、超高频UltraHighFrequency(UHF)：主要规格433MHz、860MHz960MHz。常见的主要规格有430460MHz、860960Mhz；ISO-18000、EPCGen2；电子卷标都是被动式天线可采用蚀刻或印刷的方式制造，因此成本较低，读取距离约5-6公尺；优点在于读取距离较远、信息传输速率较快，而且可以同时进行大数量标签的读取与辨识，目前已成为市场的主流；缺点是在金属与液体的物品上的应用较不理想；应用于航空旅客与行李管理系统、货架及栈板管理、出货管理、物流管理、货车追踪、供应链追踪；技术门坎高是未来发展的主流且EPCGen2是美国主推；故建议现阶段应切入发展此领域技术和应用。,四、RFID的种类,极高频/微波SuperHighFrequency(SHF)/Microwave(uW)：主要规格2.4GHz、5.8GHz,（图1-28极高频/微波标签）,特性与应用和超高频段相似，但是对于环境的敏感性较高，像是易被水气吸收，实作较复杂，未完全标准化，普及率待观察，一般应用于行李追踪、物品管理、供应链管理等。,四、RFID的种类,RFID防伪技术在二代身份证上的应用,带有RFID芯片的第二代身份证及读写设备,利用二代身份证的优势：,1）拥有视读和机读两种方式；2）防伪性好，身份证和阅读器之间的通信是经过加密的。,五、日常生活中的RFID技术,汽车防盗,RFID汽车防盗锁,RFID汽车防盗锁的基本原理：,汽车防盗是射频识别技术的较新应用。已经开发出足够小的应答器，能够封装到汽车钥匙里。该钥匙中含有特定的应答器，在汽车上装有阅读器。当钥匙插入到点火器中时，阅读器能够辨识钥匙的身份。如果阅读器接收不到射频卡发送来的特定信号，汽车的引擎将不会发动。,五、日常生活中的RFID技术,智能图书馆,五、日常生活中的RFID技术,图书馆系统,自助借还系统,图书馆管理系统,RFID智能图书管理系统,安全监测系统,图书馆系统,自助借还系统,图书馆管理系统,RFID智能图书管理系统,安全监测系统,武汉图书馆管理系统为图书馆基础系统，基于条码系统建立，存有图书馆的数据库，即用户信息、图书信息等，为图书馆原有系统。,图书馆系统,自助借还系统,图书馆管理系统,RFID智能图书管理系统,安全监测系统,RFID智能图书管理系统是基于图书馆管理系统的一种扩展，将RFID唯一识别号与图书唯一编码（条形码）一一对应起来，将RFID技术与现有图书馆管理系统的挂接，实现对图书、读者详细信息的访问，从而将RFID技术集成到现有图书馆馆系统当中。,图书馆系统,自助借还系统,图书馆管理系统,RFID智能图书管理系统,安全监测系统,自助借还系统组成包括：控制主机、液晶触摸显示器、RFID射频模块、嵌入式打印机、多媒体语音系统，通过安装在控制计算机上的自助借还书软件实现图书自助借还,图书馆系统,自助借还系统,图书馆管理系统,RFID智能图书管理系统,安全监测系统,安全检测系统是针对