史上最全的RFID超高频知识梳理

2020-09-04

目前,使用RFID超高频的应用的越来越多了,但很多RFID超高频的知识却还是有很多人并不清楚,今天我们就一起来了解一下吧!


UHF RFID与条码应用的特点的区别

UHF RFID:可支持远距离,多标签识别,适应于复杂环境,可封装成复杂形态,成本较高

条码:近距离,单标签识别,对识别环境要求较高,平面印制,成本低


RFID系统构成



RFID的分类

1、按工作频段可分为:

LF RFID技术     134kHz RFID

HF RFID技术    13.56MHz RFID

UHF RFID技术    915 MHz RFID、433 MHz RFID、2.45GHz RFID、5.8 GHz RFID


2、按有无源可分为:

无源RFID技术   标签不携带电池 Passive RFID

有源RFID技术   标签携带电池 Acitve RFID


RFID主流标准体系

1、ISO 18000系列空中接口标准(18000-6.-7,-4)

2、EPC global的915MHz无源RFID空口标准

3、日本UID–日本泛在网络标准

4、中国国家标准


RFID标准化意义:设备互联互通 ,产品一致性,协同解决技术难题,推动技术进步,做大产业规模,便于扩展到其他系统和领域。


UHF频段无源RFID系统

1、自动识别:远距离识别,标签无源,海量标签,传感器

2、技术标准:空口标准,ISO 18000-6,GB/T 29768-2013,测试标准(ISO 18046)

3、识别原理:背向散射调制,多标签防碰撞

4、系统性能:识读距离,识读稳定性,可靠性(漏读),识读效率


无源标签灵敏度

标签灵敏度是指使得标签能够启动工作的最小功率:15dBm,-18dBm,-20dBm,-23dBm(2017)

标签灵敏度依赖于:IC 灵敏度,IC 与天线良好的匹配,方向


标签封装

RFID电子标签封装制造工艺过程都包含两次封装,分别在RFID芯片上制作凸点,基板材料上制作天线,然后封装芯片实现芯片和基板天线的互连,经检验合格后制成RFID标签内核层(Inlay),至此完成RFID标签的第一次封装。其次,是根据不同的应用,需要经过层压、冲裁、印刷等第二次封装,也就是外包装,制成最终的RFID标签产品。


UHF频段无源RFID系统基本原理

1、设备交互:读写器通过ASK唤醒标签,标签通过背向散射返回信息给reader,使用CW调制

要点:标签无源,短距离,标签便宜,频率860MHz~960MHz,弱连接Fragile link

背向散射调制:RFID标签收到鸿陆超高频读写器发射的连续波之后,通过调整标签天线与芯片之间的匹配关系,使得加载到天线的电流随信息比特发生变化,从而完成调制和发射。

2、系统主从关系:读写器先讲-ITF(无源RFID);标签先讲-TTF(有源RFID)

3、多标签碰撞:Collision–碰撞  Anti-collision-防碰撞

4、空中接口协议:调制、编码、信息速率、防碰撞、频段、功率、应用协议


UHF频段无源RFID系统关键技术

1、系统工作基本过程

读写器对标签唤醒并进行清点轮询所要识别的标签,所有RFID标签进行标签响应,如果有响应冲突就进行冲突分解,之后对访问标签的信息,再重复2~5的过程。

2、关键技术问题

性能指标:读写距离、识别效率/速度、识别可靠性

性能决定因素:

A.标签芯片:功耗、灵敏度;

B.标签天线:多样性、低成本、性能;

C.读写器芯片:功耗、灵敏度、协议兼容;

D.读写器天线:近场、远场;

E.空中接口协议:生产、封装

F.测试:生产效率、成品率、封装材料和工艺、生产测试

系统性能约束:

A.阅读器限制:EIRP有效全向辐射功率,阅读器灵敏度

B.标签限制:Antenna polarization(天线极化),芯片灵敏度,电源能量,Antenna gain天线增益,Impedance match阻抗匹配

C.导致结果:距离短,漏读,速度慢


防碰撞算法

多标签碰撞:多个标签同处在读写器的作用场内。当有两个以上的标签同时发送数据时,就会出现通信冲突和数据相互干扰(碰撞)。

为了防止这些冲突的产生,射频识别系统中需要设置一定的相关命令,解决冲突问题,这些命令被称为防冲突命令或算法,RFID系统标签防碰撞算法大多采用时分多路法,时分多路法分为以下两种,基于确定轮询的机制确定性算法和基于随机的机制的非确定性算法(主要是ALOHA算法)。

ALOHA算法是一种随机接入方法。其基本思想是采取标签先发言的方式,当RFID电子标签进入读写器的识别区域内时就自动向UHF读写器发送其自身的ID号,在标签发送数据的过程中,若有其他标签也在发送数据,将会发生信号重叠,从而导致冲突。读写器检测接收到的信号有无冲突,一旦发生冲突,读写器就发送命令让标签停止发送,随机等待一段时间后再重新发送以减少冲突。

1、纯ALOHA算法

在纯ALOHA算法中,若读写设备检测出信号存在相互干扰,读写器就会以向标签发出命令,令其停止向读写器传输信号;标签在接收到命令信号之后,就会停止发送信息,并会在随机时间段内进入到待命状态,只有当该时间段过去后,才会重新向RFID阅读器发送信息。各个RFID电子标签待命时间片段长度是随机的,再次向读写器发送信号的时间也不相同,这样减少碰撞的可能性。

超高频读写器成功识别某一个标签后,就会立即对该标签下达命令使之进入到休眠的状态。而其他标签则会一直对读写器所发出命令进行响应,并重复发送信息给读写器,当标签被识别后,就会一一进入到休眠状态,直到读写器识别出所有在其工作区内的标签后,算法过程才结束。发送帧不会产生碰撞,可以分析出,即发送成功的概率P与呑吐率与数据包含量有关。

特点:分组长度(等长),冲突区域大,实现简单,适用于分组发送密度较低场景

总结:检测到冲突就进入待命状态 随机等待时间段 过后进行发送


2、时隙ALOHA

时隙ALOHA算法把时间分成多个离散的时隙,每个时隙长度等于或稍大于一个帧,标签只能在每个时隙的开始处发送数据。这样标签要么成功发送,要么完全碰撞,避免了纯ALOHA算法中的部分碰撞冲突,碰撞周期减半,提高了信道利用率。时隙ALOHA算法需要读写器对其识别区域内的标签校准时间。因为标签仅仅在确定的时隙中传输数据,所以该算法的冲撞发生频率仅仅是纯ALOHA算法的一半,但其系统的数据吞吐性能却会增加一倍。

特点:冲突区域限制在时隙内,正确接收:无冲突、校验正确,发生碰撞:接收错误,空时隙

总结:将信道划分为若干时隙(大于等于一个帧),每个终端只能在每个时隙开始传送信息,冲突区域限制在时隙内,结果只有成功和碰撞(失败) 分组到达强度时刻,时隙ALOHA吞吐量是纯ALOHA的一倍。



3、成帧时隙ALOHA

成帧时隙算法中,时间被分成多个离散时隙,电子标签必须在时隙开始处才可以开始传输信息。读写器以一个帧为周期发送查询命令。当电子标签接收到读写器的请求命令时,每个标签通过随机挑选一个时隙发送信息给读写器。如果一个时隙只被唯一标签选中,则此时隙中标签传输的信息被鸿陆读写器成功接收,标签被正确识别。如果有两个或两个以上的标签选择了同一时隙发送,则就会产生冲突,这些同时发送信息的标签就不能被读写器成功识别。整个算法的识别过程都会如此循环,一直到所有标签都被识别完成。

特点:该算法的缺点是当标签数量远大于时隙个数时,读取标签的时间会大大增加;当标签个数远小于时隙个数时,会造成时隙浪费。

总结:若干个时隙组成一帧,所有标签在帧内选择时隙发送。


ALOHA算法的二项式模型



二进制树型搜索算法:二进制树型搜索算法由读写器控制,基本思想是不断的将导致碰撞的电子标签进行划分,缩小下一步搜索的标签数量,直到只有一个电子标签进行回应。

基本思路:多个标签进入读写器工作场后,读写器发送带限制条件的询问命令,满足限制条件的标签回答,如果发生碰撞,则根据发生错误的位修改限制条件,再一次发送询问命令,直到找到一个正确的回答,并完成对该标签的读写操作。对剩余的标签重复以上操作,直到完成对所有标签的读写操作。


标签存储区

标签存储器可以在逻辑上分为四个区域:

1、保留存储区(Reserved memory) 包括杀死和访问密码(kill and access passwords)。

2、EPC存储区(EPC memory) 包括一个CRC-16,协议控制位(ProtocolControl(PC) bits),以及一个用于识 别标签所附着的或即将附着的物品的编码( 如EPC,以后都称为EPC),

3、TID存储区(TID memory) 包括一个8-bit ISO/IEC 15963分配类别标识 符(EPCglobal的为111000102),还可以 包括标签数据和厂商数据。

4、用户存储区(User memory) 允许存储用户专用的数据信息。存储器的结构由用户自己定义。


标签操作:管理标签群

询问机采用选择、盘存及访问三个基本操作来管理标签群。每个操作均由一个或一个以上的命令组成。这三个基本的定义如下:

1、选择:询问机选择标签群以便于盘存和访问的过程。询问机可以一个或一个以上的Select命令在盘存之前选择特定的标签群。

2、盘存(清点):询问机识别标签的过程。询问机在四个通话的其中一个通话中传输Query命令,开始一个盘存周期。一个或一个以上的标签可以应答。询问机检查某个标签应答,请求该标签发出PC、EPC和CRC-16。同时只在一个通话中进行一个盘存周期。

3、访问:询问机与各标签交易(读取或写入标签)的过程。访问前必须要对标签进行识别。访问由多个命令组成,其中有些命令执行R=>T链的一次活页加密。


标签状态:

Ready 状态:在进入到一个射频激活区域之后,标签如果没有被killed,则将进入readdy状态。

Arbitrate 状态:表示那些参与到当前inventory round中,但是时隙计数器值非零的那部分标签。

Reply状态:当时隙计数器到达0000h的时候,标签转入reply状态 ,标签进入到reply状态后会反射一个RN16。

Acknowledge状态:如果reply状态下的标签收到一个有效的ACK,它将转入acknowledged状态,返回他的PC,EPC以及CRC–16。

Open 状态:标签处于open状态可以执行除了lock以外的所有访问命令。

secured 状态:处于ssecured状态的标签可以执行所有的访问命令。

Killed状态:处于open或者secured状态的标签,在接收到一个带有有效的非零kill密码以及有效的handle的Kill指令后会转入到killed状态。



UHF频段无源RFID系统性能分析

系统性能:

1、性能指标:识读距离 、可靠性(漏读)、 识读效率

2、各自取决因素:功率、传播、灵敏度;功率、MAC逻辑、天线;速率、MAC效率(上下一一对应)


无源RFID系统链路约束

阅读器限制:EIRP有效全向辐射功率,阅读器灵敏度

标签限制:天线极化(Antenna polarization),芯片灵敏度,电源能量,天线增益(Antenna gain),阻抗匹配(Impedance match)

导致结果:距离短,漏读,速度慢


RFID系统MAC识别效率:

不同距离的最小识别功率不同,距离越大,其最小识别功率越大;同一距离的识别能力随功率近似线性增长;发射功率并非越大越好。

超高频RFID应用系统设计

1、RFID应用系统架构:业务系统——支撑平台——中间件——读写器与标签

2、RFID中间件:是位于平台(硬件和操作系统)和应用之间的通用服务,这些服务具有标准的程序接口和协议。针对不同的操作系统和硬件平台,它们可以有符合接口和协议规范的多种实现。

3、RFID应用系统产品设计流程:

a.市场与应用需求分析

b.应用系统功能设计需求

c.技术与架构选型

d.硬件选型与功能设计

e.系统架构与系统指标

f.系统接口定义

g.软/硬件系统设计–软/硬件开发—软/硬件测试

h.系统测试


以上为小编整理的关于RFID超高频知识的一些资料,供大家参考,有出入的地方欢迎各位朋友多拍砖头,大家一起来探讨。


(图文来源于网络,侵删)

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