無線射頻識別(RFID)技術(shù)-第4章-RFID電子標(biāo)簽

第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5電子標(biāo)簽是指由IC芯片和無線通信天線組成的超微型小標(biāo)簽。標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實際應(yīng)用中，無線標(biāo)簽附著在待識別物體表面。存儲在芯片中的數(shù)據(jù)，由閱讀器以無線電波的形式非接觸的讀取，并通過閱讀器的處理器，進(jìn)行信息解讀并進(jìn)行相關(guān)的管理。第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5因此說，電子標(biāo)簽是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，是目前使用的條形碼的無線版本。電子標(biāo)簽的應(yīng)用給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來了革命性的變化。而且電子標(biāo)簽十分方便于大規(guī)模生產(chǎn)，并能夠做到日常免維護(hù)。第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/51、電子標(biāo)簽的特點2、電子標(biāo)簽的組成3、電子標(biāo)簽的分類4、聲表面波電子標(biāo)簽5、電子標(biāo)簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)移6、電子標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)7、電子標(biāo)簽的發(fā)展趨勢第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體目標(biāo)對象上。電子標(biāo)簽內(nèi)編寫的程序可按具體需要進(jìn)行隨時讀取和改寫。電子標(biāo)簽中的內(nèi)容也可在被改寫的同時可以被永久鎖死、進(jìn)行保護(hù)。通常電子標(biāo)簽的芯片體積很小，厚度一般不超0.35mm，可印制在紙張、塑料、木材、玻璃、紡織品等包裝材料上，也可以直接制作在商品標(biāo)簽上。1、電子標(biāo)簽的特點第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5

電子標(biāo)簽的特點有：（1）具有一定的存儲容量，存儲被識別物品的相關(guān)信息。（2）在一定工作環(huán)境及技術(shù)條件下，能夠?qū)﹄娮訕?biāo)簽的存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和寫入操作。（3）維持對識別物品的識別及相關(guān)信息的完整。（4）具有可編程操作，對于永久性數(shù)據(jù)不能進(jìn)行修改。（5）對于有源標(biāo)簽，通過讀寫器能夠顯示電池的工作狀況。1、電子標(biāo)簽的特點第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5電子標(biāo)簽主要由天線、射頻接口和芯片三部分組成，其內(nèi)部框圖如下圖所示：2、電子標(biāo)簽的組成第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5電子標(biāo)簽內(nèi)部又可細(xì)分為以下幾個小單元：①天線：主要的功能是接收閱讀器傳送過來的電磁信號或者將閱讀器所需要的數(shù)據(jù)傳回給閱讀器，也就是負(fù)責(zé)發(fā)射和接收電磁波。它是電子標(biāo)簽與讀寫器之間聯(lián)系的重要一環(huán)；

2、電子標(biāo)簽的組成第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5②邏輯控制單元：負(fù)責(zé)對讀寫器傳送來的信號進(jìn)行譯碼，并且按照讀寫器的要求回傳數(shù)據(jù)給讀寫器；③調(diào)制解調(diào)單元：由控制單元傳出的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過調(diào)制單元的調(diào)制以后，才能加載到天線上，成為天線可以傳送的射頻信號，再回傳給閱讀器；解調(diào)單元負(fù)責(zé)將經(jīng)過調(diào)制的信號加以解調(diào)，將載波去除，以獲得最初的調(diào)制信號；第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5④電壓調(diào)節(jié)單元：主要用來把從讀寫器接收過來的射頻信號轉(zhuǎn)化為直流電源（DC），并且經(jīng)由其內(nèi)部的儲能裝置（大電容）將能量儲存起來，再通過穩(wěn)壓電路，以確保穩(wěn)定的電源供應(yīng)；⑤存儲單元：主要用于存儲系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或者識別數(shù)據(jù)等。電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過電磁波進(jìn)行通信，與其他通信系統(tǒng)一樣，電子標(biāo)簽可以看做一個特殊的收發(fā)信機(jī)（Transceiver）2、電子標(biāo)簽的組成第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5電子標(biāo)簽芯片是電子標(biāo)簽的一個重要組成部分，它主要負(fù)責(zé)存儲標(biāo)簽內(nèi)部信息，還負(fù)責(zé)對標(biāo)簽接收到的信號以及發(fā)送出去的信號做一些必要的處理。標(biāo)簽芯片可以分為邏輯控制模塊和存儲模塊兩部分。2.1電子標(biāo)簽芯片第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5電子標(biāo)簽芯片內(nèi)部的邏輯控制模塊又可以細(xì)分為PPM譯碼模塊、命令處理模塊、主狀態(tài)機(jī)、編碼模塊、防碰撞控制、通用寄存器、EEPROM接口等部分。其主要職責(zé)是對模擬解調(diào)后的數(shù)據(jù)做一些必要的處理，并且負(fù)責(zé)與EEPROM及與讀寫器的通信。2.1電子標(biāo)簽芯片第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5天線可以將導(dǎo)行波轉(zhuǎn)換為自由空間波，也可以把自由空間波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)行波。天線的周圍是一個三維空間，這三維分別是波束范圍、立體弧度和立體角。由無線發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號，首先經(jīng)由饋線傳送給天線，天線接收完畢以后，再經(jīng)由饋線傳送給無線接收機(jī)。由此可以看出，在傳送信號的過程中，天線是必不可少的。而在RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽的天線必須滿足以下的一些性能要求。2.2電子標(biāo)簽天線第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5①體積要足夠小，因為天線還要嵌入到體積很小的電子標(biāo)簽中；②要具有全向性，或者覆蓋半球的方向性；③要能夠為電子標(biāo)簽當(dāng)中的芯片供給能量，并保證芯片獲得的信號最大化；④要保證不管標(biāo)簽的位置在哪里，天線都能夠正常的與閱讀器進(jìn)行通信；⑤要具有魯棒性。⑥考慮到電子標(biāo)簽的價格，天線的價格也不應(yīng)過高。2.2電子標(biāo)簽天線第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5因此，在選擇天線的時候，必須考慮如下因素：（1）天線的類型。（2）天線的阻抗。（3）在應(yīng)用到電子標(biāo)簽上時的射頻性能。（4）在有其他的物品圍繞標(biāo)簽物品時的射頻性能。2.2電子標(biāo)簽天線第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5在實際應(yīng)用中，標(biāo)簽的使用方式有兩種，一種是標(biāo)簽移動，通過固定的閱讀器進(jìn)行識別；一種是標(biāo)簽不動，通過手持機(jī)等移動的閱讀器來進(jìn)行識別。在一個電子標(biāo)簽中，標(biāo)簽面積主要是由天線面積決定的。然而天線的物理尺寸受到工作頻率電磁波波長的限制，如超高頻（900MHz）的電磁波波長為30cm，因此應(yīng)該在設(shè)計時考慮到天線的尺寸，一般設(shè)計為5~10cm的小天線。第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5此外，考慮到天線的阻抗問題、輻射模式、局部結(jié)構(gòu)、作用距離等因素的影響，為了以最大功率進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，天線后的芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗相匹配。因此在電子標(biāo)簽中應(yīng)該使用方向性天線，而不是全向天線，方向性天線具有更少的輻射模式和更少的返回?fù)p耗干擾。2.2電子標(biāo)簽天線第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5RFID電子標(biāo)簽主要有線圈型、微帶貼片型和偶極子型三種。工作距離小于1m的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線，工作在中、低頻段。工作在1m以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子的RFID天線，工作在高頻及微波頻段。第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5（1）線圈型某些應(yīng)用要求RFID的線圈天線外形很小，且需要一定的工作距離，如動物識別。為了增大RFID與讀寫器之間的天線線圈互感量，通常在天線線圈內(nèi)部插入具有高磁導(dǎo)率μ的鐵氧體材料，來補償線圈橫截面小的問題。（2）微帶貼片天線微帶貼片天線是由貼在帶有金屬底板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體構(gòu)成的。微帶貼片天線質(zhì)量輕，體積小，剖面薄，其饋線方式和極化制式的多樣化及饋電網(wǎng)絡(luò)、有源電路集成一體化等特點成為了印刷天線的主流。微帶貼片天線適用于通信方向變化不大的RFID應(yīng)用系統(tǒng)中。2.2電子標(biāo)簽天線第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5（3）偶極子天線在遠(yuǎn)距離耦合的RFID系統(tǒng)中，最常用的為偶極子天線。信號從偶極子天線中間的兩個端點饋入，在偶極子的兩臂上產(chǎn)生一定的電流分布，從而在天線周圍空間激發(fā)起電磁場。偶極子天線分為四種類型，分別為半波偶極子天線、雙線折疊偶極子天線、三線折疊偶極子天線和雙偶極子天線。2.2電子標(biāo)簽天線第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5射頻識別系統(tǒng)可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域和場合，不同的應(yīng)用場合對RFID系統(tǒng)中電子標(biāo)簽的要求也不盡相同。為了滿足這些多種多樣的需求，電子標(biāo)簽的種類也多種多樣。①按照標(biāo)簽獲取能量的方式分類②按照標(biāo)簽的工作頻率分類③按照數(shù)據(jù)調(diào)制方式分類④按照存儲器類型分類⑤按照標(biāo)簽作用距離分類⑥按照標(biāo)簽封裝材質(zhì)分類3、電子標(biāo)簽的分類第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5①按照標(biāo)簽獲取能量的方式分類可以分為有源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽。有源標(biāo)簽的內(nèi)部自帶電源，標(biāo)簽工作時所需的能量全部來自于這個自帶電源。只要標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的有效工作范圍內(nèi)，標(biāo)簽就可以主動發(fā)送信號。有源標(biāo)簽由于其自帶電源不需要閱讀器為其提供能量，所以有源標(biāo)簽的工作距離較遠(yuǎn)，應(yīng)用較靈活。但是由于其內(nèi)部電源的壽命有限，需要定期更換電源，因此它的使用壽命也較短。而且體積大，成本也高，這些缺點也限制了有源標(biāo)簽的使用。3、電子標(biāo)簽的分類第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5①按照標(biāo)簽獲取能量的方式分類半有源標(biāo)簽的內(nèi)部也自帶電源，但是該電源并不提供標(biāo)簽工作時所需的全部能量，它僅用來維持標(biāo)簽內(nèi)部的電路工作，并不提供傳送電磁信號所需的能量。無源標(biāo)簽，顧名思義，就是內(nèi)部不帶電源的標(biāo)簽，無源標(biāo)簽工作時所需的能量全部來自于閱讀器傳送過來的射頻信號，其內(nèi)部電路將該信號轉(zhuǎn)化為直流電源為其工作提供能量。因為這一點，所以無源標(biāo)簽的工作距離較短。但是它的使用壽命相對要長很多，而且也比較便宜，體積也比較小。目前無源標(biāo)簽是使用最為廣泛的一類標(biāo)簽。3、電子標(biāo)簽的分類第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5②按照標(biāo)簽的工作頻率分類可以分為低頻、高頻、超高頻和微波標(biāo)簽。低頻標(biāo)簽的工作頻段很低（135kHz以下），它的工作方式是電感耦合式，主要運用在交通工具防盜、畜牧業(yè)管理等領(lǐng)域；典型的高頻標(biāo)簽工作頻率為13.56MHz，它的工作方式也是電感耦合式，主要運用在圖書館、IC卡等領(lǐng)域；超高頻和微波標(biāo)簽的工作頻率都很高，分別為860-960MHz左右和2.4GHz以上，它們的工作方式多為電磁反向散射式，主要運用在道路自動收費系統(tǒng)等領(lǐng)域。3、電子標(biāo)簽的分類第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5③按照數(shù)據(jù)調(diào)制方式分類可以分為主動式、半主動式和被動式三種。主動式標(biāo)簽的內(nèi)部帶有電源，也就是有源標(biāo)簽，可以主動向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，應(yīng)用場合主要是那些對傳輸距離要求比較高的場合中；半主動式標(biāo)簽的內(nèi)部也帶有電源，但必須經(jīng)過閱讀器的激活才能向閱讀器傳送數(shù)據(jù)，也就是說不能主動傳輸數(shù)據(jù)；被動式標(biāo)簽主要采用散射調(diào)制方式傳輸數(shù)據(jù)，它的信號必須經(jīng)過調(diào)制以后才能進(jìn)行傳輸，一般應(yīng)用于對傳輸距離要求不太高的場合。3、電子標(biāo)簽的分類第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5④按照存儲器類型分類可以分為只讀標(biāo)簽、一次寫入多次讀取標(biāo)簽和可讀寫標(biāo)簽。只讀標(biāo)簽（RO）內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息出廠時就被寫入，而且以后都不能改變，內(nèi)部構(gòu)造簡單，儲存信息量也很少，價格便宜；一次寫入多次讀取標(biāo)簽在出廠后可以被寫入數(shù)據(jù)，一旦寫入以后也不能改變，內(nèi)部存儲器一般為PROM和PAL；可讀寫標(biāo)簽內(nèi)部存儲器的容量比上述兩種標(biāo)簽的都要大，其內(nèi)部的信息可以被讀出，也可以被隨意更改，該類標(biāo)簽的成本最高。3、電子標(biāo)簽的分類第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5⑤按照標(biāo)簽作用距離分類可以分為密耦合、近耦合、疏耦合和遠(yuǎn)耦合四類。其作用距離分別為：小于1厘米、10厘米左右、1米左右和5-10米或10米以上。⑥按照標(biāo)簽封裝材質(zhì)分類可以分為紙標(biāo)簽、塑料標(biāo)簽和玻璃標(biāo)簽。紙標(biāo)簽：一般都具有自粘功能，用來粘貼在待識別物體上。這種標(biāo)簽價格低，一般由面層、芯片線路層、膠層、底層組成。3、電子標(biāo)簽的分類第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5塑料標(biāo)簽：采用特定的工藝將芯片和天線用特定的塑料基材封裝成不同的標(biāo)簽形式，如鑰匙牌、手表形標(biāo)簽、狗牌、信用卡等形式。常用的塑料基材有PVC和PSP，標(biāo)簽結(jié)構(gòu)包括面層、芯片層和底層。玻璃標(biāo)簽：應(yīng)用于動物識別與跟蹤，將芯片、天線采用一種特殊的固定物質(zhì)植入一定大小的玻璃容器中，封裝成玻璃標(biāo)簽。3、電子標(biāo)簽的分類第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5聲表面波（SurfaceAcousticWave,SAW）是傳播于晶體表面的一種機(jī)械波，其聲速僅為電磁波速的十萬分之一，傳播衰耗很小。聲表面波器件的功能部分，是采用現(xiàn)代微電子技術(shù)在表面拋光的壓電材料基片上制作的叉指換能器、反射體和耦合柵等金屬電極結(jié)構(gòu)，基于（逆）壓電效應(yīng)，射頻信號在經(jīng)歷電磁波---聲表面波---電磁波的換能過程中得到處理，達(dá)到預(yù)定功能要求。以高頻諧振器、帶通濾波器為代表的現(xiàn)代聲表面波器件，具有體積小、重量輕、可靠性高、一致性好、功能多及設(shè)計靈活等優(yōu)點，已成為了先進(jìn)廣泛使用的電子關(guān)鍵元器件。4、聲表面波電子標(biāo)簽第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5SAW標(biāo)簽由叉指換能器和若干反射器組成，如下圖所示。4、聲表面波電子標(biāo)簽第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5由于聲表面波器件工作在射頻波段，無源而且抗電磁干擾能力較強(qiáng)，因此該類電子標(biāo)簽具有一定的獨特優(yōu)勢。SAW標(biāo)簽應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括物流管理、路橋收費、門禁控制、超市防盜、航空行李分揀、體育競賽等。同時也適用于壓力、應(yīng)力、扭曲、加速度等變化參數(shù)的測量，如鐵路紅外軸溫探測系統(tǒng)的熱軸定位、汽車輪胎壓力等。其主要優(yōu)點如下：（1）讀取范圍大且可靠，識別距離遠(yuǎn)。（2）可使用在金屬和液體產(chǎn)品上。（3）標(biāo)簽芯片與天線匹配簡單，制作工藝成本低。（4）不僅能識別靜止物體，而且能識別高速運動物體。（5）可在高溫差、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。4、聲表面波電子標(biāo)簽第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/55、電子標(biāo)簽的狀態(tài)轉(zhuǎn)移第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5RFID電子標(biāo)簽附著在待識別物體上，在RFID系統(tǒng)中，它是一個損耗器件。目前在各個廠商生產(chǎn)的RFID系統(tǒng)中，除了個別廠商以外，大部分的RFID系統(tǒng)都互不兼容。對于較大的應(yīng)用系統(tǒng)來說，標(biāo)簽的成本決定著整個系統(tǒng)的成本。電子標(biāo)簽由標(biāo)簽天線、接口和芯片等采用特殊的工藝制造而成。按照電子標(biāo)簽的技術(shù)特征，針對標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)有：能量需求、讀寫速度、封裝形式、內(nèi)存、工作頻率、傳輸速率和數(shù)據(jù)的安全性等。6、電子標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5①能量需求標(biāo)簽的能量需求是指激活標(biāo)簽電路工作所需要的能量大小。在一定距離內(nèi)，激活能量太小就無法使標(biāo)簽正常工作。②傳輸速率標(biāo)簽的傳輸速率指的是標(biāo)簽向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸速率及接收來自閱讀器的寫入數(shù)據(jù)命令的速率。③讀寫速度標(biāo)簽的讀寫速度由標(biāo)簽被讀寫器識別和寫入的時間決定，一般為毫秒級，因此攜帶UHF標(biāo)簽的物體運動速度可以達(dá)到100米每秒，即可以達(dá)到360千米每小時的速度。6、電子標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5④工作頻率標(biāo)簽的工作頻率是指標(biāo)簽工作時采用的頻率，即低頻、中頻、高頻、超高頻或微波等。⑤容量標(biāo)簽的容量指的是射頻標(biāo)簽攜帶的可供寫入數(shù)據(jù)的內(nèi)存量，一般可以達(dá)到1KB（1024Byte）的數(shù)據(jù)量。