物聯網與RFID系統架構

RFID系統概述

射頻識別（RFID）是?Radio Frequency Identification的縮寫，是自動識別技術的一種，通過電磁波對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行非接觸雙向數據通信。

1.電子標簽：由芯片和天線組成，具有存儲數據和收發射頻無線信號功能。每個電子標簽存儲著唯一的電子編碼，電子編碼關聯著物品的詳細信息。

2.讀寫器：利用射頻技術讀寫電子標簽的設備。同時，還具備網絡通信接口，讀寫器通過此接口與系統高層通信，完成對標簽的讀寫操作。

3.系統高層：統籌管理讀寫器，完成對系統每個電子標簽的管理與實時追蹤。? ??

RFID系統的工作流程一般如下:

1.系統高層控制讀寫模塊執行讀寫操作；2.讀寫模塊控制射頻模塊產生射頻信號通過天線發送出去；3.標簽天線接收到射頻信號被激活，通過控制模塊操作（讀取或者寫入）電子標簽存儲器。

RFID工作的頻率的選擇要顧及其他無線電服務，不能對其他服務造成干擾和影響。通常情況下，讀寫器發送的頻率稱為系統的工作頻率或者載波頻率，根據工作頻率的不同，射頻識別分為低頻系統30kHz~300kHz，常見的有125kHZ和134.2kHz。高頻系統的工作范圍為3MHz~30MHz，RFID常見的高頻工作頻率是6.75MHz，13.56MHz和27.125MHz。微波系統工作頻率大于300MHz，常見的微波工作頻率是433MHz,860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz。其中433MHz、860/960MHz也常稱為超高頻(UHF)頻段。其天線波束方向較窄，是目前射頻系統研發的核心，是物聯網關鍵技術。

按照耦合方式分類分為電感耦合方式，讀寫器與電子標簽之間的信號傳遞采用變壓器模型，讀寫器與標簽距離近，且工作頻率低。另一種方式為電磁反向散射方式，讀寫器與電子標簽之間的信號傳遞采用雷達模型，讀寫器發射出去的電磁波碰到電子標簽之后，電磁波被反射，同時攜帶回電子標簽信息，該系統依據的是電磁波空間輻射原理。

電子標簽

電子標簽由標簽專用的芯片和標簽天線組成，芯片用來存儲物品的數據，天線用來收發無線電波。電子標簽在不同頻段上有不同的工作特點。低頻標簽一般為無源標簽，在電子標簽與讀寫器傳輸數據時，電子標簽位于讀寫器天線的近場區，電子標簽的工作能量通過變壓器耦合方式從讀寫器中獲得，電子標簽天線中感應的電壓被整流，當做電子標簽供電電壓使用。高頻電子標簽通常也是無源的，一般通過負載調制的方式工作，也就是通過電子標簽負載電阻的接通和斷開，這些數據就能從電子標簽傳輸到讀寫器。高頻電子標簽通常做成卡片的形狀。微波電子標簽可以是有源或者無源的，微波電子標簽與讀寫器傳輸數據時，電子標簽位于讀寫器天線的遠場區，讀寫器天線的輻射場為無源電子標簽提供能量，或者將有源標簽喚醒。由于微波電子標簽與讀寫器的距離較大，在工作區域中可能同時出現多個標簽，多個標簽同時識讀已經成為先進射頻識別系統的重要標志，微波的穿透力弱，不能穿透金屬，灰塵，霧等懸浮顆粒對微波的傳播有影響。

電子標簽由標簽芯片和天線構成，芯片的電路一般包含電源電路，時鐘電路，解調器，編碼器，控制器，存儲器，和負載調制電路等功能模塊。

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電子標簽的電源電路部分的功能是將電子標簽天線輸入的射頻信號整流穩壓后為標簽工作提供直流能量。電子標簽獲取的載波信號，頻率經過分頻之后，可以為編解碼器，存儲器和控制器提供時鐘信號。電子標簽輸入的信號經過解調，解碼電路，控制命令到達控制器，數據在控制器的控制下寫入存儲器。電子標簽的輸出信號，在控制器的管理下從存儲器輸出，經編碼器，負載調制電路輸出到電子標簽的天線。可讀可寫的存儲器一般分為EEPROM,是電感耦合式電子標簽主要采用的存儲器，的寫入時功耗較高，需要刷新。SRAM價格高，體積大，集成度較低，需要輔助電池不斷進行供電，可以用在微波頻段自帶電池的電子標簽。FRAM鐵電存儲器將高速讀寫和低功耗等優勢結合起來，在射頻領域有廣闊前景。電子標簽的負載調制模塊將讀寫器發射過來的信號進行反射，反射時做振幅調制，包含了電子標簽中的數據信息。標簽的天線低頻系統采用線圈型，相當于變壓器。高頻也為線圈型，但是因為頻率比低頻高很多，則線圈數較少。微波的天線種類很多，有微帶天線或對稱振子天線。

電子標簽的封裝有紙質標簽，塑料標簽，玻璃標簽。電子標簽的發展趨勢向著體積更小，成本更低，作用距離更遠，無源可讀性能更加完善，適應高速移動物體識別，多標簽的讀寫功能，電磁場下自我保護功能更加完善，新的生產工藝和更多的附屬智能功能方向發展。

讀寫器

讀寫器由射頻模塊，控制處理模塊和天線組成。天線可以是外接的，獨立于讀寫器，也可以是內置的。射頻模塊用于基帶信號（原始電信號）與射頻信號的相互轉化。控制模塊是讀寫器的核心，對發射信號進行編碼，調制等各種處理，對接收信號進行解調，解碼等各種處理。執行防碰撞算法，實現與后端應用的規范接口。

讀寫器的結構形式有固定式的讀寫器,手持便攜式讀寫器等。固定讀寫器一般是指天線，讀寫器與主控機分離。天線可以采用單天線，雙天線或多天線形式，天線接口可以是BNC或者SMA射頻接口，天線與讀寫器的連接可以為螺釘旋接方式，也可以是焊點連接方式。通信接口可以采用RS232接口，RS485接口或者無線WLAN802.11接口。手持便攜式讀寫器將天線與讀寫器，主控機集成在一起，適合用戶手持使用的電子標簽讀寫設備。

讀寫器的工作主要完成電子標簽與讀寫器之間的通信，這包括對電子標簽的初始化，讀取或者寫入電子標簽的內存信息，使電子標簽功能失效等。讀寫器還要完成與系統高層之間的通信，讀寫器要將讀取到的標簽信息傳遞給由計算機網絡構成的系統高層，系統高層對讀寫器進行控制和信息交換，完成特定的應用任務。讀寫器的識別能力主要體現了讀寫器的性能，包括防碰撞能力，對高速移動物體識別的能力。

讀寫器的技術參數包括工作頻率，輸出功率，輸出接口等。工作頻率分為低頻，高頻，超高頻。輸出功率不僅要滿足對應用的需要，還需要符合國家和地區對無線發射功率的許可，符合人體健康要求。輸出的接口形式有很多，有RS232,RS485,USB,WIFI,4G等多種接口。

讀寫器的模塊射頻模塊，控制處理模塊和天線。

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射頻模塊分為發送通道以及接收通道。射頻模塊主要負責射頻信號的解調和基帶信號的調制。基帶信號處理模塊主要負責將讀寫器發出的命令與數據進行編碼，使信號便于調制到載波上進行傳輸，對經過射頻模塊處理過的回波信號進行放大，解調，提取出電子標簽發送的信號。智能模塊這里涉及嵌入式編程，對讀寫器與電子標簽之間傳送的數據進行加密和解密，實現與后端應用程序之間的接口（Application Program Interface,API）規范，執行防碰撞算法，實現多個標簽同時識別。天線處于讀寫器的最前端，是讀寫器的重要組成部分。讀寫器天線發射的電磁場強度和方向性決定了電子標簽的作用距離和感應強度，讀寫器天線對射頻識別系統有重要影響。讀寫器天線的參數主要是方向系數，方向圖，半功率波瓣寬度，增益，極化。帶寬和輸入阻抗等。讀寫器方向性根據設計可強可弱，增益一般在幾到十幾分貝之間，極化分為線極化或者圓極化方式，帶寬覆蓋整個工作頻段，輸入阻抗通常選擇50Ω或者75Ω，尺寸在幾厘米到幾米之間。

讀寫器的發展趨勢為兼容性，多頻段，多制式兼容。接口多樣化，具有RS232,USB,WIFI等接口。采用新的技術，包括智能天線和防碰撞算法。

系統高層

對于某些簡單的應用，一個讀寫器可以獨立完成應用的需要。但對于多數應用來說，射頻識別系統是由多個讀寫器構成的信息系統，系統高層是必不可少的。系統高層可以將許多讀寫器獲取的數據信息有效的整合起來，完成查詢，管理和數據交換的功能。

中間件是介于RFID讀寫器與后端應用程序之間的獨立軟件，中間件可以與多個讀寫器和多個后端應用程序相連，應用程序通過中間件就能連接到讀寫器，讀取電子標簽的數據，中間件在整個嵌入式應用系統中扮演著設備抽象和管理的作用，解決包括軟硬件聯調困難和解決方案迭代周期長的問題。

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總結

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