第五章 电子标签

射频识别技术

RFIDTechnology第五章电子标签25.1电子标签简介5.1.1电子标签的特点与组成无线标签技术是一种非接触式的自动识别技术，它经过射频信号自动识别目的对象并获取相关数据，识别任务无须人工干涉，可任务于各种恶劣环境。无线标签技术可识别高速运动物体并可识别多个标签，操作快捷方便。RFID标签具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、运用寿命长、读取间隔大、标签上数据可以加密、存储数据量大、存储信息可以修正等优点。电子标签是指由IC芯片和无线通讯天线组成的超微型小标签。标签中保管有商定格式的电子数据，在实践运用中，无线标签附着在待识别物体外表。存储在芯片中的数据，由阅读器以无线电波的方式非接触的读取，并经过阅读器的处置器，进展信息解读并进展相关的管理。因此说，电子标签是一种非接触式的自动识别技术，是目前运用的条形码的无线版本。电子标签的运用将给零售、物流等产业带来革命性的变化。电子标签非常方便于大规模消费，并可以做到日常免维护。读写设备采用微波技术，同时收发电路本钱低，性能可靠，是近间隔自动识别技术实施的好方案。收发天线采用微带平板天线，便于各种场所安装且易于消费，天线环境顺应性强，机械、电气性能好。RFID技术给零售、物流等产业带来了革命性的变化，因此条形码技术就遭到了极大的冲击。条形码技术的主要突出问题和缺陷主要有：视距问题、信息容量小的问题、红外扫描识别带来的问题等。RFID技术关键在于可以让物品实现真正的自动化管理，不再像条形码那样需求逐个扫描。在RFID标签中存储着规范可互用的信息，经过无线数据通讯网络可以自动采集并衔接到中央信息系统，RFID标签可以以恣意方式附加在包装中，不需求像条形码那样占用固定空间。此外，RFID不需求人工识别标签，读卡器每250ms就可以从射频标签中读出位置和商品的信息。系统任务时，阅读器发出微波查询信号，电子标签收到微波查询能量信号后，将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路任务，另一部分微波能量信号被电子标签内保管的数据信息调制〔ASK〕后反射回阅读器。阅读器接纳反射回的幅度调制信号，从中提取出的电子标签中保管的标识性数据信息。1特点电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有独一的电子编码，附着在物体目的对象上。电子标签内编写的程序可按详细需求进展随时读取和改写。电子标签中的内容也可在被改写的同时可以被永久锁死、进展维护。通常电子标签的芯片体积很小，厚度普通不超越0.35mm，可印制在纸张、塑料、木材、玻璃、纺织品等包装资料上，也可以直接制造在商品标签上。总之，电子标签的特点有：〔1〕具有一定的存储容量，存储被识别物品的相关信息。〔2〕在一定任务环境及技术条件下，可以对电子标签的存储数据进展读取和写入操作。〔3〕维持对识别物品的识别及相关信息的完好。〔4〕具有可编程操作，对于永久性数据不能进展修正。〔5〕对于有源标签，经过读写器可以显示电池的任务情况。2组成电子标签与读写器之间经过电磁波进展通讯，与其他通讯系一致样，电子标签可以看做一个特殊的收发信机〔Transceiver〕。电子标签可以分为两个部分，即标签芯片和标签天线。标签天线的功能是搜集阅读器发射到空间的电磁波，和将芯片本身发射的能量以电磁波的方式发射出去。标签芯片的功能是对标签接纳的信号进展解调、解码等各种处置，并把电子标签需求前往的信号进展编码、调制等各种处置。5.1.2标签的技术参数RFID射频标签附着在待识别物体上，在RFID系统中，这是一种损耗件。在目前各个厂家制造的RFID系统中，除了个别厂家之外，绝大多数厂家的产品都互不兼容。对于较大的运用系统而言，标签的本钱决议着整个系统的建立本钱。射频电子标签由标签天线、芯片等采用特殊的封装工艺封装而成。根据射频标签的技术特征，针对标签的技术参数有：能量需求、读写速度、封装方式、内存、任务频率、传输速率和数据的平安性等。下面逐一引见。〔1〕标签的能量需求标签的能量需求指激活标签芯片电路所需求的能量范围。在一定间隔内的标签，激活能量太低就无法激活标签。〔2〕标签的传输速率标签的传输速率指的是标签向读写器反响所携带的数据的传输速率及接纳来自读写器的写入数据命令的速率。〔3〕标签的读写速度标签的读写速度由标签被读写器识别和写入的时间决议，普通为毫秒级，因此携带UHF标签的物体运动速度可以到达1~100m/s，即可以到达360km/h的速度。〔4〕标签的任务频率标签的任务频率指的是标签任务时采用的频率，即低频、中频、高频、超高频或微波等。〔5〕标签的容量标签的容量指的是射频标签携带的可供写入数据的内存量，普通可以到达1KB〔1024Byte〕的数据量。〔6〕标签的封装方式标签的封装方式主要取决于标签天线的外形，不同的天线可以封装成不同的标签方式，运用在不同的场所，并且具有不同的识别性能。表5-1射频识别系统的技术特征技术特征分类工作方式全双工系统/半双工系统/时序系统数据量大于1bit/电子标签可否编程读头/编程器数据载体EEPROM/FRAM/SRAM状态模式状态机/微处理器能量供应有源系统/无源系统（电池供电/射频场供电）频率范围低频/中高频/超高频/微波标签-读头数据传输方式次谐波/反向散射(负载调制)/其他标签应答频率n，1/n倍/1:1/多样化5.1.3电子标签的分类1按照供电方式分类概念：双频标签与双频系统无线识别系统的任务频率对系统的任务特性影响比较大。从识别间隔、穿透才干等特性看，不同的射频频率使得系统之间有着较大的任务才干差别，下面以低频和高频为例，来阐明这个差别。简单来讲，低频具有较强的穿透力，可以穿透水、金属、动物，人的躯体等导体资料。但是在同样功率下，传播的间隔很近。但高频或超高频具有较远的传播间隔，但也很容易被上述导体媒质所吸收。因此，对于可导的这些妨碍物，影响到系统的任务才干。如何利用低频和高频这两个频段的优点，结合起来设计具有较远识别间隔，又具有较强穿透才干的产品，这就开展出混频和双频技术。混频和双频产品可以广泛的运用在动物识别、导体资料干扰的环境及潮湿的环境中。混频和双频产品的任务方式有两种：有源系统和无源系统。例1：有源双频系统任务原理：读头〔阅读器〕将低频的加密数据载波信号经发射天线向外发送；双频标签进入低频的发射天线任务区域后被激活，同时将加密的载有目的识别码的高频加密载波信号经标签内的高频发射模块发射出去；接纳天线接纳到射频卡发来的载波信号，经读头接纳处置后，提取出目的识别码送至计算机，完成预设的系统功能和自动识别，实现目的的自动化管理。1例2：无源双频系统iPico公司的专利产品无源双频系统，采用低频和高频两个频段进展任务，将两个频率特性集成到单一的双频标签和双频读头上，构成了双频无源系统。右图为一个门禁无源双频系统及天线。其体积小、系统紧凑，本钱低廉，适用于会议签到、门禁控制、人员跟踪、人员管理等环境。人员可以经过佩戴胸卡或放置于衣袋中等方式的标签，无须刷卡系统就可以准确快速识别出标签，而且也具有良好的多目的识别才干。图5-2门禁无源双频系统2按任务频率分类〔1〕低频标签：典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。〔2〕高频标签：任务频率高于低频标签，无线电波较长〔普通为几米〕，亦是典型的电感耦合型标签，天线多为线圈型。〔3〕超高频和微波标签：任务频率远高于低频和高频标签，任务波长较短〔分米级或厘米量级〕，任务方式为电磁反向散射耦合方式。3按封装方式分类根据射频系统不同的运用场所及不同的技术性能参数，思索到标签的本钱、环境要求等，可以将射频识别标签封装成不同厚度、不同大小、不同外形的标签。此外，根据标签封装材质的不同，可以将标签制成以纸、PP、PET、PVC等资料方式。如，在物流管理中最好运用单面的不干胶标签；在门禁系统中最好运用ISO卡片方式的标签；在矿井平安管理中最好运用全封锁的塑料标签。下面进展详细引见。〔1〕封装材质为了维护标签芯片和天线，同时也便于用户运用，射频电子标签必需利用某种基材进展封装，不同的封装性质的标签针对不同的场所。主要有纸标签、塑料标签和玻璃标签。①纸标签：普通都具有自粘功能，用来黏贴在待识别物品上。这种标签比较廉价，普通由面层、芯片线路层、胶层、底层组成。②塑料标签：采用特定的工艺将芯片和天线用特定的塑料基材封装成不同的标签方式，如钥匙牌、手表形标签、狗牌、信誉卡等方式。常用的塑料基材有PVC和PSP，标签构造包括面层、芯片层和底层。③玻璃标签：运用于动物识别与跟踪，将芯片、天线采用一种特殊的固定物质植入一定大小的玻璃容器中，封装成玻璃标签。〔2〕封装外形常见的有信誉卡标签，普通厚度不超越3mm。圆形标签、钥匙和钥匙扣标签、手表标签、物流线性标签等。4按照作用间隔分类〔1〕密耦合标签：作用间隔小于1cm的标签。〔2〕近耦合标签：作用间隔约为15cm的标签。〔3〕疏耦合标签：作用间隔约为1m的标签。〔4〕远间隔标签：作用间隔从1m到10m甚至更远的标签。5无芯片标签和SAW标签普通意义上的电子标签都包含有电子标签天线及标签电路。标签电路经过集成后，降低了电子标签的消费本钱和整体功耗。以IC芯片为主要特征的电子标签不是独一的电子标签方式。近年来，随着技术的开展，出现了无芯片标签。〔1〕声外表波SAW标签声外表波标签以声外表波器件为中心，抑制了IC芯片任务时要求直流电源供电的缺陷，同样实现了电子标签的数据保管功能及无接触空间无限通讯的功能。声外表波标签的任务原理：天线接纳到的射频能量信号经SAW标签内部的变换器后构成激荡SAW存储数据条纹的脉冲，SAW鼓励神经脉冲经存储数据条纹图形反射后构成数据脉冲，数据脉冲再经过变换器表达为天线负载调制，阅读器经过解调反射的负载调制信号提取SAW电子标签的数据。例：RFSAWInc公司消费的SAW电子标签，采用铌化锂晶体作为声外表波器件的基地资料，顺应射频读取的任务频率范围为1.7~2.5GHz。每个标签具有不可更改的独一的标识UID。图5-3声外表波标签其主要特点有：①本钱比半导体RFIDIC芯片更低。②抑制了半导体RFIDIC电子标签的本钱、性能等限制。③具有可满足适用需求的足够长的电子标签识别代码UID。④具有足够远的阅读间隔，具有取代条形码的优势。〔2〕无芯片电子标签无芯RFID标签指的是不含有IC芯片的射频识别标签。最具有前景的无芯标签的主要潜在优势在于其最终能以0.1美分的破费直接印在产品和包装上，才有能够在诸如包装消费品、邮递物品、药品和书籍等最大的RFID运用领域内全面实施，以更灵敏可靠的特性取代每年十万亿运用量的条形码。无芯片电子标签最适宜运用的场一切物品管理〔工厂名册、图书馆、洗衣店、药品、消费品、档案、邮件〕，大容量平安文档、空运包裹等高价值物流。无芯片电子标签的特点是超薄、低本钱，存储数据量少。典型的实现技术有远程磁学技术〔RemoteMagnetics〕、层状非晶体管电路技术〔LaminarTransistorlessCircuits〕、层状晶体管电路技术等。5.2电子标签天线5.2.1电子标签天线简介天线具有将导行波与自在空间波相互转换的功能，它存在于一个由波束范围、立体弧度和立体角构成的三维世界中。无线发射机输出的射频信号功率，经过馈线保送到天线，由天线以电磁波方式辐射出去。电磁波到达接纳地点后，由天线接纳下来，并经过馈线送到无线电接纳机。可见，天线是发射和接纳电磁波的一个重要的无线电设备。作为射频电子标签的天线必需满足一下的性能要求：〔1〕足够小以致于可以嵌入制造到本身就很小的电子标签上。〔2〕有全向或半球覆盖的方向性。〔3〕提供最大能够的信号给标签的芯片，并给标签提供能量。〔4〕无论标签处于什么方向，天线的极化都能与阅读器的讯问信号相匹配。〔5〕具有鲁棒性。〔6〕作为损耗件的一部分，天线的价钱必需非常廉价。因此，在选择天线的时候，必需思索如下要素：〔1〕天线的类型。〔2〕天线的阻抗。〔3〕在运用到电子标签上时的射频性能。〔4〕在有其他的物品围绕标签物品时的射频性能。在实践运用中，标签的运用方式有两种，一种是标签挪动，经过固定的阅读器进展识别；一种是标签不动，经过手持机等挪动的阅读器来进展识别。在一个电子标签中，标签面积主要是由天线面积决议的。然而天线的物理尺寸遭到任务频率电磁波波长的限制，如超高频〔900MHz〕的电磁波波长为30cm，因此应该在设计时思索到天线的尺寸，普通设计为5~10cm的小天线。此外，思索到天线的阻抗问题、辐射方式、部分构造、作用间隔等要素的影响，为了以最大功率进展传输数据，天线后的芯片的输入阻抗必需和天线的输出阻抗相匹配。因此在电子标签中应该运用方向性天线，而不是全向天线，方向性天线具有更少的辐射方式和更少的前往损耗干扰。

5.2.2电子标签天线的分类RFID电子标签主要有线圈型、微带贴片型和偶极子型三种。任务间隔小于1m的近间隔运用系统的RFID天线普通采用工艺简单、本钱低的线圈型天线，任务在中、低频段。任务在1m以上远间隔的运用系统需求采用微带贴片型或偶极子的RFID天线，任务在高频及微波频段。1线圈型某些运用要求RFID的线圈天线外形很小，且需求一定的任务间隔，如动物识别。为了增大RFID与读写器之间的天线线圈互感量，通常在天线线圈内部插入具有高磁导率μ的铁氧体资料，来补偿线圈横截面小的问题。2微带贴片天线微带贴片天线是由贴在带有金属底板的介质基片上的辐射贴片导体构成的。微带贴片天线质量轻，体积小，剖面薄，其馈线方式和极化制式的多样化及馈电网络、有源电路集成一体化等特点成为了印刷天线的主流。微带贴片天线适用于通讯方向变化不大的RFID运用系统中。3偶极子天线在远间隔耦合的RFID系统中，最常用的为偶极子天线。信号从偶极子天线中间的两个端点馈入，在偶极子的两臂上产生一定的电流分布，从而在天线周围空间激发起电磁场。偶极子天线分为四种类型，分别为半波偶极子天线、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。半波偶极子三线折叠偶极子双偶极子双线折叠偶极子图5-4四种类型的偶极子天线5.3电子标签芯片5.3.1电子标签芯片简介标签芯片是电子标签的中心部分，主要功能有标签信息存储、标签接纳信号的处置和标签发射信号的处置。电子标签芯片按功能和构造特征可以分为射频、模拟前端，数字控制，存储单元三个模块。图5-5电子标签芯片系统框图5.3.2射频前端电子标签芯片的射频前端除了提供阅读器与电子标签数字模块的传输接口之外，还提供数字电路的电源，其主要功能有：〔1〕把由标签天线端输入的射频信号整流为供标签任务的直流能量。〔2〕对射频输入的AM调制信号进展包络检波，得到所需信号包络，供后级模拟端比较电路任务运用。〔3〕射频前端模块还需将数字基带送来的前往信号对天线端进展调制反射。5.3.3模拟前端电子标签芯片的模拟前端在射频前端和数字电路之间，包括稳压电路、偏置及时钟电路和包络信号迟滞比较电路。其主要功能有：〔1〕为芯片提供稳定的电压。〔2〕将射频输入端得到的包络信号进展检波，得到数字基带所需的信号。〔3〕为数字基带信号提供上电复位信号。〔4〕提供芯片的稳定偏置电流。〔5〕为数字基带提供稳定的时钟信号。5.3.4数字控制模块数字部分由PPM译码模块、命令处置模块、CRC模块、主形状机、编码模块、防碰撞控制、映射模块、通用存放器、公用存放器、EEPROM接口组成。其主要功能是处置模拟解调后的数据，担任与EEPR