無(wú)線射頻識(shí)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(wú)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(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線標(biāo)簽附著在待識(shí)別物體表面。存儲(chǔ)在芯片中的數(shù)據(jù)，由閱讀器以無(wú)線電波的形式非接觸的讀取，并通過(guò)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(shuō)，電子標(biāo)簽是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，是目前使用的條形碼的無(wú)線版本。電子標(biāo)簽的應(yīng)用給零售、物流等產(chǎn)業(yè)帶來(lái)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(diǎn)2、電子標(biāo)簽的組成3、電子標(biāo)簽的分類(lèi)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(shì)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(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體目標(biāo)對(duì)象上。電子標(biāo)簽內(nèi)編寫(xiě)的程序可按具體需要進(jìn)行隨時(shí)讀取和改寫(xiě)。電子標(biāo)簽中的內(nèi)容也可在被改寫(xiě)的同時(shí)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(diǎn)第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5

電子標(biāo)簽的特點(diǎn)有：（1）具有一定的存儲(chǔ)容量，存儲(chǔ)被識(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作。（3）維持對(duì)識(shí)別物品的識(shí)別及相關(guān)信息的完整。（4）具有可編程操作，對(duì)于永久性數(shù)據(jù)不能進(jìn)行修改。（5）對(duì)于有源標(biāo)簽，通過(guò)讀寫(xiě)器能夠顯示電池的工作狀況。1、電子標(biāo)簽的特點(diǎn)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(gè)小單元：①天線：主要的功能是接收閱讀器傳送過(guò)來(lái)的電磁信號(hào)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(xiě)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(duì)讀寫(xiě)器傳送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行譯碼，并且按照讀寫(xiě)器的要求回傳數(shù)據(jù)給讀寫(xiě)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(guò)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(hào)，再回傳給閱讀器；解調(diào)單元負(fù)責(zé)將經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)加以解調(diào)，將載波去除，以獲得最初的調(diào)制信號(hào)；第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5④電壓調(diào)節(jié)單元：主要用來(lái)把從讀寫(xiě)器接收過(guò)來(lái)的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流電源（DC），并且經(jīng)由其內(nèi)部的儲(chǔ)能裝置（大電容）將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，再通過(guò)穩(wěn)壓電路，以確保穩(wěn)定的電源供應(yīng)；⑤存儲(chǔ)單元：主要用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)或者識(shí)別數(shù)據(jù)等。電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間通過(guò)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(gè)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(gè)重要組成部分，它主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)標(biāo)簽內(nèi)部信息，還負(fù)責(zé)對(duì)標(biāo)簽接收到的信號(hào)以及發(fā)送出去的信號(hào)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(chǔ)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(duì)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(xiě)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?chē)且粋€(gè)三維空間，這三維分別是波束范圍、立體弧度和立體角。由無(wú)線發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)，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(wú)線接收機(jī)。由此可以看出，在傳送信號(hào)的過(guò)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?yàn)樘炀€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?yàn)殡娮訕?biāo)簽當(dāng)中的芯片供給能量，并保證芯片獲得的信號(hào)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(jià)格，天線的價(jià)格也不應(yīng)過(guò)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(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。2.2電子標(biāo)簽天線第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5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。第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5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。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(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。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(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(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。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(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)。偶極子天線分為四種類(lèi)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(shí)別系統(tǒng)可以應(yīng)用于不同的領(lǐng)域和場(chǎng)合，不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)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(lèi)也多種多樣。①按照標(biāo)簽獲取能量的方式分類(lèi)②按照標(biāo)簽的工作頻率分類(lèi)③按照數(shù)據(jù)調(diào)制方式分類(lèi)④按照存儲(chǔ)器類(lèi)型分類(lèi)⑤按照標(biāo)簽作用距離分類(lèi)⑥按照標(biāo)簽封裝材質(zhì)分類(lèi)3、電子標(biāo)簽的分類(lèi)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(lèi)可以分為有源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽。有源標(biāo)簽的內(nèi)部自帶電源，標(biāo)簽工作時(shí)所需的能量全部來(lái)自于這個(gè)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(dòng)發(fā)送信號(hào)。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(diǎn)也限制了有源標(biāo)簽的使用。3、電子標(biāo)簽的分類(lèi)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(lèi)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(shí)所需的全部能量，它僅用來(lái)維持標(biāo)簽內(nèi)部的電路工作，并不提供傳送電磁信號(hào)所需的能量。無(wú)源標(biāo)簽，顧名思義，就是內(nèi)部不帶電源的標(biāo)簽，無(wú)源標(biāo)簽工作時(shí)所需的能量全部來(lái)自于閱讀器傳送過(guò)來(lái)的射頻信號(hào)，其內(nèi)部電路將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流電源為其工作提供能量。因?yàn)檫@一點(diǎn)，所以無(wú)源標(biāo)簽的工作距離較短。但是它的使用壽命相對(duì)要長(zhǎng)很多，而且也比較便宜，體積也比較小。目前無(wú)源標(biāo)簽是使用最為廣泛的一類(lèi)標(biāo)簽。3、電子標(biāo)簽的分類(lèi)第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5②按照標(biāo)簽的工作頻率分類(lèi)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(yùn)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(yùn)用在圖書(shū)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(yùn)用在道路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)等領(lǐng)域。3、電子標(biāo)簽的分類(lèi)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(lèi)可以分為主動(dòng)式、半主動(dòng)式和被動(dòng)式三種。主動(dòng)式標(biāo)簽的內(nèi)部帶有電源，也就是有源標(biāo)簽，可以主動(dòng)向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)，應(yīng)用場(chǎng)合主要是那些對(duì)傳輸距離要求比較高的場(chǎng)合中；半主動(dòng)式標(biāo)簽的內(nèi)部也帶有電源，但必須經(jīng)過(guò)閱讀器的激活才能向閱讀器傳送數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)不能主動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)；被動(dòng)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(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)制以后才能進(jìn)行傳輸，一般應(yīng)用于對(duì)傳輸距離要求不太高的場(chǎng)合。3、電子標(biāo)簽的分類(lèi)第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5④按照存儲(chǔ)器類(lèi)型分類(lèi)可以分為只讀標(biāo)簽、一次寫(xiě)入多次讀取標(biāo)簽和可讀寫(xiě)標(biāo)簽。只讀標(biāo)簽（RO）內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息出廠時(shí)就被寫(xiě)入，而且以后都不能改變，內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，儲(chǔ)存信息量也很少，價(jià)格便宜；一次寫(xiě)入多次讀取標(biāo)簽在出廠后可以被寫(xiě)入數(shù)據(jù)，一旦寫(xiě)入以后也不能改變，內(nèi)部存儲(chǔ)器一般為PROM和PAL；可讀寫(xiě)標(biāo)簽內(nèi)部存儲(chǔ)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(lèi)標(biāo)簽的成本最高。3、電子標(biāo)簽的分類(lèi)第4章RFID電子標(biāo)簽2023/2/5⑤按照標(biāo)簽作用距離分類(lèi)可以分為密耦合、近耦合、疏耦合和遠(yuǎn)耦合四類(lèi)。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(lèi)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(lái)粘貼在待識(shí)別物體上。這種標(biāo)簽價(jià)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(lèi)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(dòng)物識(shí)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(lèi)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(wàn)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(hào)在經(jīng)歷電磁波---聲表面波---電磁波的換能過(guò)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(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，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(wú)源而且抗電磁干擾能力較強(qiáng)，因此該類(lèi)電子標(biāo)簽具有一定的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。SAW標(biāo)簽應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括物流管理、路橋收費(fèi)、門(mén)禁控制、超市防盜、航空行李分揀、體育競(jìng)賽等。同時(shí)也適用于壓力、應(yīng)力、扭曲、加速度等變化參數(shù)的測(cè)量，如鐵路紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)的熱軸定位、汽車(chē)輪胎壓力等。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）讀取范圍大且可靠，識(shí)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(jiǎn)單，制作工藝成本低。（4）不僅能識(shí)別靜止物體，而且能識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)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(shí)別物體上，在RFID系統(tǒng)中，它是一個(gè)損耗器件。目前在各個(gè)廠商生產(chǎn)的RFID系統(tǒng)中，除了個(gè)別廠商以外，大部分的RFID系統(tǒng)都互不兼容。對(duì)于較大的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，標(biāo)簽的成本決定著整個(gè)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(duì)標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)有：能量需求、讀寫(xiě)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(wú)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(lái)自閱讀器的寫(xiě)入數(shù)據(jù)命令的速率。③讀寫(xiě)速度標(biāo)簽的讀寫(xiě)速度由標(biāo)簽被讀寫(xiě)器識(shí)別和寫(xiě)入的時(shí)間決定，一般為毫秒級(jí)，因此攜帶UHF標(biāo)簽的物體運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到100米每秒，即可以達(dá)到360千米每小時(shí)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(shí)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(xiě)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。