RFID射频识别技术：第2章 RFID系统组件原理

1、射频识别技术原理、协议及系统设计第二章 RFID系统组件原理本章内容2.1 阅读器2.2 射频标签2.3 软件系统组成2.4 小结2.1 阅读器阅读器作为RFID系统重要的硬件组成部分本节将从以下六个方面对阅读器进行介绍阅读器功能阅读器分类阅读器操作规范阅读器组成信号处理与控制射频模块阅读器为射频标签工作提供能量供能通信阅读器和射频标签之间的通信阅读器和应用层（中间件）之间的通信安全保证阅读器的通信安全性保证功能，如使用加密、解密技术自组网能力多天线管理中间件接口2.1.1 阅读器功能阅读器作为连接应用层（中间件）和射频标签的桥梁，占据着十分重要的位置。一般来说，阅读器在RFID系统中可能提供

2、的功能可以总结如下。连接外设2.1.2 阅读器分类RFID系统的工作原理与其所使用的射频信号频率有关。工作频率越高，识别距离越远，数据传输速率越高，信号衰减越厉害，对障碍物越敏感。按工作频率低频和高频阅读器，工作距离一般小于1m，典型工作频率125kHz、135kHz、6.78MHz、13.56MHz和27.125MHz超高频和特高频阅读器，工作距离一般大于1m，典型工作频率有433MHz、860MHz960MHz、2.45GHz和5.8GHz2.1.2 阅读器分类按结构外观在实际应用中，由于需要综合考虑阅读器成本、便携性等方面因素，因此阅读器在外观结构上有很大不同，可分为以下三类：固定式便携

3、式工业读写器有线供电集成度高搭建快速体积较小电池供电移动方便行业相关可集成其他传感器2.1.3 阅读器操作规范为保证阅读器的性能满足应用需求，在阅读器的使用过程中通常要遵循相应的操作规范。在阅读器的诸多性能指标上，阅读器的读写距离是影响应用范围的关键因素。读写距离包括读取距离和写入距离，写入距离一般是读取距离50%-70%。影响读写距离的主要因素包括：阅读器天线和射频标签天线的耦合方式阅读器射频信号的输出功率射频载波信号的频率天线方向操作环境条件标签移动速度等2.1.3 阅读器操作规范天线极化方向是天线向外辐射以及从外界接收信号能力最强的方向，标签的天线线圈平面和阅读器天线线圈平面平行，识别距

4、离最大。增大阅读器对标签读写操作成功的概率措施：1、改变阅读器方向来匹配标签天线的方向2、使用多个冗余天线3、增大阅读器天线的功率4、增大阅读器天线单位时间的采样次数5、采用环形极化天线或全向天线障碍物对系统工作性能的影响超高频的RFID，射频信号穿透非导体材料的能力非常强，但穿透水、金属等物质材料的能力却非常弱。2.1.3 阅读器操作规范在多种因素影响的环境下，很难用统一的标准去衡量各个因素的影响，针对不同的应用特点，选择正确合适的阅读器或有效地配置阅读器的参数保证系统的工作性能非常重要，在阅读器的操作规范中，下面几点是选择使用阅读器时需要重点考虑的方面：工作频率：指阅读器的工作频段，工作频

5、率越高，射频标签向阅读器传输数据的速率越高，工作距离越远；防碰撞性能：指多个射频标签读取和写入操作场景下，系统的有效数据传输率。同时对多个标签读取，需要阅读器或射频标签能够对碰撞采取相应的措施来解决竞争问题射频识别协议灵活性：指阅读器和射频标签之间的通信协议是通用协议还是专属协议。如EPCglobal C1 G2国家（地区）无线电管理规范：不同国家对于无线电频谱有不同要求，对无线电的最大发射功率也有相应的要求网络通信协议：阅读器和计算机网络系统之间的通信接口2.1.3 阅读器操作规范多天线的支持能力：指单个阅读器是否可以支持多个天线同时工作。扩大识别范围，节约阅读器成本中间件接口：性能稳定、易

6、于使用的中间件接口可以帮助开发人员进行快速的开发连接外部传感器节点和控制电路：将RFID技术与传感器网络技术结合，可以增强系统的感知能力，创造更加丰富的应用。2.1.4 阅读器组成又称基带控制模块包含：微处理器以执行计算任务数字信号处理芯片以完成数字信号的编码、解码又称高频接口模块包含分隔的信道：发射器信号通道接收器信号通道天线是发射和接收射频载波信号的设备，是一种将电流信号转换成电磁波发送出去，或者将接收到的电磁波转换为电流信号的装置2.1.5 信号处理与控制模块与上位机进行通信，并执行从上位机发来的命令控制与射频标签的通信过程信号的编码和解码 执行防碰撞算法对阅读器和射频标签之间传送的数据

7、进行加密和解密进行阅读器和标签之间的身份验证2.1.6 射频模块电感耦合型射频模块低频、高频RFID系统通过阅读器和射频标签之间的电感耦合工作。该工作方式的射频标签一般是无源的，通过电感耦合给标签提供能量。阅读器向射频标签发送数据时，可以采用多种数字调制技术对数据进行调制。射频标签向阅读器发送数据时，通常采用负载调制技术，将射频标签天线线圈中的电压变化传到阅读器天线。2.1.6 射频模块电磁反向散射耦合型射频模块远距离超高频RFID系统利用阅读器与射频标签之间的电磁反向散射耦合原理工作的，类似于雷达的工作原理。该系统中，为了给射频标签提供工作能量，阅读器必须不断地发送射频信号。阅读器发送信号和

8、标签返回信号频率相同、强度不同。为了区分，超高频的射频模块可分为：源模块、发送模块和接受模块。2.1.6 射频模块电磁反向散射耦合型射频模块源模块的作用是为发送通道和接受通道提供本地振荡器（Local Oscillator）。放大之后的载波信号经过功分器分成两路，一路送往发送模块，一路送往接受模块。2.1.6 射频模块电磁反向散射耦合型射频模块发送模块由混频器、线性放大器、前置放大器、功率放大器和阻抗变换网络组成。 线性放大器信号放大 混频器载波、基带信号混合调制 功率放大器 阻抗变换网阻抗匹配 低通滤波器和谐波抑制器 环形器2.1.6 射频模块电磁反向散射耦合型射频模块接收模块由线性放大器、

9、两个功分器和两个混频器组成。射频标签返回微弱信号天线 环形器（三端口微波器件） 带通滤波器 功分器 混频器I路基带信号输出 混频器Q路基带信号输出2.1.6 射频模块电磁反向散射耦合型射频模块射频模块主要功能产生高频发送能量，激活射频标签并为其提供能量（无源射频标签）对发送信号进行调制，用于将数据传输给射频标签。接受并解调来自射频标签的射频信号。2.2 射频标签射频标签作为RFID系统重要的硬件组成部分本节将从以下八个方面对阅读器进行介绍标签分类标签操作规范标签组成标签天线标签芯片标签唤醒电路标签功能标签制造2.2.1 标签功能标签内存储和物品相关的信息，如标识符、生产日期、生产厂家等。存储数

10、据能量获取标签可以从阅读器发射的电磁场中吸收能量，为标签自生供电。射频标签的最主要功能就是能够存储一定量的数据，并以非接触的方式将存储的数据发送给阅读器。一般来说，可以将标签的功能归纳为以下几点：标签可以在距离阅读器一定距离的范围内被识别。非接触式读写安全加密碰撞退让2.2.2 标签分类按封装形式卡片型标签便于携带、天线保护好、防水防潮标签型标签可以直接贴在物体上，用于工业生产、物流管理等领域配件型标签方便携带同时不影响美观。植入型标签动植物管理2.2.2 标签分类按能量来源半无源标签电路板上集成电池，但作为辅助备用无源标签依靠反射阅读器发射的载波信号来获取能量有源标签主动标签，依靠自身电池。

11、2.2.2 标签分类按工作频率低频标签30kHz300kHz一般为无源电感耦合穿透力强高频标签300kHz30MHz一般为无源电感耦合传输快、存储大超高频标签0.3GHz3GHz无源或有源电磁反向散射耦合距离远、速率高、移动场景、多标签读写性能好2.2.2 标签分类按读写能力读写标签可读可写结构复杂成本高无需数据库关联只读标签只能读取，内含唯一序列号价格低结构简单2.2.3 标签操作规范与阅读器类似，在实际系统中，标签的操作规范也要考虑很多因素，下面几个是需要重点考虑的：读取范围所附着物体能量来源移动需求存储容量标签成本天线极化方向标签可靠性工作频率尺寸和形式2.2.4 标签组成天线芯片决定了

12、标签的尺寸接受阅读器发射的射频信号将芯片数据发送给阅读器对于无源标签，天线还用来供能对天线收到的信号进行解调、解码等，并对标签需要发送的信号进行编码和调制，以及执行防碰撞算法和存储数据等2.2.5 标签天线天线是一种专门设计用来耦合、辐射电磁能量的导体结构。通常标签天线尺寸越小，天线辐射阻抗越小，标签工作距离越短，工作效率越低。天线性能包括方向特性、天线效率、天线增益等。根据工作原理不同，可以将标签天线分为三类：线圈型天线微带贴片型天线偶极子天线2.2.5 标签天线在低频RFID系统中，标签工作在阅读器天线的近场 (近场指从天线开始到一个波长的距离范围) ，标签天线由与标签芯片相连的线圈构成。

13、在超高频RFID系统中，标签工作在阅读器天线的远场 (远场指距离天线若干个波长开始到无穷远) ，标签天线尺寸和通信距离、读取能量、工作效率成反比。天线方向特性指天线的极化方向，天线的极化是指在天线最大辐射方向上，电场矢量的方向随时间变化的规律。极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。 天线效率指天线辐射出去的功率（有效转换电磁波部分的功率）和输入到天线的有功功率之比，恒小于1天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点所产生的信号的功率密度之比，它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。2.2.5 标签天线线圈型天线工艺简单、成本低，在低频、高频近距离RFID系统中被

14、广泛使用。利用电感耦合工作，类似变压器原理，阅读器天线相当于变压器初级线圈，标签天线作为次级线圈，在变化的磁场内产生电压。通过并联的电容进行充电，为标签芯片提供能量。2.2.5 标签天线 微带贴片天线这种天线是在带有导体接地板的介质基础上贴加导体薄片而形成的天线。质量轻、体积小、成本低、易于大量生产。适用于通信方向不变的场景。2.2.5 标签天线偶极子天线由两端长度、粗细程度相同的直导线排成一条直线构成的天线。适用于超高频标签。典型的有：半波偶极子天线、双线折叠偶极子天线、三线折叠偶极子天线和双偶极子天线。偶极子天线属于全向天线。2.2.6 标签芯片可分为：模拟前端、控制部件和存储部件。模拟前

15、端：整流天线输入信号提供稳定电压、将天线输入检波得到数字信号、调制控制部件发送信号给天线发送、为控制模块提供时钟。控制部件：数据解码、数据校验、数据编码、加密解密、防碰撞、读写控制。存储部件：标签数据载体。2.2.7 标签唤醒电路唤醒机制电路的设计方式整流器1V电压输出晶体管接通整流器5mV电压输出与参考电压比较晶体管接通2.2.7 标签制造标签的制作工艺主要有：线圈绕制法、化学蚀刻法和印刷法制造过程分为：天线制造和芯片组装天线制造RFID天线制作工艺主要有线圈绕制法、蚀刻法和印刷法。低频RFID电子标签天线基本是采用绕线方式制作而成；高频RFID电子标签天线利用以上三种方式均可实现，但以蚀刻

16、天线为主，其材料一般为铝或铜；UHF RFID电子标签天线则以印刷天线为主。2.2.7 标签制造天线制造芯片组装就是将标签天线和标签芯片进行连接的过程。倒装芯片技术快速固态导电黏合剂分发技术2.2.7 标签制造标签的制作工艺主要有：线圈绕制法、化学蚀刻法和印刷法制造过程分为：天线制造和芯片组装天线制造芯片组装倒装芯片技术快速固态导电黏合剂分发技术2.3 软件系统组成RFID系统的软件组成是RFID系统的“灵魂”。为了使读者对开发RFID系统有直接的体会，本章结合商用阅读器的软件接口进行介绍。概述工作流程Alien RFID Java中间件阅读器使用示例2.3.1 概述RFID系统的软件组成是R

17、FID系统的“灵魂”。为了使读者对开发RFID系统有直接的体会，本章结合商用阅读器的软件接口进行介绍。本章节将介绍RFID系统的软件组成，重点介绍中间件组件。以Alien Technology公司的超高频商用阅读器产品为例来说明（左图）。内容包括：读写器的安装初始化配置、设置标签掩码、自主工作方式的实现、交互工作方式的实现、标签的存储结构和唤醒方法等。本章需要对JAVA程序设计有基本的掌握。2.3.2 工作流程RFID系统的软件组成是RFID系统的“灵魂”。为了使读者对开发RFID系统有直接的体会，本章结合商用阅读器的软件接口进行介绍。2.3.3 Alien RFID Java中间件组织结构包

18、含五个包：reader、tags、discovery、notify、util阅读器的连接AlienClass1Reader类创建对象来控制有COM口和网络两种（见下图）2.3.3 Alien RFID Java中间件打开或关闭连接向阅读器发送操作命令通过reader对象的doReaderCommandreader.open();reader.isOpen();reader.close();通过reader对象的getTagList方法Tag tagList = reader.getTagList();public String getTagID();/返回标签IDpublic int getR

19、SSI();/返回信号强度2.3.3 Alien RFID Java中间件标签信息类Tag搜索可用阅读器串口服务监听类：SerialDiscoveryListenerService网络服务监听类：NetworkDiscoveryListenerService扫描串口网络阅读器周期性向同一个网段所有主机发送心跳信号，该信号可以被主机上的应用程序监听，心跳数据内容见书上p48XML2.3.3 Alien RFID Java中间件交互工作模式和自主工作模式工作在交互模式下的阅读器把主机发送的每一条命令看成一个单独的任务，按照顺序立即执行并返回结果。工作在自主总琢磨是下的阅读器能够根据预先配置的触发时

20、间和处理逻辑进行自主监控和数据处理2.3.3 Alien RFID Java中间件标签的存储结构下图所示的是EPC Class1 Generation2标准规定的典型标签存储结构2.3.3 Alien RFID Java中间件标签掩码Set mask如：只访问ID以“80000040”开头的标签Set mask = 32, 0, 80 00 00 40通过设置标签掩码可以只让一部分标签相应，另一部分标签休眠，减少了标签之间通信相互干扰的概率，提高了标签和阅读器之间的有效数据传输率。标签掩码的使用方式和传统网络中的子网掩码有相似之处2.3.4 阅读器使用完整实例使用串口通信方式连接阅读器通过Al

21、ienReaderClass1Reader类下面例子是从COM1连接2.3.4 阅读器使用完整实例阅读器自主工作模式根据MessageListener的messageReceived2.3.5 RFID中间件系统RFID将与互联网、无线通讯网等一起，在全球编织一个庞大的物联网。这种网络格局的变革，将使许多应用程序在网络环境的异构平台上运行。为解决分布异构的问题，人们提出了中间件的概念。中间件是介于前端读写器硬件模块与后端应用软件之间的重要环节，是RFID部署与运作的中枢。2.3.5 RFID中间件系统一、RFID中间件概述1、中间件的概念目前中间件并没有严格的定义。人们普遍接受的定义是，中间件

22、是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用系统借助这种软件，可以实现在不同的应用系统之间共享资源。中间件由“平台”和“通信”两部分构成，只能用于分布式系统。 中间件是位于平台（硬件和操作系统）和应用之间的通用服务2.3.5 RFID中间件系统中间件应具有的一些特点满足大量应用的需要；运行于多种硬件和OS平台；支持分布计算，提供跨网络、硬件和OS平台的透明性应 用或服务的交互；支持标准的协议；支持标准的接口。中间件最初发展动力是需要有一个公共的标准应用开发平台，来屏蔽不同操作系统之间的环境和API差异，随着网络应用的需求，变成了中间件更重要的驱动因素。分布式应用软件借助于中间件，可以连接网络上不

23、同的应用系统，共享资源和功能。由于标准接口对于可移植性和协议标准对于互操作性的重要性，中间件已成为许多标准化工作的主要部分2.3.5 RFID中间件系统2、RFID中间件的分类2.3.5 RFID中间件系统3、RFID中间件的发展历程RFID中间件的发展阶段 (三个阶段)（1）应用程序中间件发展阶段：是RFID中间件的初始阶段。 在本阶段RFID中间件多以整合、串接RFID读写器为目的。 （2）构架中间件发展阶段：是RFID中间件的成长阶段， RFID中间件不但具备了基本数据收集、过滤、处理等功能，同时也满足了企业多点对多点的连接需求，并具备了平台的管理与维护功能。（3）解决方案中间件发展阶段

24、：是RFID中间件的成熟阶段。各厂商针对RFID在不同领域的应用，提出了各种RFID中间件的解决方案。企业只需要通过中间件旧可以将原有应用系统快速与RFID系统连接，实现RFID系统可视化管理2.3.5 RFID中间件系统4、RFID中间件的特征与作用RFID中间件的特征目前RFID中间件可以分为非独立的中间件和独立的通用中间件两大类。非独立的中间件将RFID技术纳入到现有的中间件产品的软件系统中，RFID作为可选子项。独立的通用中间件具有独立性，不依赖于其它软件系统，各模块都是由组件构成，根据不同的需要进行软件组合。2.3.5 RFID中间件系统RFID中间件的作用（1）控制RFID读写设备

25、按照预定的方式工作，保证不同读写设备之间配合协调。（2）按照一定规则过滤数据，筛除绝大部分冗余数据，将真正有效的数据传送给后台信息系统。（3）保证读写器和企业级分布式应用系统平台之间的可靠通信。（4）中间件屏蔽了底层操作系统的复杂性。2.3.5 RFID中间件系统二、RFID中间件的结构1、中间件的系统结构 中间件系统结构包括读写器接口（Reader Interface）、处理模块（Processing Module）以及应用接口（Application Interface）3部分。2.3.5 RFID中间件系统读写器接口：多种读写器，每一种都有其专用的接口，读写器接口以及数据的访问和管理能力

26、是各不相同的，要使开发人员都了解不现实，因此应该使用中间件来屏蔽具体的读写器接口，主要功能：1、提供读写器硬件与中间件连接的接口；2、负责读写器、适配器与后端软件之间的通信接口，并支持多种读写器和适配器；3、能够接收远程命令、控制读写器和适配器处理模块：汇聚不同数据源的读取数据，并且基于预先配置的应用层时间过滤器进行调整和过滤，送到后端系统。主要功能：1、观察所有读写器状态；2、提供处理模块向系统注册的机制；3、提供EPC编码和非EPC编码的转换功能；4、提供管理读写器功能，如新增、删除、停用和群组等；5、提供过滤不同读写器接收内容的功能，进行数据处理。2.3.5 RFID中间件系统应用接口：

27、在中间件的顶层，其主要目的在于提供一个标准机制，来注册和接收经过过滤的事件，应用接口还提供标准的API，来配置、监控和管理中间件，以及它所控制的读写器。2.3.5 RFID中间件系统2、中间件的处理模块 RFID事件过滤系统 RFID事件过滤系统（RFID Event Management System）可以与阅读器应用程序进行通信，过滤阅读器发送的事件流。（1）事件过滤的方式： 平滑算法消除那些被怀疑有错误的阅读 协调可以采用不同运算规则，清除不属于此阅读器的阅读 转发根据事件的类型不同，将事件传送为一个或多个输出（2）事件记录的方式：（3）事件过滤的作用：（4）事件过滤的功能：2.3.5

28、RFID中间件系统实时内存事件数据库 实时内存事件数据库（Real-time In-memory Event Database，RIED）是一个用来保存边缘中间件信息的内存数据库。RIED是一个高性能的内存数据库，假如读写器每秒阅读并发送10000个数据信息，内存数据库每秒必须能够完成10000个数据处理，而且这些数据是保守估计的，内存数据库必须高效地处理读取的大量数据。任务管理系统 任务管理系统（Task Management System，TMS）负责管理由上级中间件或企业应用程序发送到本级中间件的任务。类似于操作系统的进程管理2.3.5 RFID中间件系统三、RFID中间件的实例 目前技

29、术比较成熟的RFID中间件主要是国外产品，IBM、Microsoft、BEA、Reva、Oracle、Sun、SPA等公司都提供RFID中间件产品。国内的深圳立格和清华同方是较早涉足这一领域的企业，已经拥有具有自主知识产权的中间件产品。1、IBM 的RFID中间件 IBM中间件的体系结构IBM在中间件领域处于全球领先地位。 IBM公司推出了以WebSphere中间件为基础的RFID解决方案。WebSphere中间件通过与EPC平台集成，可以支持全球各大著名厂商生产的各种阅读器和传感器。2.3.5 RFID中间件系统（1）边缘控制器主要负责与RFID硬件设备之间的通信，对RFID阅读器所提供的数

30、据进行过滤和整合，将其提供给前端服务器（2）充当了所有RFID设备信息采集的汇合中心，边缘控制器和前端服务器之间采用发布/订阅主题的方式通信IBM中间件的体系结构2.3.5 RFID中间件系统IBM RFID中间件的工作流程RFID读写器获得标签数据后，通过代理服务器将其发布到MicroBroker总线。适配器和滤波器订阅了标签数据这一主题，就从MicroBroker总线上得到数据，然后将处理后的标签数据发布到MicroBroker总线上，由MB Bridge模块将数据发送到前端服务器。前端服务器订阅了处理后的标签数据，然后将其提供给WebSphere应用服务器。IBM WebSphere应用服务器将RFID事件、企业的商业模型以及应用程序进行映射，提取应用程序关心的RFID事件和数据。适配器主要用来适配各种RFID阅读器，因为他们支持的协议不尽相同。过滤器负责定制过滤规则、对数据进行过滤，忽略重复的标签信息。