《電磁波與天線仿真與實(shí)踐》課件-電波與天線知識(shí)點(diǎn)21 天線在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

天線在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)概述物聯(lián)網(wǎng)(Internetofthings)定義：通過(guò)射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感器設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，使用LAN，GPRS，Wi－Fi，Bluetooth，Zigbee，UWB等進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）曾描繪“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的情形：司機(jī)出現(xiàn)操作失誤時(shí)汽車(chē)會(huì)自動(dòng)報(bào)警；公文包會(huì)提醒主人忘帶了什么東西；衣服會(huì)“告訴”洗衣機(jī)對(duì)顏色和水溫的要求;……物聯(lián)網(wǎng)定義的理解技術(shù)理解物聯(lián)網(wǎng)是指物體的信息通過(guò)智能感應(yīng)裝置，經(jīng)過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)指定的信息處理中心，最終實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的自動(dòng)化信息交互與處理的智能網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用理解物聯(lián)網(wǎng)是指把世界上所有的物體都聯(lián)接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，形成“物聯(lián)網(wǎng)”，然后“物聯(lián)網(wǎng)”又與現(xiàn)有的“互聯(lián)網(wǎng)”結(jié)合,實(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合，達(dá)到更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式去管理生產(chǎn)和生活。通俗理解將RFID（無(wú)線射頻識(shí)別）和WSN（無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)）結(jié)合為用戶(hù)提供生產(chǎn)生活的監(jiān)控、指揮調(diào)度、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和測(cè)量、遠(yuǎn)程診斷等方面的服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)中的天線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)之一即為通信技術(shù)，而且主要集中在無(wú)線通信。目前得到廣泛應(yīng)用的無(wú)線通信設(shè)備，諸如手機(jī)、射頻識(shí)別RFID、藍(lán)牙Bluetooth、無(wú)線局域網(wǎng)WLAN網(wǎng)卡以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS等產(chǎn)品均為物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成部分，這些產(chǎn)品都需要使用天線來(lái)發(fā)射和接收無(wú)線電信號(hào)。物聯(lián)網(wǎng)中的天線移動(dòng)通信天線物聯(lián)網(wǎng)中的天線移動(dòng)通信天線物聯(lián)網(wǎng)中的天線Radiofrequencyidentification(RFID)技術(shù)是一種利用射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它包括電子標(biāo)簽(tag)和讀寫(xiě)器(reader)2個(gè)主要部分RFID天線電子標(biāo)簽天線簡(jiǎn)介作為射頻電子標(biāo)簽的天線必須滿(mǎn)足一下的性能要求：（1）足夠小以至于能夠嵌入制造到本身就很小的電子標(biāo)簽上。（2）有全向或半球覆蓋的方向性。（3）提供最大可能的信號(hào)給標(biāo)簽的芯片，并給標(biāo)簽提供能量。（4）無(wú)論標(biāo)簽處于什么方向，天線的極化都能與閱讀器的詢(xún)問(wèn)信號(hào)相匹配。（5）具有魯棒性。（6）作為損耗件的一部分，天線的價(jià)格必須非常便宜。因此，在選擇天線的時(shí)候，必須考慮如下因素：（1）天線的類(lèi)型。（2）天線的阻抗。（3）在應(yīng)用到電子標(biāo)簽上時(shí)的射頻性能。（4）在有其他的物品圍繞標(biāo)簽物品時(shí)的射頻性能。在實(shí)際應(yīng)用中，標(biāo)簽的使用方式有兩種，一種是標(biāo)簽移動(dòng)，通過(guò)固定的閱讀器進(jìn)行識(shí)別；一種是標(biāo)簽不動(dòng)，通過(guò)手持機(jī)等移動(dòng)的閱讀器來(lái)進(jìn)行識(shí)別。在一個(gè)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(zhǎng)的限制，如超高頻（900MHz）的電磁波波長(zhǎng)為30cm，因此應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到天線的尺寸，一般設(shè)計(jì)為5~10cm的小天線。此外，考慮到天線的阻抗問(wèn)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。電子標(biāo)簽天線的分類(lèi)

RFID電子標(biāo)簽主要有線圈型、微波RFID天線等。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(jiǎn)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。

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(dòng)物識(shí)別。為了增大RFID與讀寫(xiě)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(lái)補(bǔ)償線圈橫截面小的問(wèn)題。

2微波RFID天線微波RFID天線中常見(jiàn)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(diǎn)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。線圈型

微波RFID天線的結(jié)構(gòu)、圖片圖6.5給出了幾種實(shí)際RFID微波天線的圖片，由這些圖片可以看出各種微波RFID天線的結(jié)構(gòu)以及與天線相連的芯片。微波RFID天線主要采用偶極子天線、微帶天線等遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)中，常用偶極子天線。信號(hào)從偶極子天線中間的兩個(gè)端點(diǎn)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?chē)臻g激發(fā)起電磁場(chǎng)。RFID系統(tǒng)中，實(shí)際使用的偶極子天線多為印刷偶極子天線的變形。物聯(lián)網(wǎng)常用讀寫(xiě)器天線在無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)中，閱讀器是主要的組成部分之一。它在射頻識(shí)別系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用。在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作過(guò)程中，通常由閱讀器在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)送射頻能量形成電磁場(chǎng)。電子標(biāo)簽通過(guò)這一區(qū)域時(shí)被觸發(fā)，發(fā)送存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，或根據(jù)閱讀器的指令來(lái)改寫(xiě)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。根據(jù)天線和閱讀器模塊是否分離，可以分為分離式閱讀器和集成式閱讀器。常見(jiàn)的分離式閱讀器有固定式閱讀器，而典型的集成式閱讀器有手持閱讀器。手持式電子標(biāo)簽閱讀器功能簡(jiǎn)介：

可讀寫(xiě)和識(shí)別EPCClass1被動(dòng)式電子標(biāo)簽；

是一款基于EPC_Class1標(biāo)準(zhǔn)的UFH波段手持式電子標(biāo)簽閱讀器;產(chǎn)品集成了ARM9硬件環(huán)境，Win_CE.net操作系統(tǒng)和UFH波段電子標(biāo)簽識(shí)別模塊;同時(shí)可以支持移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，WiFi無(wú)線局域網(wǎng)，GPRS等多種應(yīng)用需求，是一款資源豐富，功能完善的電子標(biāo)簽移動(dòng)識(shí)別產(chǎn)品。

UHF固定式閱讀器技術(shù)指標(biāo)

工作頻率：902～928MHz

通信接口：串行接口RS232/RS485Wiegand26/34口。

工作模式：讀/寫(xiě)雙工

讀寫(xiě)速率：?jiǎn)螐埿∮?0ms

電源要求100～240VAC（自適應(yīng)）

工作距離:讀取距離可調(diào)

讀取距離大于8m，寫(xiě)操作距離大于5m產(chǎn)品特點(diǎn)

RF功率可調(diào)（0~+31.5dbm）

單天線輸出口

多標(biāo)簽讀寫(xiě)功能，最多每秒可讀寫(xiě)30張

具備超強(qiáng)的抗干擾能力

能夠兼容多家公司標(biāo)簽協(xié)議：SCS、ISO-18000-6等主要應(yīng)用

廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸車(chē)輛的自動(dòng)化管理、工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)管理、公路自動(dòng)識(shí)別收費(fèi)、商品防偽監(jiān)控系統(tǒng)、倉(cāng)儲(chǔ)/物流的自動(dòng)化識(shí)別管理、人員/車(chē)輛門(mén)禁保安管理、電子防偽及自動(dòng)識(shí)別門(mén)票管理、養(yǎng)殖業(yè)的動(dòng)物自動(dòng)跟蹤識(shí)別管理等。

讀寫(xiě)器天線有很多種形式和結(jié)構(gòu)，如平板天線、環(huán)形天線、螺旋天線等。在電感耦合RFID系統(tǒng)中主要使用環(huán)形天線。環(huán)形天線主要用于中、低頻射頻識(shí)別系統(tǒng)中，用來(lái)實(shí)現(xiàn)能量和數(shù)據(jù)的電磁耦合。讀寫(xiě)器天線讀寫(xiě)器天線在電磁散射RFID系統(tǒng)中常使用微帶天線。主要用于超高頻、微波頻段射頻識(shí)別系統(tǒng)中讀寫(xiě)器天線讀寫(xiě)器天線1：天線結(jié)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能需求以及不同設(shè)備制造商的生產(chǎn)習(xí)慣，閱讀器有不同的結(jié)構(gòu)與外觀形式。物聯(lián)網(wǎng)中的天線GPS天線就是通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行定位或者導(dǎo)航。而接收信號(hào)就必須用到天線。常用GPS衛(wèi)星信號(hào)有L1波段1.57542GHz、L2波段1.22760GHz、L3波段1.38105GHz和L4波段1.84140GHz等，其中L1為開(kāi)放的民用信號(hào)，信號(hào)為圓極化。GPS信號(hào)強(qiáng)度比較弱，這決定了要為GPS信號(hào)準(zhǔn)備專(zhuān)門(mén)的接收天線。大部分GPS天線為陶瓷介質(zhì)的右旋極化微帶天線，如圖。GPS天線物聯(lián)網(wǎng)中的天線無(wú)線局域網(wǎng)(WirelessLocalAreaNetwork，簡(jiǎn)稱(chēng)WLAN)由無(wú)線網(wǎng)卡和無(wú)線接入點(diǎn)(AccessPoint，AP)構(gòu)成。簡(jiǎn)單地說(shuō)WLAN就是指不需要網(wǎng)線就可以通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的局域網(wǎng)，只要通過(guò)安裝無(wú)線路由器或無(wú)線AP，在終端安裝無(wú)線網(wǎng)卡就可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接。無(wú)線局域網(wǎng)中天線類(lèi)型有很多，例如：鞭狀的單極天線、微帶天線等。無(wú)線局域網(wǎng)天線物聯(lián)網(wǎng)中的天線藍(lán)牙技術(shù)中常用一種特別小型化的陶瓷天線。該陶瓷天線的種類(lèi)可分為塊狀陶瓷天線與多層陶瓷天線，前者是使用高溫將整塊陶瓷體一次燒結(jié)完成后再將天線的金屬部份印在陶瓷塊的表面上；后者則采用低溫共燒（LTTC）的方式將多層陶瓷迭壓對(duì)位后再低溫?zé)Y(jié)，所以天線的金屬導(dǎo)體可以依設(shè)計(jì)需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上，故可有效縮