• 什么是RFID?詳解RFID及其工作原理

    什么是RFID,RFID工作原理 百恒物聯 2018-12-13 1330

      RFID簡介


    什么是RFID?詳解RFID及其工作原理


      射頻(Radio Frequency,RF)指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波。無線射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術,簡稱射頻識別技術,是從20世紀90年代興起的一種無線、非接觸方式的自動識別技術,是近幾年發展起來的前沿科技項目。早在RFID技術出現之前,最廣泛應用的產品識別技術是條形碼技術。進入21世紀后,由于條形碼技術存在的諸多問題,例如,讀取速度慢、存儲能力小、工作距離近、穿透性弱以及適應性不強等,使其越來越不能滿足人們的需求。因此,RFID技術的出現改變了條形碼技術一統天下的局面。RFID技術不像條形碼那樣依靠“有形”的一維或二維幾何圖案來提供信息,而是通過芯片來提供存儲于其中的數量巨大的“無形”信息。RFID改變了傳統的數據采集方法,利用無線射頻方式在閱讀器和標簽之間進行非接觸雙向數據傳輸,以達到目標識別和數據交換的目的,具有壽命長、閱讀速度快、無磨損、環境適應性強、抗干擾能力強,便于使用和防碰撞的優點,可全天候、無接觸地完成自動識別、跟蹤與管理,且可穿透非金屬物體進行識別以及多目標同時識別等優點,其通信距離范圍可從幾厘米至幾十米遠,而且依據讀寫方式的不同,可以輸入數千字節的數字信息,具有極高的保密性。因此,RFID技術已逐漸成為自動識別技術中最優秀和應用領域最廣泛的技術之一。

      RFID工作原理


      典型的RFID系統由RFID標簽(Tag)、RFID閱讀器(Reader)、天線3部分組成。

      RFID標簽


      RFID標簽又稱電子標簽、射頻卡或應答器,是類似貨物包裝上的條形碼功能,記載貨物的信息,是RFID系統真正的數據載體,用以標識目標對象。當給移動或非移動物體附上RFID標簽,就意味著把“物”變為了“智能物”,就可以實現對不同物體的跟蹤與管理。

      RFID標簽是一種集成電路產品,是由耦合元件和專用芯片組成。

      RFID標簽芯片可劃分為諧振回路、射頻接口電路、數字控制和數據存儲體4部分。諧振回路是電子標簽與外界的通信接口,它耦合閱讀器天線產生的磁場信號,為電子標簽提供能量和數據。射頻接口將外接天線和內部數字控制電路、E2PROM數據存儲體聯系起來,射頻接口電路接收天線耦合的閱讀器信號,使內部電路從中獲得能量、時序和數據。數字控制電路主要包括狀態機、譯碼編碼、加密校驗、防沖突等模塊,實現命令編解碼、數據校驗,完成對射頻接口、數據存儲體的控制操作,完成協議所要求的功能。數據存儲體采用E2PROM,實現對用戶數據的存放,可以根據具體要求進行讀/寫操作。

      RFID標簽含有內置天線,用于發送和接收射頻信號,實現和射頻天線間的通信。目前,125kHz、13.56MHz這兩個頻段的RFID芯片種類多、技術成熟且價格低廉。其中,13.56MHz的RFID標簽是主流應用產品,國外公司如TI、Philips、Atmel、EM等提供的產品占了大部分市場。

      RFID標簽采用3種數據存儲方式:電可擦可編程只讀存儲器(E2PROM)、鐵電隨機存取存儲器(FRAM)和靜態隨機存取存儲器(SRAM)。E2PROM寫入過程中功耗較大,使用壽命通常為10萬次。FRAM的基本原理是鐵電效應,寫入功耗為E2PROM的1/100,寫入時間為E2PROM的1000,但由于生產方面的問題,使其至今未得到廣泛應用。寫入SRAM寫入速度快,適用于微波系統,但需要不間斷供電才能保存數據。因此RFID技術通常采用E2PROM方式。RFID標簽的數據量通常在幾字節到幾千字節之間。但有一個例外,這就是1b RFID標簽,進行“是”或“否”的應答,在需要簡單監控的場所是適合的,它的價格便宜,在百貨商場的商品防盜系統中獲得大量的應用。

      在自動識別管理系統中,每個RFID標簽保存著一個物體的屬性、狀態、編號等信息,具有全球唯一的識別號(ID),在加工芯片時寫入,無法修改和偽造,保證安全性。RFID標簽通常安裝在物體表面,具有一定的無金屬遮擋的視角。

      RFID標簽的主要電氣性能參數:工作頻率、讀/寫能力、數據傳輸速率、信息數據存儲量、多標簽識讀能力(也稱防碰撞能力或防沖突能力)、信息安全性能等。

      RFID閱讀器


      RFID閱讀器(Reader)又稱讀寫器或讀卡器,是讀取(或寫入)標簽信息的設備。RFID閱讀器可以無接觸地讀取并識別RFID標簽中所保存的電子數據,從而達到自動識別物體的目的。閱讀器一方面通過標準網口、RS-232串口或USB接口與計算機相連,另一方面通過天線與RFID標簽通信,將所讀取的標簽信息傳送到計算機上,進行下一步處理。

      由于頻率范圍、通信協議、數據傳輸方式的不同,各種閱讀器會有很大的區別和差異,但是所有的閱讀器在上述功能上是很相似的。

      (1)發送通道:對載波信號進行功率放大,向RFID標簽傳送操作命令及輸入數據。

      (2)接收通道:接收RFID標簽傳送至閱讀器的響應及數據。

      (3)載波產生器:采用晶體振蕩器,產生所需頻率的載波信號,并保證載波信號頻率穩定度。

      (4)時鐘產生電路:通過分頻器形成工作所需的各種時鐘。

      (5)MCU:微控制器是閱讀器工作的核心,完成收發控制、向RFID標簽發命令及輸入數據、數據讀取與處理、與高層處理應用系統的通信等工作。

      (6)天線:與RFID標簽形成藕合交聯。

      RFID閱讀器的主要功能是控制射頻模塊向RFID標簽發射讀取信號,并接受RFID標簽的應答,對RFID標簽的識別信息進行處理。

      (1)查閱RFID標簽中當前儲存的數據信息;

      (2)控制射頻模塊向RFID標簽發射讀取信號;

      (3)接受標簽的應答,對標簽的識別信息進行處理;

      (4)向空白RFID標簽中寫入欲儲存的數據信息;

      (5)修改(重新輸入)RFID標簽中的數據信息;

      (6)與后臺管理計算機進行信息交互。

      RFID閱讀器有專用閱讀器和通用閱讀器兩種。專用讀寫器專門為某種用途設計,是不具備再開發功能的專用獨立裝置,它本身已具備某種完整的固定用途,使用方式和功能在出廠前已由廠家設置,用戶可以根據應用情況做小范圍設定。通用閱讀器本身并不限于某種固定用途,主要針對標簽的讀寫操作,可以進行二次開發。

      天線


      天線(Antenna)是在RFID標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號,即RFID標簽的數據信息。

      RFID天線可分為標簽天線和閱讀器天線兩種類型。這兩種天線因工作特性不同,在設計上關注重點也有所不同。對于標簽天線,著重考慮天線的全向性、阻抗匹配、尺寸、極化、造價,以及能否提供足夠能量驅動RFID芯片等方面;對于閱讀器天線,考慮更多的是天線的方向性、天線頻帶等因素。由于RFID標簽的結構簡單,而且有全向性要求,提高其天線的增益很困難,因此,系統的天線增益主要落在閱讀器天線上,商用閱讀器天線一般采用平板天線,增益可達到9dB。為了提高閱讀器天線的方向性增益,可采用天線陣的方法,天線陣具有靈活的波束方向和更窄的波束寬度,可以減少閱讀器向非目標區域輻射,提高識讀距離,降低閱讀器間相互干擾,是閱讀器天線發展的一個重要方向。

      在RFID閱讀器與標簽通信時,閱讀器既是發射機,也是接收機,而且發射和接收都采用相同的頻率。RFID閱讀器的射頻前端必須將發射和接收的電磁波進行分離,分離的辦法與閱讀器天線結構有關。不同的結構決定不同的分離方式。閱讀器天線一般可采用兩種結構:單天線結構和雙天線結構。

      閱讀器的兩個天線采用不同極化方向,或左旋極化(LHCP),或右旋極化(RHCP)。若閱讀器發射左旋極化波,當它被反射回來的時候,反射波將是右旋極化方向,采用極化天線方式的射頻前端,其隔離度可以達到20dB以上,比單天線結構的分離能力強,常被應用在一些較高檔的閱讀器中,但該方式需要兩個天線,布置和安裝都不太方便,另外因多了一個天線,使其成本上升,所以在實際應用中,不如單天線結構的閱讀器普及。

      為保證天線的正常工作,要求天線的尺寸必須與傳播波的波長一致,天線可以是無源器件,也可以是有源器件。在實際應用中,天線的設計參數是影響RFID系統識別范圍的主要因素。高性能的天線不僅要求具有良好的阻抗匹配特性,還需要根據應用環境的特點對方向特性、極化特性和頻率特性等進行專門的設計和安裝。

      閱讀器在區域內通過天線發射射頻信號,形成電磁場,區域大小取決于發射功率、工作頻率和天線尺寸。

      當RFID表情進入該區域時,接收閱讀器的射頻信號,其天線產生感應電流,從而使RFID表情獲得能量被激活,并將自身編碼等信息通過標簽內置發射天線向閱讀器發送。

      系統接收天線接收到從RFID標簽發送來的載波信號,經天線調節器傳送到閱讀器,閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理。

      主系統根據邏輯運算判斷該標簽的合法性,針對不同的設定做出相應的處理和控制,發出指令信號控制執行機構動作。

      RFID標簽所存儲的電子信息代表了待識別物體的標識信息,相當于待識別物體的身份認證,從而射頻識別系統實現了非接觸物體的識別目的。

      RFID系統的讀寫距離是一個很關鍵的參數。目前,長距離RFID系統的價格還很貴,因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響RFID系統讀寫距離的因素包括天線工作頻率、閱讀器的射頻輸出功率、閱讀器的接收靈敏度、標簽的功耗、天線及諧振電路的Q值、天線方向、閱讀器和標簽的耦合度,以及射頻卡本身獲得的能量及發送信息的能量等。大多數系統的讀取距離和寫入距離是不同的,寫入距離大約是讀取距離的40%~80%。
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