《无线射频识别技术与应用》课件第1章.ppt
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1、第第1 1章章 射频识别技术概论射频识别技术概论 1.1 RFID技术的定义技术的定义1.2 RFID系统的组成系统的组成1.3 RFID系统标签的分类系统标签的分类1.4 全球全球RFID产业发展分析产业发展分析 1.1 RFID技术的定义技术的定义 无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别特定目标对象并获取相关的数据信息,即RFID技术无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触,是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。RFID
2、技术利用无线电波进行双向通信,不需要人工干预,它易于实现自动化且其射频卡不易损坏,不怕油渍、灰尘污染等,因此可工作于各种恶劣的环境中。RFID技术可识别高速运动的物体并可同时识别多个电子标签,其操作快捷方便。因此,短距离的电子标签可以在恶劣的环境中替代条形码;而长距离的产品多用于交通中,其识别距离有几十米。在过去的半个多世纪里,RFID的发展经历了以下一些阶段:l9411950年,雷达的改进和应用催生了RFID技术,1948年奠定了RFID技术的理论基础。19511960年,早期RFID技术的探索阶段,主要处于实验室实验研究阶段。19611970年,RFID技术的理论得到了发展,开始了一些应用
3、尝试。19711980年,RFID技术与产品研发处于一个大发展时期,各种RFID技术测试得到加速,出现了一些最早的RFID应用。19811990年,RFID技术及产品进入商业应用阶段,多种应用开始出现,然而RFID技术的成本成为制约其进一步发展的主要问题,同时国内也开始关注这项技术。19912000年,大规模生产使得RFID技术的成本可以被市场接受,技术标准化问题和技术支撑体系的建立也得到重视;同时,大量厂商进入,RFID产品逐渐走入人们的生活,国内研究机构也开始跟踪和研究该技术。2001年至今,RFID技术得到进一步的丰富和完善,其产品种类更加丰富,无源电子标签、半有源电子标签和有源电子标签
4、均得到发展,电子标签的成本也不断降低;RFID技术的应用领域不断扩大,与其他技术日益结合。纵观RFID的发展历程不难发现,随着市场需求的不断发展,以及人们对RFID认识水平的日益提升,RFID必然会逐步进入人们的生活,而RFID技术及其产品的不断开发也将引发其应用扩展的新高潮,必将带来RFID技术发展的新变革。1.2 RFID系统的组成系统的组成RFID系统包括三部分:标签、读卡器(含天线)和应用软件系统,如图1-1所示。图1-1 RFID系统组成与工作示意图 标签(Tag):又称电子标签,由耦合元件及芯片组成,也称应答器、卡片等。每个电子标签具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象。电子
5、标签通常由三部分组成,即读写电路、硅芯片以及相关的天线,它能够接收并发送信号。电子标签一般被做成低功率的集成电路,与外部的电磁波或电磁感应相互作用,得到其工作时所需的功率并进行数据传输。读卡器(Reader):读取(有时还可以写入)电子标签信息的设备,可设计为手持式或固定式,也称阅读器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据,可写时称为读写器)、读头、读出装置、扫描器、通信器等。通过天线与电子标签进行无线通信,读卡器可以实现对电子标签识别码和内存数据的读出或写入操作。典型的RFID读卡器包含有RFID射频模块(发送器和接收器)、控制单元以及读卡器天线。电子标签上的芯片一旦被激活,就会进行数
6、据读出、写入操作,而读卡器可把通过天线得到的标签芯片中的数据,经过译码送往主计算机处理。天线(Antenna):是电子标签与读卡器之间的联系通道,通过天线来控制系统信号的获得与交换。天线的形状和大小多种多样,它可以装在门框上,接收从该门通过的人或物品的相关数据;也可以安装在适当的地点,以监控道路上的交通情况等。电子标签可以做成动物跟踪标签,嵌入在动物的皮肤下,其直径比铅笔芯还小,长度只有1.27 cm(0.5英寸);也可以做成卡的形状,许多商店在售卖的商品上附有硬塑料电子标签用于防盗。除此以外,12.7 cm10.16 cm5.08 cm的长方形电子标签可用于跟踪联运集装箱或重型机器、车辆等。
7、读卡器发出的无线电波在2.54 cm30.48 m(英尺)甚至更远的范围内都有效,这主要取决于其功率与所用的无线电频率。图1-2和图1-3分别给出了读卡器、天线和电子标签及其封装。图1-2 读卡器、天线 图1-3 不同的电子标签及其封装 在射频识别应用系统中,读卡器实现对电子标签数据的无接触收集后,收集的数据需送至后台(上位机)处理,这就形成了电子标签读写设备与应用系统程序之间的接口(Application Program Interface,API)。一般情况下,要求读卡器能够接收来自应用系统的命令,并且能根据应用系统的命令或约定的协议作出相应的响应(回送收集到的电子标签数据等)。从电路实现
8、角度来说,读卡器又可划分为两大部分,即射频模块(射频通道)与基带模块。射频模块实现的任务主要有两项,第一项是将读卡器欲发往电子标签的命令调制(装载)到射频信号(也称为读卡器/电子标签的射频工作频率)上,经由发射天线发送出去。发送出去的射频信号(可能包含有传向电子标签的命令信息)经过空间传送(照射)到电子标签上,电子标签对照射其上的射频信号作出响应,形成返回给读卡器天线的反射回波信号。射频模块的第二项任务是对电子标签返回到读卡器的回波信号进行必要的加工处理,并从中解调(卸载)提取出电子标签回送的数据。基带模块实现的任务也包含两项,第一项是将读卡器智能单元(通常为计算机CPU或MPU)发出的命令加
9、工(编码),形成便于调制(装载)到射频信号上的编码调制信号;第二项任务是实现对经过射频模块解调处理的电子标签回送数据信号进行必要的处理(包含解码),并将处理后的结果送入读卡器智能单元。一般情况下,读卡器的智能单元划归为基带模块部分。从原理上来说,智能单元是读卡器的控制核心;从实现角度来说,智能单元通常采用嵌入式MPU,并通过编写相应的MPU控制程序来实现收发信号的智能处理以及与终端应用程序之间的接口。射频模块与基带模块的接口实现调制(装载)/解调(卸载)功能。在系统实现中,射频模块通常包括调制/解调部分,并且也包括解调之后对回波小信号必要的加工处理(如放大、整形)等。采用单天线系统时,射频模块
10、的收发分离是射频模块必须处理好的一个关键问题。实际应用中,根据读卡器读写区域中允许出现的电子标签数目的不同,将射频识别系统称为单标签识别系统(或射频识别系统)与多标签识别系统。在读卡器的阅读范围内有多个电子标签时,对于具有多标签识读功能的射频识别系统来说,一般情况下,读卡器处于主动状态,即读卡器先讲方式。读卡器通过发出一系列的隔离指令,使得读出范围内的多个电子标签逐一或逐批地被隔离(令其睡眠)出去,最后保留一个处于活动状态的电子标签与读卡器建立无冲突的通信。通信结束后将当前活动的电子标签置为第三态(可称其为休眠状态,只有通过重新上电或特殊命令,才能解除休眠),进一步由读卡器对被隔离(睡眠)的电
11、子标签发出唤醒命令唤醒一批(或全部)被隔离的电子标签,使其进入活动状态,再进一步隔离,选出一个电子标签通信。如此重复,读卡器可读出阅读区域内的多个电子标签信息,也可以实现对多个电子标签分别写入指定的数据。射频识别系统的最后一个组成部分是应用软件系统,它是在上位监控计算机中运行的包括数据库在内的管理软件系统,用于各种物品的属性管理、目标定位和跟踪,具有良好的人机操作界面。1.3 RFID系统标签的分类系统标签的分类 根据供电方式的不同,电子标签可分为无源标签、半无源标签、有源标签。无源系统无源标签(被动标签,Passive Tag):电子标签内没有内装电池,在读卡器的阅读范围之外时,电子标签处于
12、无源状态;在读卡器的阅读范围之内时,电子标签从读卡器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。无源标签读写距离近、价格低,它的使用寿命几乎无限制,但需要大功率的读写装置。半无源系统半无源标签(Semi-passive Tag):电子标签内装有电池,但电池仅对电子标签内要求供电维持数据的电路或芯片工作所需的电压作辅助支持,电子标签电路本身耗电很少。未进入工作状态前,电子标签一直处于休眠状态,相当于无源标签;电子标签进入读卡器的阅读范围时,受到读卡器发出的射频能量的激励,进入工作状态,且其用于传输通信的射频能量与无源标签的一样都来自读卡器。半无源系统结合有源RFID和无源RFID的优势,在125 kH
13、z频率的触发下,使微波2.45 GHz的优势发挥出来。半有源RFID技术也叫低频激活触发技术,它利用低频近距离精确定位、微波远距离识别和上传数据,来解决有源RFID和无源RFID没有办法解决的问题。简单地说,半有源RFID技术就是近距离激活定位、远距离识别及上传数据。有源系统有源标签(主动标签,Active Tag):电子标签的工作电源完全由内部电池供给,同时电子标签电池的能量供应部分转化为电子标签与读卡器通信所需的射频能量。目前有源标签逐步采用无线单片机来进行设计,具有持久性、信息传播穿透性强、存储信息容量大、种类多等特点。有源标签最重要的特点是电子标签工作的能量由电池提供,与无源标签系统感
14、应读卡器的能量不一样。有源RFID可以提供更远的读写距离,但是需要电池供电,成本要更高一些。有源RFID适用于远距离读写的应用场合,使用寿命有限,但对读写装置的依赖小。根据应用频率的不同,RFID可分为低频(LF,30 kHz1 MHz)、高频(HF,3 MHz30 MHz)、超高频(UHF,300 MHz1000 MHz)、微波(MW,2.4 GHz或5.8 GHz)这四种。不同频段的RFID,其工作原理不同,低频的和高频的电子标签一般采用电磁耦合原理,而超高频的及微波的RFID一般采用电磁发射原理。由图1-4可知,RFID的频率范围非常广,应用领域也很广。图1-4 RFID 的频率划分及应
15、用领域 低频段电子标签(或低频标签)的工作频率范围为30 kHz1 MHz,其典型的工作频率为125 kHz和133 kHz。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读卡器耦合线圈的辐射近场中获得。与读卡器之间传送数据时,低频标签须位于读卡器天线辐射的近场区内,其阅读距离一般情况下小于1m。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。中高频段电子标签的工作频率一般为3 MHz30 MHz,其典型的工作频率为13.56 MHz。中高频电子标签因其工作原理与低频标签的完全相同,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
16、面,根据无线电频率的一般划分,中高频射频标签的工作频段又在高频范围内,所以也常将其称为高频标签。鉴于中高频段的电子标签可能是应用最多的一种电子标签,因而只要将高、低理解成为一个相对的概念,就不会造成理解上的混乱。为了便于叙述,将中高频段电子标签称为中频电子标签(或中频标签)。中频标签一般是无源标签,其工作能量同低频标签的一样,也是通过电感(磁)耦合方式从读卡器耦合线圈的辐射近场中获得。中频标签与读卡器进行数据交换时,标签必须位于读卡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 m。中频标签由于可方便地做成卡状,因此其广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器
17、)、小区物业管理、大厦门禁等系统中。超高频与微波频段的电子标签的典型工作频率有433.92 MHz、862(902)MHz928 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz。微波电子标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时,超高频或微波电子标签位于读卡器天线辐射场的远场区内,其与读卡器之间的耦合方式为电磁耦合方式;读卡器天线辐射场为无源标签提供射频能量,将有源标签唤醒,其相应的射频识别系统的阅读距离一般大于1 m,典型情况为4 m6 m,最大可达10 m。读卡器天线一般均为定向天线,只有在读卡器天线定向波束范围内的电子标签可被读/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电子标
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