RFID原理与实践 课件 3.2 认知读写器

认知读写器复习回顾电子标签的结构1电子标签的封装方法2标签天线的工艺3标签分类和特征4描述读写器功能与分类1操作典型读写器设备2能够根据要求选择合适的读写器设备3任务要求读写器功能读写器主要具备以下功能1. 实现与电子标签的通讯：在射频区域内与电子标签进行数据交换2. 与后端应用系统通信：读写器可以通过标准接口如RS232，以太网等与后台主机系统连接，反馈自身状态，接受系统控制； 3. 多标签识别功能：具备防碰撞功能，能够在工作范围内能正确的识别多个标签；4. 提供无源标签工作能量：读写器以射频方式为无源或半有源电子标签提供能量，激活标签；5. 移动目标识别：可以对固定对象和移动对象进行识别6. 安全设置功能：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。7. 错误信息提示：可以提示读写过程中发生了错误，并显示错误的相关信息读写器的分类读写器按照不同的标准可以划分为不同的类型。按照频率划分，和标签类似，可以划分为低频、高频、超高频和微波读写器。按照是否可写入分为：只读读写器，又称读写器——只有读取功能，不能写入信息；可读写读写器——能够对标签进行信息的读取和写入，根据天线和读写器是否分离，读写器分为分离式读写器和集成式读写器；根据读写器的工作场合和是否移动，可分为固定式读写器，通常挂安装在不会移动的物品上；移动式读写器，通常挂载在可移动的装置上；手持式读写器，一种较小型的读写器，可用于手持操作，具有便利的行动能力。多种形式读写器读写器硬件结构虽然在耦合方式（电感或电磁耦合）、通信方式和数据传输方法及工作频率选择上有很大区别，射频读写器的基本结构大致相同，主要由信号处理及控制模块、射频收发模块、天线单元、通信接口模块和电源模块五部分组成.读写器硬件结构(1)天线天线是发射和接收射频载波信号的设备。在确定的工作频率和带宽条件下，天线发射由射频模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射频载波。(2)射频模块射频模块由射频振荡器、射频处理器、射频接收器以及前置放大器组成。射频模块功能有：产生高频的发射功率，为启动电子标签提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给电子标签；接收并解调来自电子标签的高频信号。

(3)控制模块在多数情况下，控制系统以微处理器作为其核心部件。控制系统主要实现以下功能：与应用软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与电子标签的通信过程；信号的编码与解码。在一些复杂的系统中，控制单元还要执行反碰撞算法，同时对电子标签与读写器之间要传送的数据进行加密和解密，并且进行电子标签和读写器之间的身份验证。读写器硬件结构(4)通信接口模块用来进行控制系统和应用软件之间的数据交换。可以采用RS232、RS485、以太网RJ45、WLAN等多种通信接口。为保证数据可靠传输,设备适应复杂环境,各类接口均需设计保护电路。(5)电源模块为软硬件系统运行提供了可靠的交直流供电保障。读写器具备交直流两种供电方式,交流电源电路设计为宽电压(90～260V)输入，将外部接入的交流电源进行滤波、降压和稳压处理。直流电压输入范围：12～24V。交流电源和直流电源一般都加有压敏电阻、陶瓷气体放电管和电源滤波器。压敏电阻和陶瓷气体放电管主要起到过压保护的作用，电源滤波器则可过滤供电电源的高频干扰信号，以保证系统在较为恶劣的供电环境下仍然能够正常工作读写器软件构成任何硬件系统平台都需要相应软件的相互配合，软硬件相结合才能实现功能需求。至于软件的编写，首先需要确定的是用户的功能和应用需求程度。按照层次划分的RFID读写器软件构成：操作系统、硬件控制和驱动程序、应用程序、用户界面。一般而言，这些软件是生产厂家在产品出厂时固化在读写器模块中的软件，负责对读写器接收到的指令进行响应和对电子标签发出相应的动作指令。以读写器的软件系统编程为例，第一步就是确定操作系统和构建操作平台。复杂度低的可以简化到只有控制数据接收解码然后传送给上位机，复杂度高的可能需要涉及实时控制、显示、报警、通讯和组网等各种功能。通常选取单片机或ARM等轻巧便携的嵌入式微处理器作为读写器开发的硬件平台。有些简单的读写器可以采用无操作系统的模式。上层应用程序主要根据用户的要求进行编写，并通过通讯接口下载到硬件处理器中，对目标系统进行控制，并将控制效果反馈给用户。对于执行不同功能的应用程序需要对处理器和存储器分配的资源和交换的数据进行处理。上位机的用户界面主要是提供一个比较直观的用户平台，用于实时监控系统的运行状态。读写器工作方式标签从读写器产生的射频场获得工作时需要的能量，多数功能稍复杂的标签都是采用RTF（readertalkfirst）模式，即读写器问，卡片回答。读写器没有命令，标签不会主动应答。RTF（ReaderTalksFirst）读写器先发言一般状态下，电子标签处于“等待”或称为“休眠”的工作状态。当电子标签进入读写器的作用范围时被激活，接收读写器发出的命令，进行相应的处理，并将结果返回给读写器。这类只有接收到读写器特殊命令才发送数据的电子标签被称为RTF方式；TTF（TagTalksFirst）电子标签先发言TTF模式的卡片一般都是我们常说的ID卡，即识别卡标签进入读写器的能量场即主动发送自身序列号TTF方式的电子标签具有识别速度快等特点适用于需要高速应用的场合；它在噪声环境中更稳健，在处理电子标签数量动态变化的场合也更为实用。RTF工作方式对RTF的卡片一般有严格的顺序第一步是读写器呼叫标签，如果射频场中有读写器支持的标签，标签回送一个应答。然后读写发出命令选中标签，如果射频场中有多张标签，通常还要进行防冲突循环以便选出唯一张卡片进行操作。第三步是进行认证，一方面读写器要认证标签是合法的，另一方标签也要认证读写器是合法的。如果认证顺利通过，就可以进行正常的读写数据操作了。这些步骤并不都是必须的，有些简单的卡片，要求操作前用户把卡片放到读写器上，读写器直接对其进行读写操作，前面的3步都省了；有些标签没有密码，当然不需要相互认证；有些标签不支持防冲突，同时有多张标签时将无法操作；还有些标签将呼叫和防冲突用一个步骤代替。因此要仔细阅读标签说明书，进行具体的分析。读写器在设计时需要考虑许多因素，包括基本功能、应用环境、电器性能和电路设计等。读写器在设计时需要考虑的主要因素如下。

1．读写器的基本功能和应用环境2．读写器的电气性能3．读写器的电路设计读写器分为便携器还是固定式它支持一种还是多种类型标签的读写读写器的读取距离和写入距离空中接口的方式防碰撞算法的实现加密的需求供电方式与节约能耗的措施电磁兼容性能选用现有的读写器集成芯片或是进行电路模块设计天线的形式与匹配的方法收、发通信信号的调制方式与带宽若是自行进行电路模块设计，还应设计相应的编码与解码、防碰撞处理、加密盒解密等电路。读写器的设计要求读写器天线与馈线设计对于近距离13.56MHzRFID应用(<10cm)，比如门禁系统，天线一般和读写器集成在一起，对于远距离13.56MHz(10cm~1m)或者UHF频段(<3m)的RFID系统，天线和读写器采取分离式结构，并通过阻抗匹配的同轴电缆连接到一起。RFID系统中,天线性能及匹配电路性能的高低直接影响到RFID读写器读取电子标签的性能。读写器由于结构、安装和使用环境等变化多样，并且读写器产品朝着小型化甚至超小型化发展，天线设计面临新的挑战。读写器天线设计要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。对于分离式读写器，还将涉及到天线阵的设计问题。国外已经开始研究读写器应用的智能波束扫描天线阵，读写器可以按照一定的处理顺序，"智能"的打开和关闭不同的天线，使系统能够感知不同天线覆盖区域的标签，增大系统覆盖范围。读写器天线与馈线设计读写器天线的特点：1有全向或者半球覆盖的方向性2能够给标签提供最大可能的信号3无论物品说明方向，天线的极化都能与读写器的询问信号匹配4具有鲁棒性5具有价格优势选则读写器天线考虑的主要因素包括：1天线的类型2天线的阻抗3应用到物品上的射频性能4在有其它物品围绕贴标签物品时的射频性能读写器天线与馈线设计通常情况下,天线越大,RFID系统的作用距离越远。但当天线的尺寸增大到一定程度时会出现以下问题:(1)信噪比减小;(2)出现无法阅读标签的磁通洞;(3)天线到读写器的匹配变得非常困难。在RFID系统中,电子标签的方向性也影响实际读写效果。当电子标签的平面与天线的磁力线相互垂直时,即处于最佳耦合状态,天线能够轻松读取电子标签信息,但是,如果将电子标签的平面方向和磁力线呈角度,甚至与磁力线方向平行时,此时RFID读写器读写电子标签效果最差。一般情况下,选用的天线尺寸越大、输出功率越大,RFID系统的读写距离也就越远。但是,设计RFID系统时,必须慎重考虑天线产生的电磁福射安全。其工作不应对现有的无线电通信系统(无线电、导航、航空、移动通信、电视等)造成电磁干扰,为此,国际上很多国家针对RFID系统的最大福射功率做了法律规定。常见读写器天线一般来说，电感耦合的系统采用线圈天线，电磁散射系统采用平板天线。在目前的超高频与微波系统中，广泛使用平面型天线，包括全向平板天线、水平平板天线和垂直平板天线等。全向平板天线读写器通信接口读写器与主控机之间的通信方式各种各样，不同的方式会带来不同的特性和限制。通信接口为读写器和外部设备提供通信指令，通过控制器传输数据和接收指令并作出响应。一般通信接口可以根据通信要求分为串行通信接口和网络接口。串行通信接口是目前读写器普遍采用的接口方式。常用的串行接口有RS-232、RS-485、USB接口。串行通信可以提供较可靠的连接方式，被推荐为RFID最小系统的首选方式。串行通信的缺点包括通信受电缆长度的限制，通信数据速率较低，更新维护成本较高。网络通信接口通过有线或无线方式连接网络读写器和主机。读写器就像一台网络设备，其优点是同主机的连接不受电缆线的限制，维护更新容易。读写器一般通过以太网接口、WiFi、ZIGBEE、蓝牙等与主机通信，缺点是网络连接可靠性不如串行接口。随着物联网技术的应用推广，网络通信接口逐渐成为主流。网络读写器可以根据应用自动发现读取目标，嵌入式服务器允许读写器接收命令，并通过标准浏览器显示读取结果。读写器的相关接口RS232串口Rs232也称标准串口，是最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。在进行串口调试中要注意的几点：不同编码机制不能混接，如RS232C不能直接与RS422接口相连，必须通过转换器才能连接；串口调试时，准备一个好用的调试工具，如串口调试助手、串口精灵等，有事半功倍之效果；强烈建议不要带电插拨串口，否则串口易损坏。对于大型的工控和测量设备，建议使用光电耦合器来隔离设备，具体的耐压值根据实际需求来确定。9针串口（DB9）针号功能说明缩写1数据载波检测DCD2接收数据RXD3发送数据TXD4数据终端准备DTR5信号地GND6数据设备准备好DSR7请求发送RTS8清除发送CTS9振铃指示DELL选择合适的读写器考虑的因素主要有：1读写器功能的多寡2读写器的工作频段3具体应用环境4电子标签协议5成本选择合适的读写器选择多功能读写器可以读取不同频率的标签信息，同时具有过滤数据和执行指令的功能，但价格相对较高。价格便宜的读写器相对功能较少。超高频（UHF）标签的工作频率是860-960MHz，由于其阅读距离较长，所以在供应链中得到广泛的应用。高频（HF）标签的工作频率是13.56MHz，