电子标签

电子标签电子标签又称射频标签射频卡射频卷标或应答器由于电子标签可广泛应用于商品流通物流管理以及众多与人们密切相关的领域也便于和其他形式的标签相互区别因而采用通俗的电子标签的称呼有助于其推广和应用电子标签是由IC芯片和通信天线组成的标签中一般保存有约定格式的电子数据在实际应用中无线标签附着在待识别物体的表面存储在芯片中的数据可以由读写器以无线电波的形式非接触地读取并通过读写器的处理器进行信息解读并进行相关管理按照目前比较标准的说法电子标签是一种非接触式的自动识别技术是目前使用的条形码的无线版本电子标签的应用将给零售物流等产业带来革命性变化如果电子标签技术能与电子供应紧密联系则它很有可能在几年以内取代条形码扫描技术电子标签便于进行大规模生产并能做到日常免维护使用读写设备采用独特的微波技术同时收发电路成本低性能可靠是近距离自动识别技术实施的好方案收发天线采用微带平板天线便于各种应用场合安装切易于生产天线的环境适应性强机械和电气特性都比较好系统工作时读写器发出微波查询能量信号电子标签无源收到微波查询能量信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作另一部分微波能量信号被电子标签内保存的数据信息调制ASK后反射回读写器读写器接收反射回的幅度调制信息从中提取出电子标签中保存的标识性数据信息在系统工作过程中读写器发出的微波信号与接收发射回的幅度调制信号是同时进行的发射回去的信号强度要比发射信号要弱得多因此技术实现上的难点主要在于同频接收3341电子标签的基本组成电子标签与读写器间通过电磁波进行通信与其他通信系统一样电子标签可以看成一个特殊的收发信机Transceiver总的来说电子标签可以分为两部分即标签芯片和标签天线如图51所示标签天线的功能是收集阅读器发射到空间的电磁波和将芯片本身发射的能量以电磁波的方式发射出去标签芯片的功能是对标签接收的信号进行解调解码等各种处理并把电子标签需要返回的信号进行编码调制等各种处理3342电子标签的种类和特点1电子标签的分类电子标签是射频识别系统中存储可识别数据的电子装置电子标签通常安装在被识别对象存储被识别对象的相关信息标签存储器中的信息可由读写器进行非接触读写标签可以是卡也可以是其他形式的装置非接触式IC卡中的遥耦合识别卡就属于电子标签电子标签根据供电方式数据调制方式工作频率可读写性和数据存储特性的不同可以分为不同的种类1根据标签的供电形式分为有源系统和无源系统电子标签可分为有源标签和无源标签两种有源标签使用标签内电池的能量识别距离较长可达几十米甚至上百米但是其寿命有限并且价格高由于标签自带电池因而有源标签的体积比较大无法制作成薄卡比如信用卡标签有源标签读写器的天线的距离教无源标签要远需要定期更换电池无源电子标签不含有电池利用耦合的读写器发射的电磁场能量作为自己的能量无源电子标签重量轻体积小寿命非常长成本便宜可以制成各种各样的薄卡或者挂扣卡但无源标签的发射距离受限制一般是几十厘米到几十米且需要较大的读写器发射功率无源标签工作时一般距读写器的天线比较近有源标签和无源标签的特性对比如表31所示2根据标签的数据调制方式分为主动式被动式和半主动式根据调制的方式不同电子标签可分为主动式被动式和半主动式一般来讲无源系统为被动式有源系统为主动式主动式的电子标签利用自身的射频能量主动地发送数据给读写器调制方式可为调幅调频和调相由读写器发出的查询信号触发后进入通信状态的标签称为被动式标签被动式标签的通信能量是从读写器发射的电磁波中获得的它既有不含电源的标签也有含电源的标签含电源的标签电源只为芯片运转提供能量这样的标签也称为半主动标签被动式的射频系统使用调制散射方式发射数据它必须利用读写器的载波来调制自己的信号适用于门禁考勤或交通管理领域因为读写器可以确保只激活一定范围内的电子标签在有障碍物的情况下采用调制散射方式读写器的能量必须来去穿过障碍物两次而主动式的电子标签发射的信号仅穿过障碍物一次因而主动式方式工作的电子标签主要应用于有障碍物的情况下其传输距离更远3根据标签的工作频率可以分为低频高频及超高频和微波系统电子标签工作时所使用的频率成为RFID工作频率基本可以划分为5个主要范围低频30300KHz高频330MHz和超高频300MHz3GHz以及微波245GHz以上电子标签的工作频率是其最重要的特点之一电子标签的工作频率不仅决定着射频系统工作原理电感耦合还是电磁耦合和识别距离而且还决定着电子标签和读写器实现的难易程度及版本工作在不同频段或频点上的电子标签具有不同的特点射频识别应用占据的频段或频点在国际上有工人的划分即位于ISM波段之中典型的工作频率有125kHz133KHz1356MHz2712MHz433MHz860930MHz245GHz58GHZz等低频段电子标签低频段电子标签简称为低频LowFrequnencyLF标签其工作频率范围为30300KHz典型工作频率有125KHz和133KHz低频标签一般为无源标签其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得低频标签与读写器之间传送数据时低频标签需位于读写器天线辐射的近场区内低频标签与读写器距离一般情况下小于1m高频段电子标签高频段电子标签简称为高频HighFrequencyHF标签其工作频率一般为330MHz典型工作频率为1356MHz从射频识别应用角度来说该频段电子标签的工作原理与低频标签完全相同即采用电感耦合方式工作因而宜将其归为低频标签类中鉴于该频段的电子标签可能是实际应用中最大量的一种电子标签因而可以将高低理解为一个相对的概念即不会因此造成理解上的混乱特高频标签特高频标签通过电场来传输能量电场的能量下降的不是很快但是读取的区域不是很好定义该频段读取距离比较远无源标签可达10m左右主要是通过电容耦合的方式实现的特高频UltraHighFrequencyUHF工作频率为300MHz3GHz典型的工作频率有43392MHz和915MHz特高频作用范围广传输数据速度快但比较耗能穿透力较弱作业区域不能有太多干扰适用于监测港口仓储等物流领域的物品相关的国际标准有ISO180006860930MHz和ISO18000743392MHz等微波标签微波标签工作于245GHz的频段支持ISOIEC180004标准中微波段的技术要求和无线非接触信息系统应用的标准空中接口典型工作频率有245GHz和58GHz系统包含两种模式一种是读写器先发指令的无源标签系统另一种是标签先发指令的有源标签系统4根据标签的可读写性分为只读读写和一次写入多次读出卡根据内部使用存储器类型的不同电子标签可分为三种可读写ReadWriteRW标签一次写入多次读出WriteOnceReadManyWORM标签和只读标签ReadOnlyRO标签RW标签一般比WORM标签和RO标签贵如信用卡等WORM标签是用户可以一次性写入的标签写入后数据不能改变WORM的存储器一般由PROMProgrammableReadOnlyMemory可编程只读存储器和PALProgrammableArrayLogic可编程阵列逻辑组成比RW便宜RO标签保存有一个唯一的号码ID不能修改这样具有较高的安全性RO标签最便宜2电子标签的特点射频识别技术之所以被广泛应用其根本原因在于这项技术真正实现了自动化管理在电子标签中存储了规范可用的信息通过无线数据通信可以被自动采集到系统中并且电子标签的形式种类多使用十分方便电子标签又耦合元件及芯片组成每个标签具有唯一的电子编码附着在物体目标对象上电子标签内编写的程序可按特殊的应用进行随时读取和改写电子标签也可编入相应人员的一些数据信息这些人员的数据信息可依据需要进行分类管理并可随不同的需要制作新卡电子标签中的内容被改写的同时也可以被永久锁死保护起来通常电子标签的芯片体积很小厚度一般不超过035mm可以印制在纸张塑料木材玻璃纺织品等包装材料上也可以直接制作在商品标签上通过自动贴标签机进行自动贴标签总的来说电子标签具有以下特点1具有一定的存储容量可以存储被识别物品的相关信息2在一定工作环境及技术条件下电子标签存储的数据能够被读出或写入3维持对识别物品的识别及相关信息的完整4数据信息编码后及时传输给读写器5可编程并且编程以后永久性数据不能再修改6具有确定的使用期限使用期限内不需维修7对于有源标签通过读写器能够显示电池的工作情况335RFID读写器读写器是射频识别系统中又一个非常重要的组成部分它负责连接电子标签和计算机通信网络与标签进行双向数据通信读取标签中的数据或者按照计算机的指令对标签中的数据进行改写读写器的工作频率决定了整个射频识别系统的工作频率读写器的功率大小决定了整个射频识别系统的工作距离1读写器的功能读写器之所以非常重要这是由它的功能所决定的它的主要功能有以下几点1实现与电子标签的通讯最常见的就是对标签进行读数这项功能需要有一个可靠的软件算法确保安全性可靠性等除了进行读数以外有时还需要对标签进行写入这样就可以对标签批量生产由用户按照自己需要对标签进行写入2给标签供能在标签是被动式或者半被动式的情况下需要读写器提供能量来激活射频场周围的电子标签阅读器射频场所能达到的范围主要由天线的大小以及阅读器的输出功率决定的天线的大小主要是根据应用要求来考虑的而输出功率在不同国家和地区都有不同的规定3实现与计算机网络的通讯这一功能也很重要读写器能够利用一些接口实现与上位机的通讯并能够给上位机提供一些必要的信息4实现多标签识别读写器能够正确的识别其工作范围内的多个标签5实现移动目标识别读写器不但可以识别静止不动的物体也可以识别移动的物体6实现错误信息提示对于在识别过程中产生的一些错误读写器可以发出一些提示7对于有源标签读写器能够读出有源标签的电池信息如电池的总电量剩余电量等2读写器的基本组成典型的读写器终端一般由天线射频接口模块和逻辑控制模块三部分构成其结构图如下所示1天线读写器的天线是发射和接收射频载波信号的设备它主要负责将读写器中的电流信号转换成射频载波信号并发送给电子标签或者接收标签发送过来的射频载波信号并将其转化为电流信号读写器的天线可以外置也可以内置天线的设计对阅读器的工作性能来说非常重要对于无源标签来说它的工作能量全部由阅读器的天线提供2射频接口模块读写器的射频接口模块主要包括发射器射频接收器时钟发生器和电压调节器等该模块是读写器的射频前端同时也是影响读写器成本的关键部位主要负责射频信号的发射及接收其中的调制电路负责将需要发送给电子标签的信号加以调制然后再发送解调电路负责将解调标签送过来的信号并进行放大时钟发生器负责产生系统的正常工作时钟3逻辑控制模块读写器的逻辑控制模块是整个读写器工作的控制中心智能单元是读写器的大脑读写器在工作时由逻辑控制模块发出指令射频接口模块按照不同的指令做出不同的操作它主要包括微控制器存储单元和应用接口驱动电路等微控制器可以完成信号的编解码数据的加解密以及执行防碰撞算法存储单元负责存储一些程序和数据应用接口负责与上位机进行输入或输出的通信下面以UHF频段读写器为例详细介绍一下读写器的射频模块是如何工作的射频模块又可以分为发射和接收两部分读写器的发射电路部分主要由混频器Mixer数模转换器DAC衰减器Attenuator可变增益放大器VGA功率分配器PowerSplitter射频滤波器Filter以及射频功率放大器PA发射部分的工作过程如下1阅读器控制压控振荡器产生出频率为86096OMHZ的载波信号然后把这个信号传送给功分器2功率分配器把要发射的信号分成两部分一部分发送到接收电路作为接收信号进行混频时的信号源另外一路则先经过衰减器再送到Mixer3通过混频使阅读器的基带信号控制传送过来的载波信号的幅度相位变化然后经过可变增益放大器VGA和射频滤波器以后传至功率放大器4阅读器根据实际情况自动调节发射信号的增益然后经过射频功率放大器进行放大最后再经过环行器传送到阅读器天线准备发射这里环行器的作用就是将阅读器天线接收到的信号与发送的信号隔离开来避免出现同频干扰读写器的接收部分主要包括功率分配器混频器模数转换器ADC以及射频滤波器接收部分的工作流程是1由标签通过反向散射传递过来的信号通常功率比较小它会首先进入环行器以便与阅读器发射的载波信号分离避免出现同频干扰在通过射频滤波器后进入到功率分配器从这里出来的信号又分成了两路2从发射线路过来的未调制载波作为接收线路的本振信号产生两路参考信号两路参考信号的相位相差903两路参考信号与从第一步功分器分离出来的两路信号进行混频生成两路基带信号然后分别经过各自的运算放大器和低通滤波器以后返回到阅读器的信号处理单元进行相关处理3读写器的IO接口形式一般读写器的IO接口形式主要有1RS232串行接口计算机普遍适用的标准串行接口能够进行双向的数据信息传递它的优势在于通用标准缺点是传输距离不会达到很远传输速度也不会很快2RS485串行接口也是一类标准串行通信接口数据传递运用差分模式抵抗干扰能力较强传输距离比RS232传输距离较远传输速度与RS232差不多3以太网接口阅读器可以通过该接口直接进入网络4USB接口也是一类标准串行通信接口传输距离较短传输速度较高4读写器的工作方式读写器主要有两种工作方式一种是读写器先发言方式ReaderTalksFirstRTF另一种是标签先发言方式TagTalksFirstTTF在一般情况下电子标签处于等待或休眠状态当电子标签进入读写器的作用范围被激活以后便从休眠状态转为接收状态接受读写器发出的命令进行相应的处理并将结果返回给读写器这类只有接收到读写器特殊命令才发送数据的电子标签被称为RTF方式与此相反进入读写器的能量场即主动发送数据的电子标签被称为TTF方式5读写器的种类根据使用用途各种读写器在结构上及制造形式上也是千差万别的大致可以将读写器划分为以下几类固定式读写器OEM读写器工业读写器便携式读写器以及大量特殊结构的读写器1固定式读写器固定式读写器是最常见的一种读写器它是将射频控制器和高频接口封装在一个固定的外壳中构成的有时为了减少设备尺寸降低成本便于运输也可以将天线和射频模块封装在一个外壳单元中这样就构成了集成式读写器或者一体化读写器2OEM读写器为了将读写器集成到用户自己的数据操作终端BDE终端出入控制系统收款系统及自动装置等需要采用OEM读写器OEM读写器是装在一个屏蔽的白铁皮外壳中向用户供货的或者也可以是以无外壳的插件板的方式供货电子连接的形式大致有焊接端子插接端子或螺丝旋接端子等3工业读写器对于在安装或生产设备中的应用需要采用工业读写器工业读写器大多具备标准的现场总线接口以便容易集成到现有设备中它主要应用在矿井畜牧自动化生产等领域此外这类读写器还满足多种不同的防护需要现在即使是带有防爆保护的读写器也能买到4发卡机发卡机也叫读卡器发卡器等主要用来对电子标签进行具体内容的操作包括建立档案呢消费纠正挂失补卡信息纠正等经常与计算机放在一起从本质上说发卡机实际上是小型的射频读写器5便携式读写器便携式读写器是适合于用户手持使用的一类射频电子标签读写设备其工作原理与其他形式的读写器完全一样便携式读写器主要用于动物识别主要作为检查设备付款往来的设备服务及测试工作中的辅助设备便携式读写器一般带有LCD显示屏并且带有键盘面板以便于操作或输入数据通常可以选用RS232接口来实现便携式读写器与PC机之间的数据交换除了在实验室中用于系统评估工作的最简单的便携式读写器以外还有用于恶劣环境中的特别耐用并且带有防水保护的便携式读写器6读写器的发展趋势随着RFID技术的不断发展未来的读写器也将朝着多功能多制式兼容多频段兼容小型化多数据接口便携式多智能天线端口嵌入式和模块化的方向发展而且成本也将越来越低1多功能为了适应市场对射频识别系统多样性和多功能的要求读写器将集成更多更加方便实用的功能另外为了适应某些应用的方便读写器将具有更多的智能性具有一定的数据处理能力可以按照一定的规则将应用系统处理程序下载到读写器中这样读写器就可以脱离中央处理计算机做到脱机工作完成门禁报警等功能2多制式兼容由于目前全球没有统一的射频识别技术标准各个厂家的系统互相不兼容但是随着射频识别技术的逐渐统一以及市场竞争的需要只要这些标签协议是公开的或者是经过许可的某些厂家的读写器将兼容多种不同制式的电子标签以提高产品的应用适应能力和市场竞争力3多频段兼容由于目前缺乏一个全球统一的射频识别频率不同国家和地区的射频识别产品具有不同的频率为了适应不同国家和地区的需要读写器将朝着兼容多个频段输出功率数字可控等方向发展4成本更低相对来说目前大规模的射频识别应用其成本还是比较高的随着市场的普及以及技术的发展读写器以及整个射频识别系统的应用成本将会越来越低最终会实现所有需要识别和跟踪的物品都使用电子标签5小型化便携式嵌入式模块化这是读写器市场发展的一个必然趋势随着射频识别技术的应用不断增多人们对读写器使用是否方便提出了更高的要求这就要求不断采用新的技术来减小读写器的体积使读写器方便携带使用易于与其他的系统进行连接从而使得接口模块化