射頻識(shí)別技術(shù)之RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識(shí)別、感應(yīng)電子芯片、非接觸卡，是一種通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物體并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID技術(shù)可以在各種惡劣的環(huán)境中工作，無需人為干預(yù)。

此外，它能同時(shí)識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體和識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作方便快捷。短程射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染和其他惡劣環(huán)境，因此在這種環(huán)境下，它們可以代替條形碼，例如跟蹤工廠裝配線上的物體。長(zhǎng)距離射頻產(chǎn)品主要應(yīng)用于交通領(lǐng)域，其識(shí)別距離可達(dá)數(shù)十米，如自動(dòng)充電或車輛識(shí)別等。

根據(jù)電源的可用性，RFID分為無源和有源兩種。

1) 被動(dòng)標(biāo)記：被動(dòng)傳感器本身沒有電源。它的電源是由一個(gè)傳感器產(chǎn)生的，傳感器通過從讀卡器發(fā)射頻率來激活，數(shù)據(jù)最終被傳輸回讀卡器。被動(dòng)式標(biāo)簽薄而短，使用壽命長(zhǎng)，但感應(yīng)距離相對(duì)較短。

2) 主動(dòng)標(biāo)記：價(jià)格相對(duì)較高，體積比被動(dòng)式標(biāo)簽大，因?yàn)閮?nèi)置電池。使用壽命長(zhǎng)，傳感距離長(zhǎng)。

根據(jù)頻率，射頻識(shí)別可分為三種類型：低頻、高頻、超頻：

1) 低頻RFID(100～500KHz)：低頻RFID感應(yīng)距離較短，讀取速度較慢。低頻射頻識(shí)別一般采用125KHz，穿透能力強(qiáng)。

2) 高頻RFID(10~15MHz)：高頻RFID感應(yīng)距離較長(zhǎng)，讀取速度相對(duì)較高。射頻識(shí)別主要使用13.56MHz的高頻。

3) 超高頻RFID(850950MHz2.45GHz)：超高頻RFID傳感距離最長(zhǎng)，讀取速度最快，但穿透能力差。

根據(jù)功能的不同，RFID系統(tǒng)可分為邊緣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。邊緣系統(tǒng)主要完成信息感知，屬于硬件組成部分。軟件系統(tǒng)完成信息處理和應(yīng)用。通信設(shè)備負(fù)責(zé)整個(gè)RFID系統(tǒng)的信息傳輸。

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RFID系統(tǒng)的基本組成

電子標(biāo)簽又稱應(yīng)答器或智能標(biāo)簽，是一種主要由內(nèi)置天線和芯片組成的微型無線收發(fā)器。圖片

讀寫器是一種捕捉和處理RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的設(shè)備，可以作為一個(gè)單獨(dú)的或嵌入到其他系統(tǒng)中。讀寫器也是RFID系統(tǒng)的重要組成部分之一，它的名字來源于它可以將數(shù)據(jù)寫入RFID。讀寫器的硬件通常由收發(fā)器、微處理器、存儲(chǔ)器、外部傳感器/執(zhí)行器、報(bào)警輸入/輸出接口、通信接口和電源組成。

控制器是讀卡器芯片有序運(yùn)行的指揮中心。其主要功能：

天線是以電磁波的形式接收或輻射前端射頻信號(hào)的裝置。它是電路與空間的接口器件，用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)換。在RFID系統(tǒng)中，天線分為電子標(biāo)簽天線和閱讀器天線，分別承擔(dān)接收能量和發(fā)射能量的功能。讀卡器天線的特點(diǎn)是：

通信設(shè)備為不同的RFID系統(tǒng)管理提供安全的通信連接，是RFID系統(tǒng)的重要組成部分。通信設(shè)施包括有線或無線網(wǎng)絡(luò)和串行通信接口，供讀卡器和控制器連接到計(jì)算機(jī)。無線網(wǎng)絡(luò)可以是個(gè)人局域網(wǎng)(例如藍(lán)牙技術(shù))、局域網(wǎng)(例如802.11x、WiFi)或廣域網(wǎng)(例如GPRS、3G技術(shù))和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)(例如同步軌道衛(wèi)星L波段RFID系統(tǒng))。

RFID有三種基本類型：線圈型、微帶貼片型和偶極子型。其中，短距離應(yīng)用系統(tǒng)使用的1米以下的RFID天線一般采用線圈式天線，工藝簡(jiǎn)單，成本低。它主要工作在中低頻段。在應(yīng)用系統(tǒng)中，1米以上的RFID天線通常采用微帶貼片式或偶極子式。它們工作在高頻和微波頻率級(jí)。這些天線的原理是不同的。

① 線圈天線

當(dāng)RFID線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)時(shí)，RFID天線和讀寫器天線之間的相互作用與變壓器相似，兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的一次線圈和二次線圈。射頻識(shí)別線圈天線形成的諧振回路如下圖所示。

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包括RFID天線的線圈電感L、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2，其諧振頻率為：

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電容C是Cp和C2的并聯(lián)等效電容。RFID應(yīng)用系統(tǒng)通過該頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信。ID1非接觸式IC卡外觀為小型塑料卡(85.72mm×54.03mm×0.76mm)，天線線圈諧振頻率一般為13.56MHz。目前已開發(fā)出一個(gè)最小面積為0.4mm×0.4mm線圈天線的短程RFID應(yīng)用系統(tǒng)。

一些應(yīng)用要求RFID天線線圈的形狀較小，并且需要一定的工作距離，例如用于動(dòng)物識(shí)別的RFID。當(dāng)天線線圈面積較小時(shí)，RFID與閱讀器之間的互感明顯不適合實(shí)際應(yīng)用。RFID天線線圈通常采用高導(dǎo)磁性的鐵氧體材料來增加互感，補(bǔ)償線圈截面的減小。

②微帶天線

微帶天線是一種由微帶線或同軸探頭在薄介質(zhì)襯底上饋電的天線。一面附著一層薄金屬層作為接地板，另一面用光刻蝕刻法制作出具有一定形狀的金屬貼片。微帶天線可分為兩種類型：①微帶貼片天線② 微帶縫隙天線

基本原則射頻識(shí)別技術(shù)：讀寫器發(fā)送的射頻信號(hào)經(jīng)過編碼后加載到高頻載波信號(hào)上，再通過天線發(fā)出。進(jìn)入讀寫器工作區(qū)的電子標(biāo)簽接收信號(hào)?？ㄖ行酒南嚓P(guān)電路進(jìn)行倍壓整流、調(diào)制、解碼、解碼，然后判斷命令請(qǐng)求、口令、權(quán)限等，最后根據(jù)指令進(jìn)行標(biāo)簽處理。

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從電子標(biāo)簽與閱讀器之間的通信和能量傳感角度來看，系統(tǒng)一般可分為兩類，即感應(yīng)耦合系統(tǒng)和電磁后向散射耦合系統(tǒng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，利用空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合;電磁背散射耦合，即雷達(dá)原理模型：發(fā)射的電磁波擊中目標(biāo)后反射，并攜帶目標(biāo)信息，這是基于電磁波在空間中傳播的規(guī)律。

RFID的感應(yīng)耦合符合ISO/iec14443協(xié)議。感應(yīng)耦合電子標(biāo)簽由電子數(shù)據(jù)載體組成，電子數(shù)據(jù)載體通常由單個(gè)微芯片和大面積線圈構(gòu)成的天線組成。

幾乎所有的感應(yīng)耦合方式的標(biāo)簽都是被動(dòng)工作的，標(biāo)簽中的微芯片工作所需的全部能量都是由讀卡器傳輸?shù)母袘?yīng)電磁能量提供的。閱讀器的天線線圈產(chǎn)生高頻強(qiáng)電磁場(chǎng)，穿過線圈的橫截面和周圍空間，使附近的電子標(biāo)簽產(chǎn)生電磁感應(yīng)。