第四章 RFID系统的工作原理

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： 来看，系统一般可以分为两类：电感耦合 Coupling） （Inductive Coupling）系统和电磁反向散射耦合 （Backscatter Coupling）系统。 Coupling）系统。 电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据 电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合， 的是电磁感应定律。该方式一般适合于中、低频 的是电磁感应定律。该方式一般适合于中、 工作的近距离RFID系统 典型工作频率： 系统， 工作的近距离RFID系统，典型工作频率： 125kHz，225kHz， 13.56MHz。 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。 一般小于1m，典型作用距离为0~20cm。 电磁反向散射耦合基于雷达模型，发射出去的电 电磁反向散射耦合基于雷达模型， 磁波碰到目标后反射，同时携带目标信息， 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。 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 系统， 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。 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。 识别作用距离大于1m，典型作用距离为4~6m。
天线 射频接口 调制器 解调器 电压调节器 ERPROM ROM 逻辑控制单元
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。 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， 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。 和网络通信。
电子标签内部各模块的功能： 电子标签内部各模块的功能： 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。 （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。 电压调节器：把由阅读器送来的射频信号转换为直流电源， （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。 存储能量，再通过稳压电路以提供稳定的电源。 调制器： （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。 读器。 解调器：去除载波，取出调制信号。 （4）解调器：去除载波，取出调制信号。 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。 （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。 存储单元：包括ERPROM和ROM，作为系统运行及存放识别数据。 （6）存储单元：包括ERPROM和ROM，作为系统运行及存放识别数据。
4.2.1 电感耦合RFID系统 电感耦合RFID系统
电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议 电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子 协议。 标签由一个电子数据作为载体，通常由单个微芯片及天线（ 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。 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 器发送的感应电磁能提供。 产生，并穿越线圈横截面和周围空间， 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。 电磁感应。
天线 射频接口 发射器 接收器 时钟发生器 供电 主机系统 电压调节器 存储单元 逻辑控制单元 微控制器 应用接口驱动
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： 射频接口模块主要任务和功能： 产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。 ①产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。 对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。 ②对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。 接收并调制来自电子标签的射频信号。 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， 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。 于电子标签和阅读器两个方向的数据传输。 （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： 逻辑控制单元也称读写模块，主要任务和功能： 与应用系统软件进行通信， 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。 来的指令。 控制阅读器与电子标签的通信过程。 ②控制阅读器与电子标签的通信过程。 信号的编码与解码。 ③信号的编码与解码。 对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。 ④对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。 执行防碰撞算法。 ⑤执行防碰撞算法。 对阅读器和标签的身份进行验证。 ⑥对阅读器和标签的身份进行验证。
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 是由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标 其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。 签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。电子标签 RFID系统中真正的数据载体 系统工作时， 系统中真正的数据载体。 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） 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。 反射回阅读器。
标签
阅读器 RFID 中间件 数据库
阅读器 协调控制 阅读器 数据过滤 与处理
进程 管理 数据路由 与集成
ERP CRM WMS 应用
阅读器
图 4-4 中间件
中间件的主要任务和功能： 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 中间件接口直接配置、 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 中间件开发商还提供了支持阅读器即插即用的功能， 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。 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 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 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。 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 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 中间件能够决定采集到的数据传递给哪一个应用。 可以与企业现有的企业资源计划（ERP）、客户关系管理（CRM）、 ）、客户关系管理 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， 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。 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 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 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。 仓储管理中，设置中间件来监控货品库存的数量， 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。 中间件会触发事件， 标准时，RFID中间件会触发事件，通知相应的应用软件。
阅读器（Reader）又称读写器。阅读器主要负责与电 阅读器（Reader）又称读写器。 子标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。 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 系统工作的频段， 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。 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 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。 理中心。 阅读器通常由射频接口、 阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分 组成。 组成。
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 阅读器天线线圈激发磁场， 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 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。 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Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感 与阅读器的天线线圈并联， 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， 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。 回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。 电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路， 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 构成震荡回路 的发射频率。通过该回路的谐振，电子标签线圈上的电压U 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）。 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）。
射频识别技术