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RFID射频识别系统有哪些基本组成部分

发布时间2021-11-26

所谓“射频识别技术”,就是利用电感或者电子耦合以及反向散射的传输特性,实现对物体的自动跟踪和识别。首先,读写器利用天线在一定范围内发射射频能量形成一个电磁场,当附着射频标签的物体进入读写器的天线场范围时,就会产生一定的感应电流。其次,射频标签通过这种电流而获得一定的能量,并通过标签内的天线场,发出存储在内部芯片的产品数据。这时候,读写器形成的天线场就能自动接收射频标签发出的数据并进行调制和解码,最后送到服务器或管理系统进行分析和处理。这就是射频识别系统整个的工作原理。

下图为射频识别系统的工作原理,应答器可以看作射频标签。从图中可以看出,一个最简单的射频识别系统也具有射频标签和读写器两部分,当然,还有镶嵌在读写器和射频标签内部的天线。

射频识别系统的工作原理
射频识别系统的工作原理

射频标签

射频标签又称为射频卡或应答器,由IC芯片与内置天线组成,每一个射频标签都有一个惟一的电子编码,通常嵌在被识别对象上,存储了被识别对象的各种信息和数据。拥有惟一电子编码的还包括二维码与一维码(常见的国际条形码),但很多人混淆了三者的概念。我们可以这样区分,二维码和一维码是一类,它们都不能做到全方位识别,只能使用一个手持终端扫描,而且不能承受高温高压或者恶劣的环境。超市商品上的条形码很容易损坏就是这个原因,而且还很容易被撕坏,在酸性和碱性的作业环境下也很极易失去识别能力。而射频标签则不然,它们对恶劣环境的抗性非常强,而且不用找到标签的位置,只要让应答器靠近物体就可以识别。无论是方便性和稳定性,射频标签都远远超过二维码和一维码。

射频标签根据供电方式、作业频率和数据调制方式的不同,可分为三类。

(1)根据供电方式划分,可分为无源射频标签和有源射频标签。有源和无源可以理解成有无内置电池,有源射频标签完全由内部的电池供电,其能量储备非常充足,可识别距离可以达到几十米,甚至百米开外。但缺点就是价格过高,使用寿命很短。即便内置的电池被高度压缩,也还是要占用一定的空间,不能制作成薄卡,也不适应在恶劣的环境下作业。

无射频标签无需内置电池,依靠耦合读写器发射的电磁场能量获得自己的作业能源,具有重量轻、寿命长、体积小、成本低等显著特点。另外,它对恶劣环境的抗性也较强。缺点是发射距离短,一般不到一米,极限距离也不过几十米,而且需要大发射功率的读写器作为支持。

(2)根据数据调制方式划分,可分为被动式标签和主动式标签,主动式射频标签也是自带电池进行供电,可以将数据主动发给读写器,可靠性高,传输距离也远。而被动式标签是由读写器先发出查询信号激活射频标签,然后进入通信状态。两者各有优缺点,具体见下表:

主动式和被动式射频标签的对比

(3)根据工作频率划分,可以分为30~300KHz的低频、3~30MHz的高频、300MHz~3GHz的超高频和2.45GHz的微波。不过,射频识别所占据的频段在国际上有统一的划分,不同的频段代表着不同的工作方式(电感耦合或电磁耦合)、识别范围和设备成本等。

一般情况下,低频射频标签的典型频率为125KHz和3KHz,中高频段射频标签为13.56MHz,特高工作频率为433MHz和915MHz,微波射频标签为2.45GHz和5.8GHz。下表记录了几个典型频段射频系统的特点。

几个典型频段的射频系统的特点
几个典型频段的射频系统的特点

传感器

读写器可以实现数据的传输读写,除了显示射频标签信息,也可以同电脑其他系统进行组合,完成对射频标签的各种操作。读写器拆分后为7部分,分别为硬盘驱动器、传输设备、编程器、通信器、查询器、扫描器和读头。

读写器是射频识别系统的重要组成部分,在识别系统中的作用非常重要,因为读写器的频率决定了射频识别系统的作业频率,而读写器本身的功率影响着射频识别的有效距离。读写器的功能主要体现在以下几个方面:

(1)完成读写器和射频标签之间的通信功能,这也是最常见的功能。

(2)读写器可以通过RS-232等接口实现自身与计算机之间的连接通信,并与计算机的网络进行连接,提供射频标签上的数据信息。

(3)读写器具备防碰撞功能,可以实现一个读写器同时解读多个电子标签。

(4)读写器除了能读取静止的射频标签,对快速移动中的电子标签也可以实现快速读取。

(5)读写器可以检查出解读过程中的错误信息,保证显示的数据准确无误。

(6)相对于有源电子标签而言,读写器能够读出内置电池的相关信息,如电量等。

因此,读写器的主要任务是触发存储商品信息的射频标签,并与射频标签建立通信关系,在电脑与非接触的商品之间传输数据,完成非接触类通信的一系列步骤。例如,通信的建立、身份验证和防止碰撞等都是由读写器来完成的。下面是读写器的基本工作流程图:

读写器的基本工作流程
读写器的基本工作流程

按照基本构成来说,读写器分为硬件部分和软件部分。软件部分不需要使用者自己下载,它们在出厂时就已经被固化在了读写器模块中,可以对读写器接收到的指令进行反馈、对射频标签发出各种动作指令。硬件部分可以简化为控制系统和高频接口,高频接口由发送器和接收器组成,控制系统则采用专用集成电路和微处理器来实现其功能。此外,读写器还需要可以发射电磁波的天线。

高频接口又被称作射频模块,其主要功能有:高频发射电磁波、激活射频标签为自身提供能量、对发射信号进行调制,然后将数据传输给射频标签,并接收无线信息。控制系统也称为读写系统,可以与数据管理软件进行数据传输,并执行从该软件发出来的各种指令。

天线

天线可以看作一个转换装置,它能将接收到的电流信号转换成电磁波,也可以将电磁波信号转换成电流装置。天线在射频识别系统中起到了连接和枢纽的作用,射频标签和读写器都需要安装天线。可以这么说,天线是射频标签和读写器的空间接口。根据射频识别系统的工作原理,读写器和射频标签之间的天线耦合分为电感耦合模式和反向散射耦合模式,分别应用于低频识别和微波识别。单从天线方面来说,射频识别系统中一共分为两类,一类是射频标签的天线,一类是读写器的天线。

(1)射频标签的天线。该类天线必须要嵌入很小的射频标签内,所以要求的体积必须要足够小,并且要有一定的覆盖方向性,不仅可以为射频标签提供尽可能大的信号,也为其提供能量。作为射频标签里易耗损的部件,天线的价格非常便宜,但在选购的时候要特别注意天线的品类、阻抗和应用到射频标签上的射频能量。

(2)读写器的天线。射频识别系统中的读写器必须要通过天线来发射能量,形成一定的电磁场,并通过电磁场对射频标签进行刺激和感应。也就是说,电线所形成的磁场范围就是识别系统的可读取区域,任何识别系统都必须具有天线,用来发射和结束识别信号。尤其是在电感耦合识别系统中,读写器天线主要用于产生电磁圈,而电磁圈可以向射频标签提供电源,并维持射频标签和读写器之间的信息传输。所以,读写器的天线设计首先要保证的就是线圈的电流足够大,这样才能产生最大的磁通量。其次,功率一定要匹配,以实现最大程度的利用磁通量。要具备足够的带宽,保证信号的传输。

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