项目一 认识射频识别技术

2023/2/31物联网射频识别技术与应用RFID2023/2/32项目一认识射频识别技术1.1任务导入：什么是射频识别技术？1.2射频识别系统组成1.3射频识别系统分类1.4射频识别系统工作原理1.5射频识别系统中的应用技术1.6射频识别技术的应用和发展前景1.7知识拓展1.7.1RFID技术相关标准1.7.2射频卡简介1.7.3射频卡的生命周期2023/2/331.1什么是RFID技术RFID是射频识别（RadioFrequencyIdentification）的英文缩写，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。RFID是一种能够让物品“开口说话”的技术，也是物联网感知层的一个关键技术。2023/2/34在对物联网的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过有线或无线的方式把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放式的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。2023/2/351.1.1射频识别技术发展进程

RFID直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的AIDC新技术——RFID技术。1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础。

1)RFID技术发展的历程表。在20世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。RFID技术的发展可按10年期划分如下：1941～1950年。雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。2023/2/361951—1960年。早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。

1961—1970年。RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。

1971—1980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。2023/2/371981～1990年。RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。

1991～2000年。RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。

2001—今。标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、

无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。2023/2/382)RFID技术国内外发展状况。RFID技术在国外的发展较早也较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的RFID系统。2023/2/391.1.2射频识别技术特点系统参数条形码光学字符生物识别磁卡接触式IC卡RFID信息载体纸或物质表面物质表面-磁条EEPROMEEPROM信息量小小大较小大大读写性能RRRR/WR/WR/W读取方式CCD或激光束扫描光电转换机器识读电磁转换电擦写无线通信读取距离近很近直接接触接触接触远识别速度低低很低低低很快通信速度低低较低快快很快方向位置影响很小很小-单向单向没有影响使用寿命一次性较短-短长很长保密性无无无一般好好智能化无无-无有有环境适应性不好不好-一般一般很好成本最低一般较高低较高较高多个同时识别不能不能不能不能不能能2023/2/310RFID技术特点无需直接接触无需光学可视无需人工干预即可完成信息的输入与处理操作快捷方便高速识别移动物体多目标识别保密性、防伪性、安全性、通用性强……2023/2/3111.2RFID系统组成射频识别系统:电子标签（射频标签RFIDTag）阅读器（读写器，Reader）应用系统（上位机，Computer）天线（Antenna）阅读器与标签中均有2023/2/3122023/2/312射频识别应用系统构成便携式信息载体存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息系统的核心，完成系统信息管理、设备监控管理以及电子标签的管理电子标签与PC机进行信息交换的桥梁电子标签的能量来源连接前端PC与上级控制/授权/服务/管理中心）电子标签与阅读器之间的非接触式2023/2/3131.2.2电子标签(RFIDTag)2023/2/314电子标签电子标签，又称射频识别标签、射频标签、RF标签、应答器，是射频识别系统的数据载体。射频卡是电子标签的一种。电子标签内存有一定格式的电子数据，相当于条码技术中的条码符号，常以此作为待识别物品的标识性信息。每个标签具有唯一的电子编码，应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。2023/2/315电子标签主要由存有识别代码的大规模集成电路芯片和收发天线构成。标签芯片即相当于一个具有无线收发功能再加存贮功能的单片系统(SoC)。从纯技术的角度来说，射频识别技术的核心在电子标签。天线的作用是在读写器和电子标签之间传递能量、数据及控制时序。目前主要为无源式，使用时的电能取自天线接收到的无线电波能量。2023/2/316说明电子标签具有各种各样的形状，但不是任意形状都能满足阅读距离及工作频率的要求，必需根据系统的工作原理，即磁场耦合(变压器原理)还是电磁场耦合(雷达原理)，设计合适的天线外形及尺寸。2023/2/317电子标签组成结构2023/2/318电子标签内部电路组成2023/2/319电子标签类别根据电子标签内镶嵌的芯片的不同划分存储器型电子标签逻辑加密型电子标签CPU型电子标签按工作频段不同可分为：低频、高频、超高频、微波标签低频具有较强穿透能力，能够穿透水、金属、动物等导体材料，传播距离近；高频具有较远识别距离。双频标签2023/2/320按卡内芯片供电方式的不同分为：有源、无源标签、半无源标签(Semi—passivetag)按使用过程中的读写方式分为只读、读写标签按封装形式的不同可分为ID-1卡形标签、线形标签、纸状标签、塑料标签、玻璃管标签、盘形标签、钥匙扣型标签、自粘标签等特殊用途的异形标签2023/2/321电子标签的典型工作频率低频标签125kHz、133kHz高频标签13.56MHz超高频标签433MHz，860~960MHz微波标签2.45GHz、5.8GHz2023/2/3222023/2/322根据片内芯片供电方式划分有源/主动式(active)无源/被动式(passive)标签内有电池标签内无电源读写皆可（可重复使用）只读体积较大读取区域较近价格较昂贵价格较便宜2023/2/323各类RF标签2023/2/324形形色色的电子标签2023/2/325形形色色的电子标签2023/2/3262023/2/327RFID标签2023/2/3282、RFID阅读器阅读器（读写器或基站）2023/2/329读卡器2023/2/330阅读器主要功能与应用软件进行通信，并执行应用软件发来的命令。控制与电子标签的通信过程。信号的编码与解码。执行防冲突算法。对电子标签与阅读器之间传送的数据进行加密和解密。进行电子标签与阅读器之间身份验证。2023/2/331阅读器组成阅读器的硬件一般由天线、射频模块、控制模块和接口组成。控制模块是阅读器的核心，一般由ASIC组件和微处理器组成。控制模块处理的信号通过射频模块传送给阅读器天线，由阅读器发射出去。控制模块与应用软件之间的数据交换，主要通过阅读器的接口来完成。2023/2/3321.3RFID系统分类2023/2/333RFID系统分类系统特征系统分类工作方式全双工系统半双工系统数据量1位系统多位系统可否编程可编程系统不可编程系统数据载体IC系统表面波系统运行情况状态机系统微处理器系统能量供应有源系统无源系统工作频率低频系统中高频系统数据传输电感耦合系统电磁反向散射耦合系统信息注入方式集成电路固化式现场有线改写式读取信息手段广播发射式系统倍频是系统作用距离密耦合系统遥耦合系统系统特征低档系统中档系统2023/2/334按照RFID系统的基本工作方式划分全双工系统在全双工系统中，数据在阅读器和电子标签之间的双向传输是同时进行的，并且从阅读器到电子标签的能量传输是连续的，与传输的方向无关。半双工系统在半双工系统中，从阅读器到电子标签的数据传输和电子标签到阅读器的数据传输是交替进行的，并且从阅读器到电子标签的能量传输是连续的，与传输的方向无关。时序系统在时序系统中，从电子标签到阅读器的数据传输是在电子标签的能量供应间歇时进行的，而从阅读器到电子标签的能量传输总是在限定的时间间隔内进行。2023/2/335按照RFID系统的数据量划分1位系统1位系统的数据量为1位。该系统中阅读器能够发出两种状态的信号“在阅读范围内有电子标签”和“在阅读范围内没有电子标签”。其主要应用在百货商场和商店中的商品防盗系统中。多位系统多位系统中电子标签的数据量通常在几个字节到几千个字节之间。2023/2/3362023/2/336按作用距离的不同分类（1）密耦合系统有效作用距离为0～1cm。（2）遥耦合系统有效作用距离为0～15cm。（3）远距离系统有效作用距离从1m～10m，或更远。2023/2/337按照信息注入方式进行分类集成固化式RFID系统集成固化式RFID系统的电子标签信息一般在集成电路生产时即将信息以ROM工艺模式注入，其保存的信息是一成不变的。现场有线改写式RFID系统现场有线改写式RFID系统的电子标签一般将电子标签保存的信息写入其内部的存储区中，改写时需要专用的编程器或写入器，改写过程中必须为其供电。现场无线改写式RFID系统现场无线改写式RFID系统一般适用于有源类电子标签，具有特定的改写指令。2023/2/338RFID的耦合方式发生在阅读器和射频标签之间的射频信号的耦合类型有两种：(1)电感耦合（InductiveCoupling

）典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m。(2)电磁反向散射耦合（BackscatterCoupling）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。2023/2/3391.4RFID系统工作原理2023/2/3401.4.1射频识别系统工作原理电子标签能量获取？双方数据如何传输？二者工作方式如何进行？2023/2/3411.4.2射频识别系统工作流程2023/2/342RFID系统工作流程阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号一部分是电源信号，该信号由电子标签接收后，与其本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。电子标签进入磁场后，PassiveTag，无源标签或被动标签如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量并通过天线发送出存储在芯片中的自身编码等产品信息2023/2/343ActiveTag，有源标签或主动标签如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，主动通过天线发送某一频率的信号，系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。2023/2/3441.4.3射频识别系统中能量及数据传输原理射频识别系统中，阅读器和电子标签之间的通信通过电磁波来实现。阅读器和电子标签之间存在着能量和数据的传输。射频识别系统阅读器和电子标签之间的射频信号传输方式：电感耦合（InductiveCoupling)

反向散射耦合（BackscatterCoupling）2023/2/345电子标签向阅读器的数据传输采用负载调制方法。若标签中以二进制数据编码信号控制芯片上场效应管，则标签上的负载按二进制数据编码信号的高低电平变化而接通和断开。负载的变化通过卡内天线映射到读写器天线，使读写器天线上的电压也按此规律变化，该电压变化在读写器中通过解调、过滤放大电路，恢复为标签端控制开关的二进制编码信号，经解码后就可获得存储在标签中的数据信息。实质为一种振幅调制，调节接入电阻R2的大小可以改变调制度有大小。2023/2/346阅读器向电子标签的数据传输采用多种数字调制方式。通常为幅移键控ASK(AmplitudeShiftKeying)。2023/2/3471.5RFID系统的应用技术RFID系统实施技术RFID系统测试技术RFID系统安装技术RFID系统故障评估技术2023/2/3481.RFID系统实施技术RFID项目实施过程起步建立开发环境选择合适供应商经验和核心能力解决方案制造商的专注程度售后服务制造和测试电子标签标签放置2023/2/3491.RFID系统实施技术测试、验证引入系统集成供应商集成多方面的应用软件与存储仓库的基本设施集成对RFID供应商的要求验证供应商试点开发出一个可预期的、范围可调节的系统，要示在标签放置、输出和性能方面达到一定的精度。任务：准备好必要的工具和经验。实施2023/2/350（1）系统技术参数工作频率作用距离数据传输速率安全要求加密和身份认证存储容量系统的连通性便于集成到其它应用中多标签的同时识读标签的封装形式2023/2/351（2）运行环境与接口参数运行环境阅读器、标签、计算机网络、平台系统、应用软件等。接口方式RJ45RS232RS485/422接口软件2023/2/352（3）硬件组件的选择标签阅读器天线类型阻抗辐射模式局部结构作用距离2023/2/353（4）成功实施要素确定明确的目标用科学的方法选择电子标签和读写器制定合适流程选择合适系统正确处理系统间的关联2023/2/3542.测试技术测试贯穿于整个RFID开始和应用生命周期。性能测试物理特性测试、静态特性测试、动态特性测试应用场景测试模拟RFID技术应用于不同领域的测试高低温测试、高低电压测试、压力测试、破坏性测试、强干扰环境测试2023/2/3552.测试技术可靠性测试模拟实践测试结合统计分析读取标签的可靠性测试、高速运动标签测试、大批量标签测试、强干扰环境测试电磁兼容性测试一致性测试2023/2/356（1）测试机构国内中国科学院自动化研究所RFID测试实验室复旦大学Auto-ID中国实验室中国科学院计算技术研究所先进测试技术实验室国家金卡工程射频识别与电子标签产品检验中心中国台湾亚太RFID应用检测中心2023/2/357（1）测试机构国外新加坡建立东南亚首个RFID测试中心SunRFID测试中心（分布于美国、苏格兰、新加坡、韩国）CAPESystems和OpenTerraRFID测试与整合中心IBMRFID测试试验中心英飞凌科技RFID解决方案展示和测评中心（奥地利）2023/2/358（2）测试设备和环境万用表网络分析仪频谱分析仪信号发生器示波器场强仪电波暗室（屏蔽室）2023/2/359（3）测试规范与体系的建立测试硬件环境的建立测试场地基本测试设备数据采集设备数据分析设备测试软件的设计与开发总体设计准则结构设计总控制台服务器端设计测试点客户端设计2023/2/360（3）测试规范与体系的建立产品测试规范布置测试环境记录环境数据测试不同位置读取率分析测试数据2023/2/3613.安装技术软件安装硬件安装天线安装读写器安装辅助设备安装读写入口的安装RFID通道的安装编码站的安装车载安装接地2023/2/3624.故障分析技术一般故障分析重启系统、标签是否可见、测试所有触发和反馈装置、检查网络通信、检查中间件、检查系统的连接读取区域的故障分析没有读取检查组件是否连上电源、检查读写器配置是否正确、天线方向是否正确读取不到全部标签2023/2/3634.故障分析技术是否实现读取所有标签、标签协议是否过多、物品被识别时间是否够长、是否有干扰标签失效故障分析位置是否正确、天线方向、是否已损坏、数据格式软硬件故障分析软件、固件、网络2023/2/3641.6RFID系统应用领域高速公路自动收费（AVI）及交通管理门禁保安RFID卡收费二代身份证电子物品监视系统（EAS）车辆防盗流水线生产自动化仓储管理畜牧管理图书管理RFID实时定位系统火车和货运集装箱的识别等等2023/2/365RFID技术和应用的市场前景巨大RFID应用要素人财物

应用领域：身份识别、签名认证

应用要求：身份认证、签名、交易要求具备法律效力，不可抵赖、篡改及假冒

应用领域：财富管理、商业交易

应用要求：构建虚拟“围墙”，确保数字财富、数字物品的安全

应用领域：识别防伪、记录管理

应用要求：与实体社会映射通道分布广泛、方便快捷，映射关系一致RFID广阔的应用前景移动支付不停车收费物流仓储RFID技术具有广阔的应用前景和乐观的市场空间，应该及早掌握相关技术和实现产品化商品防伪自动导航食品追溯药品追溯自动导游校园一卡通

2023/2/366應用範圍停車場POS圖書館貨櫃醫療資產棧板行李計費系統自動化作業人員管理倉儲2023/2/367RFID技术的发展前景当RFID系统应用普及到一定程度时，每件产品将通过电子标签赋予自己独特的身份标识，尤其是如今随着3G、三网融合的日益普及，今后RFID与互联网、电子商务结合将是必然趋势，也必将改变人们传统的生活、工作和学习方式。同时，与其他IT产业一样，当标准和关键技术解决和突破之后，RFID也将与其他产业如3C、3网等融合形成更大的产业集群，并得到更加广泛的应用，实现跨地区、跨行业应用。2023/2/3682023/2/3681.7拓展知识

射频卡制作2023/2/3692023/2/369射频卡组成卡基（PVC）天线线圈集成芯片标准卡组成异形射频卡组成2023/2/3702023/2/370射频卡的外形尺寸射频卡的外形尺寸符合国际标准ISO7810对ID-1型卡的规定。ISO/IEC7810：1985识别卡物理特性规定了卡的物理特性，包括卡的材料、构造、尺寸。卡的尺寸为：宽度85.72mm----85.47mm高度54.03mm----53.92mm厚度0.76±0.08mm卡片四角圆角半径3.18mm一般讲卡的尺寸为：85.5X54X0.76射频卡大小尺寸为：85.72mm×54.03mm×0.76mm。2023/2/3712023/2/3711.7.3射频卡的生命周期2023/2/3722023/2/372射频卡的生命周期射频卡的生命周期一般可分成5个阶段：设计与制造卡的初始化个人化使用使用终结2023/2/3732023/2/373（一）射频卡的设计与制造主要过程包括：1.芯片设计2.芯片制造3.模块制造4.卡片制造2023/2/374射频卡的设计制造流程图电路模块塑料卡体2023/2/3752023/2/3751.芯片设计（1）软件设计包括安装在芯片内部的ROM中的操作系统和应用软件的设计，如采用国外现成的芯片，则有相应的开发工具可供选用。主要是COS设计：COS的全称是Chip

Operating

System(片内操作系统)2023/2/3762023/2/376COSCOS的全称是Chip

Operating

System(片内操作系统)，它一般是紧紧围绕着它所服务的射频卡的特点而开发的。受射频卡内微处理器芯片的性能及内存容量的影响COS是一个专用系统而不是通用系统。即：一种COS一般都只能应用于特定的某种(或者是某些)射频卡，不同卡内的COS一般是不相同的。因为COS一般都是根据某种射频卡的特点及其应用范围而特定设计开发的，尽管它们在所实际完成的功能上可能大部分都遵循着同一个国际标准。与那些常见的微机上的操作系统相比较而言，COS在本质上更加接近于监控程序、而不是一个通常所谓的真正意义上的操作系统。2023/2/3772023/2/377COS

COS所需要解决的主要是射频卡对外部的命令如何进行处理、响应的问题。COS的主要功能是控制射频卡和外界的信息交换，管理射频卡内的存储器并在卡内部完成各种命令的处理。2023/2/3782023/2/378COS功能具体：芯片运输到用户（指发行商）时对运输密码的比较处理。发卡时的个人化处理（包括包括创建文件）。一次交易的完整处理。插卡后的初始化处理以及向接口设备发回复位应答。防插拔处理（数据备份等）。接口设备和IC卡之间以命令-响应方式进行处理。2023/2/3792023/2/3791.芯片设计（2）卡内集成电路设计其设计过程与ASIC（专用集成电路）设计过程相类似，包括逻辑设计、逻辑模拟、电路设计、电路模拟、版图设计、正解性验证等步骤。借助于计算机辅助设计工具（如Workview、Mentor、Cadence等），争取在设计阶段发现逻辑错误、电路错误或版图错误并修正。目前卡内集成电路一般包括CPU、ROM、RAM、EEPROM和安全逻辑等内容。卡内CPU经常采用微控制器MCU核心（如MC68HC05、ARM等），不必一切重新设计。2023/2/3802023/2/380常用芯片设计软件晶体管级：cadence、mentor板级：protel99/DXP、Orcad、powerPCB等数字设计仿真：cadence、mentor、Workview、maxplusII、orcad模拟设计仿真：Workview、orcad、Hspice2023/2/3812023/2/3812.芯片制造（1）（1）制作晶圆（wafer）晶圆也称晶圆片、硅晶片、晶圆。晶圆（Wafer），是生产集成电路所用的载体，多指单晶硅圆片。在硅晶片上可加工制作成各种电路元件结构，而成为有特定电性功能之IC产品。单晶硅圆片（直径75~150mm）切割成圆片，圆片厚度约为0.5mm，表面磨光，不得有任何缺陷。2023/2/3822023/2/3822.芯片制造（2）（2）制作晶圆上的电路根据设计与工艺过程要求，对圆片进行氧化、光刻、腐蚀和扩散等处理，形成所需要的电路。在一个圆片上可制作几百至几千个相互独立的电路，每个电路即为一个小芯片（die），小片上除了有按IC卡标准（8个触点）设计的压焊块外，还应有专供测试用的探头压块。为了避免在使用中IC卡遭受弯曲和扭曲而影响芯片的坚固性，一般将芯片的尺寸限制在25mm2以下，且尽量接近正方形。2023/2/3832023/2/3832.芯片制造（3）（3）测试利用带测试程序的计算机，控制探头测试圆片上的每个芯片，对芯片的电气和功能进行全面测试。在有缺陷的芯片上作标记（涂上带色的墨水）。在调整得很好的生产线上，合格率约为80%，所以要对每个芯片都测试。2023/2/3842023/2/3842.芯片制造（4）（4）研磨圆片和切割圆片经过工艺过程的圆片可能过厚，需进行研磨，使厚度达到要求。IC卡的厚度规定为0.76mm，芯片应该更薄。研磨后，用激光或钻石将圆片切割成众多的小芯片。并将带墨水的小芯片丢弃或销毁。2023/2/3852023/2/3853.模块制造将已经制造好的芯片安装在有微型印制电路板上，称作“模块”。模块的制作有三个过程：制作基底（微型印刷电路板）芯片安装团块封顶（gloptopping）模块制造过程可能会损坏一些芯片，因此需对模块进行测试。2023/2/3862023/2/386（1）制作基底（微型印刷电路板）模块的基底是一层绝缘物质，例如聚酰亚胺或环氧树脂玻璃，在其上有连接芯片到卡表面的接触焊盘。基底通常装在35mm宽，边上打孔的塑料带上，它并排成对地携带模块。制作方法