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3.4 RFID

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是20世纪90年代兴起的一种非接触式的自动识别技术,它首先在产品中嵌入电子芯片(称为电子标签),然后通过射频信号自动将产品的信息发送给读写器进行识别。RFID技术涉及射频信号的编码、调制、传输和解码等多个方面。

RFID识别过程无须人工干预,可工作于各种恶劣环境,可识别高速运动物体,可同时识别多个标签,操作快捷方便。这些优点使RFID迅速成为物联网的关键技术之一。

3.4.1 RFID的分类

RFID种类繁多,不同的应用场合需要不同的RFID技术。RFID系统是按照技术特征进行分类的,其技术特征主要包括RFID系统的基本工作方式、数据量、可编程、数据载体、状态模式、能量供应、频率范围、数据传输方式和传输距离等。

1.按可编程划分

RFID系统按可编程划分为只读型和读写型两种。能否给电子标签写入数据可能会影响到RFID系统的应用范畴和安全程度。对于简单的RFID系统来说,电子标签中的信息通常为一个序列号或UID,可在加工芯片时集成进去,以后不能再改动。较复杂的RFID系统可以通过读写器或专用的编程设备向电子标签写入数据。电子标签的数据写入一般分为无线写入和有线写入两种形式。安全程度要求高的应用场合,通常会采用有线写入的工作方式。

2.按工作频率划分

RFID系统中读写器发送数据时使用的射频信号频率被称为系统的工作频率,射频信号是指可以辐射到空间的电磁波。大多数情况下,系统中电子标签的频率与读写器的频率差不多一致,只是发射功率较低一点。系统的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理和识别距离,还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。根据系统工作频率的不同,RFID系统可分为4种:低频系统、高频系统、超高频和微波系统。

低频系统的工作频率范围为30~300kHz,电子标签一般为无源标签,即内部不含电池的标签,标签与读写器之间的距离一般小于1m,适合近距离的、低速度的、数据量要求较少的识别应用,如畜牧业的动物识别、汽车防盗类工具识别等。

高频系统的工作频率一般为3~30MHz,电子标签一般也采用无源方式,阅读距离一般也小于1m,数据传输速率较高。高频标签可以方便地制成卡状,常用于电子车票、电子身份证等。

超高频与微波系统的工作频率为433.92MHz、862~928MHz、2.45GHz和5.8GHz。前两者的标签多为无源标签,后两者的标签多为有源标签,阅读距离一般大于1m,典型情况为4~7m,最大可达10m以上,通常用于移动车辆识别、仓储物流和电子遥控门锁等。

3.按距离划分

根据电子标签与读写器的作用距离,射频识别系统可分为密耦合、遥耦合和远距离3种系统。

密耦合系统的典型距离为0~1cm,使用时必须把电子标签插入读写器或者放置在读写器设定的表面上。电子标签和读写器之间的紧密耦合能够提供较大的能量,可为电子标签中功耗较大的微处理器供电,以便执行较为复杂的加密算法等,因此密耦合系统常用于安全性要求较高且对距离不做要求的设备中。

遥耦合系统的读写距离可达1m,大部分RFID系统属于遥耦合系统。由于作用距离增大,传输能量减少,因此遥耦合系统只能用于耗电量较小的设备中。

远距离系统的读写距离为1~10m,有时更远。所有远距离系统都是超高频或微波系统,一般用于数据存储量较小的设备中。

3.4.2 RFID系统的构成

在实际应用中,RFID系统的组成可能会因为应用场合和应用目的而不同。但无论是简单的RFID系统还是复杂的RFID系统,都具有一些基本的组件,包括电子标签、读写器、中间件和应用系统等,如图3-8所示。请参考视频。

第3章RFID系统的组成3.4.2节

图3-8 RFID系统的构成

1.电子标签

电子标签也称为应答器、射频标签,它粘贴或固定在被识别对象上,一般由耦合元件及芯片组成。每个芯片含有唯一的识别码,保存有特定格式的电子数据,如EPC物品编码信息。当读写器查询时,电子标签会发射数据给读写器,实现信息的交换。标签中有内置天线,用于与读写器进行通信。电子标签有卡状、环状、纽扣状和笔状等形状,图3-9所示为标准卡(左)、异形卡(右上)和一元硬币(右下)的实物对比图。

图3-9 RFID实卡与硬币对比图

电子标签有多种类型,随应用目的和场合的不同而有所不同。按照不同的分类标准,电子标签可以有许多不同的分类。

1)按供电方式分为无源标签和有源标签两类。

无源标签内部不带电池,要靠读写器提供能量才能正常工作,常用于需要频繁读写标签信息的地方,如物流仓储、电子防盗系统等。无源标签的优点是成本很低,其信息外人无法进行修改或删除,可防止伪造。缺点是数据传输的距离比有源标签短。

有源标签内部装有板载电源,工作可靠性高,信号传送距离远。有源标签的主要缺点是标签的使用寿命受到电池寿命的限制,随着标签内电池电力的消耗,数据传输的距离会越来越短。有源标签成本较高,常用于实时跟踪系统、目标资产管理等场合。

2)根据内部使用存储器的不同,电子标签可分成只读标签和可读写标签。

只读标签内部包含只读存储器(Read Only Memory,ROM)、随机存储器(Random Access Memory,RAM)和缓冲存储器。ROM用于存储操作系统和安全性要求较高的数据。一般来说,ROM存放的标识信息由制造商写入,也可以在标签开始使用时由使用者根据特定的应用目的写入,但这些信息都是无重复的序列码,因此每个电子标签都具有唯一性,这样电子标签就具有防伪的功能。RAM则用于存储标签响应和数据传输过程中临时产生的数据。而缓冲存储器则用于暂时存储调制之后等待天线发送的信息。只读标签的容量一般较小,可以用作标识标签。标识标签中存储的只是物品的标识号码,物品的详细信息还需要根据标识号码到与系统连接的数据库中去查找。

可读写标签内部除了包含ROM、RAM和缓冲存储器外,还包含有可编程存储器。可编程存储器允许多次写入数据。可读写标签存储的数据一般较多,标签中存储的数据不仅有标识信息,还包括大量其他信息,如防伪校验等。

2.读写器

读写器是一个捕捉和处理RFID电子标签数据的设备,它能够读取电子标签中的数据,也可以将数据写到标签中。常见的几种读写器如图3-10所示。

从支持的功能角度来说,读写器的复杂程度显著不同,名称也有所不同。一般把单纯实现无接触读取电子标签信息的设备称为阅读器、读出装置或扫描器;把实现向射频标签内存中写入信息的设备称为编程器或写入器;综合具有无接触读取与写入射频标签内存信息的设备称为读写器或通信器。图3-11显示了一个典型的RFID读写器内部包含的全向读写器模块。

图3-10 常见的几种读写器

图3-11 典型的RFID读写器内部模块实物图

编程器是向电子标签写入数据的设备,只有可读写的电子标签才需要编程器。对电子标签的写操作必须在一定的授权控制下进行。标签信息的写入方式可分为以下两种。

1)电子标签信息的写入采用有线接触方式实现。这种方式通常具有多次改写的能力,例如,目前使用的铁路货车电子标签信息的写入即为这种方式。标签在完成信息写入后,通常需要将写入口密闭起来,以满足防潮、防水或防污等要求。

2)电子标签在出厂后,允许用户通过专用设备以无接触的方式向电子标签写入数据。具有无线写入功能的电子标签通常具有其唯一的不可改写的UID。这种功能的电子标签趋向于一种通用电子标签。在日常应用中,可根据实际需要仅对其UID进行识读或仅对指定的电子标签内存单元进行读写。

3.RFID系统中间件

随着RFID技术得到越来越广泛的应用,各种各样新式的RFID读写器设备也应运而生。面对这些新的设备,使用者们常提的一个问题就是:如何才能将现有的系统与这些新的RFID读写器连接起来?这个问题的本质是应用系统与硬件接口的问题。RFID中间件为解决这一问题做出了重要贡献,成为RFID技术应用的核心解决方案。

RFID中间件是一种独立的系统软件或服务程序,介于前端读写器硬件模块与后端数据库、应用软件之间,它是RFID读写器和应用系统的中介。应用程序使用中间件提供的通用应用程序接口(API),连接到各种各样新式的RFID读写器设备,从而读取RFID标签数据。RFID中间件屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性,能够为后台业务系统提供强大的支撑,从而推动更广泛、更丰富的RFID应用。

国内外许多IT公司已先后推出了自己的RFID中间件产品。例如,IBM和Oracle的中间件基于Java,遵循J2EE企业架构;而微软公司的RFID中间件则基于SQL数据库和Windows操作系统。

中间件作为一个软硬件集成的桥梁,一方面负责与RFID硬件及配套设备的信息交互与管理,另一方面负责与上层应用软件的信息交换。因此大多数中间件由读写器适配器、事件管理器和应用程序接口3个组件组成。

读写器适配器提供读写器和后端软件之间的通信接口,并支持多种读写器,消除不同读写器与API之间的差别,避免每个应用程序都要编写适应于不同类型读写器的API程序的麻烦,也省去了多对多连接的维护复杂性问题。

事件管理器的功能主要包括以下几个方面:观察所有读写器的状态;提供产品电子代码EPC和非EPC转化的功能;提供管理读写器的功能,如新增、删除、停用、群组等;去重或过滤读写器接收的大量未经处理的数据,取得有效数据。

应用程序接口的作用是提供一个基于标准的服务接口。它连接企业内部现有的数据库,使外部程序可以通过中间件取得EPC或非EPC信息。

4.应用系统

应用系统主要完成数据信息的存储、管理,以及对电子标签的读写控制。RFID系统的应用系统可以是各种大小不一的数据库或供应链系统,也可以是面向特定行业的、高度专业化的库存管理数据库,或者是继承了RFID管理模块的大型ERP数据库的一部分。企业资源计划(ERP)是一种集成化的企业信息管理软件系统。

应用系统通过串口或网络接口与读写器连接,它由硬件和软件两大部分组成。硬件部分主要为计算机,软件部分则包括各种应用程序和数据库等。数据库用于储存所有与标签相关的数据,供应用程序使用。

3.4.3 电子标签的结构

电子标签的种类因其应用目的而异,依据作用原理,电子标签可分为以集成电路为基础的电子标签和利用物理效应的电子标签。

1.以集成电路为基础的电子标签

此类标签主要包括4个功能块:天线、高频接口、地址和安全逻辑单元、存储单元,其基本结构如图3-12所示。

标签天线是在电子标签和读写器之间传输射频信号的发射与接收装置。它接收读写器的射频能量和相关的指令信息,并把存储在电子标签中的信息发射出去。

图3-12 以集成电路为基础的电子标签结构

高频接口是标签天线与标签内部电路之间联系的通道,它将天线接收的读写器信号进行解调并提供给地址和安全逻辑模块进行再处理。当需要发送数据至读写器时,高频接口通过副载波调制或反向散射调制等方法对数据进行调制,之后再通过天线发送。

地址和安全逻辑单元是电子标签的核心,控制着芯片上的所有操作。如典型的“电源开启”逻辑,它能保证电子标签在得到充足的电能时进入预定的状态,“I/O逻辑”能控制标签与读写器之间的数据交换,安全逻辑则能执行数据加密等保密操作。

存储单元包括只读存储器、可读写存储器及带有密码保护的存储器等。只读存储器存储着电子标签的序列号等需要永久保存的数据,而可读写存储器则通过芯片内的地址和数据总线与地址和安全逻辑单元相连。

另外,部分以集成电路为基础的电子标签除了以上几部分外,还包含一个微处理器。具有微处理器的电子标签包含有自己的操作系统,操作系统的任务包括对标签数据进行存储操作、对命令序列进行控制、管理文件,以及执行加密算法等。

2.利用物理效应的电子标签

这类电子标签的典型代表是声表面波标签,它是综合电子学、声学、半导体平面工艺技术和雷达及信号处理技术制成的。所谓声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW),就是指传播于压电晶体表面的声波,传播损耗很小。SAW元件是基于声表面波的物理特性和压电效应支撑的传感元件。在RFID系统中,声表面波电子标签的工作频率主要为2.45GHz,多采用时序法进行数据传输。

声表面波电子标签的基本结构如图3-13所示,长条状的压电晶体基片的端部有叉指换能器。基片通常采用石英铌酸锂或钽酸锂等压电材料制作。利用基片材料的压电效应,叉指换能器将电信号转换成声信号,并局限在基片表面传播。然后,输出叉指换能器再将声信号恢复成电信号,实现电-声-电的变换过程,完成电信号处理。在压电基片的导电板上附有偶极子天线,其工作频率和读写器的发送频率一致。在电子标签的剩余长度上安装了反射器,反射器的反射带通常由铝制成。

图3-13 声表面波电子标签基本结构

SAW电子标签的工作机制为:读写器的天线周期性地发送高频询问脉冲,在电子标签偶极子天线的接收范围内,接收到的高频脉冲被馈送至导电板,加载到导电板上的脉冲引起压电晶体基片的机械形变,这种形变以声表面波的形式向两个方向传播。一部分表面波被分布在基片上的每个反射器反射,而剩余部分到达基片的终端后被吸收。反射的声表面波返回到叉指换能器,在那里被转换成射频脉冲序列电信号(即将声波变换为电信号),并被偶极子天线传送至读写器。读写器接收到的脉冲数量与基片上的反射带数量相符,单个脉冲之间的时间间隔与基片上反射带的空间间隔成比例,从而通过反射的空间布局可以表示一个二进制的数字序列。如果将反射器组按某种特定的规律设计,使其反射信号表示规定的编码信息,那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码。再通过解调与处理,就能达到自动识别的目的。

3.4.4 读写器的结构

在RFID系统中,读写器收到应用软件的指令后,指挥电子标签做出相应的动作。相对于电子标签来说,读写器是命令的主动方。读写器一方面与电子标签通信获取信息,另一方面通过网络将信息传送到数据交换与管理系统中。

读写器通常由高频模块、控制单元、存储器、通信接口、天线及电源等部件组成,如图3-14所示。

图3-14 读写器组成示意图

1)高频模块。高频模块连接读写器天线和内部电路,包含发射机和接收机两部分,一般有两个分隔开的信号通道。发射机的功能是对要发射的信号进行调制,在读写器的作用范围内发送电磁波信号,将数据传送给标签;接收机则接收标签返回给读写器的数据信号,并进行解调,提取出标签回送的数据,再传递给微处理器。若标签为无源标签,发射机则产生高频的发射功率,帮助启动电子标签并为它提供能量。高频模块与天线直接连接,目前有的读写器高频模块可以同时连接多个天线。

2)控制单元。控制单元的核心部件是微处理器MPU,它是读写器芯片有序工作的指挥中心。通过编制相应的MPU控制程序可以实现收发信号,以及与应用程序之间的接口(API)。具体功能包括以下几个方面:与应用系统软件进行通信;执行从应用系统软件发来的命令;控制与标签的通信过程;信号的编解码。对于一些中高档的RFID系统来说,控制单元还有一些附加功能:执行防碰撞算法;对键盘、显示设备等其他外设的控制;对电子标签和读写器之间要传送的数据进行加密和解密;进行电子标签和读写器之间的身份验证等。

3)存储器。存储器一般使用RAM,用来存储读写器的配置参数和阅读标签的列表。

4)通信接口。通信接口用于连接计算机或网络,一般分为串行通信接口和网络接口两种。串行通信接口是目前读写器普遍采用的接口方式,读写器同计算机通过串口RS-232或RS-485连接。串行通信的缺点是通信受电缆长度的限制,通信速率较低,另外更新维护的成本较高。网络接口通过有线或无线方式连接网络读写器和主机。其优点是同主机的连接不受电缆的限制,维护更新容易。缺点是网络连接可靠性不如串行接口,一旦网络连接失败,就无法读取标签数据。随着物联网技术的发展,网络接口将会逐渐取代串行通信接口。

5)读写器天线。读写器天线发射射频载波,并接收从标签反射回来的射频载波。对于不同工作频段的RFID系统,天线的原理和设计有着根本上的不同。读写器天线的增益和阻抗特性会对RFID系统的作用距离等产生影响,反之,RFID系统的工作频段又对天线尺寸及辐射损耗有一定的要求。所以读写器天线设计的好坏关系到整个RFID系统的成功与否。常见的天线类型主要包括偶极子天线、微带贴片天线和线圈天线等。偶极子天线辐射能力强、制造工艺简单、成本低,具有全向方向性,通常用于远距离RFID系统;微带贴片天线是定向的,但工艺较复杂,成本较高;线圈天线用于电感耦合方式,适合近距离的RFID系统。

3.4.5 RFID系统的能量传输

在RFID系统中,无源电子标签需要读写器为其提供能源,以便进行数据传输。当无源电子标签进入读写器的磁场后,接收读写器发出的射频信号,然后凭借感应电流所获得的能量把存储在芯片中的产品信息发送出去。如果是有源标签,则会主动发送某一频率的信号。

读写器及电子标签之间的能量感应方式大致上可以分成两种类型:电感耦合和电磁反向散射耦合。一般低频的RFID系统大都采用电感耦合,而高频的RFID系统大多采用电磁反向散射耦合。

耦合就是两个或两个以上电路构成一个网络,当其中某一电路的电流或电压发生变化时,影响其他电路发生相应变化的现象。通过耦合的作用,能将某一电路的能量(或信息)传输到其他电路中去。

1.电感耦合

电感耦合是通过高频交变磁场实现的,依据的是电磁感应定律。当一个电路中的电流或电压发生波动时,该电路中的线圈(称为初级线圈)内便产生磁场,在同一个磁场中的另外一组或几组线圈(称为次级线圈)上就会产生相应比例的磁场(与初级线圈和次级线圈的匝数有关),磁场的变化又会导致电流或电压的变化,因此便可以进行能量传输。

电感耦合系统的电子标签通常由芯片和作为天线的大面积线圈构成,大多为无源标签,芯片工作所需的全部能量必须由读写器提供。读写器发射磁场的一部分磁感线穿过电子标签的天线线圈时,电子标签的天线线圈就会产生一个电压,将其整流后便能作为电子标签的工作能量。典型的电感耦合无源电子标签的电路如图3-15所示。

图3-15 无源电子标签电路图

a)读写器 b)电子标签

电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离RFID系统,典型的工作频率有125kHz、225kHz和13.56MHz,识别作用距离一般小于1m。

2.电磁反向散射耦合

电磁反向散射耦合也就是雷达模型,发射出去的电磁波碰到目标后反射,反射波携带回目标的信息,这个过程依据的是电磁波的空间传播规律。

当电磁波在传播过程中遇到空间目标时,其能量的一部分会被目标吸收,另一部分以不同强度散射到各个方向。在散射的能量中,一小部分携带目标信息反射回发射天线,并被天线接收。对接收的信号进行放大和处理,即可得到目标的相关信息。读写器发射的电磁波遇到目标后会发生反射,遇到电子标签时也是如此。

由于目标的反射性通常随着频率的升高而增强,所以电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统,典型的工作频率有433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz。识别作用距离大于1m,典型作用距离为3~10m。

3.4.6 RFID系统的数据传输

RFID系统的数据传输分两部分:电子标签与读写器之间的数据传输;读写器与计算机之间的数据传输。电子标签与读写器之间的数据传输通常是无线通信,写入标签时可能采用有线通信。读写器与计算机之间的数据传输通常是有线通信,如以太网接口或USB接口,也可以采用无线通信接口,如Wi-Fi、蓝牙等接口。

电子标签中存储了物品的信息,这些信息主要包括全球唯一标识符(UID)、标签的生产信息及用户数据等。以典型的超高频电子标签ISO18000-6B为例,其内部一般具有8~255字节的存储空间,存储格式如表3-1所示。电子标签能够自动或在外力的作用下把存储的信息发送出去。

表3-1 电子标签ISO18000-6B的一般存储格式

根据RFID系统的工作模式,以及读写器与电子标签之间的能量传输方法等,电子标签回送数据到读写器的方法也有所不同。按电子标签发起通信的主动性,电子标签与读写器之间数据传输的工作方式可分为主动式、被动式和半被动式3种。按系统传递数据的方向性和连续性,数据传输的工作方式又可分为全双工通信、半双工通信和时序通信3种。

在主动式工作方式中,电子标签与读写器之间的通信是由电子标签主动发起的,不管读写器是否存在,电子标签都能持续发送数据。主动式工作方式的电子标签通常为有源电子标签,电子标签的板载电路包括微处理器、传感器、I/O端口和电源电路等,因此主动式电子标签系统能用自身的射频能量主动发送数据给读写器,而不需要读写器来激活数据传输。而且,此类标签可以接收读写器发来的休眠命令或唤醒命令,从而调整自己发送数据的频率或进入低功耗状态,以节省电能。

在被动式工作方式中,电子标签通常为无源电子标签,它与读写器之间的通信由读写器发起,标签进行响应。被动式电子标签的传输距离较短,但是由于其构造相比主动式标签简单,而且价格低廉,寿命较长,因此被广泛应用于各种场合,如门禁系统、交通系统、身份证或消费卡等。

在半被动式工作方式中,电子标签也包含板载电源,但电源仅仅为标签的运算操作提供能量,其发送信号的能量仍由读写器提供。标签与读写器之间的通信由读写器发起,标签为响应方。其与被动式电子标签的区别是,它不需要读写器来激活,可以读取更远距离的读写器信号,距离一般在30m以内。由于无须读写器激活,标签能有充足的时间被读写器读写数据,即使标签处于高速移动状态,仍能被可靠地读写。

在全双工通信系统中,电子标签与读写器之间可在同一时刻双向传送信息。在半双工通信系统中,电子标签与读写器之间也可以双向传送信息,但在同一时刻只能向一个方向传送信息。

一般来说,所有已知的数据调制方法都可用于从电子标签到读写器的数据传输,这与工作频率或耦合方式无关。常用的二进制数据传输的调制方式包括ASK、FSK和PSK等,调制技术的原理参见第5章通信技术。

在全双工和半双工系统中,电子标签响应的数据是在读写器发出电磁场或电磁波的情况下发送出去的。与读写器本身的信号相比,电子标签的信号在接收天线上是很弱的,所以必须使用合适的传输方法,以便把电子标签的信号与读写器的信号区别开来。在实践中,尤其是针对无源电子标签系统,从电子标签到读写器的数据传输一般采用负载调制技术将电子标签数据加载到反射波上。

负载调制技术就是利用负载的变动使电压源的电压产生变动,达到传输数据的目的。假设有一个源,如电压源,当这个电压源带负载时,负载的大小会对电源的电压产生不同的影响,利用负载的变动而使电压源的电压产生变动,这就是负载调制的基本方法。负载调制技术可分为直接负载调制和使用副载波的负载调制两种。

1)在直接负载调制中,反射波的频率与读写器的发送频率一致,电子标签的天线(或线圈)是读写器发射天线(或线圈)的负载,电子标签通过控制天线上的负载电阻的接通和断开,改变天线回路的参数,使读写器端被调制,从而实现了以微弱的能量从电子标签到读写器的数据传输。

2)由于读写器天线与电子标签天线之间的耦合很弱,采用直接负载调制的方法时,读写器天线上表示有用信号的电压波动在数量级上比读写器的输出电压小很多。要检测这些很小的电压变化需要在电路上产生巨大开销,这时可以采用利用副载波的负载调制来传输数据。所谓副载波,是指把信号调制在载波1上后,出于某种原因,对调制结果再进行一次调制,调制到另外一个更高频率的载波2上,这里载波1就称为副载波。当电子标签的负载电阻以很高的时钟频率接通或断开时,读写器能很容易地检测到这些变化。

在时序系统中,一个完整的读周期是由充电阶段和读出阶段两个时段构成的。在电感耦合时序系统的电子标签电路中,包含一个脉冲结束探测器。该探测器监视电子标签线圈上的电压曲线,以识别读写器的断开时刻。当读写器处于工作状态时,电子标签的天线即感应线圈中将产生感应电流,此时电子标签上的电容器处于充电状态。当电子标签识别到读写器的断开状态时,充电阶段结束,电子标签芯片上的振荡器被激活,它与电子标签线圈一起构成振荡回路,作为固定频率发生器使用。此时电子标签线圈上产生的弱交变磁场能被读写器接收。

为了能够调制在无源情况下的高频信号,电路中还有一个附加的调制电容器与谐振回路并联起来,可实现FSK调制。当所有数据发送完毕后,激活放电模式,电子标签上的充电电容开始放电,以保证在下个充电周期到来前完全复位。

全双工和半双工的共同点是从读写器到电子标签的能量传输是连续的,与数据传输的方向无关。时序方法则不同,读写器辐射出的电磁场短时间周期性地断开,这些间隔被电子标签识别出来,并被用于从电子标签到读写器的数据传输。其实,这是一种典型的雷达工作方式。时序方法的缺点是:在读写器发送间歇时,电子标签的能量供应中断,这就必须通过装入足够大的辅助电容器或辅助电池进行能量补偿。

3.4.7 RFID系统的防碰撞机制

在RFID系统的应用中,会发生多个读写器和多个电子标签同时工作的情况,就会造成读写器和电子标签之间的相互干扰,无法读取信息,这种现象称为碰撞。碰撞可分为两种,即电子标签的碰撞和读写器的碰撞。

电子标签的碰撞是指一个读写器的读写范围内有多个电子标签,当读写器发出识别命令后,处于读写器范围内的各个标签都将做出应答,当出现两个或多个标签在同一时刻应答时,标签之间就出现干扰,产生读写器无法正常读取的问题。

读写器的碰撞情况比较多,包括读写器间的频率干扰和多读写器—标签干扰。读写器间的频率干扰是指读写器为了保证信号覆盖范围,一般具有较大的发射功率,当频率相近、距离很近的两个读写器一个处于发送状态、一个处于接收状态时,读写器的发射信号会对另一个读写器的接收信号造成很大干扰。多读写器—标签干扰是指当一个标签同时位于两个或多个读写器的读写区域内时,多个读写器会同时与该标签进行通信,此时标签接收到的信号为两个读写器信号的矢量和,导致电子标签无法判断接收的信号属于哪个读写器,也就不能进行正确应答。

在RFID系统中,会采用一定的策略或算法来避免碰撞现象的发生,其中常采用的防碰撞方法有空分多址法、频分多址法和时分多址法。

1)空分多址法是在分离的空间范围内重新使用频率资源的技术。其实现方法有两种,一种是将读写器和天线的作用距离按空间区域进行划分,把多个读写器和天线放置在一起形成阵列,这样,联合读写器的信道容量就能重复获得;另一种方式是在读写器上采用一个相控阵天线,该天线的方向对准某个电子标签,不同的电子标签可以根据其在读写器作用范围内的角度位置被区分开来。空分多址方法的缺点是天线系统复杂度较高,且费用昂贵,因此一般用于某些特殊的场合。

2)频分多址法是把若干个不同载波频率的传输通路同时供给用户使用的技术。一般情况下,从读写器到电子标签的传输频率是固定的,用于能量供应和命令数据传输。而电子标签向读写器传输数据时,电子标签可以采用不同的、独立的副载波进行数据传输。频分多址法的缺点是读写器成本较高,因此这种方法通常用于特殊场合。

3)时分多址法是把整个可供使用的通信时间分配给多个用户使用的技术,它是RFID系统中最常使用的一种防碰撞方法。时分多址法可分为标签控制法和读写器控制法。标签控制法通常采用ALOHA算法,也就是电子标签可以随时发送数据,直至发送成功或放弃。读写器控制法就是由读写器观察和控制所有的电子标签,通过轮询算法或二分搜索算法,选择一个标签进行通信。轮询算法就是按照顺序对所有的标签依次进行通信。二分搜索算法由读写器判断是否发生碰撞,如果发生碰撞,则把标签范围缩小一半,再进一步搜索,最终确定与之通信的标签。 LrQhbXP8phrKLY4THrkSolmuMx1bTETy3okRlDKMRwFkRG85Nnd+hkRkLMRQr/TN

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