RFID原理与实践开发（微课版）课件 第1、2章 RFID概述、RFID技术基础

1RFID概述RFID原理与实践开发章节内容RFID系统组成RFID工作原理RFID系统分类及特点基于EPC的RFID系统NFC技术1.1RFID系统组成定义：射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）是一种自动识别技术，即通过无线电信号来识别特定目标并读写相关数据，且无须在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。1.1RFID系统组成特点：RFID无须人工干预，既支持只读工作模式也支持读写工作模式，且无须接触或瞄准。RFID可以在各种环境下工作：短距离射频产品具有不怕灰尘、油渍的特点；长距离射频产品则多用于交通领域（如电子不停车收费系统），可识别高速运动的物体。RFID可同时识别多个电子标签。1.1RFID系统组成RFID与其他识别技术对比（1）一维条码识别技术。一维条码由平行排列的宽窄不同的线条和间隔来表示二进制编码。根据黑色线条和白色间隔对激光的不同反射来识别。（2）二维码识别技术。二维码能够在横向和纵向两个方向上同时表达信息，因此能在很小的面积内表达大量的信息。（3）磁卡识别技术。磁卡记录信息的方法是变化极性。识别器识读磁性变化，并将它们转换回字母或数字的形式（4）IC卡识别技术。IC卡（IntegratedCircuitCard，集成电路卡）通过卡里的集成电路存储信息。接触式IC卡通过IC卡读写设备的触点与IC卡的触点接触进行数据的读写。非接触式IC卡通过非接触式的读写技术进行读写。1.1RFID系统组成典型的RFID系统由电子标签（Tag）、读写器（Reader）和计算机应用系统组成。1.1.1RFID系统组成读写器又称阅读器、读卡器，可设计为手持式读写器或桌面式读写器。1.1.1RFID系统组成读写器通常由天线、射频接口、控制单元和应用接口4部分组成。1.1.1RFID系统组成读写器可以通过标准网口、RS-232串口或USB接口同主机相连，通过天线与电子标签通信。有时为了方便，读写器与智能终端设备会集成在一起形成可移动的手持式读写器。如果工作距离较长，则读写器天线也可单独存在。读写器可以连接一个或多个天线，但每次使用时只能激活一个天线。1.1.2电子标签电子标签又叫应答器、射频卡，是RFID系统的数据载体。每个电子标签存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。1.1.2电子标签电子标签一般由天线电路、解调器、解码器、编码器、负载调制电路、控制器、存储器和电源电路等部分组成。1.1.3计算机应用系统计算机应用系统是应用层软件，主要是对收集的数据做进一步处理，以便人们使用。计算机应用系统通过逻辑运算识别电子标签的“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。1.2RFID工作原理由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号；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，将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；读写器的接收天线收到从电子标签发送来的调制信号后，将其发送到读写器信号处理模块，经解调和解码后，有效信息被送至后台计算机应用系统进行相关处理；计算机应用系统做出相应的处理和控制。1.2RFID工作原理从电子标签和读写器之间的通信及能量感应方式来看，RFID系统一般可以分成两类，即电感耦合系统和电磁反向散射耦合系统。1.2.1电感耦合系统电感耦合系统基于变压器模型，通过空间高频交变电磁场实现信息耦合，依据的是电磁感应定律。电感耦合方式一般适合于近距离RFID系统，典型的工作频率为125kHz和13.56MHz，工作距离小于1m，典型工作距离为10～20cm。1.2.2电磁反向散射耦合电磁反向散射耦合系统基于雷达原理模型，发射出去的电磁波遇到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电磁反向散射耦合方式一般适用于在特高频、超高频工作的远距离RFID系统，典型的工作频率有433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz。其工作距离大于1m，典型的工作距离为4～6m。1.3.1以电子标签供电方式分类按照电子标签获取电能方式的不同，可以把电子标签分为有源电子标签、无源电子标签和半有源电子标签。对应的RFID系统分别称为有源RFID系统、无源RFID系统和半有源RFID系统。1.3.1以电子标签供电方式分类有源RFID系统自带电池进行供电，电能充足，工作可靠性高，信号传送远。电子标签的使用寿命受到限制，而且随着电子标签内电池电力的消耗，其数据传输的距离会越来越小，从而影响系统的正常工作。1.3.1以电子标签供电方式分类无源RFID系统无源电子标签不带电池，依靠外部的电磁感应供电。无源电子标签具有永久的使用期。数据传输的距离和信号强度受到限制。1.3.1以电子标签供电方式分类半有源RFID系统半有源RFID系统介于有源RFID系统和无源RFID系统之间。它带有电池，但是电池的能量只够激活系统。系统激活之后，电池不再为电子标签供电，电子标签进入无源工作模式。1.3.2以电子标签工作频率分类按照电子标签工作频率的不同，可以把电子标签分为低频电子标签、高频电子标签和微波电子标签。对应的RFID系统分别称为低频RFID系统、高频RFID系统和微波RFID系统。1.3.2以电子标签工作频率分类低频RFID系统低频（LowFrequency，LF）RFID系统工作频率范围为30kHz～300kHz。低频电子标签一般为无源电子标签。标签的工作距离一般小于1m。低频电子标签的典型应用有动物识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。1.3.2以电子标签工作频率分类低频RFID系统特点（1）电子标签芯价格便宜。（2）工作频率不受无线电频率管制约束。（3）信号可以穿透水、有机组织、木材等。（4）电子标签存储信息较少，只适合低速、近距离识别应用（如动物识别等）。（5）与高频电子标签相比，低频电子标签天线匝数更多，成本更高一些。无法同时进行多电子标签的读取。1.3.2以电子标签工作频率分类高频RFID系统（1）典型工作频率为13.56MHz。（2）基于电感耦合原理。1.3.2以电子标签工作频率分类高频RFID系统（3）对环境干扰较为敏感，在有金属或较潮湿的环境下读取率较低。（4）高频电子标签常应用于门禁系统、高频防伪、患者管理、公交卡、电子钱包、图书管理、产品管理、文件管理、电子机票、行李标签等。（5）13.56MHz频率在全球都免许可使用，没有特殊的限制，应用和市场广泛且接受度高。1.3.2以电子标签工作频率分类微波RFID系统特高频与超高频频段的RFID系统可统称为微波RFID系统。微波穿透力弱，水、木材和有机组织均会对其传播有影响。微波RFID系统工作距离远，且有很高的数据传输速率，因此应用广泛。1.3.2以电子标签工作频率分类微波RFID系统特点（1）其典型工作频率有433MHz、902MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。（2）微波电子标签包括有源电子标签、无源电子标签、半有源电子标签。（3）工作距离一般大于1m，典型情况为4～6m，最大可达10m以上。（4）读写器天线一般为定向天线，只有在定向波束范围内的电子标签可被读写。（5）可实现多标签读取。（6）可实现高速运动物体的识别。（7）可用于铁路车辆自动识别、集装箱识别、公路车辆识别，还可用于自动收费系统。1.3.2以电子标签工作频率分类微波RFID系统特点目前，无源电子标签的应用相对集中在902MHz～928MHz工作频段。2.45GHz和5.8GHzRFID系统多采用半有源电子标签。半有源电子标签一般采用纽扣电池供电，具有较大的识别距离。电子不停车收费（ElectronicTollCollection，ETC）系统，工作频率可采用915MHz、2.45GHz和5.8GHz。1.3.2以电子标签工作频率分类ETC系统1.4.1EPC系统组成EPC系统组成1.4.1EPC系统组成EPC标签是EPC的物理载体，附着于可追踪的物品之上，可以全球流通并被识别和读写。EPC读写器与信息网络系统相连，读取EPC标签中的EPC并将其输入信息网络系统。1.4.1EPC系统组成信息网络系统由本地网络和互联网组成，是实现信息管理和流通的功能模块。EPC中间件是具有一系列特定属性的“程序模块”或“服务”，并被用户集成以满足其特定需求。EPC中间件被称为Savant，用来加工和处理来自读写器的所有信息和事件流，是连接读写器和企业应用程序的纽带，主要任务是在将数据送往企业应用程序之前进行电子标签数据校对、读写器协调等操作。1.4.1EPC系统组成信息网络系统由本地网络和互联网组成，是实现信息管理和流通的功能模块。ONS是一个自动网络服务，类似于域名解析服务。ONS给EPC中间件指明存储物品相关信息的服务器，是联系EPC中间件和EPCIS的网络枢纽。EPCIS

提供了一个模块化、可扩展的数据服务接口，使得EPC的相关数据可以在企业内部或者企业之间共享1.4.2EPC编码EPC提供给实体对象全球唯一标识，即一个EPC只标识一个实体对象。足够的编码容量。组织保证。使用周期。对一般的实体对象，EPC使用周期和实体对象的生命周期一致。对特殊的产品，EPC的使用周期是永久的。EPC保留备用空间，具有可扩展性，具有足够的1.4.2EPC编码EPC编码是由一个标头加上EPC管理者代码、对象分类代码、序列号组成的一组数字。其中标头标识了EPC的类型，表示随后的码段具有不同的长度；EPC管理者代码是与此EPC相关的生产厂商的信息；对象分类代码记录物品精确类型；序列号是物品的唯一标识，它会精确地指向一件物品。1.4.2EPC编码表1.3EPC编码版本版本类型标头字段管理者代码对象分类代码序列号EPC-64TypeⅠ2211724TypeⅡ2151334TypeⅢ2261323EPC-96TypeⅠ8282436EPC-256TypeⅠ83256160TypeⅡ86456128TypeⅢ812856641.4.2EPC编码64位的EPC版本号只有2位，即01、10、11。为了和64位的EPC相区别，所有长度大于64位的EPC，版本号的最高2位须为00。所有96位的EPC，版本号开始的位序列是001。所有长度大于96位的EPC，版本号的前3位是000。所有256位的EPC，版本号开始的位序列是00001。。1.4.3EPC标签和读写器1.4.3EPC标签和读写器EPC的Class和Gen是两个不同的概念。Class描述的是电子标签的基本功能，如电子标签里面存储器的情况或有无电池。Gen是指电子标签规范的主要版本号。通常所说的第二代EPC，实际上是第二代EPCClass1，这表明它采用电子标签规范的第二个主要版本，拥有可一次写入的用户存储器。EPC标签分类的目的是提供一种模块化结构，涵盖一系列电子标签功能。1.4.3EPC标签和读写器EPC读写器是EPC标签和计算机网络之间的纽带，它将EPC标签中的EPC通过射频读入后转换成为可在网络中传输的数据。1.4.4EPC信息网络系统EPC系统的信息网络系统在互联网的基础上，通过中间件、ONS以及EPCIS实现全球的实物互联。中间件是连接读写器和企业应用程序的纽带。中间件完成的任务是数据校对、读写器协调、数据传输、数据存储和任务管理等。1.4.4EPC信息网络系统ONS查询的详细步骤如下。（1）读写器从产品的电子标签中读取EPC（二进制字符串）。（2）将二进制字符串转化成为EPCURI（UniformResourceIdentifier，统一资源标识符）格式。（3）解析器从URI格式提取出域名。（4）执行ONS查询，获得这个地址的名称权威指针（NamingAuthorityPointer，NAPTR）记录，并返回与查询货品相关的URI。1.4.4EPC信息网络系统EPCIS位于整个EPC网络架构的最高层，它不仅处理原始EPC观测资料的上层数据，还处理过滤和整理后的观测资料的上层数据。1.4.5EPC系统原理1.4.4EPC信息网络系统近场通信（NearFieldCommunication，NFC）是一种短距离的高频无线通信技术，使电子设备可以在彼此靠近的情况下进行数据交换。NFC技术由RFID技术及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合了感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能。1.5NFC技术近场通信（NearFieldCommunication，NFC）是一种短距离的高频无线通信技术，使电子设备可以在彼此靠近的情况下进行数据交换。NFC技术由RFID技术及互联互通技术整合演变而来，在单一芯片上结合了感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能。1.5NFC技术NFC和RFID对比：（1）NFC的工作频率为13.56MHz，而RFID的工作频率有低频、高频及微波三种。（2）NFC的工作距离一般小于10cm，而RFID工作距离从几厘米到几十米不等。（3）NFC同时支持读写模式和卡模式；而在RFID中，读写器和电子标签是独立的两个实体，不能切换。（4）NFC支持P2P（PeertoPeer，点对点）模式，RFID不支持P2P模式。（5）NFC多数应用在门禁系统、公交卡、手机支付等领域，而RFID更多应用在生产、物流、跟踪和资产管理方面。1.5NFC技术——读卡器模式读卡器模式是一种主动模式，数据在NFC芯片中。支持NFC的电子设备向带有NFC芯片的标签、贴纸、名片等介质读写信息。当设备向NFC读写数据时，它会发送磁场，而这个磁场会自动向NFC芯片供电，因此不需要外部供电。1.5NFC技术——仿真卡模式仿真卡模式是一种被动模式，数据在支持NFC的手机或其他电子设备中。支持NFC的手机或其他电子设备被模拟成一张卡，如借记卡、公交卡、门禁卡等。仿真卡模式在使用时还需要一个NFC读卡器。1.5NFC技术——P2P模式这是一种双向模式，通常用于不同NFC设备之间的数据交换，相当于两个设备都处于主动模式，其有效距离一般不超过4cm。P2P模式的典型应用是两部支持NFC的手机或平板电脑实现数据的点对点传输。NFC的P2P模式类似于红外和蓝牙技术。它的传输建立速度要比红外和蓝牙技术快很多，数据传输速率却不如蓝牙。2RFID技术基础RFID原理与实践开发章节内容数字通信基础数据编码技术调制技术通信数据的完整性数据的安全性2.1数字通信基础信号模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息数字信号是离散的，其值随时间的变化不是连续的2.1.1信号RFID系统中一般采用数字信号，主要原因如下。信号的完整性。数字信号抗干扰能力强，容易校验和实现多标签的防冲突操作，从而保持数据的完整性。信号的安全性。数字信号更容易实现加密和认证，保障信号的安全传送。便于存储、处理和交换。二进制码容易进行存储、处理和交换。设备便于集成化和微型化。数字信号便于集成电路的实现，使设备具有体积小、低成本和低功耗的特性。便于构成物联网。可以实现传输和交换的综合，实现业务数字化，更容易与互联网结合组成物联网。2.1.1信号信号的分析可以从时域和频域两个方面进行。RFID系统中，通常对信号频域的研究比对时域的研究重要的多。频谱是信号在频域中的重要参数。2.1.2信道信道是信号传输的通道。信道的体征主要体现在信道带宽、传输速率、信道容量等几个方面。信道带宽：信道能通过的信号频率范围称为信道的频带宽度，简称带宽BW=f2-f1

信道传输速率：数据在信道上的传输速度，单位为比特/秒，记作bit/s。2.1.2信道波特率波特率指的是信号被调制以后在单位时间内状态的变化次数。携带数据信息的信号单元称为码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率。单位波特（Baud）。比特率比特率是数据的传输速率，单位为比特/秒（bps）。比特率=波特率×log2M。2.1.2信道RFID的信道容量选择较高的载波频率。减小干扰，提高信噪比。2.1.3RFID系统通信模型

读写器与电子标签之间的数据交换是通过电信号实现的，即双方将要传送的数据信息附着在电信号的某一参量上，收发的双方通过解析从对方接收到的电信号获取数据信息。若某通信链路的数据传输速率为2400bps，采用4相位调制，则该链路的波特率为600波特1200波特4800波特9600波特ABCD提交单选题1分2.2.1编码技术分类信源编码与解码：提高通信有效性，减少或消除信源冗余度。连续信号离散化数据压缩数字信号编码。将数字数据编码成更适合传输的数字信号。信道编码与解码

通过增加冗余、校验等，来提高抗干扰能力以及检错和纠错能力。保密编码与解码隐藏敏感信息，常通过各种加密算法实现。2.2.2

RFID常用编码方式——NRZ编码不归零（Non-ReturntoZero，NRZ）码是一种最基本的数字基带编码方式，使用高电平表示二进制数据的1，用低电平表示二进制数据的0。2.2.2

RFID常用编码方式——曼彻斯特编码曼彻斯特（Manchester）编码使用电压的跳变来表示二进制数据，通常使用上升沿表示数据0，使用下降沿表示数据1，其特点是在数据位的中间部分始终有跳变。2.2.2

RFID常用编码方式——曼彻斯特编码由于曼彻斯特编码在数据位的中间部分总存在跳变沿，接收方可以根据这一跳变获得同步时钟。图2.4接收方收到的曼彻斯特编码波形图2.5根据图2.4得到的时钟信号和曼彻斯特波形对应数据2.2.2

RFID常用编码方式——曼彻斯特编码由于曼彻斯特编码在数据位的中间部分总存在跳变沿，接收方可以根据这一跳变获得同步时钟。图2.4接收方收到的曼彻斯特编码波形图2.5根据图2.4得到的时钟信号和曼彻斯特波形对应数据2.2.2

RFID常用编码方式——曼彻斯特编码（a）NRZ编码和解码

（b）曼彻斯特编码和解码图2.6电子标签数据发生碰撞时的NRZ和曼彻斯特编码2.2.2

RFID常用编码方式——差动双相编码差动双相编码又称为两相码、FM0编码，其编码规则是在两位相邻数据的交界部分总有跳变，并根据数据位的中间部分是否有跳变来区分数据0和1，中间有跳变表示数据0，中间没有跳变表示数据1。2.2.2

RFID常用编码方式——米勒编码对于数据1，用码元间隔中心点出现跃变如“10”或“01”码来表示；对于数据0，则用“00”或“11”进行交替。具体地，根据前一个码元的编码情况选择，使其码元连接处不跳变。当发送连续的0时，在两个0码的边界处进行跳变，即“00”和“11”交替。2.2.2

RFID常用编码方式——修正米勒编码将米勒码中的跳变改为使用窄脉冲表示。修正的米勒码中传送数据的信号大部分时间都是高电平。数据中间有窄脉冲表示1，数据中间没有窄脉冲表示0当发送连续的0时，从第2个0开始在数据的起始处增加一个窄脉冲。2.2.2

RFID常用编码方式——二进制脉冲宽度编码使用不同的脉冲宽度表示数据0和1。数据0的位宽小，数据1的位宽大。为了区分识别数据，在每一位数据的起始处都有一个窄脉冲。2.2.2

RFID常用编码方式编码方式的选择要考虑电子标签能量的来源编码方式的选择要考虑电子标签检错的能力编码方式的选择要考虑电子标签时钟的提取在电子标签芯片中，一般不会有时钟电路，电子标签芯片一般需要在读写器发来的码流中提取时钟，读写器发出的编码方式应该能够使电子标签容易提取时钟信息。以下编码方式中，能使读写器天线磁场持续最长时间打开的是曼彻斯特编码米勒编码FM0编码修正的米勒编码ABCD提交单选题1分2.3.1调制技术调制用基带信号去控制载波信号的某个或几个参量的变化，将信息荷载在载波上形成已调信号传输；解调是调制的反过程调制的分类按调制信号形式可分为模拟调制和数字调制。按被调信号种类可分为脉冲调制、正弦波调制和光波调制等按传输特性可分为线性调制和非线性调制。线性调制不改变信号原始频谱结构，而非线性调制则改变了信号原始频谱结构。2.3.2RFID调制类型幅移键控（AmplitudeShiftKeying，ASK）在二进制数字调制中，载波的幅度只有两种变化，分别对应二进制信息的1和0。

2.3.2RFID调制类型频移键控（FSK）是利用载波的频率变化来传递数字信息的二进制频移键控载波的频率有两种，载波频率在两个频率点变化，分别对应二进制信息的1和0。2.3.2RFID调制类型相移键控（PSK）是利用载波的相位变化来传递数字信息的二进制相移键控载波的初始相位有两种值，通常取0和180°。2.3.2RFID调制类型副载波调制RFID中最常使用的调制方式是AMASKFMPSKABCD提交单选题1分2.4通信数据的完整性（1）在读写器与电子标签无线通信之间的信道噪声。

解决方法：差错检测算法（数据完整性）（2）多卡操作过程中电子标签之间数据的碰撞。

解决方法：防碰撞算法2.4.1差错检测——奇偶校验若采用奇校验，则整个传输的码元（包括信息码元和监督码元）中数据位1的个数应为奇数若采用偶校验，则整个传输的码元中数据位1的个数应为偶数。奇偶校验中，监督码元始终是1位。2.4.1差错检测——奇偶校验例2-1：若信息码元为1100101，试求：（1）奇监督码元和偶监督码元。（2）编码效率。（3）若有1位错码，能否检测？（4）若有2位错码，能否检测？解：（1）

奇监督码元为1，此时总码元为11001011；偶监督码元为0，此时总码元为11001010。（2）奇偶校验中，监督码元始终是1位。所以编码效率均为87.5%。（3）奇偶校验码只能检测奇数个错码。因此可检测1位错码。（4）不能检测2位错码。2.4.1差错检测——CRC校验循环冗余校验法的工作原理是：（1）发送方：将要发送的整个数据块当成一个连续的二进制数据M(x)，在发送时，将多项式除以一个生成多项式G(x)（模2除法，G(x)的阶次应低于的阶次M(x)），得到的余数就是需在信息码元后面增加的监督码元。需要注意的是，监督码元的位数由G(x)的阶次决定。（2）接收方：将接收到的全部数据（包括信息码元和监督码元）除以与发送方相同的生成多项式，若能除尽（余数为0），传输正确；若除不尽，则说明传输有差错，要求发送方重新发送一次。2.4.1差错检测——CRC校验CRC算法步骤：①设为r阶，在M(x)数据块的末尾附加r个0，使数据块变为m+r位，则相应的多项式为xrM(x)。②按模2除法计算xrM(x)/G(x)，得到余数R(x)。③将r位余数添加于M(x)后面，得到发送数据T(x)。2.4.2防碰撞算法2.4.2防碰撞算法——SDMASDMA是基于空间分隔信道，利用占用不同空间的传输介质来进行分割以构成不同信道的技术。2.4.2防碰撞算法——FDMAFDMA是利用不同的载波频率来形成不同的子信道，每个子信道可以单独传送一路信号的多路复用技术。2.4.2防碰撞算法——CDMACDMA它既能共享信道的空间，也能共享信道的频率和时间，从频域或时域看，多个CDMA信号是互相重叠的。CDMA的原理是不同用户传输信息所用的信号用各自不同的编码序列来区分。CDMA的通信频带和技术复杂性使其在RFID系统中难以应用。2.4.2防碰撞算法——TDMATDMA是将整个传输时间分为许多时间间隔（TimeSlot，TS，又称时隙）传送多路信号时每个时隙被一路信号占用，信道上的每一时刻只有一路信号存在RFID系统主要采用TDMA2.4.2TDMA——纯ALOHA算法电子标签一旦进入读写器的阅读区域就自动向读写器发送其自身识别信息若读写器检测到发生了冲突，读写器就发送命令让标签停止发送，随机等待一段时间后再重新发送以减少冲突。2.4.2TDMA——纯ALOHA算法2.4.2TDMA——二进制树型搜索算法基本思想：将处