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第二章 RFID技术概述

962 人参与  2019年04月10日 12:18  分类 : 物联网/云计算  评论

2.1.RFID的技术简介

RFID(Radio Frequency Identification)即无线射频识别技术,是一种非接触式自动识别技术,射频识别技术是一项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的技术前身可以追溯到第二次世界大战,当时该技术被英军用于识别敌我双方的飞机。其原理是在英方飞机上装有识别标签(类似于今天的主动标签),当雷达发出微波查询信号时,装在英方飞机上的识别标签就会做出相应的回执,使得发出微波查询信号的系统能够辨别出飞机的身份,此系统IFFIdentify Friend or Foe,敌我识别),目前世界上的飞行管制系统仍是在此基础上建立的。

从概念上来讲,RFID类似于条码扫描,对于条码技术而言,它是将已编码的条形码附着于目标物,并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形码传送到扫描读写器。而RFID则使用专用的RFID阅读器及专门的可附着于目标物的射频标签,利用射频信号将物品相关信息由射频标签传送至RFID阅读器。射频标签中载有关于目标物的各类相关信息,如:该目标物的名称,目标物运输起始、终止地点,中转地点及目标物经过某一地的具体时间等,还可以载入诸如温度等指标。

RFID与传统条形码技术相比,具有快速扫描、体积小,易封装、抗污染能力强和使用寿命长、识别高速运动物体、可重复使用、穿透性好并且可以无屏障阅读、数据的记忆容量大以及安全性好的技术优势。

同时,RFID技术与互联网、通讯等技术相结合,可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。RFID技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业,可大幅提高管理与运作效率,降低成本。随着相关技术的不断完善和成熟,RFID产业将成为一个新兴的高技术产业群。

2.2.RFID的分类

根据射频系统的特征,可以将RFID系统进行多种分类。

1)按照工作方式划分为全双工、半双工系统和时序系统。

全双工系统中数据在阅读器和电子标签之间的双向传输是同时进行的,并且从读写器到电子标签的能量传输是连续的,与传输的方向无关;

半双工系统中数据传输是交替进行的,并且能量传输是连续的;

时序系统中从电子标签到阅读器的数据传输是电子标签的能量供应间歇时进行的,而从阅读器到电子标签的能量传输总是在限定的时间间隔内完成。

2)按照数据载体可以划分为只读系统和可读写系统。

只读系统中阅读器只能读取电子标签内的数据,不能将数据写入电子标签内。

在可读系统中,阅读器可以改写电子标签内存储的信息,可以将数据动态写入电子标签内。

3)按照能量供应可划分为无源系统和有源系统。

在无源系统内,无源标签没有自己的电源。工作能量从阅读器发出的射频波束中获取,读写器更要发射更大的射频功率,识别距离比较近。

在有源系统中,电子标签内装有电池,为电子标签的工作提供全部或部分能量,无源电子标签内无电池,其识别距离更远,阅读器需要的功率较小。

4)按照工作频率可以划分为低频系统、中高频系统、超高频和微波系统。

  低频系统的工作频率一般为30300KHz。典型的工作频率为125KHz133KHz,特点是标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短、阅读天线方向性不强等。一般适用于短距离、低成本的应用中,如门禁管理、校园卡、动物监管等。

    中高频系统的工作频率一般为330KHz。典型的工作频率为13.56MHz。基本特点是电子标签及阅读器成本较高,标签内保存的数据量较大,阅读距离较远,适应物体高速运动,性能好。一般应用于需传送大量数据的场合,其典型的应用是电子身份系统、物流管理系统。

超高频和微波系统简称微波系统,微波系统的工作频率一般为300MHz3GHz或大于3GHz。其典型的工作频率为433.92MHz862902)~928MHz2.45GHz5.8GHz。应用于较长的读写距离和高速读写场合,如火车监控、高速公路收费等。

5)按照耦合类型分为电感耦合系统和电磁反向散射耦合系统。

在电感耦合系统中,阅读器和电子标签之间的射频信号的实现为变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,其依据是电磁感应定律。

在电磁反相散射耦合系统中,阅读器和电子标签之间的射频信号的实现为雷达原理模型,发射出去的电磁波,碰到目标后被反射,同时携带目标信息,其依据的是电磁波的空间传输规律。

2.3.RFID的基本组成部分

   1RFID标签

RFID标签俗称电子标签,也称应答器,根据工作方式可分为主动式(有源)和被动式(无源)两大类。本文主要研究被动式RFID标签及系统。被动式RFID标签由标签芯片和标签天线圈组成,利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。RFID标签中存储一个唯一编码,通常为64bits96bits甚至更高,其地址空间大大高于条码所提供的空间,因此可以实现单品级的物品编码。当RFID标签进入读写器的作用域,就可以根据电感耦合原理(近场作用范围力)或电磁反向散射耦合原理(远场作用范围力)在天线两端产生感应电势差,并在标签芯片通路中形成微弱电流,如果这个电流强度超过一个阀值,就可以激活RFID标签芯片电路工作,从而对标签芯片中的存储器进行读写操作,微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。RFID标签芯片内部结构主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元四部分。

2)读写器

 读写器也称阅读器、询问器,是对RFID标签进行读写操作的设备,主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。读写器是RFID系统中最重要的基础设施,一方面,RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号,再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形,最后从中解调出返回的信息,完成对RFID标签的识别或读写操作;另一方面,上层中间件及应用软件与读写器进行交互,实现操作指令的执行和数据汇总上传。在上传数据时,读写器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤,将其加工为读写器事件后在上传,以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量。因此,在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统,实现一部分中间件的功能,如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势,还将具备更加强大的前段控制功能,例如直接与工业现场的其他设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。在物联网中,读写器将成为同时具有通讯、控制和计算功能的C3核心设备。

3)天线

 天线是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。RFID系统中包括两类天线,一类是RFID标签上的天线,它和RFID标签集成为一体,另一类是读写器天线,既可以内置于读写器中,也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接受功能的集成。天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视,在实际应用中,天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。高性能的天线不仅要求具有良好的的阻抗匹配特性,还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门设计。

4)中间件

 中间件是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接受、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。中间件在RFID应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准造成的可靠性和稳定性的问题,还可以为上层应用软件提供多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件的过滤、聚合和计算,抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业务事件,以满足来自多个客户端的检索、发布/订阅和控制请求。

5)应用软件

 应用软件是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面,协助使用者完成对读写器的指令操作以及中间件的逻辑设置,逐渐将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件,并使用可视化界面进行展示。由于应用软件需要根据不同应用领域的不同企业进行专门制定,因此很难具有通用性。从应用评价标准来说,使用者在应用软件端的用户体验是判断一个RFID应用案例成功与否的决定性因素之一。

2.4.RFID系统的基本工作原理

RFID系统的基本工作原理是在耦合通道内,阅读器和标签之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合,且根据时序关系,完成数据的交换和能量的传递,其基本工作模型如图2-1所示:


image.png

阅读器向电子标签提供工作能量。对于无源标签,当标签离开射频识别场时,标签由于没有能量的激活而处于休眠状态,当标签进入射频识别场时,阅读器发射出来的射频波激活标签电路,标签通过整流的方法将射频波转换为电能存储在标签中的电容里,从而为标签的工作提供能量,完成数据的交换。对于半有源标签来讲,射频场只起到了激活的作用。有源标签始终处于激活状态,处于主动工作状态,和阅读器发射出的射频波相互作用,具有较远的识读距离。

时序指的是阅读器和标签的工作次序问题。即阅读器主动唤醒标签,这时标签首先自报家门。对于无源标签,一般是阅读器先讲的形式对于多标签同时识读,可以采用阅读器先讲的形式,也可以是标签先讲的形式。

阅读器和标签之间的数据通信包括阅读器向标签的数据通信和标签向阅读器的数据通信。在阅读器向标签的数据通信中,又包括离线数据写入和在线数据写入。对于标签向阅读器的数据通信过程,其工作方式包括以下两种标签收到阅读器的射频能量时,即被激活并向阅读器发射标签存储的数据信息标签被激活后,根据阅读器指令转入数据发送状态或休眠状态。在这两种工作方式中,前者属于单向通信,后者属于半双工双向通信。图2-2可以看出,在射频识别系统的工作过程中,始终以能量为基础,通过一定的时序方式来实现数据的交换。因此,在工作的空间通道中存在三种事件模型以能量提供为基础的事件模型,以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型,以数据交换为目的的事件模型。

2.5.RFID的关键技术

RFID的关键技术包括产业化关键技术和应用关键技术。

(1) RFID产业化关键技术主要包括:

 标签设计与制造:例如低成本、低功耗的RFID芯片设计与制造,适合标签

芯片实现的新型存储技术,防冲突算法及电路实现技术,芯片安全技术,以及标签芯片与传感器的集成技术等。

 天线设计与制造:例如标签天线匹配技术,针对不同应用对象的RFID标签

天线结构优化技术,多标签天线优化分布技术,片上天线技术,读写器智能波束扫描天线阵技术,以及RFID标签天线设计仿真软件等。

RFID标签封装技术与装备:例如基于低温热压的封装工艺,精密机构设计优化,多物理量检测与控制,高速高精运动控制,装备故障自动诊断与修复,以及在线检测技术等。

RFID标签集成:例如芯片与天线及所附着的特殊材料介质三者之间的匹配技术,标签加工过程中的一致性技术等。

读写器设计:例如密集读写器设计,抗干扰技术,低成本小型化读写器集成技术,以及读写器安全认证技术等。

(2) RFID应用关键技术主要包括:

 RFID应用体系架构:例如RFID应用系统中各种软硬件和数据的接口技术及

服务技术等。

RFID系统集成与数据管理:例如RFID与无线通信、传感网络、信息安全、工业控制等的集成技术,RFID应用系统中间件技术,海量RFID信息资源的组织、存储、管理、交换、分发、数据处理和跨平台计算技术等。

RFID公共服务体系:提供支持RFID社会性应用的基础服务体系的认证、注册、编码管理、多编码体系映射、编码解析、检索与跟踪等技术与服务。

RFID技术检测与规范:例如面向不同行业应用的RFID标签及相关产品物理特性和性能一致性检测技术与规范,标签与读写器之间空中接口一致性检测技术与规范,以及系统解决方案综合性检测技术与规范等。

2.6.RFID的标准与技术规范

RFID标准体系分为技术标准和应用标难。技术标准主要包括接口规范、物理特性、读写器协议、编码体系、测试规范、应用规范、数据管理、信息安全等标准组成。应用标准主要分为动物识别、身份识别、商业、交通、军事等。

目前常用的国际标准主要有ISO/IEC18000标准(包括7个部分,涉及125KHz12.56MHz860-960MHz2.45GHz等频段)、用于对动物识别的ISO11784ISO1178,用于非接触智能卡的ISO105361569314443,用于集装箱识别的ISO10374等。目前国际上制定RFID标准的组织比较著名的有三个:ISO国际组织、以美国为首的EPC global以及日本的Ubiquitous ID Center,而这三个组织对RFID技术应用规范都有各自的目标与发展规划。下面简单介绍一下本文相关的EPC global国际标准[8]

EPC(Electronic Product Code)标准使用的频率有13.56MHz以及902-928MHz,由EPC global Inc所推动提出。EPC的目标主要就是推动让生活中的每项物品都有一个唯一的编码,且相互连接形成一个即所谓的物联网概念。使用者可以利用物联网的EPC编码名称解析服务ONS(Object Name Service),让使用EPC RFID标签的货品可以流通全球。在20046EPC global正式公布了全球第一的RFID标准,让全球不同的企业在使用RFID上有个共通标准,其中EPC Tag所设定的5个不同等级为:

1Class0: 只供读取,简单被动式,仅提供在出厂时以制订号码的唯读标签。标签在出厂时即写入一组不可更改的号码,提供简单的服务辨识;

2Class1: 只写一次,简单被动式,可供一次写入;

3Class2: 重复读写,具有可重复读写功能,被动式标签;

4Class3: 内设感应器的半被动标签,有重复读写功能,更包含额外的感应器,可侦查温度!湿度!动向变化等并记录在标签中,内建电池增加读取距离;

5 Class4: 属于天线,是一种半被动标签,可主动与其他标签沟通,还在研发过程中。

2.7.RFID的技术应用

RFID技术以其独特的优势,逐渐被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理系统等领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大,RFID产品的成本将不断的降低,其应用将越来越广泛。

在物流领域,RFID的大规模应用提升了物流能力。可应用过程包括:物流过程中的货物跟踪,信息自动采集,仓储管理应用,港口应用,邮政包裹,快递等;在零售领域,有沃尔玛、麦德龙等大超市一手推动的RFID应用,可以为零售业带来包括降低劳动成本、商品的可适度提高,降低因商品断货造成的损失,减少商品偷窃现象等好处。可应用的过程包括:商品的销售数据实时统计,补货,防盗等;在制造业领域,RFID应用于生产过程的生产数据实时监控,质量追踪,自动化生产,个性化生产等。在贵重及精密的货物生产领域应用更为迫切;在服务业领域,可以应用于服装的自动化生产,仓储管理,品牌管理,单品管理,渠道管理等过程,随着标签价格的降低,这一领域将有很大的应用潜力;在医药领域,可以应用于医院的医疗器械管理,病人身份识别,婴儿防盗等领域。医疗行业对标签的成本比较不敏感,所以该行业是RFID应用的先锋之一;在身份识别领域,RFID技术由于天生的快速读取难于伪造,而被广泛应用于个人的身份识别证件;在汽车领域,可以应用于机车自动化,个性化的生产,汽车的防盗,汽车的定位,可以作为安全性较高的钥匙;航空领域里面,应用于旅客机票、行李包裹追踪等,还可以应用于飞机的制造,飞机零部件的保养及质量追踪、快速登机等;在军事领域,可进行弹药、枪支、物资、人员、卡车等识别与跟踪。

2.8.本章小结

本章主要介绍了RFID的相关概念以及RFID的应用前景。RFID作为一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣环境。同时,RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。目前,在仓储管理中,货物的信息采集主要采用条码技术,但条码技术具有记录信息无法更改、存储容量相对较小的的缺点,条形码扫描仪必须看到条形码才能读取,这样,工作人员必须亲手扫描每件商品的条形码。如果条形码被撕裂、亏损或丢失,扫描仪将无法扫描、识别货物。如果需要改进信息需要重新贴上条形码标签,既增加了工序,浪费了人力资源,又增加了成本,降低了效率。因此,我们研究设计基于RFID的仓储管理系统,充分发挥RFID技术的独特优势,弥补传统仓储管理系统的一些不足,从而降低物流费用,提高仓储效率。


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