RFID系统工作原理

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RFID系统工作原理
王志军
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。
1.1硬件组成
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。
2.1 电感耦合RFID系统
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。
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。
|S1|=1
|S2|=0
arg(S1)=arg(S2)
(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。
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。
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。
PBack

S

PTX GTX
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: (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。
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。
阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分组 成。
(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。
为0~20cm。
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。
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:
S0(t)=s(t)S1 S1(t)=s(t)S2
式中,s(t)为标签接收到的信号。
当电子标签的阻抗采取不同的变化方式时,可以形
(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。
(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。
(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。
1.2 软件组成
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。
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。
(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。
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。
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)。
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0.16λ,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)。
PTag Ae S
(2)电子标签到阅读器的能量传输 电子标签返回的能量与它的雷达散射截面面积成正比,
它是目标反射电磁波能力的测度。散射面积取决于一系 列的参数,这既包含物体本身的特性,如目标的大小、 形状、材料和表面结构,也包括反射电磁波的特性,如 电磁波的波长和极化方向等。
电子标签在空间某个位置接收到阅读器发射的电磁波, 一部分自身吸收用于提供自身工作的能量,另一部分被 反射回去,电子标签反射电磁波的能量为:
S

PTX GTX
4 R2
EIRP
4 R2
式中,PTX为读写器的发射功率,GTX为发射天线的增益,R是标签到 读写器天线之间的距离,EIRP为天线的有效辐射功率,是指读写器发
射功率和天线增益的乘积。
在电子标签和发射天线都处于最佳姿态,并且极化方向相匹配时,
电子标签可以吸收的最大功率与阅读器发射信号的功率密度S成正比:
(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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu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
天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号,或者 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。
(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。
(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(S2)
arg(S1)=-
(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
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。
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