硬學(xué)|談?wù)凴FID技術(shù)

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　　RFID簡介

　　射頻標(biāo)簽是產(chǎn)品電子代碼(EPC)的物理載體，附著于可跟蹤的物品上，可全球流通并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和讀寫。RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)作為構(gòu)建"物聯(lián)網(wǎng)" 的關(guān)鍵技術(shù)近年來受到人們的關(guān)注。

　　射頻識(shí)別(RFID)是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型(初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞)，在高頻段基于雷達(dá)探測目標(biāo)的空間耦合模型(雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī))。

　　無線電的信號(hào)是通過調(diào)成無線電頻率的電磁場，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標(biāo)簽上傳送出去，以自動(dòng)辨識(shí)與追蹤該物品。某些標(biāo)簽在識(shí)別時(shí)從識(shí)別器發(fā)出的電磁場中就可以得到能量，并不需要電池;也有標(biāo)簽本身擁有電源，并可以主動(dòng)發(fā)出無線電波(調(diào)成無線電頻率的電磁場)。標(biāo)簽包含了電子存儲(chǔ)的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識(shí)別。與條形碼不同的是，射頻標(biāo)簽不需要處在識(shí)別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。

　　RFID電子標(biāo)簽的閱讀器通過天線與RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行無線通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽識(shí)別碼和內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀出或?qū)懭氩僮?。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。

　　標(biāo)簽(Tag)：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，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象;

　　讀寫器(Reader)：讀取(有時(shí)還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式;

　　天線(Antenna)：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。

　　圖一：RFID系統(tǒng)原理圖

　　無源RFID產(chǎn)品發(fā)展最早，也是發(fā)展最成熟，市場應(yīng)用最廣的產(chǎn)品。比如，公交卡、食堂餐卡、銀行卡、賓館門禁卡、二代身份證等，這個(gè)在我們的日常生活中隨處可見，屬于近距離接觸式識(shí)別類。其產(chǎn)品的主要工作頻率有低頻125KHZ、高頻13.56MHZ、超高頻433MHZ，超高頻915MHZ。

　　有源RFID產(chǎn)品，是最近幾年慢慢發(fā)展起來的，其遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別的特性，決定了其巨大的應(yīng)用空間和市場潛質(zhì)。在遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別領(lǐng)域，如智能監(jiān)獄，智能醫(yī)院，智能停車場，智能交通，智慧城市，智慧地球及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有重大應(yīng)用。有源RFID在這個(gè)領(lǐng)域異軍突起，屬于遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別類。產(chǎn)品主要工作頻率有超高頻433MHZ，微波2.4GHZ和5.8GHZ。

　　空中接口通信協(xié)議規(guī)范讀寫器與電子標(biāo)簽之間信息交互，目的是為不同廠家生產(chǎn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通性。ISO/IEC制定五種頻段的空中接口協(xié)議。

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　　無源RFID設(shè)計(jì)案例

　　在當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用中，應(yīng)用最多最廣泛的還是無源RFID的產(chǎn)品。在許多應(yīng)用到無源RFID的電路設(shè)計(jì)中，很多情況下是選用13.56MHZ的RC522模塊，這是一款應(yīng)用廣泛的無源RFID模塊。對(duì)于RC522的應(yīng)用電路，是使用3V3的直流電源供電，然后將接收到的信息通過SPI接口進(jìn)行通信。應(yīng)用原理圖如下圖二所示：

　　圖二：RC522應(yīng)用原理圖

　　13.56MHZ天線電路包括信號(hào)接收電路和信號(hào)發(fā)射電路，信號(hào)發(fā)射電路分為EMC濾波部分、匹配電路部分和線圈電路部分。

　　發(fā)射電路：信號(hào)發(fā)射部分可細(xì)分為EMC濾波電路、諧振與阻抗匹配電路、線圈三部分。其中：

　　EMC濾波電路：主要是由LC低通濾波電路組成低通濾波器，讀卡芯片經(jīng)由TX1和TX2送出的天線信號(hào)主要是13.56Mhz，但是不可避免也會(huì)有高次諧波存在。所以該部分的低通濾波器主要作用就是濾除高于13.56Mhz的無用信號(hào)。這樣即有利于讀卡器與卡片之間的正常通信，也能減少天線部分對(duì)空間或者附近電路的電磁干擾。

　　匹配電路：此部分主要是調(diào)整整個(gè)天線發(fā)射部分的諧振頻率點(diǎn)到13.56Mhz附近，這樣可以使得線圈上的信號(hào)幅度增加有利于磁場輻射。另外匹配電路還要將發(fā)射部分電路的電阻匹配到與讀卡芯片的輸出電阻附件，典型的是50歐姆(不同芯片不一樣)。這樣可以使得天線部分獲得最大功率有利于讀卡距離提升。

　　線圈：線圈可以是PCB線圈或者銅線繞制線圈。

　　接收電路：信號(hào)接收電路比較簡單，由四個(gè)元器件構(gòu)成，Cmin電容可穩(wěn)定讀卡芯片內(nèi)部提供的固定參考電壓Vmin，R1則將此參考電壓引入到RX引腳，為芯片的接收信號(hào)添加固定直流電平，CRx則從發(fā)生電路引入反饋信號(hào)與Vmin疊加后送入芯片內(nèi)部。通過調(diào)節(jié)R2和R1的比值可以調(diào)節(jié)Rx腳信號(hào)的幅度，使得芯片的讀卡距離最佳。

　　在PCB設(shè)計(jì)時(shí)還要注意以下幾點(diǎn)：

　　整個(gè)發(fā)射部分電路一定要注意對(duì)稱設(shè)計(jì)，從Tx1和Tx2出來的兩路信號(hào)的走線長度盡量做到一致。

　　兩只電感應(yīng)該用0805以上的封裝，以保證有足夠的電流通過(680nH/0805)，否則不利于遠(yuǎn)距離讀卡。

　　PCB線圈的長寬視具體情況而定，如果電路板不受模具限制可設(shè)計(jì)為與普通卡片長寬一致，如果線圈大小受限制也可減小線圈面積。一般原則是設(shè)計(jì)為與所讀的卡片大小一致最好;再說線圈的圈數(shù)問題，長寬在3x3cm以上4圈即可，過多反而不好調(diào)整參數(shù)。如果是在3x3cm以下可以將圈數(shù)增加至6圈或者更多;PCB線圈走線寬度在0.5mm~1mm之間，間距與線寬相同即可，另外線圈拐角以圓弧過渡最好。

　　線圈部分，不可大面積敷銅，否則會(huì)引起磁場渦流效應(yīng)造成能量嚴(yán)重?fù)p耗要注意線圈作用范圍內(nèi)(線圈周圍全部空間)不可有大面積的金屬元件、金屬物體、金屬鍍膜等。

　　整個(gè)發(fā)射電路所有器件的地必須連接到同一根地線上并且返回芯片的TVSS腳，且天線電路器件附近不可大面積覆銅，器件之間以導(dǎo)線連接。

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　　總結(jié)

　　在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的這個(gè)時(shí)代，RFID作為一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中采用的感知層技術(shù)，與物聯(lián)網(wǎng)有著不解之緣。近年來，RFID技術(shù)也極大地增加物聯(lián)網(wǎng)的功能，豐富了物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也推動(dòng)了RFID技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，如針對(duì)生鮮物品、藥物等“物”對(duì)物聯(lián)網(wǎng)提出的特殊要求，RFID標(biāo)簽不但能夠提供商品的靜態(tài)信息，還能提供商品所在位置以及周圍的溫度、濕度等動(dòng)態(tài)信息，大大提高了RFID標(biāo)簽的智變度。目前采用RFID感知層的物聯(lián)網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)了“人與人”通信與“人與物”通信，但要在未來的物聯(lián)網(wǎng)中要實(shí)現(xiàn)“物與物”通信與互動(dòng)，必須提升裝在“物”上使“物”智能化的RFID標(biāo)簽的智能化水平。此外，標(biāo)準(zhǔn)化、互操作性、協(xié)議、法規(guī)以及連接技術(shù)等，仍有待提升和完善。