RFID系统的工作原理

天线
射频接口
逻辑控制单元
调制器
解调器
电压调节器
ERPROM
ROM
图 4-3 电子标签
4.1.2 软件组件 1 中间件
中间件是一种独立的系统软件或服务程序。分布式应用软件借助这种软件在不同 的技术之间共享资源。中间件位于客户机、服务器的操作系统之上，管理计算机资源 和网络通信。
标签
阅读器 阅读器 阅读器
(4) PR-ASK（Phase Reverse Amplitude Shift Keying, PR-ASK ）方 式。该方式下，这两种阻抗状态有不同程度的失配，而且这两种 阻抗状态的下标签的反射系数的相位相同。
0< |S1|<|S2|<1 arg(S1)=-arg(S2) 这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成相位相反的 幅度键控调制方式。
电子标签的等效电路图如下所示，Vs为天线接收信号，Za表 示天线的阻抗，Z1表示芯片的输入阻抗。为了达到调制背向反射 载波的目的，Z1有两种状态，分别为Z11和Z12。
当标签需要发送的信息为二进制数“1”时，芯片的阻抗状 态为Z11；当标签需要发送的信息为二进制数“0”时，芯片的阻 抗状态为Z12。这样在两种状态下标签反射回读写器的信号为：
|S1|=1
|S2|=0
arg(S1)=arg(S2) (2) BPSK调制方式(Binary Phase Shift Keying, BPSK)。在该方式下，
这两种阻抗状态有相同程度的失配，但是这两种阻抗状态的下标 签的反射系数的相位相反。
0< |S1|= |S2|<1
arg(S1)=-arg(S2)
并电子标签处于近场范围内，电子标签与阅读器的数据传输为负 载调制（电感耦合、变压器耦合）。
如果把谐振的电子标签放入阅读器天线的交变磁场，那么电 子标签就可以从磁场获得能量。采用从供应阅读器天线的电流在 阅读器内阻上的压降就可以测得这个附加的功耗。电子标签天线 上负载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实 现了用电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载 电压的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器了。
（2）逻辑控制单元 逻辑控制单元也称读写模块，主要任务和功能： ①与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送 来的指令。 ②控制阅读器与电子标签的通信过程。 ③信号的编码与解码。 ④对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。 ⑤执行防碰撞算法。 ⑥对阅读器和标签的身份进行验证。
天线 天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或
电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路，调谐到阅读器 的发射频率。通过该回路的谐振，电子标签线圈上的电压U达到最 大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器（变压器的耦合）。
阅读器
电子标签
C1
C2
芯
Cr片fs fHBP Nhomakorabea解调
图 4-5 电感耦合型 RFID 系统
2 数据传输
对于电子标签和阅读器天线之间的作用距离不超过 0.16 ，
射频识别技术
RFID Technology
RFID系统的工作原理 2
4.1 RFID系统组成
典型的RFID系统主要由阅读器、电子标签、中间件和应用系统软件组成。
应用系统
阅读器
电子标签
查询
中间 件及 写入 应用 软件 读取
响应单元
编码 存 储
解码 器
命令
数据
写数据 读数据
物理接 能量 口（调
制解调 器）
此外，由于阅读器天线和电子标签天线之间的耦合很弱，因 此阅读器天线上表示有用信号的电压波动比阅读器的输出电压小。 在实践中，对13.56MHz的系统，天线电压（谐振时）只能得到 约10mV的有用信号。因为检测这些小电压变化很不方便，所以 可以采用天线电压振幅调制所产生的调制波边带。如果电子标签 的附加负载电阻以很高的时钟频率接通或断开，那么在阅读器发 送频率将产生两条谱线，此时该信号就容易检测了，这种调制也 称为副载波调制。
4.2.2 电磁反向散射RFID系统 1 反向散射调制
电磁波从天线向周围空间发射，到达目标的电磁波能量的一 部分（自由空间衰减）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会返回发射天线，称其 为回波。在雷达技术中，用这种反射波测量目标的距离和方位。
在RFID系统中，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器 的数据传输，主要应用于915MHz、2.45GHz甚至更高频率的系 统中。该RFID系统工作分为以下两个过程：
电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子 标签由一个电子数据作为载体，通常由单个微芯片及天线（大面 积线圈）等组成。在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读 器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈 产生，并穿越线圈横截面和周围空间，以使附近的电子标签产生 电磁感应。
电磁反向散射耦合基于雷达模型，发射出去的电 磁波碰到目标后反射，同时携带目标信息，依据 的是电磁波的空间传播规律。该方式一般适用于 高频、微波工作的远距离RFID系统，典型的工作 频率：433MHz，915MHz，2.45GHz和5.8GHz。 识别作用距离大于1m，典型作用距离为4~6m。
4.2.1 电感耦合RFID系统
1. 能量供应
阅读器天线线圈激发磁场，其中一小部分磁力线穿过电子标 签天线线圈，通过感应，在电子标签的天线线圈上产生电压U， 将其整流后作为微芯片的工作电源。
电容器Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感 一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路，该 回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。
（2）数据过滤与处理
当标签信息传输发生错误或有冗余数据产生时，RFID中间件可以通过 一定的算法纠正错误并过滤掉冗余数据。RFID中间件可以避免不同的 阅读器读取同一电子标签的碰撞，确保了阅读准确性。
（3）数据路由与集成
RFID中间件能够决定采集到的数据传递给哪一个应用。RFID中间件 可以与企业现有的企业资源计划（ERP）、客户关系管理（CRM）、 仓储管理系统（WMS）等软件集成在一起，为它们提供数据的路由和 集成，同时中间件可以保存数据，分批的给各个应用提交数据。
S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2
Vs
Z1
式中，s(t)为标签接收到的信号。
Za 图 4-6 电子标签的等效电路图
当电子标签的阻抗采取不同的变化方式时，可以形成不同的 后向散射调制方式，使得标签返回的能量和进入标签的能量具有 不同的特性。以下为四种情况：
（1）OOK调制方式(On-Off Keying, OOK)。在该方式下，阻抗状 态为1时，完全反射；阻抗状态为2时完全匹配，而且这两种阻抗 状态下标签的反射系数的相位相同。
（1）标签接收读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未 调制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转 换为直流电压，该电压供给电子标签内部芯片能量；当载波携带 数据或者命令时，标签通过接收电磁波作为自己的能量来源，并 对接收信号进行处理，从而接收读写器的指令或数据。
（2）标签向读写器返回信号时，读写器只向标签发送未调制 载波，载波能量一部分被标签转化成直流电压，供给标签工作； 另一部分能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载 波来向读写器传递信息。
阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分 组成。
天线 供电
射频接口 发射器 接收器 时钟发生器 电压调节器
逻辑控制单元 微控制器
应用接口驱动
存储单元
主机系统
图4-2 RFID阅读器
（1）射频接口 射频接口模块主要任务和功能： ①产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。 ②对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。 ③接收并调制来自电子标签的射频信号。 注意，在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别来往 于电子标签和阅读器两个方向的数据传输。
RFID 中间件
阅读器 协调控制
进程 管理
数据过滤 数据路由 与处理 与集成
数据库
ERP CRM WMS 应用
图 4-4 中间件
中间件的主要任务和功能：
（1）阅读器协调控制
终端用户可以通过RFID中间件接口直接配置、监控以及发送指令给阅 读器。一些RFID中间件开发商还提供了支持阅读器即插即用的功能， 使终端用户新添加不同类型的阅读器时不需要增加额外的程序代码。
者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系 统中，阅读器必须通过天线来发射能量，来形成电磁场， 通过电磁场对电子标签进行识别。因此，阅读器天线所形 成的电磁场范围即为阅读器的可读区域。
2 电子标签
电子标签 (Electronic Tag) 也称为智能标签 (Smart Tag) ，是由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RFID系统中真正的数据载体。系统工作时，阅读器发 出查询（能量）信号，标签（无源）在收到查询（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工 作，一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后 反射回阅读器。
(3) 任意调制因子的ASK（Amplitude Shift Keying, ASK）调制。在 该方式下，这两种阻抗状态有着不同程度的失配，但是这两种阻 抗状态的下标签的反射系数的相位相同。
0< |S1|<|S2|<1 arg(S1)=arg(S2) 这种阻抗变化的方式可以使标签反射的信号形成任意调制 因子的ASK调制方式。
2 反向散射调制的能量传输
电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目
标的电磁波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。下面我 们看该方式调制的能量传输。
（1）阅读器到标签的能量传输 在距离阅读器距离为R的电子标签处的功率密度为
（4）进程管理
RFID中间件根据客户定制的任务负责数据的监控与事件的触发。如在 仓储管理中，设置中间件来监控货品库存的数量，当库存低于设置的 标准时，RFID中间件会触发事件，通知相应的应用软件。
4.2 各种RFID系统原理
基本工作原理：由阅读器通过发射天线发送 特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作 区域时产生感应电流，从而获得能量、电子标签 被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置 射频天线发送出去；阅读器的接收天线接收到从 标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到阅 读器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息 送至后台主机系统进行相关的处理；主机系统根 据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定 作出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制 阅读器完成相应的读写操作。
数据协议处理器 标签驱动（射频单元）
应用程序接口（API）
空中接口（Air Interface）
图4-1 RFID系统结构
4.1.1 硬件组件 1. 阅读器
阅读器（Reader）又称读写器。阅读器主要负责与电 子标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。 阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定 了射频识别的有效距离。阅读器根据使用的结构和技术的 不同可以是读或读/写装置，它是RFID系统信息控制和处 理中心。
从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式 来看，系统一般可以分为两类：电感耦合 （Inductive Coupling）系统和电磁反向散射耦合 （Backscatter Coupling）系统。
电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据 的是电磁感应定律。该方式一般适合于中、低频 工作的近距离RFID系统，典型工作频率： 125kHz，225kHz，和13.56MHz。识别作用距离 一般小于1m，典型作用距离为0~20cm。
电子标签内部各模块的功能：
（1）天线：用来接收由阅读器送来的信号，并把要求的数据传送回给阅读器。 （2）电压调节器：把由阅读器送来的射频信号转换为直流电源，并经大电容
存储能量，再通过稳压电路以提供稳定的电源。
（3）调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线返给阅 读器。
（4）解调器：去除载波，取出调制信号。 （5）逻辑控制单元：译码阅读器送来的信号，并依据要求返回数据给阅读器。 （6）存储单元：包括ERPROM和ROM，作为系统运行及存放识别数据。