第1章(RFID技术概述)

RFID原理及应用主讲人：李媚TELQ：41786659信息学院计算机系2023/2/311.1RFID技术应用预览（1）安全防护领域；（2）生产销售领域；（3）管理与数据统计领域；（4）交通运输领域；……第1章RFID技术概述2023/2/32（1）安全防护领域门禁保安，汽车防盗，电子物品监控2023/2/33（2）生产销售生产线自动化（宝马汽车装配），仓储管理，产品防伪，RFID卡收费（智能停车场）2023/2/34（3）管理与数据统计畜牧管理，运动计时2023/2/35（4）交通运输高速自动收费，火车和集装箱自动识别。2023/2/36（5）其它智能图书馆2023/2/371.2RFID技术的特点2023/2/38RFID自动识别的优势及特点主要表现如下：1.快速扫描

条形码扫描RFID读写2023/2/392.体积小型化、形状多样化

2023/2/310

3.抗污染能力和耐久性4.可重复使用

5.穿透性和无屏障阅读

6.数据的记忆容量大条形码：50B，二维码：越500汉字，RFID：数M

7.安全性2023/2/3112023/2/312RFID各频段分类及典型频率低（30-300KHz，125KHz），<1米，工具识别高（3M-30MHz，13.56MHz），<1米，门禁卡超高（850-910MHz，433MHz），4-10米，ETC微波（2.45GHz）13.56MHz13.56MHz2023/2/3131.3RFID系统的组成

典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、RFID中间件和应用系统软件4部分构成2023/2/3141.3.1硬件组件1.阅读器（读写器，Reader）※阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线3部分组成，其内部结构如图1-3所示。负责与Tag双向通信，接受来自主机的控制指令。2023/2/315逻辑控制单元：执行指令，控制阅读器和电子标签的通信，编码与解码，对数据加密与解密，执行防碰撞算法，对阅读器和标签身份验证。射频接口：产生高频发射能量并激活电子标签对发射信号调制，并传输给电子标签接受来自于电子标签的射频信号2023/2/316天线：接收电磁波电流信号，或电流信号电磁波发射出去。2023/2/3172.电子标签（ElectronicTag）电子标签的内部结构如图所示。2023/2/318电子标签（ElectronicTag）：也称为智能标签（SmartLabel），是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。电子标签是射频识别系统真正的数据载体。2023/2/3191.RFID软件系统分类（1）前端软件：供应商提供演示、驱动、接口，集成商或客户开发的前端操作软件。读写、防碰撞、安全、检测纠错。（2）中间件软件：RFID运作的中枢（3）后端软件：处理采集信息的后台软件系统。系统管理、电子标签管理、数据分析和储存。（4）其它软件：开发、测试、评估、演示、模拟等。1.3.2软件组件2023/2/3202.什么是中间件（Middleware）？属于软件复用的范畴；处于操作系统和用户应用软件中间，在操作系统、网络、和数据库之上，应用软件的下层；为上层应用软件提供运行与开发环境，帮助用户灵活高效的开发和集成复杂应用软件。2023/2/321RFID中间件

RFID中间件扮演着电子标签和应用程序之间的中介角色，从应用程序端使用中间件提供的一组通用的应用程序接口（API），即能连到RFID阅读器，读取电子标签数据。2023/2/3222023/2/323为何要用RFID中间件2023/2/324RFID中间件主要包括以下4个功能阅读器协调控制：终端用户通过RFID中间件直接配置、监控以及发送指令给Reader。数据过滤与处理：纠错、过滤掉冗余数据、防碰撞（不同阅读器读取同一电子标签）。数据路由与集成：对采集到的数据进行分发。进程管理：根据定制负责数据的监控与事件的触发。2023/2/325RFID中间件的需求2023/2/3263.RFID应用系统软件

RFID应用系统软件是针对不同行业的特定需求开发的应用软件，可以有效地控制阅读器对电子标签信息进行读写，并且对收集到的目标信息进行集中的统计与处理。RFID应用系统软件可以集成到现有的电子商务和电子政务平台中，与ERP、CRM以及SCM等系统结合以提高各行业的生产效率。2023/2/3271.4RFID技术的物理学原理RFID是一种易于操控、简单实用且特别适用于自动化控制的应用技术，其基本原理是利用射频信号耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

2023/2/3282023/2/3291.4.1与RFID相关的电磁场理论了解电磁传播规律有助于更好地理解和应用射频识别系统。2023/2/3301.天线场的概念射频标签和读写器通过各自的天线构建起两者之间的非接触信息传输通道，这种空间信息传输通道的性能完全由天线周围的场区特性决定，是电磁传播的基本规律。射频信号加载到天线之后，在紧邻天线的空间中，除了辐射场之外，还有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大迅速减小。在这个区域，由于电抗场占优势，因而将此区域称为电抗近场区，它的外界约为一个波长。超过电抗近场区就到了辐射场区，按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。2023/2/331

通常，可以根据观测点与天线的距离将天线周围的场划分为三个区域。（1）无功近场区。

无功近场区又称为电抗近场区，是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中，电抗性储能场占支配地位，该区域的界限通常取为距天线口径表面λ/2π处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换。2023/2/332（2）辐射近场区。超过电抗近场区就到了辐射场区，辐射场区的电磁场已经脱离了天线的束缚，并作为电磁波进入空间。按照与天线距离的远近，又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关。对于通常的天线，此区域也称为菲涅尔区。（3）辐射远场区。辐射远场区即通常所说的远场区，又称为夫朗荷费区。在该区域中，辐射场的角分布与距离无关。严格地讲，只有离天线无穷远处才能到达天线的远场区。2023/2/3332.天线的方向性图

天线的方向性图是指该辐射区域中辐射场的角度分布，因而远场区是天线辐射场区中最重要的一个。公认的辐射近场区与远场区的分界距离R为式中，D为天线直径；λ为天线波长，D>>λ。对于天线而言，当天线的最大尺寸L小于波长时，天线周围只存在无功近场区与辐射远场区，没有辐射近场区。无功近场区的外界约为λ/2π，超过了这个距离，辐射场就占主要优势。通常将满足的天线称为小天线。

2023/2/334天线场周围的分布特点：辐射场中的能量以电磁波的形式向外传播，无功近场中的射频能量以电磁、电场的形式相互转换并不向外传播；天线周围场强的分布情况，离天线越近，场强越强。2023/2/3351.4.2能量耦合和数据传输1.耦合类型根据射频识别系统作用距离的远近情况，标签天线与读写器天线之间的耦合可以分为三类：密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。1）密耦合系统密耦合系统，又称紧密耦合系统，是具有很小作用距离的射频识别系统，其典型作用距离范围为0～1cm。密耦合系统是利用射频标签与读写器天线的无功近场区之间的电感耦合（闭合磁路）构成的无接触空间信息传输射频通道进行工作的。密耦合系统的工作频率一般局限于30MHz以下的频率。2023/2/3362）遥耦合系统遥耦合系统的典型作用距离可以达1m，所有遥耦合系统在读写器与标签之间都是电感（磁）耦合，遥耦合系统的发送频率通常使用135KHz以下的频率，或使用6.75MHz、13.56MHz以及27.125MHz频率。遥耦合系统又可细分为近耦合系统（典型的作用距离为15cm）与疏耦合系统（典型的作用距离为1m）。2023/2/3373）远距离系统远距离系统的典型作用距离为1～10m，个别系统具有更远的作用距离。所有的远距离系统均是利用标签与读写器天线辐射远场区之间的电磁场耦合（电磁波的发射与反射，也称之为反向散射耦合）所构成的无接触空间信息传输通道进行工作的。远距离系统的典型工作频率为915MHz（这在欧洲是不允许的）、2.45GHz和5.8GHz，此外，还有一些其他频率，如433MHZ等。2023/2/3382.数据传输原理射频识别系统一般包括读写器、标签和天线等部分，读写器和标签之间的通信通过电磁波实现，按照通信距离可分为远场和近场。读写器和标签之间数据交换方式也相应地称为负载调制和反向散射调制。（1）负载调制(变压器模型)。近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合实现的。在这种情况下，读写器和标签之间的天线能量交换方式类似于变压器结构，称为负载调制。这种调制方式在125kHz和13.56MHz射频识别系统中得到了广泛的应用。

2023/2/339（2）反向散射调制（雷达模型）。在典型的远场，如915MHz和2.4GHz射频识别系统中，读写器和标签之间的距离为几米，而载波波长仅有几到几十厘米。读写器和射频标签之间的能量传递方式为反向散射调制。反向散射调制技术是指无源RFID射频标签将数据发送回读写器所采用的通信方式。射频标签返回数据的方式是控制天线的阻抗，控制射频标签天线阻抗的方法有许多种，都是基于一种称为“阻抗开关”的方法。实际采用的几种阻抗开关有变容二极管、逻辑门、高速开关等。2023/2/3402023/2/3411.4.3反向散射调制的能量传递

电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁能量一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终返回发射天线。在雷达技术中，用这种反射测量目标的距离和方位。1.读写器到射频标签的能量传输在距离读写器R的射频标签处的功率密度为2023/2/342

在射频标签和发射天线最佳对准和正确极化时，射频标签可吸收的最大功率与入射波的功率密度S成正比，可表示为

2.射频标签到读写器的能量传输

射频标签返回的能量与其雷达散射截面（RadarCrossSection，RCS）成正比，它是目标反射电磁波能力的测度指标。散射截面取决于一系列的参数，如目标的大小、形状、材料、表面结构、波长和极化方向等。射频标签返回的能量为2023/2/343

因而返回读写器的功率密度为

接收天线的有效面积为接收功率为2023/2/3442023/2/3451.5RFID系统特征1.5.1RFlD系统的基本模型射频标签与读写器之间的电磁耦合包含近距离的电感耦合与远距离的电磁耦合。

在射频识别系统工作过程中，空间传输通道中发生的过程可归结为三种事件模型：数据交换是目的，

时序是数据交换的实现形式，

能量是时序得以实现的基础。射频识别系统的模型如图1-8所示。2023/2/3462023/2/3471．能量读写器向射频标签供给射频能量。无源标签：其工作所需的能量即由该射频能量中取得（一般由整流方法将射频能量转变为直流电源存在标签中的电容器里）；半无源标签：该射频能量能够唤醒标签转入工作状态。有源标签：一般不利用读写器发出的射频能量，因而读写器能够以较小的发射能量取得较远的通信距离。2023/2/3482．时序

读写器与标签工作的顺序。

双向系统（读写器向射频标签发送命令与数据，射频标签向读写器返回所存储的数据）：读写器一般处于主动状态，即读写器发出询问后，射频标签予以应答，称这种方式为阅读器先讲方式。另一种情况是射频标签先讲方式，即射频标签满足工作条件之后，首先发送信息，读写器根据射频标签发送的信息，进行记录或进一步发送询问信息，与射频标签构成一个完整地对话，来达到读写器对射频标签进行识别的目的。

多标签识别系统：一般情况下，读写器处于主动状态，即采取读写器先讲方式。

实现多标签的读取，现实应用中也有采用标签先讲方式的应用。多标签读写问题是射频识别技术及应用中面临的一个较为复杂的问题，目前已有多种方法可以有效地解决这种问题。2023/2/3493．数据传输射频识别系统中的数据交换包含两个方面的含义：从读写器向射频标签方向的数据传输和从射频标签向读写器方向的数据传输。

读写器向射频标签方向的数据传输可以分为两种情况：有线（接触）写入方式和无线（非接触）写入方式。具体采用何种写入方式需要结合应用系统的需求、代价、技术实现的难易程度等因素来决定。2023/2/3502023/2/3511.5.2RFlD系统的性能指标可读写RFID系统的性能有以下几个指标：

1.射频标签存储容量：只读20B，有源8B-64KB，无源48-736B；特例1bit（超市防盗）

2.工作方式：全双工，半双工和时序系统；

3.数据传输速度：只读，无源读写和有源读写；

4.读写距离

5.多个标签识别能力

6.射频标签与天线间射频载波频率：低，高，超高，微波；

7.RFID系统的连通性

8.数据载体：EEPROM，FRAM，SRAM

9.状态模式：微处理器

10.能量供应。2023/2/3521.5.3RFlD系统的分类1.按照Reader和Tag之间的能量感应方式：电感耦合和电磁耦合；2.按标签供电形式：无源，半无源和有源；3.按工作频率：低，高，超高，微波；4.按通信方式：RTF（Reader先讲）和TTF；5.按应用模式：固定式，便携式，一体式和模块式；

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