UHFRFID的研究

1、一 、UHF RFID的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)從事RFID產(chǎn)業(yè)的公司生產(chǎn)規(guī)模都不大，生產(chǎn)成本比較高，在眾多的全國RFID企業(yè)中，絕大多數(shù)為各種代理、外企分支機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)集成與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)企業(yè)，真正從事RFID核心技術(shù)開發(fā)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的企業(yè)寥寥無幾，這是我國RFID產(chǎn)業(yè)鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)。針這樣的現(xiàn)狀和形勢，科技部在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）的重大項(xiàng)目已經(jīng)明確把“射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用”列入，把UHF RFID的工作頻段劃分了840MHz845MHz和920MHz925MHz兩個(gè)頻段，2012年出臺(tái)了基于ISO/IEC18000-6的國家標(biāo)準(zhǔn)，這對

2、我國電子標(biāo)簽的發(fā)展起到了非常重要的作用。雖然與國外RFID芯 片設(shè)計(jì)水平存在很大的差距，但是我國集成電路設(shè)計(jì)和制造業(yè)在近些年來也取得了令人矚目的發(fā)展和成就。在RFID芯片方面，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)計(jì)。國內(nèi) RFID設(shè)計(jì)公司主要有北京清華同方集成電路設(shè)計(jì)公司、上海華虹集成電路設(shè)計(jì)公司、上海復(fù)旦微電子公司等。在芯片制造方面，諸如復(fù)旦微電子、上海華虹、上海貝嶺等優(yōu)秀企業(yè)都具有大規(guī)模生產(chǎn) RFID芯片的能力。1.2 發(fā)展趨勢近年來，研究的熱點(diǎn)集中在RFID 技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Networks）的結(jié)合

3、方面，冷鏈物流的興起更是為內(nèi)嵌溫度傳感器的RFID標(biāo)簽的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展機(jī)遇和空間。 帶有溫度傳感器的標(biāo)簽已經(jīng)在很多論文中出現(xiàn)，而且市場上已經(jīng)出現(xiàn)了這類成品標(biāo)簽。適用于RFID的溫度傳感器設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于保證溫度范圍和精度的條件下使功耗控制在幾個(gè)微瓦，甚至幾百個(gè)納瓦之內(nèi)。目前的溫度傳感器，如果不采用校準(zhǔn)，誤差都是比較大的，因此，一般在RFID標(biāo)簽中采用的溫度傳感器都會(huì)采用校準(zhǔn)技術(shù)，采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)的比較多，這樣又增加了標(biāo)簽的成本和復(fù)雜程度。 一些論文中雖然提到過在RFID標(biāo)簽中集成光傳感器，但是在實(shí)際中很難做到，主要問題在于光敏器件與工藝很難兼容，標(biāo)簽的封裝對光線進(jìn)入光敏器件的影響難以估計(jì)。但是相

4、信隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，封裝技術(shù)的改進(jìn)和工藝的完善，光傳感器也許在不遠(yuǎn)的將來就會(huì)在RFID標(biāo)簽芯片中實(shí)現(xiàn)。對于壓力傳感器和濕度傳感器，也存在著類似于光傳感器一樣的問題，而且相關(guān)的研究幾乎還沒有展開。二、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)2.1 射頻識(shí)別技術(shù)UHF頻段RFID系統(tǒng)使用電磁波通過閱讀器與標(biāo)簽問的耦合進(jìn)行通信。圖2.5顯示了一個(gè)基本的UHF RFID系統(tǒng)。一個(gè)基本的UHF RFID系統(tǒng)包括了閱讀器(Reader)，標(biāo)簽(Tag)和工作環(huán)境中的障礙物(Obstacles)。標(biāo)簽由集成電路芯片(Microchip)和天線(Antcnna)組成。芯片內(nèi)存儲(chǔ)了標(biāo)簽所附著對象的數(shù)據(jù)信息，其內(nèi)部并沒有電池等能量供應(yīng)源，

5、需要從閱讀器發(fā)射的電磁波中提取其電路工作所需的能量。閱讀器通過閱讀器天線發(fā)射連續(xù)波(CW continuous wave)信號給標(biāo)簽，為標(biāo)簽提供能量來激活標(biāo)簽的芯片工作，并向標(biāo)箍發(fā)射命令信號。同時(shí)，標(biāo)簽也按照存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)序列來改變自己的輸入阻抗從而實(shí)現(xiàn)對背向敞射信號的調(diào)制，標(biāo)簽通過背向散射(反射)部分電磁波回閱讀器向閱讀器發(fā)射其相應(yīng)的識(shí)別碼來進(jìn)行通信。通常，標(biāo)簽征兩個(gè)離散狀態(tài)之問切換輸入阻抗，從而產(chǎn)生了大幅度鍵控(ASK：amplitude shift keying)和相位鍵控(PSK：phase shift keying)兩種調(diào)制方式四。閱讀器天線同時(shí)也接收標(biāo)鍛的背向散射信號和環(huán)境障礙物的雜波

6、信號。閱讀器對它進(jìn)行解調(diào)解碼得到標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)了無源標(biāo)簽的背向散射通信。參考圖2.5，可將系統(tǒng)內(nèi)傳播的信號分類為：前向信號；(Forward Signal)，背向散射信號(BackscatterSignal)和雜波。2.3 EPC技術(shù)射頻標(biāo)簽的工作頻率不僅決定著射頻識(shí)別系統(tǒng)工作原理(電感耦合還是電磁耦合)、識(shí)別距離，還決定著射頻標(biāo)簽及閱讀器實(shí)現(xiàn)的難易程度和設(shè)備成本。RFID應(yīng)用r據(jù)的頻段或頻點(diǎn)在國際上有公認(rèn)的劃分，即位于ISM波段。典型的工作頻率有：125kHz、133kHz、1356MHz、2712MHz，433Ml-lz、902MHz928MHz、2A5GHz，58GHz等。按照工

7、作頻率的不同，RFID標(biāo)簽可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超商頻(UHF)和微波等不同種類，不同頻段的RFIDI作原理不同，LF和HF頻段RFID電子標(biāo)簽一般采用電磁耦合原理，而UHF及微波頻段的RFID一般采用電磁發(fā)射原理。目前國際上廣泛采用的頻率分布于4種波段，低頻(125KHz)、高頻(1354MHz)、超高頻(850MHz910MFz)和微波(2ASGHz)。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。 三、基于RFID的智能門禁系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)功能及模塊設(shè)計(jì) 3.1.1 系統(tǒng)功能和常用的微波天線相比，微帶天線有如下一些優(yōu)點(diǎn)：(1)體積小

8、，重量輕，低剖面，能與載體(如飛行器)共形，并且除了在饋電點(diǎn)處要開出引線孔外，不破壞載體的機(jī)械結(jié)構(gòu)。(2)電性能多樣化。不同設(shè)計(jì)的微帶元，其最大輻射方向可以從邊射到端射范聞內(nèi)調(diào)整；易于得到各種極化，特殊設(shè)計(jì)的微帶元還可以在雙頻或多頻工作。(3)能和有源器件、電路集成為統(tǒng)一的組件，因此適合大規(guī)模生產(chǎn)，簡化了系統(tǒng)制作和調(diào)試，大大降低了成本。微帶貼片天線(Microstrip Patch Antenna)足介質(zhì)基片、在基片的一面上有任意形狀的導(dǎo)電貼片和基片另一面上的地板所構(gòu)成。貼片導(dǎo)體通常是金或者銅，基術(shù)形狀般有矩形、圓形，三角形、橢圓形以及圓環(huán)等等。矩形和止方形貼片是被應(yīng)用最多

9、的微帶天線，他們町以被用于很多方面，包括：圓極化、波掃描、輻射方向性控制和多頻輻射工作等方面。本論文也主要研究這種貼片形式的天線。 3.1.2 模塊設(shè)計(jì) 需要畫出系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)框圖3.2 總體設(shè)計(jì)方案四、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1門禁控制器設(shè)計(jì)基于低成本、短研發(fā)周期和小型化等方面因素的考慮，本論文設(shè)計(jì)的超高頻頻段射頻識(shí)別系統(tǒng)采用無線射頻芯片作為閱讀器的射頻模塊。所以說無線射頻芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它的選擇成功與否至關(guān)重要。由于無線收發(fā)芯片的廠商和種類比較多，正確的選擇可以使開發(fā)工作少走彎路、降低成本。對于射頻識(shí)別系統(tǒng)來說，方案成本低、體積小、功耗低、集成度高外加元件少、加工容易、數(shù)據(jù)傳輸率高、接口

10、簡單、開發(fā)方便等諸項(xiàng)指標(biāo)將作為我們選擇芯片的重要依據(jù)。1發(fā)射功率：在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較島的產(chǎn)品。但是也應(yīng)該注意，有些產(chǎn)品號稱的發(fā)射功率雖然較高，但是由于其外圍元件多，調(diào)試復(fù)雜，往往實(shí)際的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)稱值。2功耗：大多數(shù)無線射頻芯片是應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品上的，因此功耗也非常霞要，應(yīng)該根據(jù)需要選擇功耗較小的產(chǎn)品3外圍元件數(shù)量：芯片外圍元件的數(shù)量直接決定產(chǎn)品的成本。有些芯片似乎比較便宜，可是外圍元件很多，有的還需外加昂貴的元件，如變客管、聲表面濾波器、鎖相芯片(PLL)等：而且有些芯片收發(fā)天線分開共需兩根天線。4.2 射頻卡的設(shè)計(jì)4.3 其他模塊設(shè)計(jì) 閱讀器

11、的組成如圖2.6所示。閱讀器卡要南基帶模塊、射頻模塊和天線?；鶐K的作用包括：與應(yīng)用系統(tǒng)軟什進(jìn)行通信，執(zhí)行從應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)米的動(dòng)作指令；控制與標(biāo)鋸的通信過程。應(yīng)答器通信：基帶偉號的編碼與解碼、執(zhí)行防碰撞算法、對閱讀器和標(biāo)簽之問傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密、進(jìn)行閱讀器和標(biāo)簽之問的身份驗(yàn)證等。射頻摸軼是為了能夠時(shí)射頻信號進(jìn)行發(fā)射和接收。由兩個(gè)不同的信號通道組成。產(chǎn)生高頻發(fā)射能量激活標(biāo)簽并為其提供能量：對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳輸給標(biāo)簽：接收并解調(diào)來自標(biāo)簽的射頻信號；RF接口是閱讀器設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的一個(gè)部分。絕大多數(shù)的RF接收都使用金埔罩作為絕緣體來保護(hù)免受電磁干擾。閱讀器的天線對閱讀器的識(shí)別范圍

12、和識(shí)別區(qū)域有非常蕈要的決定作用。根據(jù)RFID系統(tǒng)的應(yīng)用場合，RFID閱讀器被設(shè)計(jì)為不同的形式、效率、增益、方向性系數(shù)和輻射方向圈都會(huì)不同。被設(shè)計(jì)為不同的形式RFlD閱讀器。五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1通訊協(xié)議超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)的協(xié)議目前有很多種，主要可以分為兩大協(xié)議制定者：一是Iso(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)，二是EPC GlobalIs!。ISO組織目前針對UHF(超高頻)頻段制定了射頻識(shí)別的協(xié)議lS018000-6協(xié)議；而EPC Global組織基于EPC和物聯(lián)網(wǎng)概念推出了旨在為每件物品賦予惟一標(biāo)識(shí)代碼的電子標(biāo)簽和閱讀器之間的空中接口通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EPC C1G2。該項(xiàng)技術(shù)標(biāo)

13、準(zhǔn)的基本定位是工業(yè)級的全球統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由于EPC和物聯(lián)網(wǎng)概念的拉動(dòng)，以及CIG2標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)地位和作用，該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)引起了人們的普遍關(guān)注。詳細(xì)的技術(shù)及應(yīng)用需求分析表明，EPC CIG2是與ISOt8000-6相近的圉一類標(biāo)準(zhǔn)。因而，將兩者適當(dāng)合并以增強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)及權(quán)威性成為業(yè)內(nèi)的迫切需求。從2005年1月EPC CIG2提請成為SOIEC 18000-6C，到2006年6月I 5日EPC C1G2正式進(jìn)入1SOIEC 18000-6，成為ISOIEC 18000-6C，ISOIEC 18000-6標(biāo)準(zhǔn)也得到了一次全面

14、的更新。5.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)5.3 軟件流程圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中的硬件結(jié)構(gòu)主要可以分為兩部分：基帶模塊和射頻收發(fā)模塊?；鶐K執(zhí)行RFID協(xié)議規(guī)定的操作控制射頻收發(fā)模塊。閱讀器系統(tǒng)硬件功能框圖如圖4.4所示。 基帶模塊出微控制器MSP430及其復(fù)位電路，指示裝置電路、RS-232通信接口電路、電源電路，及輔助電路組成?；鶐K主要負(fù)責(zé)接收用戶命令、對發(fā)送信號進(jìn)行編碼和對接收信號進(jìn)行解碼，并把接收到的標(biāo)簽信息返回給主機(jī)。主控制器通過控制射頻收發(fā)模塊與應(yīng)答器進(jìn)行通信。lTAG(Joint Test ActionGroup即)接口主要用于在線調(diào)試以及設(shè)置主控制器的熔絲位等。通過串行通信R$232接口實(shí)現(xiàn)與

15、PC機(jī)的通信過程。電源電路完成穩(wěn)壓與電壓轉(zhuǎn)換功能，系統(tǒng)提供指示電路用于工作狀態(tài)指示、報(bào)警功能與收發(fā)指示等。射頻收發(fā)模塊完成對基帶信號的調(diào)制發(fā)射和解調(diào)接收功功能。六、總結(jié)從我國物流信息化發(fā)展過程來看，目前，我國物流企業(yè)中，信息技術(shù)應(yīng)用和普及程度相對較低，發(fā)展也十分不平衡。而制約物流信息化水平的瓶頸主要在于終端物流信息的采集。為了提高物流信息化水平，提供一種通用的終端物流數(shù)據(jù)采集設(shè)備是十分必要和緊迫的。915MHz射頻識(shí)別系統(tǒng)有著讀取距離較遠(yuǎn)，閱讀速度較快等優(yōu)點(diǎn)，目前UHF頻段的RFID標(biāo)簽犀遠(yuǎn)可達(dá)近5m的傳輸距離，且每秒最多達(dá)40個(gè)封包的傳送，可大幅提升現(xiàn)階段的應(yīng)用層次UHF頻段RFID技術(shù)是當(dāng)前供應(yīng)鏈管理和智能物流管理所極力推舉的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是目前國際上