射频识别(RFID)原理与应用(第2版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：单承赣

出版社：电子工业出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

射频识别(RFID)原理与应用(第2版)试读：

第2版前言

本书第1版问世时，射频识别（RFID）技术正处于起步阶段，随着物联网的迅速兴起和普及应用，人们对RFID技术有了更加深入的认识，RFID技术也更加成熟。目前，很多高等学校设置了物联网专业，开设RFID课程的专业也日渐增多，为适应技术发展、项目开发和教学科研的需求，我们组织出版了第2版。

第2版在保持第1版特色和风格的基础上，重点对RFID标准、防碰撞算法、EPC和物联网章节的内容做了修改和补充，引入了近年来的新技术和新成果。此外，在125kHz、13.56MHz和微波RFID技术的具体实现中，引入了较新且应用广泛的典型芯片的应用设计。这些内容使本教材更贴近RFID和物联网技术的发展。

第2版增补的部分由张波（合肥工业大学）、牛朝（合肥工业大学）完成，全书最后由单承赣审阅并统稿。

本书提供配套的电子课件，读者可登录华信教育资源网www.hxedu.com.cn，注册后免费下载。

在第2版的撰写过程中，得到了合肥工业大学、电子工业出版社的大力支持，在此表示感谢！此外，编写过程中参考了近年来出版的书籍和资料，在此对书籍和资料的作者、提供者一并表示感谢！

由于作者水平有限，书中难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正。

作者

2014年10月

第1版前言

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是当前最受人们关注的热点技术之一，也是我国信息化建设的核心技术之一。这项技术既和传统应用紧密相关，又充满着新意与活力。RFID的应用领域众多，如票务、身份证、门禁、电子钱包、物流、动物识别等，它已经渗透到我们日常生活和工作的各个方面，给我们的社会活动、生产活动、行为方法和思维观念带来了巨大的变革。本书正是为了适应形势发展的迫切需要，为关注RFID技术发展的人们而写，希望对RFID技术的特点、内涵和应用作一个详尽而全面的介绍。

本书分为10章。第1章是入门部分，帮助读者初步了解RFID技术的基本概念；第2～6章是基础部分，具体介绍RFID的基础理论和标准；第7～9章是设计应用部分，通过对典型芯片的介绍，分析讨论了在125 kHz、13.56 MHz与微波应用下阅读器、应答器和天线的设计，并提供了软、硬件的实现方法；第10章在EPC编码的基础上介绍了物联网的基本概念与应用。

本书具有以下特点：（1）内容新颖 介绍RFID技术的最新进展与应用。（2）逻辑清晰 采用从基础理论到工程实践的叙述方式，适合教学使用和工程人员参考。在内容编排上，力求做到由浅入深、由简到繁、叙述准确，各章既自成体系，前后又有所兼顾，避免重复，（3）知识全面 涉及电路、数字通信原理、微波技术、密码学等多学科专业知识，介绍详略得当。在第2～6章中，以RFID技术为主线，论述相关的基础知识，在第7～10章中，结合具体实践进行更深入的分析和讨论。读者在阅读本书时，如果没有更高的需求，可以不用查阅其他相关资料。

本书配有电子课件，读者可以在华信教育资源网（www.huaxin.edu.cn）上免费注册下载。书中提供了丰富的工业设计案例和应用，所以本书不仅可作为高等院校电子信息与电气相关专业本科及研究生教材、RFID技术研修班的培训教材，也可作为工业、物流领域科研与工程技术人员的参考书。

本书第1章由单承赣（合肥工业大学、安徽涉外经济学院）撰写，第4、5章由姚磊（中兴通讯上海研究所）撰写，第6～9章由单玉峰撰写（中兴通讯上海研究所），第2，3章由徐海卫（合肥工业大学）撰写，第10章由焦宗东（合肥工业大学）和单承赣撰写。全书由单承赣统稿，文字打印和绘图由焦宗东、彭克锦完成。

在本书编写过程中得到合肥工业大学、安徽涉外经济学院各级领导的大力支持，在此表示感谢！此外，编写过程中参考了众多书籍和资料，在此对书籍和资料的作者、提供者一并表示感谢！

由于作者水平有限，书中难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正。

作者

2008年3月

第1章 射频识别技术概论

内容提要：本章介绍射频识别（RFID）技术的基本概念和概况，包括射频识别技术的概念，射频识别应用系统的组成，应答器和阅读器之间能量、时序、数据交换的关系，阅读器和应答器之间的电感耦合方式和反向散射耦合方式的工作原理，应答器、阅读器、天线和高层的结构与性能，RFID与条形码、接触式IC卡、生物特征识别、光学字符识别（OCR）等自动识别技术的关联和差异，RFID的应用、示例和发展前景等。

知识要点：RFID的基本概念，应答器、阅读器的功能、组成及能量传递与信息交互的原理，RFID的工作性能参数，电感耦合方式和反向散射耦合方式，RFID的时序工作方式，RFID的应用系统，RFID系统高层的作用，RFID与条形码、接触式IC卡的关联和差异，RFID的典型应用和前景。

教学建议：本章对RFID的基本概念和概况作了较全面的介绍，通过本章的学习应达到入门的效果。对于不打算对RFID技术有深入研究的读者，读完此章可以对RFID技术有较全面和系统的了解。本章建议学时为4～6学时。

1.1 射频识别技术及其特点

射频识别是无线电频率识别（Radio Frequency Identification，RFID）的简称，即通过无线电波进行识别。在RFID系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据载体称为应答器。应答器中存放的识别信息由阅读器读出。在一些应用中，阅读器不仅可以读出存放的信息，而且可以对应答器写入数据，读、写过程是通过双方之间的无线通信来实现的。

射频识别具有下述特点：

● 它是通过电磁耦合方式实现的非接触自动识别技术；

● 它需要利用无线电频率资源，必须遵守无线电频率使用的众多规范；

● 它存放的识别信息是数字化的，因此通过编码技术可以方便地实现多种应用，如身份识别、商品货物识别、动物识别、工业过程监控和收费等；

● 它可以容易地对多应答器、多阅读器进行组合建网，以完成大范围的系统应用，并构成完善的信息系统；

● 它涉及计算机、无线数字通信、集成电路、电磁场等众多学科，是一个新兴的融合多种技术的领域。

1.2 射频识别的基本原理

1.RFID的基本交互原理

射频识别的基本原理框图如图1.1所示。

应答器为集成电路芯片，它的工作需要由阅读器提供能量，阅读器产生的射频载波用于为应答器提供能量。图1.1 RFID的基本原理框图

阅读器和应答器之间的信息交互通常采用询问-应答的方式进行，因此必须有严格的时序关系，时序由阅读器提供。

应答器和阅读器之间可以实现双向数据交换，应答器存储的数据信息采用对载波的负载调制方式向阅读器传送，阅读器给应答器的命令和数据通常采用载波间隙、脉冲位置调制、编码调制等方法实现传送。

2.RFID的耦合方式

根据射频耦合方式的不同，RFID可以分为电感耦合方式（磁耦合）和反向散射耦合方式（电磁场耦合）两大类。

3.RFID的工作频率

RFID系统的工作频率划分为下述频段。

① 低频（LF，频率范围为30～300kHz）：工作频率低于135kHz，最常用的是125kHz。

② 高频（HF，频率范围为3～30MHz）：工作频率为13.56MHz±7kHz。

③ 特高频（UHF，频率范围为300MHz～3GHz）：工作频率为433MHz，866～960MHz和2.45GHz；

④ 超高频（SHF，频率范围为3～30GHz）：工作频率为5.8GHz和24GHz，但目前24GHz基本没有采用。

其中，后3个频段为ISM（Industrial Scientific Medical）频段。ISM频段是为工业、科学和医疗应用而保留的频率范围，不同的国家可能会有不同的规定。UHF和SHF都在微波频率范围内，微波频率范围为300MHz～300GHz。

在RFID技术的术语中，有时称无线电频率的LF和HF为RFID低频段，UHF和SHF为RFID高频段。

RFID技术涉及无线电的低频、高频、特高频和超高频频段。在无线电技术中，这些频段的技术实现差异很大，因此可以说，RFID技术的空中接口覆盖了无线电技术的全频段。1.2.2 电感耦合方式

电感耦合方式的电路结构如图1.2所示。电感耦合方式的射频载波频率f（也称为工作频率）为13.56MHz和小于135kHz的频段。应c答器与阅读器之间的工作距离在1m以下。图1.2 电感耦合方式的电路结构

1.应答器的能量供给

电感耦合方式的应答器几乎都是无源的，能量（电源）从阅读器获得。由于阅读器产生的磁场强度受到电磁兼容性能有关标准的严格限制，因此系统的工作距离较近。

在图1.2所示的阅读器中，v是射频源，LC构成谐振回路（谐s11振于v的频率），R是射频源v的内阻，R是电感线圈L的损耗电sss11阻。v在L上产生高频电流i，谐振时高频电流i最大，高频电流i产生s1的磁场穿过线圈，并有部分磁力线穿过距阅读器电感线圈L一定距离1的应答器电感线圈L。由于所用工作频率范围内的波长（13.56MHz2的波长λ为22.1m，135kHz的波长λ为2400m）比阅读器与应答器线圈之间的距离大很多，所以两线圈间的电磁场可以当做简单的交变磁场。

穿过电感线圈L的磁力线通过感应，在L上产生电压v，将其整222流后，即可产生应答器工作所需的直流电压。电容器C的选择应使2LC构成对工作频率谐振的回路，以使电压v达到最大值。222

电感线圈L和L也可以看作一个变压器的初、次级线圈，只不过12它们之间的耦合很弱。因为电感耦合系统的效率不高，所以这种方式主要适用于小电流电路，应答器的功耗大小对工作距离有很大影响。

2.应答器向阅读器的数据传输

应答器向阅读器的数据传输采用负载调制的方法。负载调制的原理如图1.3所示。图1.3 负载调制的原理示意图

如果在应答器中以二进制数据编码信号控制开关S（芯片上的开关器件），则应答器线圈上的负载电阻（图中的R）按二进制数据编2码信号的高低电平变化而接通和断开。负载的变化通过L映射到L，21使L上的电压也按此规律变化。该电压变化通过解调、滤波放大电路，1恢复为应答器端控制开关的二进制数据编码信号，经解码后就可获得存储在应答器中的数据信息。这样，二进制数据信息就从应答器传到了阅读器。

图1.3中的负载调制方式称为电阻负载调制，其实质上是一种振幅调制，也称为调幅（AM），调节接入电阻R的大小可改变调制度2的大小。

3.阅读器向应答器的数据传输

阅读器向应答器的数据传输可以采用多种数字调制方式，通常为幅移键控（ASK）。有关调制和编码、解码的原理将在第3章介绍。1.2.3 电感耦合方式的变形

1.电感耦合的时序方式（1）时序方式

在1.2.2节所述的情况是，在阅读器与应答器的信息交互过程中，阅读器一直保持着向应答器传输能量。而时序方式则不一样，在这种方式中，阅读器向应答器的能量传输和数据传输占用一个连续的时隙，在此时间内，应答器获取能量而不传送数据。在两次能量供应的间隙时间，应答器完成向阅读器的数据传输。这种时间上的交错如图1.4所示。图1.4 时序方式中的能量与数据传输（2）电感耦合的时序方式

电感耦合的时序方式仅适合在135kHz以下频率范围内工作。在时序方式下，阅读器的发送器仅在传输能量时工作，传输能量在应答器中给电容器充电，以存储能量。在充电过程中，应答器处于低功耗省电模式，从而使接收到的能量几乎完全用于电容器的充电。在固定的充电时间结束后，断开阅读器的发送器。

在充电过程中，应答器应能存储起在向阅读器传输数据时间内需要消耗的能量。应答器可用的能量由充电电容器的电容量和充电时间决定。应答器中需要有一个容量较大的电容，这给实际使用也带来了一定的不便。

在充电结束后，应答器上的振荡器被激活，振荡频率由应答器射频前端的LC回路确定，振荡频率应和阅读器的发送频率相同。该振荡器被调制后，将调制的数字数据传送至阅读器。

2.扫频法（1）扫频的基本概念

所谓“扫频”，就是利用某种方法，使正弦信号的频率随时间按一定规律，在一定范围内反复扫动。这种频率扫动的正弦信号，称为扫频信号。

设v（t）为扫频信号，它的瞬时频率f在回路谐振频率f=ω/00（2π）附近作线性扫动，即

式中，γ=df/dt，γ称为扫频速度。

那么，扫频信号可表示为

扫频信号的波形如图1.5所示，频率变化从f到f，不断重复扫动。LH（2）扫频信号的主要工作特性

扫频信号的主要特性包括有效扫频宽度、扫频线性和振幅平稳性。

有效扫频宽度是指在扫频线性和振幅平稳性符合要求的条件下，最大的频率覆盖范围。频率覆盖范围一般用相对值表示，图1.5中扫频信号的频率覆盖范围为

式中，为平均频率。

扫频线性可用线性系数来表征，它表示扫频信号频率的变化规律和预定的扫频规律之间的吻合程度。

振幅平稳性是指扫频信号的振幅应恒定不变，即寄生幅度要小。（3）扫频法的工作原理

扫频法的工作原理如图1.6所示。阅读器侧采用扫频振荡器，电感L是扫频振荡器的线圈，L中的电流产生扫频的交变磁场，频率从11f扫至f。应答器的谐振回路由L和C组成，其谐振频率为f，f在fLH2222L至f之间。H图1.5 扫频信号的波形图1.6 扫频法的工作原理

当应答器接近阅读器，阅读器扫频信号的频率和应答器谐振回路的频率相等时，线圈L中的电流产生一个明显的增量（其大小取决于1扫频速度），该增量可提供用于识别。

识别的方法是将阅读器安装于通道口，线圈可绕成大面积的方框形状，扫频频率范围为8.2MHz±10%，当附有应答器的物品被携带时，阅读器可给出警示。

该技术可用于商场的电子防盗，这种无源应答器由电感线圈和薄膜电容构成谐振回路，称为1比特应答器。应答器在收款处可取下再用，或将其置于强磁场下利用产生的感应电压击穿薄膜电容。

3.分频信号检测法

分频信号检测法的工作原理如图1.7所示，这种方法的工作频率范围为100～135kHz（如128kHz）。图1.7 分频信号检测法的工作原理

由图1.7可见，该方法的原理与电感耦合方式相同，应答器是无源的，载波信号经二分频后送至调制器，在调制器中被应答器数据（存储在EEPROM中）或低频方波信号（由低频方波发生器产生）调制，被调制的二分频载波信号经应答器电感线圈L送至阅读器，阅读3器对二分频载波信号进行处理，便可获得应答器的有关信息。1.2.4 反向散射耦合方式

1.反向散射

雷达技术为RFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用基础。当电磁波遇到空间目标（物体）时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度被散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回了发射天线，并被该天线接收（因此发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大和处理，即可获取目标的有关信息。

2.RFID反向散射耦合方式

一个目标反射电磁波的效率由反射横截面来衡量。反射横截面的大小与一系列参数有关，如目标大小、形状和材料，电磁波的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以RFID反向散射耦合方式采用特高频（UHF）和超高频（SHF），应答器和阅读器的距离大于1m。

RFID反向散射耦合方式的原理框图如图1.8所示，阅读器、应答器和天线构成了一个收发通信系统。图1.8 RFID反向散射耦合方式的原理框图（1）应答器的能量供给

无源应答器的能量由阅读器提供，阅读器天线发射的功率P经1自由空间衰减后到达应答器，设到达功率为中被吸收的功率经应答器中的整流电路后形成应答器的工作电压。

在UHF和SHF频率范围，有关电磁兼容的国际标准对阅读器所能发射的最大功率有严格的限制，因此在有些应用中，应答器采用完全无源方式会有一定困难。为解决应答器的供电问题，可在应答器上安装附加电池。为防止电池不必要的消耗，应答器平时处于低功耗模式，当应答器进入阅读器的作用范围时，应答器由获得的射频功率激活，进入工作状态。（2）应答器至阅读器的数据传输

到达功率的一部分被天线反射，反射功率P经自由空间后到2达阅读器，被阅读器天线接收。接收信号经收发耦合器电路传输至阅读器的接收通道，被放大后经处理电路获得有用信息。

应答器天线的反射性能受连接到天线的负载变化的影响，因此，可采用相同的负载调制方法实现反射的调制。其表现为反射功率P2是振幅调制信号，它包含了存储在应答器中的识别数据信息。（3）阅读器至应答器的数据传输

阅读器至应答器的命令及数据传输，应根据RFID的有关标准进行编码和调制，或者按所选用应答器的要求进行设计。

3.声表面波应答器（1）声表面波器件

声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器件以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。SAW器件体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较宽，并且可以采用与集成电路工艺相同的平面加工工艺，制造简单，重获得性和设计灵活性高。

声表面波器件具有广泛的应用，如通信设备中的滤波器。在RFID应用中，声表面波应答器的工作频率目前主要为2.45GHz。（2）声表面波应答器

声表面波应答器的基本结构如图1.9所示，长长的一条压电基片的端部有指状电极结构。基片通常采用石英铌酸锂或钽酸锂等压电材料制作，指状电极结构是电声转换器（换能器）。在压电基片的导电板上附有偶极子天线，其工作频率和阅读器的发送频率一致。在应答器的剩余长度安装了反射器，反射器的反射带通常由铝制成。图1.9 声表面波应答器的结构示意图

阅读器送出的射频脉冲序列电信号，从应答器的偶极子天线馈送至换能器。换能器将电信号转换为声波。转换的工作原理是利用压电衬底在电场作用时的膨胀和收缩效应。电场是由指状电极上的电位差形成的。一个时变输入电信号（即射频信号）引起压电衬底振动，并沿其表面产生声波。严格地说，传输的声波有表面波和体波，但主要是表面波，这种表面波纵向通过基片。一部分表面波被每个分布在基片上的反射带反射，而剩余部分到达基片的终端后被吸收。

一部分反射波返回换能器，在那里被转换成射频脉冲序列电信号（即将声波变换为电信号），并被偶极子天线传送至阅读器。阅读器接收到的脉冲数量与基片上的反射带数量相符，单个脉冲之间的时间间隔与基片上反射带的空间间隔成比例，从而通过反射带的空间布局可以表示一个二进制的数字序列。

由于基片上的表面波传播速度缓慢，在阅读器的射频脉冲序列电信号发送后，经过约1.5ms的滞后时间，从应答器返回的第一个应答脉冲才到达。这是表面波应答器时序方式的重要优点。因为在阅读器周围所处环境中的金属表面上的反射信号以光速返回到阅读器天线（例如，与阅读器相距100m处的金属表面反射信号，在阅读器天线发射之后0.6ms就能返回到阅读器），所以当应答器信号返回时，阅读器周围的所有金属表面反射都已消失，不会干扰返回的应答信号。

声表面波应答器的数据存储能力和数据传输速度取决于基片的尺寸和反射带之间所能实现的最短间隔，实际上，16～32位（bit）的数据传输速率约为500kbps。

声表面波RFID系统的作用距离主要取决于阅读器所能允许的发射功率，在2.45GHz下，作用距离可达到1～2m。

采用偶极子天线的好处是它的辐射能力强，制造工艺简单，成本低，而且能够实现全向性的方向图。微带贴片天线的方向图是定向的，适用于通信方向变化不大的RFID系统，但工艺较为复杂，成本也相对较高。

从上面的介绍和分析可见，声表面波RFID系统是基于时序方式、采用反向散射耦合方式的RFID系统。

4.谐波检测法（1）非线性元件的频率变换作用

如果在一个线性电阻元件上加某一频率的正弦电压，那么在电阻中就会产生同一频率的正弦电流；反之，给线性电阻通入某一频率的正弦电流，则在电阻两端就会得到同一频率的正弦电压。

但对于非线性电阻来说，情况就大不相同了，如半导体二极管。图1.10（a）所示为半导体二极管的伏安特性曲线。当如图1.10（b）所示的某一频率的正弦电压v（t）=Vsin（ωt）作用于该二极管时，m根据v（t）的波形和二极管的伏安特性曲线，即可用作图法求出通过二极管的电流i（t）的波形，如图1.10（c）所示。显然，它已不是正弦波形，但仍然是一个周期性函数。图1.10 二极管的非线性产生谐波频率

如果将电流i（t）用傅里叶级数展开，可以发现，它的频谱中除包含电压v（t）的频率成分ω（即基波）外，还新产生了ω的各次谐波及直流成分。也就是说，半导体二极管具有频率变换的能力。（2）谐波检测法的原理

谐波检测法的原理如图1.11所示，它由阅读器（包括发送器、接收器）和应答器组成。图1.11 谐波检测法的原理示意图

发送器的微波源受1kHz方波信号调制，发送频率为f（如c2.45GHz）的已调制（ASK）信号。应答器偶极子天线收到频率为fc的电压，该电压在变容二极管的作用下，产生较强的二次或三次谐波电流，该电流产生的微波信号从偶极子天线回射，它也是被1kHz信号调制的，载波频率为f，2f，3f，…。接收器的接收频率可调节在ccc2f上，如果检测到2f频率上的调制信号，则说明检测到了应答器。cc

谐波检测法的工作原理也是基于反向散射耦合方式的。它可用于电子防盗系统，应答器实际上是一个1比特应答器，如果控制好发射射频的定向区域范围，则通过对应答器的检测可以防止有应答器的商品被非法带出。

1.3 射频识别的应用系统构架

RFID应用系统的组成结构如图1.12所示，它由阅读器、应答器和高层等部分组成。最简单的应用系统只有单个阅读器，它一次对一个应答器进行操作，如公交汽车上的票务操作。较复杂的应用需要一个阅读器可同时对多个应答器进行操作，即要具有防碰撞（也称为防冲突）的能力。更复杂的应用系统要解决阅读器的高层处理问题，包括多阅读器的网络连接。1.3.2 应答器（射频卡和标签）

从技术角度来说，射频识别技术的核心在应答器，阅读器是根据应答器的性能而设计的。虽然在RFID系统中应答器的价格远比阅读器低，但通常情况下，在应用中应答器的数量是很大的，尤其是在物流应用中，应答器用量不仅大而且可能是一次性使用，而阅读器的数量相对要少很多。

1.射频卡和标签

应答器在某种应用场合还有一些专有的名称，如射频卡（也称为非接触卡）、标签等，但都可统称为应答器。（1）射频卡（RF Card）

应答器的外形多种多样，如盘型、卡型、条型、钥匙扣型、手表型等，不同的形状适应于不同的应用。图1.12 RFID应用系统的组成结构

如果将应答器芯片和天线塑封成像银行的银联卡和电信的电话卡那样，塑料卡的物理尺寸符合ID-1型卡的规范，那么这类应答器称为射频卡或非接触卡，如图1.13所示。图1.13 射频卡

ID-1是国际标准ISO/IEC 7810中规定的3种磁卡尺寸规格中的一种，其宽度×高度×厚度为85.6mm×53.98mm×0.76mm±容许误差。

射频卡的工作频率为低于135kHz或13.56MHz，采用电感耦合方式实现能量和信息的传输。射频卡通常用于身份识别和收费。（2）标签（Tag）

除了卡状外形，应答器还具有上面介绍的很多其他形状，可用于动物识别、商品货物识别、集装箱识别等，在这些应用领域应答器常称为标签。

图1.14所示为几种典型标签的外形。应答器芯片安放在一张薄纸膜或塑料膜内，这种薄膜往往和一层纸胶合在一起，背面涂上黏胶剂，这样就很容易粘贴到被识别的物体上。图1.14 标签

2.应答器的主要性能参数

应答器的主要性能参数有：工作频率、读/写能力、编码调制方式、数据传输速率、信息数据存储容量、工作距离、多应答器识读能力（也称为防碰撞或防冲突能力）、安全性能（密钥、认证）等。

3.应答器的分类

根据应答器是否需要加装电池及电池供电的作用，可将应答器分为无源（被动式）、半无源（半被动式）和有源（主动式）应答器3种类型。（1）无源应答器

无源应答器不附带电池。在阅读器的阅读范围之外，应答器处于无源状态；在阅读器的阅读范围之内，应答器从阅读器发出的射频能量中提取工作所需的电能。采用电感耦合方式的应答器多为无源应答器。（2）半无源应答器

半无源应答器内装有电池，但电池仅起辅助作用，它对维持数据的电路供电或对应答器芯片工作所需的电压作辅助支持。应答器电路本身耗能很少，平时处于休眠状态。当应答器进入阅读器的阅读范围时，受阅读器发出的射频能量的激励而进入工作状态，它与无源应答器一样，用于传输通信的射频能量源自阅读器。（3）有源应答器

有源应答器的工作电源完全由内部电池供给，同时内部电池能量也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。

4.应答器电路的基本结构和作用

应答器电路的基本结构如图1.15所示。它由天线、编/解码器、电源、解调器、存储器、控制器和负载调制电路组成。（1）存储器应答器、具有密码功能的应答器和智能应答器

应答器组成电路的复杂度和应答器所具有的功能相关。按照应答器的功能来分类，应答器可分为存储器应答器（又可分为只读应答器和可读/写应答器）、具有密码功能的应答器和智能应答器。图1.15 应答器电路的基本结构（2）能量获取

天线电路用于获取射频能量，由电源电路整流稳压后为应答器电路提供直流工作电压。对于可读/写应答器，如果存储器是EEPROM，电源电路还需要产生写入数据时所需的直流高电压。（3）时钟

天线电路获取的载波信号的频率经分频后，分频信号可作为应答器的控制器、存储器、编/解码器等电路工作时所需的时钟信号。（4）数据的输入/输出

从阅读器送来的命令，通过解调、解码电路送至控制器，控制器实现命令所规定的操作；从阅读器送来的数据，经解调、解码后在控制器的管理下写入存储器。

应答器送至阅读器的数据，在控制器的管理下从存储器输出，经编码器、负载调制电路输出。（5）存储器

RFID应答器的存储数据量通常在几字节到几千字节之间，但有一个例外，就是前面介绍的用于电子防盗系统（EAS）的1比特应答器。

简单系统的应答器的存储数据量不大，通常多为序列号码（如唯一识别号UID、电子商品码EPC等），它们在芯片生产时写入，以后就不能改变。

在可读/写的应答器中，除了固化数据外，还需支持数据的写入，为此有3种常用的存储器：EEPROM（电可擦除只读存储器）、SRAM（静态随机存储器）和FRAM（铁电随机存储器）。

EEPROM使用较广，但其写入过程中的功耗大，擦写寿命约为10万次，是电感耦合方式应答器主要采用的存储器。SRAM写入数据很快，但为了保存数据需要用辅助电池进行不中断的供电，因此SRAM用在一些微波频段自带电池的应答器中。

FRAM是一种新的非瞬态存储技术。FRAM存储的基本原理是铁电效应，即一种材料在电场消失的情况下保持其电极化的能力。FRAM与EEPROM相比，其写入功耗低（约为EEP ROM功耗的1/100），写入时间短（约为0.1μs，比EEPROM快1000倍），因此FRAM在RFID系统中极有应用前景。FRAM目前存在的问题是，把它与CMOS微处理器、射频前端模拟电路集成到单独一块芯片上仍存在困难，这妨碍了FRAM在RFID中的广泛应用。

在具有密码功能的应答器中，存储器中还存有密码，以供加密信息和提供认证。有关RFID中的加密、认证技术，将在第5章详细讨论。（6）控制器

控制器是应答器芯片有序工作的指挥器。只读应答器的控制器电路比较简单。对于可读/写和具有密码功能的应答器，必须有内部逻辑控制对存储器的读/写操作和对读/写授权请求的处理，该项工作通常由一台状态机来完成。然而，状态机的缺点是缺乏灵活性，这意味着当需要变化时要更改芯片上的电路，这在经济性和完成时间上都存在着问题。

如果应答器上带有微控制器（MCU）或数字信号处理器（DSP），成为智能应答器，则对于更改的应对会更为灵活方便，而且还增加了很多运算和处理能力。随着MCU和DSP功耗的不断降低，智能应答器在身份识别、金融等领域的应用会不断扩大。1.3.3 阅读器（读/写器和基站）

阅读器也有一些其他称呼，如读/写器、基站等。本书中没有对它们加以区别，即阅读器并不是仅具有读功能，而是泛指其具有读/写功能。基站一词借用于无线移动通信的术语，阅读器具有相当于基站的功能。实际上在RFID系统中，也可将应答器固定安装，而将阅读器应用于移动状态。

图1.16所示为几种典型阅读器的实物图。图1.16 阅读器

1.阅读器的功能

虽然因频率范围、通信协议和数据传输方法的不同，各种阅读器在一些方面会有很大的差异，但阅读器通常都应具有下述功能：

① 以射频方式向应答器传输能量；

② 从应答器中读出数据或向应答器写入数据；

③ 完成对读取数据的信息处理并实现应用操作；

④ 若有需要，应能和高层处理交互信息。

2.阅读器电路的组成

阅读器电路的组成框图如图1.17所示，各部分的作用简述如下。（1）振荡器

振荡器电路产生符合RFID系统要求的射频振荡信号，一路经时钟电路产生MCU所需的时钟信号，另一路经载波形成电路产生阅读器工作的载波信号。例如，振荡器的振荡频率为4MHz，经整形后提供MCU工作的4MHz时钟，经分频（32分频）产生125kHz的载波。图1.17 阅读器电路的组成框图（2）发送通道

发送通道包括编码、调制和功率放大电路，用于向应答器传送命令和写数据。（3）接收通道

接收通道包括解调、解码电路，用于接收应答器返回的应答信息和数据。根据应答器的防碰撞能力的设置，还应考虑防碰撞电路的设计。（4）微控制器（MCU）

MCU是阅读器工作的核心，完成收/发控制、向应答器发送命令与写数据、应答器数据读取与处理、与应用系统的高层进行通信等任务。

MCU的动作控制包括与声、光、显示部件的接口，通信接口可采用RS-232、USB或其他通信接口。

随着数字信号处理器（DSP）应用的普及，阅读器也可采用DSP器件作为核心器件来实现更加完善的功能。1.3.4 天线

阅读器和应答器都需要安装天线，天线的应用目标是取得最大的能量传输效果。选择天线时，需要考虑天线类型、天线的阻抗、应答器附着物的射频特性、阅读器与应答器周围的金属物体等因素。

RFID系统所用的天线类型主要有偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等。偶极子天线辐射能力强，制造工艺简单，成本低，具有全向方向性，常用于远距离RFID系统。微带贴片天线的方向图是定向的，但工艺较复杂，成本较高。线圈天线用于电感耦合方式的RFID系统中（阅读器和应答器之间的耦合电感线圈在这里也称为天线），线圈天线适用于近距离（1m以下）的RFID系统，在UHF、SHF频段和工作距离、方向不定的场合难以得到广泛的应用。

在应答器中，天线和应答器芯片封装在一起，由于应答器尺寸的限制，天线的小型化、微型化成为决定RFID系统性能的重要因素。近年来研制的嵌入式线圈天线、分型开槽环天线和低剖面圆极化EBG（电磁带隙）天线等新型天线为应答器天线小型化提供了技术保证。1.3.5 高层（1）高层的作用

对于独立的应用，阅读器可以完成应用的需求，例如，公交车上的阅读器可以实现对公交票卡的验读和收费。但是对于由多阅读器构成网络架构的信息系统，高层（或后端）是必不可少的。也就是说，针对RFID的具体应用，需要在高层将多阅读器获取的数据有效地整合起来，提供查询、历史档案等相关管理和服务。更进一步，通过对数据的加工、分析和挖掘，为正确决策提供依据。这就是所谓的信息管理系统和决策系统。（2）中间件与网络应用

在RFID网络应用中，企业通常最想问的第一个问题是：“如何将我现有的系统与RFID阅读器连接?”。针对这个问题的解决方案就是RFID中间件（Middle Ware）。

RFID中间件是介于RFID阅读器和后端应用程序之间的独立软件，能够与多个RFID阅读器和多个后端应用程序连接。应用程序使用中间件所提供的一组通用应用程序接口（API），就能连接到RFID阅读器，读取RFID应答器数据。这样一来，即使当存储应答器信息的数据库软件改变、后端应用程序增加或改由其他软件取代、阅读器种类增加等情况发生时，应用端不需要修改也能应对这些变化，从而减轻了多对多连接的设计与维护的复杂性。

图1.18所示为利用中间件的网络应用的结构。图1.18 利用中间件的网络应用的结构

1.4 RFID与相关的自动识别技术

识别也称为辨识，它是指对人、事、物的差异的区分能力。人类依靠感知和大脑，具有很强的识别能力。一个人可以在人群中识别出他的熟人、朋友和亲人，甚至可以不见其人而仅通过听其声（说话声或脚步声）来分辨。更高级的识别是对人的能力高低、感情真伪、内心活动、道德情操的识别。

自动识别通常是指采用机器进行识别的技术。自动识别的任务和目的是提供个人、动物、货物、商品和图文的信息。自动识别技术包括条形码、接触式IC卡、生物特征识别、光学字符识别（OCR）和射频识别（RFID）等。随着信息技术的发展，计算机处理能力的不断提高，网络覆盖面积的扩大，自动识别正逐步进入智能化和网络化。1.4.2 RFID与条形码

1.条形码（Bar Code）技术

自动识别技术的形成过程与条形码的发明、使用和发展密不可分，条形码在自动识别技术中占有重要的地位。条形码技术最早产生在20世纪20年代。（1）条形码的概念

条形码是由一组规则排列的条、空和相应的数字组成，这种用条、空组成的数据编码可以供机器识读，而且很容易译成二进制数和十进制数。这些条和空可以有各种不同的组合方法，构成不同的图形符号，即各种符号体系，也称为码制，适用于不同的应用场合。（2）一维条形码

一维条形码中使用较多的码制是EAN，UPC和EAN128码。图1.19所示为EAN和UPC条形码图，图1.20所示为EAN128条形码图。图1.19 EAN和UPC条形码图1.20 EAN128条形码

欧洲商品编码（EAN）是一种定长、无含义的条形码，主要用于商品标识。EAN码可分为标准版和缩短版，标准版为13位，缩短版为8位。在标准版和缩短版中又有原印码和店内码之分。EAN码包含厂商识别代码、商品项目代码和检验码。

统一产品代码（UPC）主要用于北美地区，由美国统一代码委员会（UCC）开发。该码的特点是只能表示数字，并有多个版本，其中版本A为12位数字，版本E为8位数字（第1位为固定码0，编码位为6位，最后1位为检验位）。

EAN128码是由国际物品编码协会和UCC联合开发、共同采用的一种条形码。它是一种连续性、非定长、有含义的高密度代码，可表示数字和字符串，字符串集合有A，B，C.3个不同版本，共有128个字符。EAN128可表示生产日期、批号、数量、规格、保质期、收货地等更多的商品信息。（3）二维条形码

由于条形码应用领域的不断拓展，对一定面积上的条形码信息密度和信息量提出了更高的要求，这就产生了二维条形码。

二维条形码分为两类。一类由矩阵代码和点代码组成，其数据以二维空间的形态编码。矩阵代码有MaxiCode，Data Matrix，Code One等，这种条形码可以做得很小，甚至可以硅芯片实现，很适用于小物件。另一类二维条形码是包含重叠的或多行的条形码符号，代表性的条形码编码有PDF417和CODE 49等。

PDF（Portable Data File）是便携式数据文件的缩写。组成条码的每一符号字符都是由4个条和4个空构成的，如果将组成条码的最窄条或空称为一个模块，那么每一个条或空由1到6个模块组成，而上述的4个条和4个空的总模块数一定为17，所以称为417码或PDF417码。

PDF417是一个多行、连续性、可变长、包含大量数据的符号标识。每一个PDF417符号由空白区包围的一序列层组成。每一层包括：左空白区，起始符，左层指示符号字符，1到30个数据符号字符，右层指示符号字符，终止符，右空白区，如图1.21所示。它的字符集包括所有128个字符。

PDF417的另一个最大特点是具有错误纠正能力，当条形码受到一定破坏时，仍能正确读出。（4）条形码的特点图1.21 PDF417的符号结构

条形码有下述特点，因而得到广泛应用。

① 条形码易于制作，对印刷设备和材料无特殊要求，条形码成本低廉、价格便宜。

② 条形码用激光读取信息，数据输入速度快，识别可靠准确。

③ 识别设备结构简单、操作容易，无须专门训练。

2.RFID与条形码

用RFID技术识别商品，其思路来源于条形码。将应答器作为标签，附在商品上（应答器因此也称为标签），通过射频识别技术对商品自动识别，显示出比条形码更大的优势。

RFID的优点如下：

● RFID可以识别单个非常具体的物体，而条形码仅能够识别物体的类别。例如，条形码可以识别这是某品牌的瓶装酱油，但不能区分出是哪一瓶。

● RFID采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码是靠激光来读取外部数据。

● RFID可以同时对多个物体进行识读（即具有防碰撞能力），而条形码只能一个一个地顺序读取。

● RFID的应答器（标签）可存储的信息量大，并可进行多次改写。

● 易于构成网络应用环境，对于商品货物而言，可构建所谓“物流网”。

不过，RFID目前还存在着一些问题，主要表现在以下方面。（1）RFID标签的价格问题

RFID标签与其要粘贴的商品价格相比，还是比较昂贵的。目前，RFID标签的整体价格约为9美分，而条形码的价格要便宜得多。根据普遍的观点，RFID标签的整体价格在5美分以下时，才会获得大面积的推广和市场利益。（2）RFID标签涉及的隐私问题

当采用RFID标签时，可能会涉及一些个人隐私问题，它表现在下述两个主要问题上。第一，RFID阅读器能在个人不知情的情况下于远处读取RFID标签；第二，如果购买者用信用卡或会员卡为一件加了RFID标签的物品付款，那么商店就可以将该物品的唯一识别号ID和购买者的身份联系起来。（3）RFID标签的安全性问题

RFID标签被攻击的问题应当受到消费者和销售商两方面的关注。当人们装备了手提电脑、RFID阅读器附加卡和一个可以访问和改变标签内容的软件（如DN-systems Enterprise Solutions公司的资深顾问Lukas Grunwald 发布的RFDump程序）时，RFID标签的防篡改等安全性能应能经受得起考验。（4）标准统一的问题

目前RFID的有关标准较多，难以统一，这在一定程度上影响了RFID技术的发展。有关标准问题请见第6章。

RFID标签和条形码的主要性能如表1.1所示。表1.1 RFID标签和条形码的主要性能

RFID和条形码是两种既有关联又有不同的技术。条形码是“可视技术”，识读设备只能接收视野范围内的条形码；而RFID不要求看见目标，RFID标签只要在阅读器的作用范围内就可以被读取。RFID和条形码将会在各自适用的范围内获得发展，并在较长时间内共存。1.4.3 RFID与接触式IC卡

RFID在身份识别和收费领域的很多应用都源于接触式IC卡。

1.接触式IC卡（1）接触式IC卡简介

接触式IC卡也称为IC卡（Integrated Circuit Card），即集成电路卡，它将集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，封装成卡的形式。在使用接触式IC卡时，应将IC卡插入阅读设备，阅读设备通过接触点给IC卡提供电源和定时脉冲，而它们之间的通信由双向串行接口通过另一接触点连接实现。

IC卡的概念是20世纪70年代初提出来的，法国布尔（BULL）公司于1976年首先制造出IC卡产品，现在这项技术已应用到金融、交通、医疗、通信、身份证和工控等多个领域。（2）接触式IC卡的分类

接触式IC卡的芯片具有写入数据和存储数据的能力，而且还可以防止内部存储的数据被恶意存取和处理。接触式IC卡根据卡中所用芯片的不同可以分为存储器卡、逻辑加密卡和CPU卡。

① 存储器卡：存储器卡中的集成电路为电可擦写的只读存储器（EEPROM）。

② 逻辑加密卡：逻辑加密卡中的集成电路具有加密逻辑和EEPROM。

③ CPU卡：CPU卡又称为智能卡（Smart Card），卡中的集成电路包括中央处理器（CPU）、EEPROM、随机存储器（RAM）以及固化在只读存储器中的片内操作系统（Chip Operating System，COS）。接触式CPU卡的基本结构如图1.22所示。图1.22 接触式CPU卡的基本结构

其中，左面部分是IC卡插入阅读设备的触点，共8个。CLK是时钟，V是电源正端，V是EEPROM写数据用的电压（也称为编程CCPP电压），GND为地，I/O为串行通信口，RST是复位，另两个触点C4和C8保留于将来使用。从图1.22可见，CPU卡基本上是一个小的片上系统。（3）接触式IC卡的国际标准（ISO/IEC 7816）

接触式IC卡国际标准的总名称为：识别卡-接触式集成电路卡。国际标准为ISO/IEC 7816，它包括以下部分：

ISO/IEC 7816-1，物理特性；

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