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实验准备知识1

RFID实验准备知识

1、RFID基础概念

RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。

常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。

RFID射频识别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。

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。

短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。

长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。

一套完整RFID系统由Reader与电子标签两部份组成,其动作原理为由Reader发射一特定频率之无限电波能量给电子标签,用以驱动电子标签电路将內部之IDCode送出，此时Reader便接收此IDCode。

电子标签的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。

RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。

电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。

依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签（Activetag）、无源电子标签（Passivetag）和半无源电子标签（Semi—passivetag）。

有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池，半无源电子标签（Semi—passivetag）部分依靠电池工作。

电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。

依据封装形式的不同可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。

RFID解决方案是RFID技术供应商针对行业发展特点制定的RFID应用方案，可根据不同企业的实际要求“量身定做”。

RFID解决方案可按照行业进行分类，物流、防伪防盗、身份识别、资产管理、动物管理、快捷支付等等。

RFID阅读器（读写器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。

典型的阅读器包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元以及阅读器天线。

电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。

电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。

发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。

（1）电感耦合。

变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定

律，如图所示:

（2）电磁反向散射耦合：

雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。

电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。

典型的工作频率有：

125kHz、225kHz和13．56MHz。

识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cra。

　　电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。

典型的工作频率有：

433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。

识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m.

RFID应用的领域相当广泛：

1、物流：

　　　物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储应用，港口应用，邮政，快递

2、零售：

　　　商品的销售数据实时统计，补货，防盗

3、制造业：

　　生产数据的实时监控，质量追踪，自动化生产

4、服装业：

　　自动化生产，仓储管理，品牌管理，单品管理，渠道管理

5、医疗：

　　　医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗

6、身份识别：

　电子护照，身份证，学生证等各种电子证件。

7、防伪：

　　　贵重物品（烟，酒，药品）的防伪，票证的防伪等

8、资产管理：

　各类资产（贵重的或数量大相似性高的或危险品等）

9、交通：

　　　高速不停车，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等

10、食品：

　　水果，蔬菜，生鲜，食品等保鲜度管理

11、动物识别：

训养动物，畜牧牲口，宠物等识别管理

12、图书馆：

　书店，图书馆，出版社等应用

13、汽车：

　　制造，防盗，定位，车钥匙

14、航空：

　　制造，旅客机票，行李包裹追踪

15、军事：

　　弹药，枪支，物资，人员，卡车等识别与追踪

16、其它：

2、RFID的工作频率

从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重要的特点之一。

毫无疑问，射频标签的工作频率是其最重要的特点之一。

射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。

工作在不同频段或频点上的射频标签具有不同的特点。

射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段之中。

典型的工作频率有：

125kHz，133kHz，13.56MHz，27.12MHz，433MHz，902~928MHz，2.45GHz，5.8GHz等。

低频段射频标签：

低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz~300kHz。

典型工作频率有：

125KHz，133KHz。

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阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。

低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。

低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。

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。

与低频标签相关的国际标准有：

ISO11784/11785（用于动物识别）、ISO18000-2（125-135kHz）。

低频标签有多种外观形式，应用于动物识别的低频标签外观有：

项圈式、耳牌式、注射式、药丸式等。

典型应用的动物有牛、信鸽等。

低频标签的主要优势体现在：

标签芯片一般采用普通的CMOS工艺，具有省电、廉价的特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等；非常适合近距离的、低速度的、数据量要求较少的识别应用（例如：

动物识别）等。

低频标签的劣势主要体现在：

标签存贮数据量较少；只能适合低速、近距离识别应用；与高频标签相比：

标签天线匝数更多，成本更高一些；

中高频段射频标签：

中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz~30MHz。

典型工作频率为：

13.56MHz。

该频段的射频标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。

另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，如表2.2所示，所以也常将其称为高频标签。

鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签，因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念，即不会在此造成理解上的混乱。

为了便于叙述，我们将其称为中频射频标签。

中频标签一般也采用无源设主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。

标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读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米。

中频标签由于可方便地做成卡状，典型应用包括：

电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。

相关的国际标准有：

ISO10374，ISO18000-4（2.45GHz）、-5（5.8GHz）、-6（860-930MHz）、-7（433.92MHz），ANSINCITS256-1999等。

标准组织制定的就是协议：

射频标签通信协议。

射频标签与读写器之间交换的是数据，由于采用无接触方式通信，还存在一个空间无线信道。

因而，射频标签与读写器之间的数据交换构成的是一个无线数据通信系统。

在这样的数据通信系统模型下，射频标签是数据通信的一方，读写器是通信的另一方。

要实现安全、可靠、有效的数据通信目的，数据通信的双方必须遵守相互约定的通信协议。

没有这样一个通信双方公认的基础，数据通信的双方将互相听不懂对方在说什么，步调也无从协调一致，从而造成数据通信无法进行。

所涉及到的问题包括：

时序系统问题；通信握手问题；数据帧问题；数据编码问题；数据的完整性问题；多标签读写防冲突问题；干扰与抗干扰问题；识读率与误码率问题；数据的加密与安全性问题；读写器与应用系统之间的接口问题。

RFID标准化组织：

2004年是RFID技术发展的关键时期，因为在今年所有相关的技术标准将会陆续发布，以满足美国商业巨头沃尔玛和美国国防部等大量物流应用所需。

目前制定RFID标准的组织比较著名的有三个：

ISO、以美国为首的EPCglobal以及日本的UbiquitousIDCenter，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。

如果从发展的角度来观察全球RFID标准制定，目前最为积极的非EPCglobal莫属。

目前，我国也已经成立了一个RFID国家标准工作组，正在制定相关的RFID国家标准。

目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和甚高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品,而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。

其中感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。

1．低频（从125KHz到134KHz）:

其实RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。

该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作,也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用.通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流,可作供电电压使用.磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。

特性：

1.工作在低频的感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz,TI的工作频率为134.2KHz。

该频段的波长大约为2500m.

2.除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。

3.工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。

4．低频产品有不同的封装形式。

好的封装形式就是价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。

5．虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

6．相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。

7．感应器的价格相对与其他频段来说要贵。

主要应用：

1．畜牧业的管理系统；2．汽车防盗和无钥匙开门系统的应用；3．马拉松赛跑系统的应用；4．自动停车场收费和车辆管理系统；5．自动加油系统的应用；6．酒店门锁系统的应用；7．门禁和安全管理系统

符合的国际标准：

a）ISO11784RFID畜牧业的应用－编码结构

b）ISO11785RFID畜牧业的应用－技术理论

c）ISO14223-1RFID畜牧业的应用－空气接口

d）ISO14223-2RFID畜牧业的应用－协议定义

e）ISO18000-2定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议

f）DIN30745主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准

2．高频（工作频率为13.56MHz）:

在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀活着印刷的方式制作天线。

感应器一般通过负载调制的方式的方式进行工作。

也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。

如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器

特性：

1.工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m。

2.除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。

感应器需要离开金属一段距离。

3.该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。

4.感应器一般以电子标签的形式。

5.虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

6.该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。

7.可以把某些数据信息写入标签中。

8.数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。

主要应用：

1．图书管理系统的应用；2．瓦斯钢瓶的管理应用；3．服装生产线和物流系统的管理和应用；4．三表预收费系统；5．酒店门锁的管理和应用；6．大型会议人员通道系统；7．固定资产的管理系统；8．医药物流系统的管理和应用；9．智能货架的管理

符合的国际标准：

a）ISO/IEC14443近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm.

b）ISO/IEC15693疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m.

c）ISO/IEC18000-3该标准定义了13.56MHz系统的物理层，防冲撞算法和通讯协议。

d）13.56MHzISMBandClass1定义13.56MHz符合EPC的接口定义。

3．超高频（工作频率为860MHz到960MHz之间）:

甚高频系统通过电场来传输能量。

电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。

该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。

主要是通过电容耦合的方式进行实现。

特性：

1．在该频段，全球的定义不是很相同－欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz，北美定义的频段为902到905MHz之间，在日本建议的频段为950到956之间。

该频段的波长大概为30cm左右。

2．目前，该频段功率输出目前统一的定义（美国定义为4W，欧洲定义为500mW）。

可能欧洲限制会上升到2WEIRP。

3．甚高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水，灰尘，雾等悬浮颗粒物资。

相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标签不需要和金属分开来。

4．电子标签的天线一般是长条和标签状。

天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。

5．该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。

6．有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。

主要应用：

1．供应链上的管理和应用

2．生产线自动化的管理和应用

3．航空包裹的管理和应用

4．集装箱的管理和应用

5．铁路包裹的管理和应用

6．后勤管理系统的应用

符合的国际标准：

a）ISO/IEC18000-6定义了甚高频的物理层和通讯协议；空气接口定义了TypeA和TypeB两部分；支持可读和可写操作。

b）EPCglobal定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通讯的协议。

例如：

Class0,Class1,UHFGen2。

c）UbiquitousID日本的组织，定义了UID编码结构和通信管理协议。

使用频率为13.56MHz,915MHz,2.45GHz的射频会有辐射危害吗？

射频技术使用电磁波低端频谱，解读器发出的无线电波和汽车中的立体声一样安全无害。

每个国家都有控制能量水平的机构，介于AM和FM之间的13.56MHz频率已经被使用多年，即使在很高的能量下也没有出现问题。

美国和其他大多数国家的能量极限是4瓦。

模拟移动电话周围发出的频率是915MHz，能量在1瓦以下的范围没有发现危害健康的现象。

最新电子移动电话产生的频率是2.45GHz。

能量在1瓦以下的范围没有证明有危害健康的因素。

3、RFID系统知识进阶

1.工作方式

射频识别系统的基本工作方式分为全双工（FullDuplex）和半双工（HalfDuplex）系统以及时序（SEQ）系统。

全双工表示射频标签与读写器之间可在同一时刻互相传送信息。

半双工表示射频标签与读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向一个方向传送信息。

在全双工和半双工系统中，射频标签的响应是在读写器发出的电磁场或电磁波的情况下发送出去的。

因为与阅读器本身的信号相比，射频标签的信号在接收天线上是很弱的，所以必须使用合适的传输方法，以便把射频标签的信号与阅读器的信号区别开来。

在实践中，人们对从射频标签到阅读器的数据传输一般采用负载反射调制技术将射频标签数据加载到反射回波上（尤其是针对无源射频标签系统）。

时序方法则与之相反，阅读器的辐射出的电磁场短时间周期性地断开。

这些间隔被射频标签识别出来，并被用于从射频标签到阅读器的数据传输。

其实，这是一种典型的雷达工作方式。

时序方法的缺点是：

在阅读器发送间歇时，射频标签的能量供应中断，这就必须通过装入足够大的辅助电容器或辅助电池进行补偿。

2．数据量

射频识别射频标签的数据量通常在几个字节到几千个字节之间。

但是，有一个例外，这就是1比特射频标签。

它有1比特的数据量就足够了，使阅读器能够作出以下两种状态的判断：

"在电磁场中有射频标签"或"在电磁场中无射频标签"。

这种要求对于实现简单的监控或信号发送功能是完全足够的。

因为1比特的射频标签不需要电子芯片，所以射频标签的成本可以做得很低。

由于这个原因，大量的1比特射频标签在百货商场和商店中用于商品防盗系统（EAS）。

当带着没有付款的商品离开百货商场时，安装在出口的读写器就能识别出"在电磁场中有射频标签"的状况，并引起相应的反应。

对按规定已付款的商品来说，1比特射频标签在付款处被除掉或者去活化。

3．可编程

能否给射频标签写入数据是区分射频识别系统的另外一个因素。

对简单的射频识别系统来说，射频标签的数据大多是简单的（序列）号码，可在加工芯片时集成进去，以后不能再变。

与此相反，可写入的射频标签通过读写器或专用的编程设备写入数据。

射频标签的数据写入一般分为无线写入与有线写入两种形式。

目前铁路应用的机车、货车射频标签均采用有线写入的工作方式。

4．数据载体

为了存贮数据，主要使用三种方法：

EEPROM、FRAM、SRAM。

对一般的射频识别系统来说，使用电可擦可编程只读存贮器（EEPROM）是主要方法。

然而，使用这种方法的缺点是：

写入过程中的功率消耗很大，使用寿命一般为写入100,000次。

最近，也有个别厂家使用所谓的铁电随机存取存贮器（FRAM）。

与电可擦可编程只读存贮器相比，铁电随机存取存贮器的写入功率消耗减少100倍，写入时间甚至减少1000倍。

然而，铁电随机存取存贮器由于生产中的问题至今未获得广泛应用。

FRAM属于非易失类存贮器。

对微波系统来说，还使用静态随机存取存贮器（SRAM），存贮器能很快写入数据。

为了永久保存数据，需要用辅助电池作不中断的供电。

5．状态模式

对可编程射频标签来说，必须由数据载体的"内部逻辑"控制对标签存贮器的写/读操作以及对写/读授权的请求。

在最简单的情况下，可由一台状态机来完成。

使用状态机，可以完成很复杂的过程。

然而，状态机的缺点是：

对修改编程的功能缺乏灵活性，这意味着要设计新的芯片，由于这些变化需要修改硅芯片上的电路，设计更改实现所要的花费很大。

微处理器的使用明显地改善了这种情况。

在芯片生产时，将用于管理应用数据的操作系统，通过掩膜方式集成到微处理器中，这种修改花费不多。

此外，软件还能调整以适合各种专门应用。

此外，还有利用各种物理效应存贮数据的射频标签，其中包括只读的表面波（SAW）射频标签和通常能去活化（写入"0"）以及极少的可以重新活化（写入"1"）的1比特射频标签。

6．能量供应

射频识别系统的一个重要的特征是射频标签的供电。

无源的射频标签自已没有电源。

因此，无源的射频标签工作用的所有能量必须从阅读器发出的电磁场中取得。

与此相反，有源的射频标签包含一个电池，为微型芯片的工作提供全部或部分（"辅助电池"）能量。

7．电子标签耦合类型概述

射频识别系统中射频标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中的一个重要问题，通常情况下这种作用距离定义为射频标签与读写器之间能够可靠交换数据的距离。

射频识别系统的作用距离是一项综合指标，与射频标签及读写器的配合情况密切相关。

根据射频识别系统作用距离的远近情况，射频标签天线与读写器天线之间的耦合可分为以下三类：

（1）密耦合系统；密耦合系统的典型作用距离范围从0~1cm。

实际应用中，通常需要将射频标签插入阅读器中或将其放置到读写器的天线的表面。

密耦合系统利用的是射频标签与读写器天线无功近场区之间的电感耦合（闭合磁路）构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。

密耦合系统的工作频率一般局限在30MHz以下的任意频率。

由于密耦合方式的电磁泄露很小、耦合获得的能量较大，因而可适合要求安全性较高，作用距离无要求的应用系统，如电子门锁等。

（2）遥耦合系统；遥耦合系统的典型作用距离可以达到1m。

遥耦合系统又可细分为近耦合系统（典型作用距离为15cm）与疏耦合系统（典型作用距离为1m）两类。

遥耦合系统利用的是射频标签与读写器天线无功近场区之间的电感耦合（闭合磁路）构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。

遥耦合系统的典型工作频率为13.56MHz，也有一些其他频率，如6.75MHz、27.125MHz等。

遥耦合系统目前仍然是低成本射频识别系统的主流。

（3）远距离系统。

远距离系统的典型

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