RFID設(shè)備選型與應(yīng)用--讀寫器原理與選型

1、RFID設(shè)備選型與應(yīng)用設(shè)備選型與應(yīng)用-讀寫器原理分析與選型 本節(jié)內(nèi)容 桌面式一體式手持式固定式電源 I/O接口 微處理器、存儲器、時鐘等 解碼及糾錯電路 電源電路 放大器天線 前置放大器 射頻接收器 射頻處理器射頻振蕩器電源電路控制處理器模塊射頻模塊讀寫器的基本組成結(jié)構(gòu)讀寫器的基本組成結(jié)構(gòu) 天線是發(fā)射和接收射頻載波信號的設(shè)備； 它主要負(fù)責(zé)將讀寫器中的電流信號轉(zhuǎn)換成射頻載波信號并發(fā)送給電子標(biāo)簽，或者接收標(biāo)簽發(fā)送過來的射頻載波信號并將其轉(zhuǎn)化為電流信號； 讀寫器的天線可以外置也可以內(nèi)置，一些天線的尺寸較大所以選擇獨(dú)立安裝；天線的類型取決于讀寫器的工作頻率和天線的參數(shù)； 天線的設(shè)計(jì)對閱讀器的工作性能來

2、說非常重要，對于無源標(biāo)簽來說，它的工作能量全部由閱讀器的天線提供。 射頻模塊主要包括發(fā)射器、射頻接收器、時鐘發(fā)生器和電壓調(diào)節(jié)器等。該模塊是讀寫器的射頻前端，同時也是影響讀寫器成本的關(guān)鍵部位，主要負(fù)責(zé)射頻信號的發(fā)射及接收。 其中的調(diào)制電路負(fù)責(zé)將需要發(fā)送給電子標(biāo)簽的信號加以調(diào)制，然后再發(fā)送； 解調(diào)電路負(fù)責(zé)將解調(diào)標(biāo)簽送過來的信號并進(jìn)行放大； 時鐘發(fā)生器負(fù)責(zé)產(chǎn)生系統(tǒng)的正常工作時鐘。 邏輯控制模塊是整個讀寫器工作的控制中心、智能單元，是讀寫器的“大腦”， 讀寫器在工作時由邏輯控制模塊發(fā)出指令，射頻接口模塊按照不同的指令做出不同的操作。 它主要包括微控制器、存儲單元和應(yīng)用接口驅(qū)動電路等。 微控制器可以完成

3、信號的編解碼、數(shù)據(jù)的加解密以及執(zhí)行防碰撞算法； 存儲單元負(fù)責(zé)存儲一些程序和數(shù)據(jù)； 應(yīng)用接口負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行輸入或輸出的通信。與電子標(biāo)簽之間通信1與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的通信2讀寫器的識別能力3讀寫器的適用性4讀寫器的功能特性讀寫器的功能特性 射頻識別是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，在讀寫器與標(biāo)簽的通信中無線電信號是通過調(diào)成無線電頻率的電磁場，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標(biāo)簽上傳送出去。標(biāo)簽包含了電子存儲的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識別。與條形碼不同的是，射頻標(biāo)簽不需要處在識別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。讀寫器與電子標(biāo)簽之間的通信讀寫器與電子標(biāo)簽之間的通信RFID標(biāo)簽分

4、為有源（主動）和無源（被動）兩種。 有源標(biāo)簽本身具有內(nèi)部電源供應(yīng)器，用以供應(yīng)內(nèi)部所需電源以產(chǎn)生對外的訊號。 無源式標(biāo)簽沒有內(nèi)部供電電源。其內(nèi)部集成電路通過接收到的電磁波利用電感耦合原理產(chǎn)生的能量進(jìn)行驅(qū)動，這些電磁波是由RFID讀取器發(fā)出的。當(dāng)標(biāo)簽接收到足夠強(qiáng)度的訊號時，可以向讀取器發(fā)出數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽實(shí)例電子標(biāo)簽實(shí)例讀寫器與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的通信讀寫器與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間的通信 讀寫器將讀取到的電子標(biāo)簽信息傳遞到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，然后計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對讀寫器進(jìn)行控制和信息交換，從而完成特定的應(yīng)用任務(wù)。 該過程主要涉及計(jì)算機(jī)與讀寫器之間的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)問題。一般讀寫器的I/O接口形式主要有：RS-232串行接口：計(jì)算機(jī)

5、普遍適用的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，能夠進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)信息傳遞。它的優(yōu)勢在于通用、標(biāo)準(zhǔn)，缺點(diǎn)是傳輸距離不會達(dá)到很遠(yuǎn)，傳輸速度也不會很快。RS-485串行接口：也是一類標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口，數(shù)據(jù)傳遞運(yùn)用差分模式，抵抗干擾能力較強(qiáng)，傳輸距離比RS-232傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸速度與RS-232差不多。以太網(wǎng)接口：閱讀器可以通過該接口直接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。USB接口：也是一類標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口，傳輸距離較短，傳輸速度較高。讀寫器的識別能力讀寫器的識別能力RFID系統(tǒng)對電子標(biāo)簽進(jìn)行識別時，讀寫器產(chǎn)生的磁場給電子標(biāo)簽提供了能量，使電子標(biāo)簽將產(chǎn)品信息傳回讀寫器。在此過程中如果電子標(biāo)簽產(chǎn)生碰撞、移動，或者同時有2 個或2 個以上的電子標(biāo)

6、簽同時在同一個閱讀器的作用范圍內(nèi)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下就會出現(xiàn)信號的干擾，這個干擾被稱為沖突，其結(jié)果將會導(dǎo)致該次數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖?，因此必須采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)防止沖突的產(chǎn)生。 從多個電子標(biāo)簽到一個閱讀器的通信稱為多路存取，多路存取中有四種方法可以將不同的標(biāo)簽信號分開：空分多路法（SDMA）、頻分多路法（FDMA）、時分多路法（TDMA）和碼分多路法（CDMA）。針對RFID 系統(tǒng)低成本、較少硬件資源和數(shù)據(jù)傳輸速度以及數(shù)據(jù)可靠性的要求，TDMA 構(gòu)成了RFID 系統(tǒng)防沖突算法最為廣泛使用的一族。 TDMA 是把整個可供使用的通路容量按時間分配給多個用戶的技術(shù)，可分為電子標(biāo)簽控制法和閱讀器控制法。電子標(biāo)

7、簽控制法主要有ALOHA 法，閱讀器控制法有輪詢法和二進(jìn)制搜索法。 ALOHA 算法是一種信號隨機(jī)接入的方法，采用電子標(biāo)簽控制方式，即電子標(biāo)簽一進(jìn)入閱讀器的作用范圍內(nèi)，就自動向閱讀器發(fā)送自身的序列號，隨即與閱讀器開始通信。 閱讀器一旦檢測到?jīng)_突產(chǎn)生，就會發(fā)送命令讓其中一個電子標(biāo)簽暫停發(fā)送數(shù)據(jù)，隨機(jī)等待一段時間以后再重新發(fā)送數(shù)據(jù)。由于每個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時間只是重復(fù)發(fā)送時間的一小部分，以致在兩個數(shù)據(jù)幀之間產(chǎn)生相當(dāng)長的間歇。所以存在著一定的概率，使兩個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)幀不產(chǎn)生沖突。 公共信道上在單位時間T 內(nèi)平均發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)G 和傳輸通路的吞吐率S的計(jì)算公式見式（1）和式（2）。其中：n 是系統(tǒng)中標(biāo)簽的數(shù)

8、量， n r 是T 時間內(nèi)由電子標(biāo)簽n 發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù) 根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)G 和吞吐率S 之間的關(guān)系，可以得出，當(dāng)G0.5 時，S 的最大值為18.4%。這說明80以上的數(shù)據(jù)通路沒有被利用，該方法實(shí)現(xiàn)防沖突的效率代價較高。但是由于ALOHA 算法實(shí)現(xiàn)的簡單性，并且適于標(biāo)簽數(shù)量不定的場合，能夠作為一種防沖突法較好的適用于只讀電子標(biāo)簽系統(tǒng)。 為了提高ALOHA 算法的吞吐率，可以采用改進(jìn)的ALOHA 算法。時隙ALOHA 算法在ALOHA 算法的基礎(chǔ)上將時間分成多個離散的相同大小的時隙，標(biāo)簽只能在每個時隙的分界處才能發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣標(biāo)簽或發(fā)送成功或完全沖突，將原先ALOHA 算法的產(chǎn)生沖突時間間隔T

9、 = 2 縮減到T = 。根據(jù)公式S = G e(G) 可以得到當(dāng)G1 時吞吐率S 達(dá)到最大值為36.8%。時隙ALOHA 算法比ALOHA 算法效率最大提高了一倍，但是同時要求所有的電子標(biāo)簽必須由閱讀器同步控制，因此這是一種隨機(jī)的、閱讀器控制的TDMA 防沖突法。 二進(jìn)制搜索法又名二叉樹搜索法。所有用二進(jìn)制唯一標(biāo)識的電子標(biāo)簽的序列號可以構(gòu)成一顆完全二叉樹。在閱讀器作用范圍內(nèi)同步向閱讀器發(fā)送的信號的標(biāo)簽的序列號也構(gòu)成一顆二叉樹。 閱讀器根據(jù)信號沖突的情況反復(fù)對完全二叉樹的分枝進(jìn)行篩剪，最終找出這顆二叉樹。在尋找的過程當(dāng)中逐一確定了作用區(qū)域內(nèi)響應(yīng)的電子標(biāo)簽，同時也完成了它們與閱讀器之間的信息交換

10、。下面是程序流程圖： 下面來舉例說明這個算法系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)情況。這里采用8 位的序列號來唯一標(biāo)識256 個電子標(biāo)簽。假設(shè)同一時刻進(jìn)入閱讀器作用范圍的電子標(biāo)簽有四個，它們的序列號分別為： A：1 0 1 1 0 0 1 0 B：1 0 1 0 0 0 1 1 C：1 0 1 1 0 0 1 1 D：1 1 1 0 0 0 1 1 算法系統(tǒng)在第1 次重復(fù)操作中由閱讀器發(fā)送序列號11111111B ，即在本例中最大可能的8 位序列號。由于作用在閱讀器范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽的序列號都小于或等于11111111B，所以此命令被閱讀器作用范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽響應(yīng)。ABCD 四個標(biāo)簽同步將自己的序列號回送閱讀器，閱讀器接

11、收到的回送的代碼為1X1X001X?？梢源_定，在接收序列的第0、4、6 位產(chǎn)生沖突。其中，第6 位是發(fā)生沖突的最高位，這意味著在 11000000B 和 10111111B 的范圍內(nèi)至少各有一個電子標(biāo)簽存在，這樣就可以限制下一次重復(fù)操作的搜索范圍。 算法系統(tǒng)在第2 次重復(fù)操作中由閱讀器發(fā)送的請求命令（序列號）為 10111111B ，滿足此條件的電子標(biāo)簽ABC 就會做出響應(yīng)，然后回送自己的序列號，閱讀器接收到的代碼為101X001X。同理在序列號 10110000B 和 10101111B 的范圍內(nèi)至少各有一個電子標(biāo)簽存在。由此可以進(jìn)一步限定范圍進(jìn)行第三次搜索。 依據(jù)以上方法，依次類推，最終可

12、以確定一個唯一的電子標(biāo)簽序列號。閱讀器隨即和這一標(biāo)簽建立數(shù)據(jù)通路，一對一的進(jìn)行沒有干擾的信息交換。等信息交換完畢，閱讀器對這一標(biāo)簽進(jìn)行滅活處理，使其在一定的時間內(nèi)不能夠再響應(yīng)閱讀器的請求命令。經(jīng)過4 次這樣的過程，就逐步完成了對每一個標(biāo)簽的識別和通信，有效的防止了系統(tǒng)的沖突問題。該例的算法示意圖如圖。二進(jìn)制搜索示意圖 動態(tài)二進(jìn)制搜索法是一種改進(jìn)的二進(jìn)制搜索算法。在二進(jìn)制搜索算法中，電子標(biāo)簽的序列號總是一次次完整的傳輸，然而，當(dāng)標(biāo)簽的序列號較長時（有可能達(dá)到幾個到幾十個字節(jié)），需要傳送大量的數(shù)據(jù)，這就增加了搜索時間和出錯頻率。在實(shí)際應(yīng)用中有些位是讀寫器的補(bǔ)充信息，可以不必發(fā)送，這樣可以大量提升效

13、率。 與ALOHA 法相比，二進(jìn)制搜索法識別率較高，隨著識別區(qū)域內(nèi)標(biāo)簽數(shù)量的增加，效率會保持并逼近在50%，并且該算法不存在錯誤判斷的問題。但算法實(shí)現(xiàn)的時延長，泄露的信息較多，安全性差。實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制搜索算法的前提是系統(tǒng)必須能夠?qū)_突按位進(jìn)行識別，所以必須選擇相對復(fù)雜的信道編碼（一般采用Manchester 編碼），這也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。讀寫器的分類讀寫器的分類從接觸方式分：從接觸方式分：讀寫器分為接觸式讀寫器，非接觸式讀寫器，單界面讀寫器和雙界面讀寫器以及多卡座接觸式讀寫器。從接口分：從接口分：讀寫器從接口上來看主要有：并口讀寫器、串口讀寫器材、USB讀寫器、PCMICA卡讀寫器和IEEE

14、1394讀寫器。前兩種讀寫器由于接口速度慢或者安裝不方便已經(jīng)基本被淘汰了。USB讀寫器是目前市場上最流行的讀寫器。從射頻頻率上分：從射頻頻率上分：低頻閱讀器、高頻閱讀器、超高頻讀寫器、雙頻讀寫器、433MHz有源讀寫器、微波有源讀寫器等。讀寫器的技術(shù)參數(shù)讀寫器的技術(shù)參數(shù) EP-803讀寫器是UHF RFID系列產(chǎn)品之一。該讀寫器具有非接觸、不受環(huán)境影響、讀寫距離遠(yuǎn)、適應(yīng)物體高速運(yùn)動性能好、操作方便、防沖突等優(yōu)良特性，用途極其廣泛。目前，EP-803讀寫器主要應(yīng)用于高速公路（路橋）不停車收費(fèi)管理、車牌防偽識別管理、車輛編組調(diào)度管理、 智能停車場管理、口岸出入境車輛查驗(yàn)管理、倉庫物資進(jìn)出監(jiān)管和識別

15、管理、行李包裹識別管理和碼頭集裝箱管理等等眾多領(lǐng)域。下面以EP-803說明書中部分參數(shù)為例進(jìn)行分析：EP-803型 遠(yuǎn)距離一體化讀寫器RFID讀寫器頻率分類讀寫器頻率分類 和我們聽的收音機(jī)道理一樣，射頻標(biāo)簽和閱讀器也要調(diào)制到相同的頻率才能工作。LF, HF, UHF就對應(yīng)著不同頻率的射頻。LF代表低頻射頻，在125KHz左右，HF代表高頻射頻，在13.54MHz左右，UHF代表超高頻射頻，在850至910MHz范圍之內(nèi)，還有2.4G的微波讀寫器。 為什么要使用不同的頻率？為什么要使用不同的頻率？ 在操作中有4種波段的頻率，低頻（125KHz），高頻（13.54MHz），超高頻（850-910M

16、Fz），微波（2.45GHz）.每一種頻率都有它的特點(diǎn)，被用在不同的領(lǐng)域，因此要正確使用就要先選擇合適的頻率。 不同的國家所使用頻率也不盡相同： 歐洲的超高頻是868MHz,美國的則是915MHz.日本目前不允許將超高頻用到射頻技術(shù)中。政府也通過調(diào)整閱讀器的電源來限制它對其他器械的影響。有些組織例如全球商務(wù)促進(jìn)委員會正鼓勵政府取消限制。標(biāo)簽和閱讀器生產(chǎn)廠商也正在開發(fā)能使用不同頻率系統(tǒng)避免這些問題。我們?nèi)绾沃滥膫€頻率適合于我們的產(chǎn)品？我們?nèi)绾沃滥膫€頻率適合于我們的產(chǎn)品？ 不同的頻率有不同的特點(diǎn)，因此他們的用途也就形形色色。例如，低頻標(biāo)簽比超高頻標(biāo)簽便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強(qiáng)，他們最適合用于含水成分較高的物體，例如水果等。超高頻作用范