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RFID是一種射頻識(shí)別系統(tǒng)。典型的RFID系統(tǒng)主要由讀寫(xiě)器、電子標(biāo)簽、中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件四部分構(gòu)成,一般把中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件統(tǒng)稱為應(yīng)用系統(tǒng)。
RFID電子標(biāo)簽(Tag):由耦合元件及芯片組成,每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼,高容量電子標(biāo)簽有用戶可寫(xiě)入的存儲(chǔ)空間,附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。電子標(biāo)簽又稱射頻標(biāo)簽、電子標(biāo)簽、數(shù)據(jù)載體。
RFID讀寫(xiě)器(Reader):也稱閱讀器、讀取器,讀?。ㄓ袝r(shí)還可以寫(xiě)入)標(biāo)簽信息的設(shè)備,可設(shè)計(jì)為手持式或固定式;因?yàn)閷?shí)際需求的原因,它一般都帶與計(jì)算機(jī)連接的接口。
RFID天線(Antenna):是一種以電磁波形式把無(wú)線電收發(fā)機(jī)的射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的裝置,在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。它分為標(biāo)簽天線和讀寫(xiě)器天線兩種。標(biāo)簽天線的目的是傳輸最大的能量進(jìn)出標(biāo)簽芯片:發(fā)射時(shí),把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波;接收時(shí),把電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流。
在實(shí)際RFID解決方案中,不論是簡(jiǎn)單的RFID系統(tǒng)還是復(fù)雜的RFID系統(tǒng)都包含一些基本組件。這些基本組件分為硬件組件和軟件組件。
若從功能實(shí)現(xiàn)的角度觀察,可將RFID系統(tǒng)分成邊沿系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分,這種觀點(diǎn)與現(xiàn)代信息技術(shù)觀點(diǎn)相吻合。圖4-3中的邊沿系統(tǒng)主要完成信息的感知,屬于硬件組件部分;軟件系統(tǒng)主要完成信息的處理和應(yīng)用;通信設(shè)施主要負(fù)責(zé)整個(gè)RFID系統(tǒng)的信息傳遞。
RFID系統(tǒng)中的硬件組件包括電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、傳感器/執(zhí)行器/報(bào)警器和邊沿接口電路、控制器和天線;該系統(tǒng)中當(dāng)然還要有主機(jī),用于處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用軟件程序,并連接網(wǎng)絡(luò)。
1.RFID電子標(biāo)簽
RFID電子標(biāo)簽也稱應(yīng)答器或智能標(biāo)簽(Smart Label),是一個(gè)微型的無(wú)線收發(fā)裝置,主要由內(nèi)置天線和芯片組成。電子標(biāo)簽是RFID系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體,其芯片中存儲(chǔ)有能夠識(shí)別目標(biāo)的信息。它根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同表現(xiàn)為不同的應(yīng)用形態(tài),如在動(dòng)物跟蹤和追蹤領(lǐng)域中稱為動(dòng)物標(biāo)簽或動(dòng)物追蹤標(biāo)簽、電子狗牌;在不停車收費(fèi)或車輛出入管理等車輛自動(dòng)識(shí)別領(lǐng)域中稱為車輛遠(yuǎn)距離IC卡、車輛遠(yuǎn)距離射頻標(biāo)簽或電子牌照;在訪問(wèn)控制領(lǐng)域中稱為門(mén)禁卡或一卡通。
電子標(biāo)簽內(nèi)部各模塊的功能描述如下。
(1)天線:用來(lái)接收由讀寫(xiě)器送來(lái)的信號(hào),并把要求的數(shù)據(jù)送回給讀寫(xiě)器。
(2)電壓調(diào)節(jié)器:把由讀寫(xiě)器送來(lái)的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電源,并經(jīng)大電容儲(chǔ)存能量,再經(jīng)穩(wěn)壓電路來(lái)提供穩(wěn)定的電源。(3)調(diào)制器:邏輯控制電路送出的數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后加載到天線送給讀寫(xiě)器。
(4)解調(diào)器:去除載波以取出真正的調(diào)制信號(hào)。
(5)邏輯控制單元:用來(lái)譯碼由讀寫(xiě)器送來(lái)的信號(hào),并依其要求回送數(shù)據(jù)給讀寫(xiě)器。
(6)存儲(chǔ)單元:包括EEPROM與ROM,作為系統(tǒng)運(yùn)行及存放識(shí)別數(shù)據(jù)的位置。
RFID標(biāo)簽具有持久性,信息接收傳播穿透性強(qiáng),存儲(chǔ)信息容量大、種類多等特點(diǎn)。它根據(jù)組成原理和工作方式不同,分為有源電子標(biāo)簽、半有源電子標(biāo)簽、無(wú)源電子標(biāo)簽。
1)RFID無(wú)源電子標(biāo)簽
無(wú)源電子標(biāo)簽無(wú)板載電源,其電源由讀寫(xiě)器供給。它必須利用讀寫(xiě)器的載波來(lái)調(diào)制自身的信號(hào),其產(chǎn)生電能的裝置是天線和線圈。當(dāng)無(wú)源電子標(biāo)簽進(jìn)入RFID系統(tǒng)工作區(qū)后,天線接收特定的電磁波,線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流供給標(biāo)簽工作。無(wú)源電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的通信總是由讀寫(xiě)器發(fā)起,然后標(biāo)簽響應(yīng),再由讀寫(xiě)器接收標(biāo)簽發(fā)出的數(shù)據(jù)。無(wú)源電子標(biāo)簽的讀寫(xiě)距離小于有源和半有源電子標(biāo)簽的讀寫(xiě)距離,一般為3cm~9m。無(wú)源電子標(biāo)簽由微芯片和標(biāo)簽天線組成。
① 微芯片。微芯片主要由數(shù)字電路及存儲(chǔ)器組成,電源控制/整流模塊將讀寫(xiě)器發(fā)出的天線電磁波交流信號(hào)經(jīng)過(guò)整流轉(zhuǎn)換為直流電源,為微芯片及其組件工作供電;時(shí)鐘從讀寫(xiě)器的天線信號(hào)中提取時(shí)鐘信號(hào);調(diào)制器調(diào)制接收到的讀寫(xiě)器信號(hào),標(biāo)簽對(duì)接收的調(diào)制信號(hào)做出響應(yīng),然后將其傳回讀寫(xiě)器;邏輯單元負(fù)責(zé)標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間通信協(xié)議的實(shí)施;存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)微處理器記憶數(shù)據(jù),存儲(chǔ)器一般是分段的(分塊或字段),尋址能力就是地址讀寫(xiě)范圍,不同的分塊可以存儲(chǔ)不同的數(shù)據(jù)類型,如部分標(biāo)記標(biāo)簽對(duì)象的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)校驗(yàn)部分(循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC碼))保證發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等。近年來(lái),隨著技術(shù)的進(jìn)步,可以將小規(guī)模的微芯片做得很小,然而,一個(gè)電子標(biāo)簽的物理尺寸不僅取決于它的芯片的大小,還與其標(biāo)簽天線有關(guān)。
② 天線。這里主要是指標(biāo)簽天線,標(biāo)簽天線是電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器的空中接口,不管是何種電子標(biāo)簽,其讀寫(xiě)設(shè)備均少不了標(biāo)簽天線或耦合線圈。標(biāo)簽天線用于接收讀寫(xiě)器的射頻能量和相關(guān)的指令信息,以及發(fā)射帶有標(biāo)簽信息的反射信號(hào)。一般的,一個(gè)標(biāo)簽天線的長(zhǎng)度遠(yuǎn)超過(guò)微芯片的大小,因此天線尺寸決定一個(gè)電子標(biāo)簽的物理尺寸。標(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)可以基于如下幾個(gè)因素:①電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的距離;②電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的方位和角度;③產(chǎn)品類型;④電子標(biāo)簽的運(yùn)動(dòng)速度;⑤讀寫(xiě)器天線極化類型。微芯片和標(biāo)簽天線之間的連接點(diǎn)是電子標(biāo)簽最薄弱的地方,如果這些連接點(diǎn)受損,則電子標(biāo)簽可能失效或性能顯著下降。
無(wú)源電子標(biāo)簽具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)、抗惡劣環(huán)境等特點(diǎn)。例如,有的可以在水下工作,有的具有抗化學(xué)腐蝕、抗酸能力。
無(wú)源電子標(biāo)簽廣泛用于各種場(chǎng)合,如門(mén)禁或交通系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)、身份證、消費(fèi)卡等。
2)RFID有源電子標(biāo)簽
有源電子標(biāo)簽有一個(gè)板載電源(如電池或太陽(yáng)能電池),它可為標(biāo)簽的電子電路工作提供能量。有源電子標(biāo)簽可以主動(dòng)向讀寫(xiě)器發(fā)送數(shù)據(jù),它不需要讀寫(xiě)器發(fā)射能量來(lái)激活數(shù)據(jù)的傳輸。其板載電子電路包括微處理器、傳感器、輸入/輸出端口和電源電路等。因此,這類電子標(biāo)簽可以測(cè)量環(huán)境溫度和生成平均溫度數(shù)據(jù),然后可將這些數(shù)據(jù)、當(dāng)時(shí)日期和唯一標(biāo)識(shí)符等發(fā)送給讀寫(xiě)器。
有源電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的通信始終都是由標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)起的,然后由讀寫(xiě)器做出響應(yīng)。在這類標(biāo)簽中,不管讀讀寫(xiě)器是否存在,標(biāo)簽都能夠連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。
有源電子標(biāo)簽的閱讀距離一般可以在30m以上。有源電子標(biāo)簽通常包括微芯片、標(biāo)簽天線板載電源,而半有源標(biāo)簽一般有由銅薄帶金屬組成的板載電源、無(wú)線、芯片等組成部分。其微芯片和標(biāo)簽天線的構(gòu)成與無(wú)源電子標(biāo)簽相同,區(qū)別在于板載電源和板載電子電路部分。
① 板載電源。所有的有源電子標(biāo)簽都有板載電源(電池),它可為板載電子電路提供能量和發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)電池的使用壽命,一般有源電子標(biāo)簽的壽命為2~7年,決定其壽命的因素之一是電子標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔,間隔越大,電池持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),電子標(biāo)簽的壽命越長(zhǎng)。例如,電子標(biāo)簽由每隔幾秒鐘發(fā)送一次增加到每分鐘發(fā)送一次或每小時(shí)發(fā)送一次,這樣會(huì)增加電池的壽命。另外,板載傳感器和處理器也會(huì)消耗電能,縮短電池壽命。當(dāng)電池消耗完后,電子標(biāo)簽就停止發(fā)送數(shù)據(jù),此時(shí)即使電子標(biāo)簽在讀寫(xiě)器的讀取范圍內(nèi),讀寫(xiě)器也無(wú)法讀取標(biāo)簽信號(hào),除非電子標(biāo)簽向讀寫(xiě)器發(fā)送電池狀態(tài)信息。
② 板載電子電路。板載電子可以使電子標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)和完成一項(xiàng)特殊任務(wù),如計(jì)算、顯示某種參數(shù)值,執(zhí)行傳感器感知等。它還可以提供與外部傳感器的連接。因此根據(jù)傳感器的類型,這類電子標(biāo)簽可以完成各種各樣的感知任務(wù)。換句話說(shuō),這個(gè)元件的功能是無(wú)限的,但是其功能和物理大小是呈比例的,功能越強(qiáng),物理大小越大,不過(guò)只要電子標(biāo)簽易于部署和沒(méi)有硬件大小的限制,則這種增長(zhǎng)是可以接受的。
3)RFID半有源電子標(biāo)簽
半有源電子標(biāo)簽也有板載電源和完成特殊任務(wù)的電子元件,板載電源僅僅為電子標(biāo)簽的運(yùn)算操作提供能量,其發(fā)送信號(hào)由讀寫(xiě)器供電。半有源電子標(biāo)簽也稱電池輔助電子標(biāo)簽。在電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器之間的通信過(guò)程中,始終是讀寫(xiě)器處于主動(dòng)發(fā)起方,電子標(biāo)簽被動(dòng)式響應(yīng)。為什么使用半有源電子標(biāo)簽而不使用無(wú)源電子標(biāo)簽?首先,因?yàn)榘胗性措娮訕?biāo)簽不像無(wú)源電子標(biāo)簽?zāi)菢佑勺x寫(xiě)器來(lái)激活,所以它可以讀取一個(gè)更遠(yuǎn)距離的讀寫(xiě)器信號(hào)。其次,在讀寫(xiě)器區(qū)域內(nèi),由于無(wú)須通電激活,電子標(biāo)簽有充分的時(shí)間被讀寫(xiě)器讀取數(shù)據(jù),所以即使電子標(biāo)簽?zāi)繕?biāo)在高速移動(dòng),它仍可被可靠地讀取數(shù)據(jù)。最后,半有源電子標(biāo)簽通過(guò)使用透明和吸附性材料的射頻使其具有更好的可讀性。在理想條件下,半有源電子標(biāo)簽使用反向散射調(diào)制技術(shù),其讀寫(xiě)器距離大約在30m以內(nèi)。2.讀寫(xiě)器
讀寫(xiě)器是一個(gè)捕捉和處理RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的設(shè)備,它可以是單獨(dú)的個(gè)體,也可以嵌入其他系統(tǒng)之中。讀寫(xiě)器也是構(gòu)成RFID系統(tǒng)的重要部件之一,由于它能夠?qū)?shù)據(jù)寫(xiě)到RFID標(biāo)簽中,所以稱之為讀寫(xiě)器。但早期由于其功能單一,所以在許多文獻(xiàn)中稱之為讀寫(xiě)器、查詢器等。讀寫(xiě)器還負(fù)責(zé)與主機(jī)接口,即通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)讀取或?qū)懭腚娮訕?biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)信息。由于電子標(biāo)簽是非接觸式的,所以必須借助讀寫(xiě)器來(lái)實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽和應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。
(1)讀寫(xiě)器的組成結(jié)構(gòu)
讀寫(xiě)器的硬件部分通常由收發(fā)機(jī)、微處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口、通信接口及電源等部件組成
(2)讀寫(xiě)器的功能
在RFID系統(tǒng)中,讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽的所有行為均由應(yīng)用軟件來(lái)控制完成。應(yīng)用軟件作為主動(dòng)方對(duì)讀寫(xiě)器發(fā)出讀寫(xiě)指令,而讀寫(xiě)器則作為從動(dòng)方只對(duì)應(yīng)用軟件的讀寫(xiě)指令做出回應(yīng)。讀寫(xiě)器接收到應(yīng)用軟件的動(dòng)作指令后,回應(yīng)的結(jié)果就是對(duì)電子標(biāo)簽做出相應(yīng)的動(dòng)作,建立某種通信關(guān)系。讀寫(xiě)器觸發(fā)電子標(biāo)簽工作,并對(duì)所觸發(fā)的電子標(biāo)簽進(jìn)行身份驗(yàn)證,然后電子標(biāo)簽開(kāi)始傳送所要求的數(shù)據(jù)信息。具體來(lái)說(shuō),讀寫(xiě)器具有以下功能:
① 在規(guī)定的技術(shù)條件下,可與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信;
② 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口,如RS-232等,
3.RFID控制器
控制器是讀寫(xiě)器芯片有序工作的指揮中心,其主要功能是:與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信;執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來(lái)的動(dòng)作指令;控制與電子標(biāo)簽的通信過(guò)程;基帶信號(hào)的編碼與解碼;執(zhí)行防碰撞算法;對(duì)讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽之間傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密;進(jìn)行讀寫(xiě)器與電子標(biāo)簽之間的身份認(rèn)證;對(duì)鍵盤(pán)、顯示設(shè)備等其他外部設(shè)備進(jìn)行控制。
4.RFID讀寫(xiě)器天線
天線是一種以電磁波形式把前端射頻信號(hào)功率接收或輻射出去的設(shè)備,是電路與空間的界面器件,用來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)化。在RFID系統(tǒng)中,天線分為電子標(biāo)簽天線和讀寫(xiě)讀寫(xiě)器天線兩大類,分別承擔(dān)接收能量和發(fā)射能量的作用。
在選擇讀寫(xiě)器天線時(shí)應(yīng)考慮的主要因素有:天線的類型;天線的阻抗;應(yīng)用到物品上的電子標(biāo)簽的性能;在有其他物品圍繞貼標(biāo)簽物品時(shí)射頻的性能。
5.RFID通信設(shè)施
通信設(shè)施為不同的RFID系統(tǒng)管理提供安全通信連接,是RFID系統(tǒng)的重要組成部分。通信設(shè)施包括有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和讀寫(xiě)器或控制器與計(jì)算機(jī)連接的串行通信接口。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以是個(gè)域網(wǎng)(PAN)(如藍(lán)牙技術(shù))、局域網(wǎng)(如802.11x、WiFi),也可以是廣域網(wǎng)(如GPRS、3G技術(shù))或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(如同步軌道衛(wèi)星L波段的RFID系