RFID设备选型与应用--读写器原理与选型

1、RFID设备选型与应用设备选型与应用-读写器原理分析与选型 本节内容 桌面式一体式手持式固定式电源 I/O接口 微处理器、存储器、时钟等 解码及纠错电路 电源电路 放大器天线 前置放大器 射频接收器 射频处理器射频振荡器电源电路控制处理器模块射频模块读写器的基本组成结构读写器的基本组成结构 天线是发射和接收射频载波信号的设备； 它主要负责将读写器中的电流信号转换成射频载波信号并发送给电子标签，或者接收标签发送过来的射频载波信号并将其转化为电流信号； 读写器的天线可以外置也可以内置，一些天线的尺寸较大所以选择独立安装；天线的类型取决于读写器的工作频率和天线的参数； 天线的设计对阅读器的工作性能来

2、说非常重要，对于无源标签来说，它的工作能量全部由阅读器的天线提供。 射频模块主要包括发射器、射频接收器、时钟发生器和电压调节器等。该模块是读写器的射频前端，同时也是影响读写器成本的关键部位，主要负责射频信号的发射及接收。 其中的调制电路负责将需要发送给电子标签的信号加以调制，然后再发送； 解调电路负责将解调标签送过来的信号并进行放大； 时钟发生器负责产生系统的正常工作时钟。 逻辑控制模块是整个读写器工作的控制中心、智能单元，是读写器的“大脑”， 读写器在工作时由逻辑控制模块发出指令，射频接口模块按照不同的指令做出不同的操作。 它主要包括微控制器、存储单元和应用接口驱动电路等。 微控制器可以完成

3、信号的编解码、数据的加解密以及执行防碰撞算法； 存储单元负责存储一些程序和数据； 应用接口负责与上位机进行输入或输出的通信。与电子标签之间通信1与计算机网络之间的通信2读写器的识别能力3读写器的适用性4读写器的功能特性读写器的功能特性 射频识别是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，在读写器与标签的通信中无线电信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。读写器与电子标签之间的通信读写器与电子标签之间的通信RFID标签分

4、为有源（主动）和无源（被动）两种。 有源标签本身具有内部电源供应器，用以供应内部所需电源以产生对外的讯号。 无源式标签没有内部供电电源。其内部集成电路通过接收到的电磁波利用电感耦合原理产生的能量进行驱动，这些电磁波是由RFID读取器发出的。当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读取器发出数据。电子标签实例电子标签实例读写器与计算机网络之间的通信读写器与计算机网络之间的通信 读写器将读取到的电子标签信息传递到计算机网络，然后计算机网络对读写器进行控制和信息交换，从而完成特定的应用任务。 该过程主要涉及计算机与读写器之间的协议与标准问题。一般读写器的I/O接口形式主要有：RS-232串行接口：计算机

5、普遍适用的标准串行接口，能够进行双向的数据信息传递。它的优势在于通用、标准，缺点是传输距离不会达到很远，传输速度也不会很快。RS-485串行接口：也是一类标准串行通信接口，数据传递运用差分模式，抵抗干扰能力较强，传输距离比RS-232传输距离较远，传输速度与RS-232差不多。以太网接口：阅读器可以通过该接口直接进入网络。USB接口：也是一类标准串行通信接口，传输距离较短，传输速度较高。读写器的识别能力读写器的识别能力RFID系统对电子标签进行识别时，读写器产生的磁场给电子标签提供了能量，使电子标签将产品信息传回读写器。在此过程中如果电子标签产生碰撞、移动，或者同时有2 个或2 个以上的电子标

6、签同时在同一个阅读器的作用范围内向阅读器发送数据的情况下就会出现信号的干扰，这个干扰被称为冲突，其结果将会导致该次数据传输的失败，因此必须采用适当的技术防止冲突的产生。 从多个电子标签到一个阅读器的通信称为多路存取，多路存取中有四种方法可以将不同的标签信号分开：空分多路法（SDMA）、频分多路法（FDMA）、时分多路法（TDMA）和码分多路法（CDMA）。针对RFID 系统低成本、较少硬件资源和数据传输速度以及数据可靠性的要求，TDMA 构成了RFID 系统防冲突算法最为广泛使用的一族。 TDMA 是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术，可分为电子标签控制法和阅读器控制法。电子标

7、签控制法主要有ALOHA 法，阅读器控制法有轮询法和二进制搜索法。 ALOHA 算法是一种信号随机接入的方法，采用电子标签控制方式，即电子标签一进入阅读器的作用范围内，就自动向阅读器发送自身的序列号，随即与阅读器开始通信。 阅读器一旦检测到冲突产生，就会发送命令让其中一个电子标签暂停发送数据，随机等待一段时间以后再重新发送数据。由于每个数据帧的发送时间只是重复发送时间的一小部分，以致在两个数据帧之间产生相当长的间歇。所以存在着一定的概率，使两个标签的数据帧不产生冲突。 公共信道上在单位时间T 内平均发送的数据帧数G 和传输通路的吞吐率S的计算公式见式（1）和式（2）。其中：n 是系统中标签的数

8、量， n r 是T 时间内由电子标签n 发送的数据帧数 根据发送的数据帧数G 和吞吐率S 之间的关系，可以得出，当G0.5 时，S 的最大值为18.4%。这说明80以上的数据通路没有被利用，该方法实现防冲突的效率代价较高。但是由于ALOHA 算法实现的简单性，并且适于标签数量不定的场合，能够作为一种防冲突法较好的适用于只读电子标签系统。 为了提高ALOHA 算法的吞吐率，可以采用改进的ALOHA 算法。时隙ALOHA 算法在ALOHA 算法的基础上将时间分成多个离散的相同大小的时隙，标签只能在每个时隙的分界处才能发送数据。这样标签或发送成功或完全冲突，将原先ALOHA 算法的产生冲突时间间隔T

9、 = 2 缩减到T = 。根据公式S = G e(G) 可以得到当G1 时吞吐率S 达到最大值为36.8%。时隙ALOHA 算法比ALOHA 算法效率最大提高了一倍，但是同时要求所有的电子标签必须由阅读器同步控制，因此这是一种随机的、阅读器控制的TDMA 防冲突法。 二进制搜索法又名二叉树搜索法。所有用二进制唯一标识的电子标签的序列号可以构成一颗完全二叉树。在阅读器作用范围内同步向阅读器发送的信号的标签的序列号也构成一颗二叉树。 阅读器根据信号冲突的情况反复对完全二叉树的分枝进行筛剪，最终找出这颗二叉树。在寻找的过程当中逐一确定了作用区域内响应的电子标签，同时也完成了它们与阅读器之间的信息交换

10、。下面是程序流程图： 下面来举例说明这个算法系统的实现情况。这里采用8 位的序列号来唯一标识256 个电子标签。假设同一时刻进入阅读器作用范围的电子标签有四个，它们的序列号分别为： A：1 0 1 1 0 0 1 0 B：1 0 1 0 0 0 1 1 C：1 0 1 1 0 0 1 1 D：1 1 1 0 0 0 1 1 算法系统在第1 次重复操作中由阅读器发送序列号11111111B ，即在本例中最大可能的8 位序列号。由于作用在阅读器范围内的所有标签的序列号都小于或等于11111111B，所以此命令被阅读器作用范围内的所有标签响应。ABCD 四个标签同步将自己的序列号回送阅读器，阅读器接

11、收到的回送的代码为1X1X001X。可以确定，在接收序列的第0、4、6 位产生冲突。其中，第6 位是发生冲突的最高位，这意味着在 11000000B 和 10111111B 的范围内至少各有一个电子标签存在，这样就可以限制下一次重复操作的搜索范围。 算法系统在第2 次重复操作中由阅读器发送的请求命令（序列号）为 10111111B ，满足此条件的电子标签ABC 就会做出响应，然后回送自己的序列号，阅读器接收到的代码为101X001X。同理在序列号 10110000B 和 10101111B 的范围内至少各有一个电子标签存在。由此可以进一步限定范围进行第三次搜索。 依据以上方法，依次类推，最终可

12、以确定一个唯一的电子标签序列号。阅读器随即和这一标签建立数据通路，一对一的进行没有干扰的信息交换。等信息交换完毕，阅读器对这一标签进行灭活处理，使其在一定的时间内不能够再响应阅读器的请求命令。经过4 次这样的过程，就逐步完成了对每一个标签的识别和通信，有效的防止了系统的冲突问题。该例的算法示意图如图。二进制搜索示意图 动态二进制搜索法是一种改进的二进制搜索算法。在二进制搜索算法中，电子标签的序列号总是一次次完整的传输，然而，当标签的序列号较长时（有可能达到几个到几十个字节），需要传送大量的数据，这就增加了搜索时间和出错频率。在实际应用中有些位是读写器的补充信息，可以不必发送，这样可以大量提升效

13、率。 与ALOHA 法相比，二进制搜索法识别率较高，随着识别区域内标签数量的增加，效率会保持并逼近在50%，并且该算法不存在错误判断的问题。但算法实现的时延长，泄露的信息较多，安全性差。实现二进制搜索算法的前提是系统必须能够对冲突按位进行识别，所以必须选择相对复杂的信道编码（一般采用Manchester 编码），这也增加了系统的复杂程度。读写器的分类读写器的分类从接触方式分：从接触方式分：读写器分为接触式读写器，非接触式读写器，单界面读写器和双界面读写器以及多卡座接触式读写器。从接口分：从接口分：读写器从接口上来看主要有：并口读写器、串口读写器材、USB读写器、PCMICA卡读写器和IEEE

14、1394读写器。前两种读写器由于接口速度慢或者安装不方便已经基本被淘汰了。USB读写器是目前市场上最流行的读写器。从射频频率上分：从射频频率上分：低频阅读器、高频阅读器、超高频读写器、双频读写器、433MHz有源读写器、微波有源读写器等。读写器的技术参数读写器的技术参数 EP-803读写器是UHF RFID系列产品之一。该读写器具有非接触、不受环境影响、读写距离远、适应物体高速运动性能好、操作方便、防冲突等优良特性，用途极其广泛。目前，EP-803读写器主要应用于高速公路（路桥）不停车收费管理、车牌防伪识别管理、车辆编组调度管理、 智能停车场管理、口岸出入境车辆查验管理、仓库物资进出监管和识别

15、管理、行李包裹识别管理和码头集装箱管理等等众多领域。下面以EP-803说明书中部分参数为例进行分析：EP-803型 远距离一体化读写器RFID读写器频率分类读写器频率分类 和我们听的收音机道理一样，射频标签和阅读器也要调制到相同的频率才能工作。LF, HF, UHF就对应著不同频率的射频。LF代表低频射频，在125KHz左右，HF代表高频射频，在13.54MHz左右，UHF代表超高频射频，在850至910MHz范围之内，还有2.4G的微波读写器。 为什么要使用不同的频率？为什么要使用不同的频率？ 在操作中有4种波段的频率，低频（125KHz），高频（13.54MHz），超高频（850-910M

16、Fz），微波（2.45GHz）.每一种频率都有它的特点，被用在不同的领域，因此要正确使用就要先选择合适的频率。 不同的国家所使用频率也不尽相同： 欧洲的超高频是868MHz,美国的则是915MHz.日本目前不允许将超高频用到射频技术中。政府也通过调整阅读器的电源来限制它对其他器械的影响。有些组织例如全球商务促进委员会正鼓励政府取消限制。标签和阅读器生产厂商也正在开发能使用不同频率系统避免这些问题。我们如何知道哪个频率适合于我们的产品？我们如何知道哪个频率适合于我们的产品？ 不同的频率有不同的特点，因此他们的用途也就形形色色。例如，低频标签比超高频标签便宜，节省能量，穿透废金属物体力强，他们最适合用于含水成分较高的物体，例如水果等。超高频作用范