基于射频识别技术RFID的电子标签的设计

基于射频识别技术RFID的电子标签的设计XXX（ XXXX大学自动化与电子工程学院，山东青岛 266042 ）摘要: 本课题研究的是利用射频识别技术RFID识别有源电子标签（2.45GHz）。

此标签可以用于港口码头环境下的集装箱远程自动识别，也可用于车辆出入信息采集与控制以及不停车收费系统等有远距离识别与控制需求的系统。

射频识别（RFID）技术是利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别的目的。

RFID技术与其他自动识别技术相比具有很多优点，在诸多领域得到应用并具有巨大的发展和应用潜力。

在文中我们利用MSP430F2012和nRF24L01分别作为MCU和RF芯片设计并实现了RFID系统中有源电子标签的硬件部分，同时利用ALOHA防碰撞算法，解决多标签同时存在的识别问题，对应用到实际奠定了基础。

关键词：自动识别技术；射频识别；有源电子标签中图分类号：TP273 文献标识码：ABASED on RFID Tags designZHANG Zhen-zhen（Qingdao University of Science and Technology Automation and Electronic EngineeringShandong Qingdao 266042）Abstract: This topic is the study of the active tags (2.45GHz). This tag can be used in the container port environment remote automatic identification; also can used for car out information gathering and control and no parking charge systems, etc have long distance identification and control needs of systems. Radio frequency identification (RFID) technology uses radio frequency signal through space coupling realize non-contact information transmission, and through the message to identify purpose. Compared with other automatic identification technology has many advantages, RFID technology is widely used in many fields, and has great development and potential application. In this paper we use respectively MSP430F2012 and nRF24L01 as MCUand RF chip design and realized the RFID system hardware components of active tags. And using the ALOHA prevent collision algorithms to the multi-tags' collision problem，corresponding to use actual laid a foundation. Key words: Automatic identification technology; RFID; Active tags0引言射频识别技术（RFID，Radio Frequency Identification）是20世纪90年代产生的一种自动识别技术。

它是利用空间信号（交变磁场或电磁场）的耦合来达到无接触式信息的传递并达到识别信息的目的。

与传统的识别技术不同，射频识别解决了免接触等问题，并可同步实现运动目标识别、多目标识别。

因此被广泛应用于物流系统、零售系统、身份识别、交通管理、农牧行业和医药行业等许多领域，成为20世纪最热门的技术之一。

现今港口码头环境下的集装箱远程自动识别，车辆出入信息采集与控制以及不停车收费系统等有远距离识别与控制需求的系统变得越来越重要，这就需要它们自身带有能够远距离识别的有源标签。

RFID技术应用于自动识别系统较其他技术有如下优势：受外界影响小，具有抗污染能力和耐久性；可重复使用；穿透性和无障碍阅读；安全性好。

所以选择利用射频识别技术RIFD 来识别它们。

本文介绍了RFID系统的阅读器和应答器以及它们的工作原理。

其中围绕RFID的工作原理、电子标签的配电方式、耦合方式，介绍RFID的系统特性。

并对电子标签的结构中的天线、芯片技术等进行简单分析。

还介绍了电子标签的设计，其中选择RFID控制芯片MSP430F2012和射频RF芯片nRF24L01，这有利于达到低功耗，高效率。

通过protel99se对芯片和电路连接的设计。

利用纯ALOHA算法防碰撞算法解决多个标签同事发送的碰撞问题。

1射频识别系统射频识别（RFID）技术是利用空间信号通过空间耦合（电压器/雷达原理）实现信息的传递并通过所传递的信息达到识别的目的的技术，一般来说，射频识别系统主要由应答器（电子标签）、阅读器和计算机组成，RFID中的信号通过阅读器与应答器之间的天线达到无线电波或微波的无线传递实现非接触识别，再将所得信息反馈到计算机以供工作人员利用、分析。

从信息的传递方式来看，RFID技术存在两种耦合方式，在低频段RFID采用变压器耦合模型（在初、次级线圈之间传递能量及信号），RFID技术在高频段则采用雷达探测目标的空间耦合模型（电磁波在空间的发射在碰到目标后携带目标信息返回到雷达）。

图2.1.1 RFID系统结构图Figure 2.1.1 RFID system structure上图所示为RFID系统结构图，其中当应答器进入到阅读器场能后通过各自耦合天线来实现信号的传递。

1.1射频识别系统的组成1）应答器（电子标签）应答器是RFID系统中真正的数据载体，它也称作射频标签或射频卡。

根据发送射频信号的方式不同，分为主动标签和被动标签。

主动标签通常有内置电池，这类标签需要的电源不完全由阅读器提供，因此又被叫做有源标签。

相对于主动标签（有源标签）另外一种标签则为无源标签，这种标签发射能量和内部处理器的运行所需的能量都由阅读器提供，当应答器进入到阅读器电磁场范围则开始工作。

电子标签通常是由耦合元件（天线）和微电子芯片组成。

电子标签有区别于其他构造形式的独特优点：小、薄、柔韧、可植入多种材料内部。

芯片模块是电子标签的核心。

天线的作用是和阅读器天线相耦合，利用变压器原理或雷达技术原理达到信号的空间传播与识别的目的。

2）阅读器阅读器主要包含有高频模块（发送器和接收器）、控制单元和应答器连接的耦合元件。

阅读器控制射频模块向标签发射读取信号，并接收来自标签的应答，对标签的信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传送到计算机进行处理。

3）计算机系统计算机系统主要于阅读器通信，通过应用程序，相关软件来完成应答器信息的阅读、存放、处理等操作。

1.2 RFID系统的工作原理电子标签粘贴在待识别的物体上，其中存有约定格式的电子数据。

阅读器通过耦合天线发出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时感应电流，同时利用此能量发出自身编码等信息，阅读器读取信息并解码后传送至主机并进行相关处理，从而达到自动识别物体的目的。

当今RFID的运用上主要有低频（LF）30kHz-200kHz、高频（HF）3MHz-20MHz和超高频（UHF）300MHz-3GHz三个层次，其中低频近距离主要集中在125kHz、13.56MHz；高频远距离主要集中在915MHz、2.45Ghz和5.8GHz。

本文使用的有源电子标签又称主动电子标签，标签在工作时所需要的能量不完全由阅读器提供，而外加了一个内部电源供电。

标签在未进入工作状态时期处于休眠状态，整个系统除关键部分外基本不耗能。

而当标签进入阅读器区时，将受到阅读器的射频信号激励，进入到工作状态，此时标签内部的系统在微处理器的控制下将进入工作状态，接收阅读器信号进行相关处理和完成与阅读器的通信。

1.3 RFID电子标签的信息储存状态一存储器概述电子标签芯片为非接触式智能卡，无源标签芯片工作所需要的能量均由模拟前端耦合阅读器发出的电磁波产生，因而要求存储器具有非挥发性和低功耗的特点，对于这样的要求，用于电子标签芯片的存储器是具有数据保存时间长，可反复进行擦写的能力、低功耗EEPROM。

1.4 RFID电子标签的能量供应与耦合方式电感耦合电子标签是由电子数据作载体，通常由单个微型芯片以及用作天线的大面积线圈组成。

电感耦合几乎是无源工作的。

这就是说，芯片工作所需要的能量全部由阅读器提供，在这种情况下，获取能量的方式可以看作是变压器原理。

阅读器和应答器通过各自的天线线圈来达到能量和信号的传递与识别。

图1.1 电感耦合原理示意图Figure 1.1 Inductance coupling principle diagram上图示为电感耦合原理示意图，发射磁场的一部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的应答器天线线圈。

通过感应在应答器的天线上产生一个电压Ui，将其整流后作为数据载体的电源。

将一个电容器Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器电容的选择是：与天线线圈的电感在一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联谐振回路。

该回路的谐振使得阅读器天线线圈产生一个非常大的电流，这种方法也可用于生产供远距离应答器工作所需要的场强。

由于电感耦合是无源的，且系统的效率不高，所以一般只用于的低电流电路。

只有功耗极低的只读应答器(<135kHz)可用于1m以上的距离。

而具有写入功能和复杂安全算法的应答器的功率消耗较大，因而一般的作用距离为15cm，个别有的能达到80cm。

调制的反射横截面—从雷达技术中得知：电磁波被大小超过波长一般的物体反射。

一个物体反射电磁波的效率是通过其反射横截面来说明的。

物体同达到它的波前产生谐振时，其反射横截面尤其大，这正是处于适当的频率的天线所用的场合。

图1.2反向散射应答器的作用原理Figure1.2 The response of backscatter mechanism功率P1从阅读器发射出来，它的一小部分达到应答器天线，到达应答器的功率P1作为HF电压在天线接口处使用。