UHFRFID的研究

1、一 、UHF RFID的研究现状和发展趋势1.1 国内外现状国内从事RFID产业的公司生产规模都不大，生产成本比较高，在众多的全国RFID企业中，绝大多数为各种代理、外企分支机构、系统集成与应用系统开发企业，真正从事RFID核心技术开发、具有自主知识产权的企业寥寥无几，这是我国RFID产业链中最薄弱的环节。针这样的现状和形势，科技部在国家高技术研究发展计划（863计划）的重大项目已经明确把“射频识别（RFID）技术与应用”列入，把UHF RFID的工作频段划分了840MHz845MHz和920MHz925MHz两个频段，2012年出台了基于ISO/IEC18000-6的国家标准，这对

2、我国电子标签的发展起到了非常重要的作用。虽然与国外RFID芯 片设计水平存在很大的差距，但是我国集成电路设计和制造业在近些年来也取得了令人瞩目的发展和成就。在RFID芯片方面，已经基本实现了自主设计。国内 RFID设计公司主要有北京清华同方集成电路设计公司、上海华虹集成电路设计公司、上海复旦微电子公司等。在芯片制造方面，诸如复旦微电子、上海华虹、上海贝岭等优秀企业都具有大规模生产 RFID芯片的能力。1.2 发展趋势近年来，研究的热点集中在RFID 技术与无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Networks）的结合

3、方面，冷链物流的兴起更是为内嵌温度传感器的RFID标签的发展提供了广阔的发展机遇和空间。 带有温度传感器的标签已经在很多论文中出现，而且市场上已经出现了这类成品标签。适用于RFID的温度传感器设计难点在于保证温度范围和精度的条件下使功耗控制在几个微瓦，甚至几百个纳瓦之内。目前的温度传感器，如果不采用校准，误差都是比较大的，因此，一般在RFID标签中采用的温度传感器都会采用校准技术，采用两点校准的比较多，这样又增加了标签的成本和复杂程度。 一些论文中虽然提到过在RFID标签中集成光传感器，但是在实际中很难做到，主要问题在于光敏器件与工艺很难兼容，标签的封装对光线进入光敏器件的影响难以估计。但是相

4、信随着设计技术的进步，封装技术的改进和工艺的完善，光传感器也许在不远的将来就会在RFID标签芯片中实现。对于压力传感器和湿度传感器，也存在着类似于光传感器一样的问题，而且相关的研究几乎还没有展开。二、系统关键技术2.1 射频识别技术UHF频段RFID系统使用电磁波通过阅读器与标签问的耦合进行通信。图2.5显示了一个基本的UHF RFID系统。一个基本的UHF RFID系统包括了阅读器(Reader)，标签(Tag)和工作环境中的障碍物(Obstacles)。标签由集成电路芯片(Microchip)和天线(Antcnna)组成。芯片内存储了标签所附着对象的数据信息，其内部并没有电池等能量供应源，

5、需要从阅读器发射的电磁波中提取其电路工作所需的能量。阅读器通过阅读器天线发射连续波(CW continuous wave)信号给标签，为标签提供能量来激活标签的芯片工作，并向标箍发射命令信号。同时，标签也按照存储的数据序列来改变自己的输入阻抗从而实现对背向敞射信号的调制，标签通过背向散射(反射)部分电磁波回阅读器向阅读器发射其相应的识别码来进行通信。通常，标签征两个离散状态之问切换输入阻抗，从而产生了大幅度键控(ASK：amplitude shift keying)和相位键控(PSK：phase shift keying)两种调制方式四。阅读器天线同时也接收标锻的背向散射信号和环境障碍物的杂波

6、信号。阅读器对它进行解调解码得到标签数据信息，从而实现了无源标签的背向散射通信。参考图2.5，可将系统内传播的信号分类为：前向信号；(Forward Signal)，背向散射信号(BackscatterSignal)和杂波。2.3 EPC技术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阅读器实现的难易程度和设备成本。RFID应用r据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段。典型的工作频率有：125kHz、133kHz、1356MHz、2712MHz，433Ml-lz、902MHz928MHz、2A5GHz，58GHz等。按照工

7、作频率的不同，RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超商频(UHF)和微波等不同种类，不同频段的RFIDI作原理不同，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段，低频(125KHz)、高频(1354MHz)、超高频(850MHz910MFz)和微波(2ASGHz)。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。 三、基于RFID的智能门禁系统的总体设计3.1 系统功能及模块设计 3.1.1 系统功能和常用的微波天线相比，微带天线有如下一些优点：(1)体积小

8、，重量轻，低剖面，能与载体(如飞行器)共形，并且除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构。(2)电性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范闻内调整；易于得到各种极化，特殊设计的微带元还可以在双频或多频工作。(3)能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了系统制作和调试，大大降低了成本。微带贴片天线(Microstrip Patch Antenna)足介质基片、在基片的一面上有任意形状的导电贴片和基片另一面上的地板所构成。贴片导体通常是金或者铜，基术形状般有矩形、圆形，三角形、椭圆形以及圆环等等。矩形和止方形贴片是被应用最多

9、的微带天线，他们町以被用于很多方面，包括：圆极化、波扫描、辐射方向性控制和多频辐射工作等方面。本论文也主要研究这种贴片形式的天线。 3.1.2 模块设计 需要画出系统模块设计框图3.2 总体设计方案四、系统硬件设计 4.1门禁控制器设计基于低成本、短研发周期和小型化等方面因素的考虑，本论文设计的超高频频段射频识别系统采用无线射频芯片作为阅读器的射频模块。所以说无线射频芯片是整个系统的核心部件，它的选择成功与否至关重要。由于无线收发芯片的厂商和种类比较多，正确的选择可以使开发工作少走弯路、降低成本。对于射频识别系统来说，方案成本低、体积小、功耗低、集成度高外加元件少、加工容易、数据传输率高、接口

10、简单、开发方便等诸项指标将作为我们选择芯片的重要依据。1发射功率：在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较岛的产品。但是也应该注意，有些产品号称的发射功率虽然较高，但是由于其外围元件多，调试复杂，往往实际的发射功率远远达不到标称值。2功耗：大多数无线射频芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常霞要，应该根据需要选择功耗较小的产品3外围元件数量：芯片外围元件的数量直接决定产品的成本。有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件很多，有的还需外加昂贵的元件，如变客管、声表面滤波器、锁相芯片(PLL)等：而且有些芯片收发天线分开共需两根天线。4.2 射频卡的设计4.3 其他模块设计 阅读器

11、的组成如图2.6所示。阅读器卡要南基带模块、射频模块和天线。基带模块的作用包括：与应用系统软什进行通信，执行从应用系统软件发米的动作指令；控制与标锯的通信过程。应答器通信：基带伟号的编码与解码、执行防碰撞算法、对阅读器和标签之问传送的数据进行加密和解密、进行阅读器和标签之问的身份验证等。射频摸轶是为了能够时射频信号进行发射和接收。由两个不同的信号通道组成。产生高频发射能量激活标签并为其提供能量：对发射信号进行调制，用于将数据传输给标签：接收并解调来自标签的射频信号；RF接口是阅读器设计中最复杂的一个部分。绝大多数的RF接收都使用金埔罩作为绝缘体来保护免受电磁干扰。阅读器的天线对阅读器的识别范围

12、和识别区域有非常蕈要的决定作用。根据RFID系统的应用场合，RFID阅读器被设计为不同的形式、效率、增益、方向性系数和辐射方向圈都会不同。被设计为不同的形式RFlD阅读器。五、系统软件设计5.1通讯协议超高频射频识别系统的协议目前有很多种，主要可以分为两大协议制定者：一是Iso(国际标准化组织)，二是EPC GlobalIs!。ISO组织目前针对UHF(超高频)频段制定了射频识别的协议lS018000-6协议；而EPC Global组织基于EPC和物联网概念推出了旨在为每件物品赋予惟一标识代码的电子标签和阅读器之间的空中接口通信技术标准EPC C1G2。该项技术标

13、准的基本定位是工业级的全球统一技术标准。由于EPC和物联网概念的拉动，以及CIG2标准的基础地位和作用，该项标准引起了人们的普遍关注。详细的技术及应用需求分析表明，EPC CIG2是与ISOt8000-6相近的圉一类标准。因而，将两者适当合并以增强技术标准的统及权威性成为业内的迫切需求。从2005年1月EPC CIG2提请成为SOIEC 18000-6C，到2006年6月I 5日EPC C1G2正式进入1SOIEC 18000-6，成为ISOIEC 18000-6C，ISOIEC 18000-6标准也得到了一次全面

14、的更新。5.2 数据结构的设计5.3 软件流程图设计设计中的硬件结构主要可以分为两部分：基带模块和射频收发模块。基带模块执行RFID协议规定的操作控制射频收发模块。阅读器系统硬件功能框图如图4.4所示。 基带模块出微控制器MSP430及其复位电路，指示装置电路、RS-232通信接口电路、电源电路，及辅助电路组成。基带模块主要负责接收用户命令、对发送信号进行编码和对接收信号进行解码，并把接收到的标签信息返回给主机。主控制器通过控制射频收发模块与应答器进行通信。lTAG(Joint Test ActionGroup即)接口主要用于在线调试以及设置主控制器的熔丝位等。通过串行通信R$232接口实现与

15、PC机的通信过程。电源电路完成稳压与电压转换功能，系统提供指示电路用于工作状态指示、报警功能与收发指示等。射频收发模块完成对基带信号的调制发射和解调接收功功能。六、总结从我国物流信息化发展过程来看，目前，我国物流企业中，信息技术应用和普及程度相对较低，发展也十分不平衡。而制约物流信息化水平的瓶颈主要在于终端物流信息的采集。为了提高物流信息化水平，提供一种通用的终端物流数据采集设备是十分必要和紧迫的。915MHz射频识别系统有着读取距离较远，阅读速度较快等优点，目前UHF频段的RFID标签犀远可达近5m的传输距离，且每秒最多达40个封包的传送，可大幅提升现阶段的应用层次UHF频段RFID技术是当前供应链管理和智能物流管理所极力推举的自动识别技术，是目前国际上