RFID 知识的学习

* 部分资料来自我们博士的PPT,部分来自网络和他人的论文。

* 我们使用的教材是清华大学出版社出版的《智能卡技术(第四版)——IC卡、RFID标签与物联网(清华大学计算机系列教材)》(王爱英 主编)

* 我仅仅整理了下边的内容

 

射频识别技术


射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术是一种非接触自动识别技术,利用射频信号通过空间耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的传输特性,实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。射频识别技术在国内最广泛的应用是射频识别卡。

扩展 常见的自动识别方法和技术包括:光学符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、IC卡技术、条形码技术和RFID射频技术等。

RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别。
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智能卡(IC卡)


智能卡("Smart Card"),也称作集成电路卡(Integrated Circuit card,即 IC 卡)。它一般指将集成电路芯片嵌装于塑料等基片上制成的卡片,外形与磁卡相似,芯片具有存储、加密及数据处理等功能。现在,IC 卡产品已经进入到金融、电信、交通、医疗、身份证明等各种领域 。

根据读写方法的不同,IC 卡可以分为接触式 IC 卡和非接触式 IC 卡。两种卡的集成电路均密封在塑料卡基片内部,可防水,防尘,防磁。接触式 IC 卡的表面可以看到一个方型镀金接口,共有八个或六个镀金触点,用于与读写器接触,通过电流信号完成读写。非接触式 IC 卡的卡内除了包含 IC 卡电路,还含有相关射频收发电路及天线线圈。IC 卡在一定距离内即可接收读写器的信号,实现非接触读写。

 

射频识别卡


射频识别卡(简称射频卡、RFID 卡), 也被称作非接触式 IC 卡(Contactless Smart Card)或非接触 IC 卡、非接触卡、感应卡。可广泛应用于物流、个人身份识别、智能停车场、门禁系统、防伪系统及生产过程控制等多种无线射频识别系统。

 

RFID 卡的优点

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RFID 卡的应用

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RFID系统


RFID系统由五个组件构成,包括:传送器、接收器、微处理器、天线、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起,又统称为阅读器,所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器(Reader)天线(Antenna)标签(Tag)三大组件。

 

  • 阅读器:读取或读/写电子标签信息的设备,主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接收标签的应答,对标签的对象标识信息进行解码,将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。
  • 天线:标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。
  • 电子标签(或称射频标签、应答器):由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据,作为待识别物品的标识性信息,是射频识别系统真正的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。

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工作原理

电子标签进入天线磁场后,如果接收到阅读器发出的特殊射频信号,就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签),或者主动发送某一频率的信号(有源标签),阅读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理 。

 

工作流程

1. 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号

2. 当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流,射频卡获得能量被激活

3. 射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去

4. 系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号,经天线调节器传送到阅读器,阅读器对接收的信号进行解调和解码,然后送到后台主系统进行相关处理;

5. 主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,针对不同的设定作出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作

 

射频信号的耦合


阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种:
(Ⅰ) 电感耦合。变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,依据的是电磁感应定律。
(Ⅱ) 电磁反向散射耦合。雷达原理模型,发射出去的电磁波,碰到目标后反射,同时携带回目标信息,依据的是电磁波的空间传播规律。

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电感耦合

电磁反向散射耦合

模型

变压器模型

雷达原理模型

原理

电磁感应定律

电磁波的空间传播规律

典型工作距离

10~20cm

3~10m

典型工作频率

125kHz, 225kHz, 13.56MHz

433MHz, 915MHz, 2.45GHz, 5.8GHz

标签

具有环形天线的典型低频、高频标签

具有双极天线的超高频和微波标签

针对上述两种耦合方式而采用的两种调制方式为负载调制和反向散射调制。

 

RFID频率


RFID频率是RFID系统的一个很重要的参数指标,它决定了工作原理、通信距离、设备成本、天线形状和应用领域等因素。RFID典型的工作频率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作频率的不同,RFID系统集中在低频高频超高频三个区域。

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频率越高,传播距离越远,但是绕射或穿透能力较弱。

 

双频标签与双频系统

利用高频和低频的各自长处设计识别距离较远和穿透能力较强的双频产品,可用于动物识别、导体材料干扰和潮湿的环境。

双频RFID系统主要应用于距离要求较远、多卡识别和高速识别的场合,如:供应链管理、人员流动跟踪、动物跟踪与识别、采矿作业和地下路网管理及运动计时等。

 

我国RFID的频段规划

UHF频段的RFID技术具有电波传播性好、标签尺寸适中等特点,适合长距离识别和大规模应用,因此一直是业界关注的热点。

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各国在这一频段的频率规划及使用情况各不相同(欧洲使用的超高频是 865~868MHz,美国是 902~928MHz,日本是 952MHz~954MHz),但都集中在 860~960MHz 范围内。

我国UHF频段试行使用频率为 840~845MHz 和 920~925MHz

 

射频识别系统的分类


射频识别系统中标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中的一个重要指标。根据作用距离,标签天线和读写器之间的耦合可以分为三类:密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。

(1) 密耦合系统

密耦合系统的典型作用距离范围是 0~1cm。密耦合系统的标签与阅读器之间是电感耦合。其工作频率一般在 30MHz 以下。

(2) 遥耦合系统

遥耦合系统的典型作用距离可以达到 1m。遥耦合系统又可以细分为近耦合系统和疏耦合系统,前者的典型作用距离为 15cm,后者为 1m。所有遥耦合系统在阅读器和标签之间都是电感耦合。遥耦合系统的典型工作频率为 13.56MHz,也有其他频率,如 6.75MHz,27.125MHz 或者 135kHz 以下。

下一篇博文的实验就是一个近耦合系统,我粗略测量发现通信距离是4cm左右,工作频率是13.56MHz

(3) 远距离系统

远距离系统的典型作用距离是 1~10m,个别系统也有更远的作用距离。所有的远距离系统的阅读器和标签之间都是电磁反向散射耦合。远距离系统都是在微波范围内用电磁波工作的,发送频率通常为 2.45GHz,也有系统使用的频 率为 5.8GHz 和24.125GHz。

 

其他相关技术


  • 能量传送

阅读器和 RFID 卡之间能量的传递基于耦合变压器原理。

  • 数据传送

  1. 信号调制
  2. 数据编码

负载调谐,用数据信号来对卡里的负载进行数字调节。

常用的数字调制技术有 振幅键控 (Amplitude Shift Keying,ASK) 、频移键控 (Frequency Shift Keying,FSK)和相移键控(Phase Shift Keying,PSK)。ASK 和 PSK 更为常用。

 

数据编码,一方面便于数据传输,另一方面可以对传输的数据进行加密。

射频识别系统通常使用的编码方法有:NRZ 编码(Non-Return-to-Zero)、曼彻斯特编码(Manchester)、单极性归零制编码、米勒编码(Miller)、修正的米勒编码、差动双向编码、差动编码。

  • 数据完整性

  1. 校验
  2. 多路存取

在射频识别的通信过程中最常用的校验方法是奇偶校验、循环冗余校验(CRC)还有纵向冗余校验。

 

射频识别系统工作时,有两种最基本的通信:从阅读器到标签的通信和从标签到阅读器的通信。

无线电通信系统中多路存取方法基本上有以下几种:空分多路法(SCDMA)、时分多路法(TDMA)、频分多路法(FDMA)、码分多路法(CDMA)。在射频识别系统中,一般采用的是TDMA

 

防冲突算法,基于帧的分时隙的ALOHA协议,Q协议、随机二进制树协议和查询二叉树协议。

  • 数据安全性

  1. 相互对称的鉴别
  2. 加密的数据传输

技术的具体细节可以到文末下载我们博士的PPT,结合课本认真学习。

 

近耦合IC卡——Mifare 1


目前市场上应用较多的是载波频率为 13.56MHz,工作距离在 2.5~10cm 的近耦合IC卡,其国际标准为ISO/IEC 14443。

Philips 是世界上最早研制 RFID 卡的公司,其 Mifare 技术已经被制定为 IS0/IEC 14443 TYPE A 国际标准。

 

Mifare 1 卡的特性

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Mifare 1 芯片逻辑结构

Mifare 1芯片内部结构较为复杂,可分为射频接口、数字处理单元、EEPROM三部分:

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  1. 射频接口:在 RF 射频接口电路中,包括有波形转换模块。它可接收读写器上的 13.56MHZ 的无线电调制频率,一方面送调制/解调模块,另一方面进行波形转换,然后对其整流滤波,接着对电压进行稳压等进一步的处理,最终输出供给卡片上的电路工作。
  2. 防冲突模块:如果有多张Mifare 1卡片处在读写器的天线的工作范围之内时,防冲突模块的防冲突功能将被启动工作:根据卡片的序列号来选定一张卡片。被选中的卡片将直接与读写器进行数据交换,未被选择的卡片处于等待状态,准备与读写器进行通信。
  3. 认证模块:在选中一张卡片后,任何对卡片上存储区的操作都必须要经过认证过程,只有经过密码校验才可对数据块进行访问。Mifare 1 卡片上有 16 个扇区,每个扇区都可分别设置各自的密码,互不干涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合。整个卡片可以设计成“一卡通”形式来应用。
  4. 控制和算术运算单元:这一单元是整个卡片的控制中心,是卡片的“大脑”。它主要对整个卡片的各个单位进行微操作控制,协调卡片的各个步骤;同时还对各种收/发的数据进行算术运算处理、CRC 运算处理等等。
  5. EEPROM 接口:连接到 EEPROM。
  6. 加密单元:Mifare 的 CRYPTO1 数据流加密算法将保证卡片与读写器通信时的数据安全。
  7. EEPROM:1K 字节,分 16 个扇区。每扇区 4个块,每块 16 字节。

 

存储器的组织结构和读写控制

下面就不写了,这一节的PPT我也没有,不够我们博士倒是有的,这方面的知识也是很重要的。

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The End


下篇博文呢我会写基于 Arduino 的简单的 RFID 实验,也是完成我们博士的实验报告的依据。

最后附上跟本文相关的一些资料:

MF_RC522中文资料.pdf
MF1_S50.pdf
MF1_S50简介(中文).pdf
RC500_射频识别卡读写模块的设计与应用.pdf
第七章-射频识别技术基础(IC卡和RFID标签)1——20151027.ppt
第七章-射频识别技术基础(IC卡和RFID标签)2——20151027.ppt

 

posted @ 2015-12-06 17:10 luoxu34 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏