（信号与信息处理专业论文）远距离射频身份识别技术的研究.pdf

东南大学硕士学位论文摘要 摘要 射频身份识别技术是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号空间 耦合或传输的特性，实现对静止或移动物体的自动识别。近距离射频身份识别系统在国内 外已经大量投入运用。作用距离大于1 0 m 甚至大于2 0 m 的远距离射频身份识别系统则较 为少见。对于人员和物品的识别和检测定位而言，远距离射频身份识别系统在系统检测效 率，支持移动检测，识读器安装便捷性以及系统自动化程度方面较近距离射频身份识别系 统有着不可比拟的优势，具有非常大的实用意义。 本文工作的项目背景是实现基于煤矿井下人员与设备远距离射频识别与检测系统。本 文工作覆盖远距离射频身份识别系统的物理层设计、m a c 层协议制定、m a c 层协议关 键参数研究和协议仞步软件实现四个方面。 本文首先介绍了射频身份识别系统的原理与系统组成，在讨论了目前广泛应用的射频 身份识别系统分类的基础上，分析了本文项目背景下系统的特点和要求，指出了远距离射 频识别系统的五点关键技术。在比较了多种远距离射频身份识别系统物理层硬件设计方案 和现有短距离无线通信标准的基础上，选择c c l 0 1 0 实现了工作于8 6 8 m h z 的射频标签 和识读器样机。通过搜索、阅读相关文献以及计算机仿真和频谱分析仪实验测量，设计和 实现了可用于本文射频标签的p c b 天线。并给出了点对点的物理层数据通信测试结果。 m a c 协议是无线通信系统高效运行的基础和关键技术之一。本文针对远距离射频 身份识别系统的典型工作模式，设计了专门应用于本文项目背景的m a c 协议，包括帧格 式定义，s p y a n d r e c o n t e n t i o n m a c 以及s l e e p b a c k o f f m a c 两种射频标签识读器状态 机。分析和推导给出了两种状态机中的相关时| 日j 参数的数学约束关系，并使用m a ，r l a b 建立了s p y a n d r e c o n t e n t i o n m a c 协议软件仿真平台。利用计算机辅助的数学建模的方 法对s p ya n dr e c o n t e n t i o nm a c 的关键设计参数最佳退避窗口数c “t m a l 进行了深 入研究，得出了其数学表达式。通过m a t l a b 仿真平台验证了本文给出的c 。m a l 数学 表达式的正确性。为下一步设计和完善c w 动态伸缩高效m a c 协议奠定了理论基础。 最后本文介绍了基于c c l 0 1 0 硬件平台的射频标签和识读器软件实现框架，给出了 s p ya n dr e c o n t e m i o nm a c 的初步代码实现。并且针对工作中出现的问题以及将来系统 进一步的完善提出了几点建议。 关键词：远距离射频身份识别射频标签识读器m a c随机退避 东南大学硕士学位论文 a b s l r a e t a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n b a s e do nt h er a d i os i g n a l sf e a t u r e so fs p a c et r a n s m i s s i o q o ri n d u c t i v ea n dc a p a c i t i v ec o u p l i n g i san o n c o n t a c ta u t oi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yf o rb o m s t a t i o n a r ya n dm o b i l eo b j e c t s s h o r tr a n g er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e e n w i d e l yd e p l o y e da r o u n dt h ew o r l 文h o w e v e r , l o n gr a n g es y s t e m sw i t hf u n c t i o nd i s t a n c eo fm o r g t h a n1 0m e t e r so re v e nm o r et h a n2 0m e t e r sa r es t i l lu n d e rr e s e a r c h i n g a sf o rh u m a na n d m o b i l eo b j e c ti d e n t i f i c a t i o n , t h el o n gr a n g ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e ms h o w sap r o m i s i n gp r o s p e c t f o ri t sa d v a n t a g e so v e rt h es h o r tr a n go n e sc o n c e r n i n gt h es y s t e md e t e c t i o ne m c i e n e y , m o b i l e d e t e c t i o ns u p p o r t i n ga b i l i t y , r e a d e rd e p l o y m e n tc o n v e n i e n c ea n ds y s t e ma u t o m a t i n gc a p a c i t y t h ep r o j c o tb a c k g r o u n do ft h i st h e s i si st ob u i l dau n d e rm i n el o n gr a n gr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o ns y s t e mf o rh u m a no re q u i p m e n td e t e c t i o n t h i st h e s i sc o v e r sf o l i ra s p e c t so ft h i s s y s t e m ：p h y s i c a ll a y e rd e s i g n ，m a cl a y e rp r o t o c o ld e s i g n ，m a cp r o t o c o lr e s e a r c ha n dm a c p r o t o c o ls o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n t h et h e o r ya n da r c h i t e c t u r eo ft h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi sf i r s t l y i n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h es y s t e mf e a t u r e sa n dr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c tb a c k g r o u n da r e a n a l y z e dw i t ht h ec o n c l u s i o no ff i v ek e yt e c i m o l o g i e sn e e d e di nt h i ss p e c i f i cs y s t e m b a s e d0 1 1 t h er e s e a r c ho fm a j o rc o n s i d e r a t i o nd i m e n s i o n sf o rt h ep h y s i c a ll a y e rd e s i g nb yc o m p a r i n g d i 恐r e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na p p r o a c h e s d i v e r s em a t u r es t a n d a r d s ，i m p o r t a n tr f p a r a m e t e r sa n dv a r i o u sm c us o l u t i o n s ar e a d e r t a gi m p l e m e n t a t i o nu s i n gc c l 0 1 0w o r k i n ga t 8 6 8 m h zi sp r e s e n t e dt o g e t h e rw i t hap c bc o m p a c ta n t e n n ad e s i g nw h i c hi sa c c o m p l i s h e d u n d e rt h eg u i d a n c eo fs e v e r a lr e f e r e n c ed o c u m e n t sa n dt h ee x p e r i m e n tt e s t i n gr e s u l t sf r o m s p e c t r u ma n a l y z e r t h ep h y s i c a ll a y e rp o i n tt op o i n tc o m m u n i c a t i o nt e s ti n f o r m a t i o ni sa l s o p r o v i d e di nt h et h e s i s m a cp r o t o c o lp l a y sa ne s s e n t i a lp a r ti nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o ra c h i e v i n g h i 曲s y s t e me f f i c i e n c y i na c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cp r o j e c tb a c k g r o u n do ft h i sl o n gr a n gr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，m a cp r o t o c o l sa r ed e s i g n e di n c l u d i n gt h ef r a m ed e f i n i t i o n ， t w ot y p e so fm a cs t a t em a c h i n e sd e s i g n ( s p ya n dr e c o n t e n t i o nm a c s l e e pb a c k o f fm a c l a n dt h et i m ep a r a m e t e rl i m i m t i o na n a l y z i n gf o re a c ho ft h e s et w os t a t em a c h i n e s am a t l a b b a s e ds i m u l a t i o np l a t f o r mf o rt h es p ya n dr e - c o n t e n t i o nm a ci sb u i l ta n dt h ef o r m u l a r e p r e s e n t a t i o no fc w o 叫l m 口hw h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rt h ed e s i g no ft h es p y a n d r e c o n t e n t i o nm a c ，i sg i v e i lo u ta f t e rc o m p u t e ra i d e dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g t h j sf o r m u l a r e p r e s e n t a t i o no fc 阡乞n , ti sv a l i d a t e db yt h em a ：r i a bs i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c hp a v e st h e w a yf o rf u t u r ei m p r o v e m e n to f t h em a cp r o t o c o l sa p p l y i n gd y n a m i cc ws t r a t e g y f i n a l l y , t h et h e s i sp r e s e n t st h es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o nf r a m ef o rt h er e a d e ra n dt a gb a s e d o nt h ec c l o l 0h a r d w a r e a n di u t e r p r e t st h ep r i m i t i v es o f t w a r ec o d e sf o rt h es p ya n d r e e o n t e n t i o nm a c i na d d i t i o n ，s e v e r a ls u g g e s t i o n sa r eg i v e bo u tf o rt h ep r o b l e m so c c u r r e di n n o w a d a y s s y s t e ma n df u t u r es y s t e ma m e l i o r a t i n g k e yw o r d s ：l o n gr a n gr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n , r a d i of r e q u e n c yt a g ， m a c ，r e a d e r , r a n d o mb a c k o f f l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 貔7 码 御 q 2 垒哆 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 够j 可琢 j 日期：碰! ! 三! 东南大学硕士学位论文绪论 第一章绪论 信息技术的一个必然趋势是在任何地点、任何时间尽可能地获得业务状态的实时信 息。在各种通信网络系统高度发达的今天，实现上述目标受到的最根本限制在于能否同步 获得原始数据：什么东西或人员在哪里，他们发生了什么，他们状态怎么样? 与网络结合 起来的射频身份识别系统( r f i d ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 可以使计算机系统在没 有人类干预的情况下识别人和物体，迅速地知道他们处于什么状态、什么地点。与以前的 条形码技术相比，采用基于无线通信的射频身份识别技术在系统效率、使用便捷性以及探 测隐蔽性方面具有巨大的优势。目前，射频身份识别技术已近逐步进入了人们的生活之中， 成为了继蜂窝无线通信和无线局域网之后又一个引人注目的无线通信新领域。 1 1 射频身份识别概述 射频身份识别技术是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号及其 宅间耦合和传输的特性，实现对静止或移动物体的自动识别。射频身份识别系统的最前端 有两个设备构成：射频标签和射频识读器。射频识别的信息载体是射频识别标签，其形式 有卡、钮扣、标签等多种类型。射频标签贴在物品或安装在物品上，当载有射频标签的物 品进入射频识读器无线通信的范围时，射频识读器自动读取存储在射频标签中的数据，从 而实现对物体的自动识别。 2 0 世纪7 0 年代开始大规模广泛应用的商品条码现在已经深入到同常生活的每一个角 落。虽然条形码技术是当今商业应用的主要技术，并已成为识别产品的重要手段，但条形 码技术存在如下缺点 1 】【2 】： ( 1 ) 数据存储密度低，信息承载能力小； ( 2 ) 承载的信息不可改写； ( 3 ) 条形码是可视的数掘载体，识读器必须对准或接触条形码( 接触式识别) ： ( 4 ) 条形码易于被复制和伪造； ( 5 ) 谚 别速度慢，系统效率低； 采用射频身份识别技术，可以克服条形码的上述缺陷：信息存储在i c 芯片中，数据 存储密度较高；通过射频可以实现对内部数据的改写；数据不可见，且只要射频标签在识 读器的工作范围内，识读器就可以通过无线通信进行识别；技术门槛较高，伪造射频识别 标签和篡改标签数据都是非常困难的，另一方面，采用射频识别技术可以实现数据加密， 强了系统的安全性；无线通信使得射频识别系统可以实现同时读取多个标签，提高了系 统的工作效率。表1 1 所示为条形码和射频识别的优缺点比较。 表1 1 条形码和射频识别的优缺点比较 东南大学硕士学位论文 绪论 1 2 国内外应用与研究动态 射频身份识别在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战期间，其当时的功能是 用于分辨出敌方飞机与我方飞机。目前世界上的飞行安全管制系统仍是以此为概念。到 7 0 年代未期，美国政府透过l o s a l a m o s 科学实验室将r f i d 技术转移到民间。r f i d 技术 最先在商业上的应用是在牲畜身上。到了8 0 年代，美国与欧洲的几家公司丌始着手生产 r f i d 卷标。今天，r f i d 技术已经被广泛应用于各个领域，从门禁管制、牲畜管理，到 物流管理，皆可以见到其踪迹。 虽然无源的近距离射频身份识别系统1 在国内外已经大量投入运用。例如，w a l - m a r t 要求其排名前1 0 0 的供货商全部使用r f i d 系统，用于提高商品销售与管理的效率；南京 地铁的电子票系统也是近距离射频身份识别系统的应用。但作用距离大于1 0 m 甚至大于 2 0 m 的远距离射频身份识别系统则较为少见。对于人员和物品的识别和检测定位而言， 远距离射频身份识别系统在系统检测效率，支持移动检测，识读器安装便捷性以及系统自 动化程度方面较近距离射频身份识别系统有着不可比拟的优势，因而有着非常巨大的实用 意义。 标准方面，用于射频身份识别各个频段的物理层接口标准已经比较完善，表1 2 所示 为部分重要的射频识别国际标准。 袭1 2r f i d 部分国际标准列举 丛垄垡型堕壁竖塑些堕堑型望【卫 i s o l l 7 8 4 r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o no f a m m a l sc o d es t r a c t u r e i s o l l 7 8 5 r a d l o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o no f a m m a l s t e e h m e a lc o n c e p t i s o l8 0 0 0 2 c o v e r s t h e a i r i n t e r f a c e f o rs y s t e m so p e r a t i n gb e l o w1 3 5 k h z i s 0 1 8 0 0 0 3c o v e r s t h e a , r i n t e r f a c e f o rs y s t e m s o p e r a t i n ga t1 3 5 6 m h z i s 0 1 8 0 0 0 - 4c o v e r s t h e a t r i n t e r f a c e f o rs y s t e m s o p e r a t i n ga t2 4 5 g h z i s o l 8 0 0 0 - 5c o v e r s t h e a w i n t e r f a c e f o fs y s t e m s o p e r a t i n g a t5 8 g h z i s 0 1 8 0 0 0 - 6 c o v e r s t h e a i r i n t e r f a c e f o rs y s t e m s o p e r s t m g i o t h er a n g e o f 8 6 0 m h z t 0 9 6 0 m h z c o h f ) i s o l 8 0 0 0 - 7c o v e r s t h e az r i n t e r f a c e f o fs y s t e m so p e r a t i n g a t4 3 3 9 2 m h z l s o1 5 6 9 3 & i s o1 4 4 4 3 c o v e r s t h e t a g c h a r a c t e r i s t i c s , r fs i g n a h n g ，a n da i r m t a r f a c e o f l 35 6 m h zs y s t e m s i s 0 1 0 3 7 4 f r e i g h tc o n t a f f l c r sa u t o m a t i ci d e n t l f i c a t m n ( 24 g h z ) ! ! 竺 ! 生! 盥鳇! ! 垡! ! ! 出型璺竺! 型丛些! ! 型! 堕幽 在远距离无线射频识别系统中，必须采用有源的主动射频识别标签，因为较远的无 线通信需要提供1 至5 毫秒的5 1 0 毫安的电流3 。电源的使用带来了标签能源问题。一个 射频识别标签需要具有较小的体积和重量，同时要保证一定时f 日j 的不间断使用( 因为对数 且巨大的射频标签逐一更换电池非常麻烦) ，这对电池的性能和射频标签能源管理策略提 出了很高的要求。另方面，由于无线通信距离的扩大，系统面临着解决多点同时媒体接 入时信道争抢的问题。低成本小体积的射频标签在自身能量和处理器处理能力的局限下， 如果采用没有考虑节能的类似1 e e e 8 0 2 1 1 系列w l a n 4 中的m a c 退避机制c s m a c a ( 载 波侦听，冲突避免) 4 会造成其标签电池工作寿命很短。因而需要采用类似于文献【5 】 6 ) 提 射频识别系统分类请参见本文2 2 射频身份识别技术分共 2e l e c t r o m c p r o d u c tc o d e t m 产品电子代码 3 电流的人小取决于使用的r f ，占片和选择的射频发送功率等，大电流持续的时间取决于需要传输的数据以及守中数据 传输速率，具体请参见本文3 2 物理层实现方案 4w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k 无线局域嘲 - 2 一 查塑垄兰堡主兰垡丝查竺堡 出的适用于无线传感器网络的简单而节能m a c 协议。目前，针对远距离主动r f i d 系统 的节能高效m a c 协议研究是国内外通信领域的一个重要方向，具有非常高的研究价值。 1 3 本论文的研究背景 本论文的项目研发背景是研究和实现用于煤矿井下人员和设备定位、环境参数监测的 系统。图1 1 ( 见第5 页) 所示为该系统结构示意图。该系统目标是利用s d r 5 以及w l a n 无线通信系统实现下面三个方面的功能： ( 1 ) 统计考勤与井下人车查询功能 人员以及车辆的下井统计与报告( a c c e s sr e p o r t ) ： 人员以及车辆的井下位置报告( p o s i t i o nr e p o r t ) ； 人员持续工作时间报告( w o r k e ri n s i d e rm i n er e p o r t ) ： ( 2 ) 环境的监测 瓦斯浓度报告( g a sd e n s i t yr e p o r t ) ： 温度、与湿度报告( t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yr e p o r t ) ； 其他环境参数报告( o t h e rs u r r o u n d i n gp a r a m e t e r sr e p o r t ) ； ( 3 ) 事故救援 出现任何形式的事故，比如塌方、瓦斯爆炸等，可以通过其发出的无线电信号及时搜 寻到被困人员，确定其方位甚至与其进行简单通信。 从图中可以看出，系统分为地上部分和地下部分两个部分。地上部分主要为信息监控 中心以及与其相关网络设备与硬软件平台。位于信息监控中心的s e v e r 主要是基于数据库 技术的软件系统，通过实时采集的数据，系统软件对整个矿井进行实时监控，同时该软件 也具备考勤记录功能，环境数据分析以及通过有线和无线网络在整个矿区报等功能。系 统的地下部分有两种设备，一种是b s ( b a s es t a t i o n 无线基站) ，另一种是s d r ( 短距离无线 通信设备) 。 b s 拥有两套射频系统：w l a n 部分和s d r 部分。其主要功能有以下四点： ( 1 ) b s 的w l a n 部分实现无线网桥功能，构建无线骨干网，负责在监控中心和s d r 之间双向传递数掘； ( 2 ) b s 的s d r 部分实现远距离射频识别系统的识读器功能，收集与读取在自己无线 工作范围内的同样装备有s d r 射频终端设备的矿工、环境监测设备和矿车的位置 信息、状态信息以及矿井下瓦斯、c o 、温度、湿度等环境信息，并将这些信息 进行本地的压缩、加密处理，通过w l a n 骨干网向s e v e r 提交该数据； ( 3 ) 如果需要，8 0 2 1 1 9 无线局域网的b s 可装备带图像编码的数字网络摄像机，对采 矿现场进行实时高清晰度图像监控； ( 4 ) 如果需要，b s 可装备声音、光电系统在出现危险情况下触发报1 警。 s d r 设备在系统中的功能类似于一般的r f i d 标签，但其无论是功能、性能还是可靠性 s h o r td i s t a n c er a d l o 翘距离无线通信 东南大学硕士学位论文 绪论 都比一般的r 凡d 系统要强很多。s d r 设备采用i s m 频段6 的短距离无线电通信技术，主要装 备在矿工、矿车以及环境监测设备三个实体上。s d r 设备的功能有几下点： ( 1 ) 装备在矿工的矿帽中的s d r ：在矿工进入井下时，记录其考勤信息；在矿工在井 下工作时通过与b s 的通信，监测其位置以及持续工作时间；必要时，矿工可控制 其向b s 发送呼救、请求、应答等预设信息；向矿工传递地上的提示以及环境监测 信息； ( 2 ) 装备在矿车上的s d r ：在矿车进入井下后，记录其方位信息；在矿工控制下，向 地上控制中心发送车辆负载等相关信息； ( 3 ) 装备在环境监测设备中的s d r ：将各种传感器采集到的环境监测数据传输到b s ， 然后由b s 传递到地上的系统监控中心的s e v e r 上。 该系统中核心技术之一即设计和实现基于s d r 的远距离射频身份识别系统。b s 的 s d r 部分即为r f i d 识读器，安装在人员或各种设备上的s d r 设备事实上就是一个射频 身份识别终端。当任何携带或装载有射频识别终端人员或车辆进入某一识读器b s 的工作 范围时，b s 识读器就会读取s d r 射频识别终端的数掘。另一方面，b s 识读器以一定时 侧周期对布设于自己工作范围内的装备各种传感器的射频识别终端进行数掘读取，从而实 现环境参数监测。 1 4 本论文研究内容与组织结构 本文主要研究1 3 节介绍的系统中远距离射频身份识别部分物理层硬件设计与实现、基于 退避算法的适用于类似射频身份识别场景的m a c 协议设计与实现，并在此基础上实现部分原 型实验系统。最后对应用于类似场景的m a c 层退避算法进行一定的深入研究。 论文内容安排如下： 第一章为绪言，介绍射频身份识别系统的概念、国内外应用和研究动态，同时介绍了远距 离射频身份识别系统课题研究的项目背景，引出本文工作。 第二章首先简单介绍了射频识别系统分类，系统原理与系统组成，然后分析了项目背 景下的远距离射频身份识别系统的特点，最后阐述了实现该远距射频身份识别系统的关键 技术。 第三章从项目的系统设计需求出发，在比较了各种物理层硬件实现方案的基础上，给 出了物理层硬件实现，天线设计与测试，以及物理层传输测试结果。 第四章详细阐述了应用于远距离射频身份识别系统的m a c 协议设计。该章节首先介 绍了m a c 层作用与工作原理，分析了两种媒体接入方法，然后给出了在本文物理层基础 上的m a c 协议设计参数。介绍了协议帧格式定义、状态机与接入流程。 第五章对m a c 接入退避算法进行了初步的研究。包括了系统数学模型建立，退避策 略综述，m a t l a b 仿真平台建立，c ，。，例函数模型建立与求解，以及对计算机仿真 结果的讨论。 第六章简要介绍了m a c 协议的初步实现。 第七章对近1 0 个月来的工作进行了总结，指出了工作的不足并下一步的改进和研究 6i n d u s t r i a l s c l e r l t l f i ea n dm e d i c a l 丁业、科学、医疗免费尢线电频段 4 东南大学硕士学位论文 绪论 做出了展望。 图1 1 煤矿井下人员和设备定位、环境参数监测的系统 5 东南大学硕士学位论文第二章远距离射频身份识别系统 第二章远距离射频身份识别系统 要了解远距离射频身份识别系统，首先要认识一下射频身份识别这一技术的基本原 理，系统分类，以及不同分类的应用领域。然后才能根掘具体的项目要求找到实现远距离 射频身份识别系统所需要的关键技术，进而实现整个系统。 2 1r f i d 原理与系统组成 最基本的r f i d 系统由三部分组成： 射频标签( 1 她) ：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在 物体上标识目标对象； 射频识读器( r e a d e r ) ：读取( 有时还可以写入) 标签信息的设备，可设计为手持式或 固定式； 中央信息系统：存储和处理识读器传送的射频标签的信息。 r f i d 技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号， 凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息( p a s s i v et a g ，无源标签或被 动标签) ，或者主动发送某一频率的信号( a c t i v et a g ，有源标签或主动标签) ；识读器读取 信息并解码后，传送至中央信息系统进行有关数据处理。图2 1 所示为个简化了的被动 式射频识别系统。 图2 1 无源被动式射频身份识别系统 2 2 射频身份识别系统分类 射频身份识别系统根据不同的电源获得方式、系统作用的距离以及占用的射频频段可 以划分为不同的类别。但各种分类的方式实质上是相互包含、相互影响和相互统一的：低 东南大学硕士学位论文 第二章远距离射频身份识别系统 频段工作距离近，采用近场耦合被动式电源；高频段作用距离远，采用电磁耦合主动式电 池电源。 2 2 1 按射频标签电源供给方式分类 所有的射频身份识别系统都可以分为两类：被动式射频识别系统( p a s s i v er e i d ) 和主 动式射频识别系统( a c t i v er f i d ) 。其最主要的不同在于射频标签的电源供给方式不一样。 被动式标签自身没有电源储备而是要靠外部识读器通过电磁波能量辐射的方式提供：主动 式标签自身带有电池，它的能量提供不依赖外界设备。 被动式射频身份识别系统有以下特点 3 】： ( 1 ) 射频标签通过收集识读器辐射出的能量给自己的射频电路供电； ( 2 1 射频标签需要识读器辐射出的强度很高的信号； ( 3 ) 射频标签只在识读器作用范围内有电源供给，才处于供电状态： ( 4 ) 系统工作距离很有限； ( 5 ) 识读器作用范围内多射频标签通信不可靠( 标签密度问题) ； ( 6 ) 由于电源的限制，不适合用于传感数据的收集； ( 7 ) 射频标签数掘存储容量非常有限。 主动式射频身份识别系统有以下特点( 3 】： ( 1 ) 射频标签使用内部电池给自己的射频电路供电； ( 2 ) 射频标签仅需要识读器辐射出较低强度的信号： ( 3 ) 射频标签无论在不在识读器的作用范围内都处于供电状态； ( 4 ) 系统可以实现高标签密度识别； ( 5 ) 系统可以用于收集温度、湿度、震动等传感信息： ( 6 ) 射频标签具有可扩展的存储空间。 2 2 2 按系统作用的距离分类 射频识别系统中射频标签与识读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识读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，与射频标签及识读器的配合情况密切相关。 根掘射频识别系统作用距离的远近情况，射频标签天线与识读器天线之间的耦合可分为以 下三类 1 7 】：密耦合系统、遥耦合系统、远距离系统。 ( 1 ) 密耦合系统 密耦合系统的典型作用距离范围为0 l c m 。实际应用中，通常需要将射频标签插入识 读器中或将其放置到识读器的天线的表面。密耦合系统利用的是射频标签与识读器天线无 功近场区之间的电感禚合( 闭合磁路) 构成无接触的空削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3 0 m h z 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 东南大学硕士学位论文第二章远距离射频身份识别系统 遥耦合系统的典型作用距离可以达到l m 。遥耦合系统又可细分为近耦合系统( 典型作 用距离为1 5 c m ) 与疏耦合系统( 典型作用距离为l m ) 两类。遥耦合系统利用的是射频标签与 识读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1 3 5 6 m h z ，也有一些其他频率，如6 7 5 m h z 、 2 7 1 2 5 m h z 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 远距离系统的典型作用距离从l m 到1 0 m ，个别的系统具有更远的作用距离。远距离 系统大多是利用射频标签与识读器天线辐射远场区之间的电磁耦合( 电磁波发射与反射) 构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。远距离系统的典型工作频率为：9 1 5 m h z 、 2 4 5 g h z 、5 8 g h z ，此外，还有一些其他频率，如4 3 3 m h z 等。远距离系统的射频标签根 掘其中是否包含电池分为有无源射频标签( 不含电池) 和半无源射频标签( 内含电池) 。一般 情况下，包含有电池的射频标签的作用距离较无电池的射频标签的作用距离要远一些。半 无源射频标签中的电池并不是为射频标签和识读器之间的数据传输提供能量，而是只给射 频标签芯片提供能量，为读写存贮数据服务。 远距离系统一般情况下均采用反射调制工作方式实现射频标签到识读器的数据传输。 远距离系统一般具有典型的方向性，射频标签与识读器的成本目前还处于较高的水平。从 技术角度来说，满足以下特点的远距离系统是理想的射频识别系统： 射频标签无源； 射频标签可无线读写； 支持多标签读写： 适合应用于高速移动物体的识别( 物体移动速度大于8 0 k m h ) ； 远距离( 读写距离大于5 m 1 0 m ) ； 低成本( 可满足一次性使用要求) ； 现实的远距离系统一般均只能满足其中的几款要求。 2 2 3 按射频标签工作频率分类 毫无疑问，射频标签的工作频率是其最重要的特点之一。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。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 占扼的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于i s m 波段之中。典型的工作频率有： 1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z ，1 3 5 6 m h z ，2 7 1 2 m h z ，4 3 3 m h z ，9 0 2 9 2 8 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z 等。频率从高到低主要分为三类 8 ： ( 1 ) 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3 0 k h z 3 0 0 k h z 。典型工作 频率有：1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z 。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 识读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与识读器之间传送数据时，低频标签必需位 于识读器天线辐射的近场区内。由于识读器辐射强度的限制，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 东南大学硕士学位论文 第二章远距离射频身份识别系统 ( 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：i s 0 1 1 7 8 4 1 1 7 8 5 ( 用于动 物识别) 、i s 0 18 0 0 0 2 ( 1 2 5 1 3 5k h z ) 。 低频标签的主要优势体现在：标签芯片一般采用普通的c m o s 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、数掘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； ( 2 1 中高频段射频标签 中高频段射频标签的工作频率一般为3 m h z 3 0 m h z 。典型工作频率为：1 3 5 6 m h z 。 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，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，而高、低只是一个相对的概念，所以将其称为中频 射频标签。 中频标签一般也采用无源被动的形式，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感( 磁) 耦合方式从识读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与识读器进行数据交换时，标签必须 位于识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。 中频标准的基本特点与低频标准相似，由于其工作频率的提高，可以选用较高的数掘 传输速率。射频标签天线设计相对简单，标签一般制成标准卡片形状。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： i s 0 1 4 4 4 3 、i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 8 0 0 0 3 ( 1 3 5 6 m h z ) 等。 ( 3 ) 超高频与微波标签 超高频与微波频段的射频标签，简称为微波射频标签，其典型工作频率为： 4 3 3 9 2 m h z ，8 6 2 ( 9 0 2 ) - - x ) 2 8 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g i - i z 。微波射频标签可分为有源标签与无 源标签两类。工作时，射频标签位于识读器天线辐射场的远场区内，标签与识读器之问的 耦合方式为电磁耦合方式。识读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。 相应的射频识别系统阅读距离一般大于l m ，典型情况为4 白n ，最大可达1 0 m 以上。识 读器天线一般均为定向天线，只有在识读器天线定向波束范围内的射频标签可被读写。 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射频标签的情况，从 而提出了多标签同时读取的需求，进而这种需求发展成为一种潮流。目前，先进的射频识 别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。 微波射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、 是否适合高速识别应用，读写器的发射功率容限，射频标签及读写器的价格等方面。典型 的微波射频标签的识读距离为3 5 m ，个别有达1 0 m 或1 0 m 以上的产品。对于可无线写 的射频标签而言，通常情况下，写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能 量。 微波射频标签的数据存贮容量一般限定在2 k b i t s 以内，再大的存贮容量几乎没有太大的 意义，从技术及应用的角度来说，微波射频标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功 东南大学硕士学位论文第二章远距离射频身份识别系统 能在于标识物品并完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有：1 k b i t s ，1 2 8 b i t s ，6 4 b i t s 等。由a