物联网与RFID系统架构

RFID系统概述

射频识别（RFID）是 Radio Frequency Identification的缩写，是自动识别技术的一种，通过电磁波对记录媒体（电子标签或射频卡）进行非接触双向数据通信。

1.电子标签：由芯片和天线组成，具有存储数据和收发射频无线信号功能。每个电子标签存储着唯一的电子编码，电子编码关联着物品的详细信息。

2.读写器：利用射频技术读写电子标签的设备。同时，还具备网络通信接口，读写器通过此接口与系统高层通信，完成对标签的读写操作。

3.系统高层：统筹管理读写器，完成对系统每个电子标签的管理与实时追踪。    

RFID系统的工作流程一般如下:

1.系统高层控制读写模块执行读写操作；2.读写模块控制射频模块产生射频信号通过天线发送出去；3.标签天线接收到射频信号被激活，通过控制模块操作（读取或者写入）电子标签存储器。

RFID工作的频率的选择要顾及其他无线电服务，不能对其他服务造成干扰和影响。通常情况下，读写器发送的频率称为系统的工作频率或者载波频率，根据工作频率的不同，射频识别分为低频系统30kHz~300kHz，常见的有125kHZ和134.2kHz。高频系统的工作范围为3MHz~30MHz，RFID常见的高频工作频率是6.75MHz，13.56MHz和27.125MHz。微波系统工作频率大于300MHz，常见的微波工作频率是433MHz,860/960MHz、2.45GHz和5.8GHz。其中433MHz、860/960MHz也常称为超高频(UHF)频段。其天线波束方向较窄，是目前射频系统研发的核心，是物联网关键技术。

按照耦合方式分类分为电感耦合方式，读写器与电子标签之间的信号传递采用变压器模型，读写器与标签距离近，且工作频率低。另一种方式为电磁反向散射方式，读写器与电子标签之间的信号传递采用雷达模型，读写器发射出去的电磁波碰到电子标签之后，电磁波被反射，同时携带回电子标签信息，该系统依据的是电磁波空间辐射原理。

电子标签

电子标签由标签专用的芯片和标签天线组成，芯片用来存储物品的数据，天线用来收发无线电波。电子标签在不同频段上有不同的工作特点。低频标签一般为无源标签，在电子标签与读写器传输数据时，电子标签位于读写器天线的近场区，电子标签的工作能量通过变压器耦合方式从读写器中获得，电子标签天线中感应的电压被整流，当做电子标签供电电压使用。高频电子标签通常也是无源的，一般通过负载调制的方式工作，也就是通过电子标签负载电阻的接通和断开，这些数据就能从电子标签传输到读写器。高频电子标签通常做成卡片的形状。微波电子标签可以是有源或者无源的，微波电子标签与读写器传输数据时，电子标签位于读写器天线的远场区，读写器天线的辐射场为无源电子标签提供能量，或者将有源标签唤醒。由于微波电子标签与读写器的距离较大，在工作区域中可能同时出现多个标签，多个标签同时识读已经成为先进射频识别系统的重要标志，微波的穿透力弱，不能穿透金属，灰尘，雾等悬浮颗粒对微波的传播有影响。

电子标签由标签芯片和天线构成，芯片的电路一般包含电源电路，时钟电路，解调器，编码器，控制器，存储器，和负载调制电路等功能模块。

电子标签的电源电路部分的功能是将电子标签天线输入的射频信号整流稳压后为标签工作提供直流能量。电子标签获取的载波信号，频率经过分频之后，可以为编解码器，存储器和控制器提供时钟信号。电子标签输入的信号经过解调，解码电路，控制命令到达控制器，数据在控制器的控制下写入存储器。电子标签的输出信号，在控制器的管理下从存储器输出，经编码器，负载调制电路输出到电子标签的天线。可读可写的存储器一般分为EEPROM,是电感耦合式电子标签主要采用的存储器，的写入时功耗较高，需要刷新。SRAM价格高，体积大，集成度较低，需要辅助电池不断进行供电，可以用在微波频段自带电池的电子标签。FRAM铁电存储器将高速读写和低功耗等优势结合起来，在射频领域有广阔前景。电子标签的负载调制模块将读写器发射过来的信号进行反射，反射时做振幅调制，包含了电子标签中的数据信息。标签的天线低频系统采用线圈型，相当于变压器。高频也为线圈型，但是因为频率比低频高很多，则线圈数较少。微波的天线种类很多，有微带天线或对称振子天线。

电子标签的封装有纸质标签，塑料标签，玻璃标签。电子标签的发展趋势向着体积更小，成本更低，作用距离更远，无源可读性能更加完善，适应高速移动物体识别，多标签的读写功能，电磁场下自我保护功能更加完善，新的生产工艺和更多的附属智能功能方向发展。

读写器

读写器由射频模块，控制处理模块和天线组成。天线可以是外接的，独立于读写器，也可以是内置的。射频模块用于基带信号（原始电信号）与射频信号的相互转化。控制模块是读写器的核心，对发射信号进行编码，调制等各种处理，对接收信号进行解调，解码等各种处理。执行防碰撞算法，实现与后端应用的规范接口。

读写器的结构形式有固定式的读写器,手持便携式读写器等。固定读写器一般是指天线，读写器与主控机分离。天线可以采用单天线，双天线或多天线形式，天线接口可以是BNC或者SMA射频接口，天线与读写器的连接可以为螺钉旋接方式，也可以是焊点连接方式。通信接口可以采用RS232接口，RS485接口或者无线WLAN802.11接口。手持便携式读写器将天线与读写器，主控机集成在一起，适合用户手持使用的电子标签读写设备。

读写器的工作主要完成电子标签与读写器之间的通信，这包括对电子标签的初始化，读取或者写入电子标签的内存信息，使电子标签功能失效等。读写器还要完成与系统高层之间的通信，读写器要将读取到的标签信息传递给由计算机网络构成的系统高层，系统高层对读写器进行控制和信息交换，完成特定的应用任务。读写器的识别能力主要体现了读写器的性能，包括防碰撞能力，对高速移动物体识别的能力。

读写器的技术参数包括工作频率，输出功率，输出接口等。工作频率分为低频，高频，超高频。输出功率不仅要满足对应用的需要，还需要符合国家和地区对无线发射功率的许可，符合人体健康要求。输出的接口形式有很多，有RS232,RS485,USB,WIFI,4G等多种接口。

读写器的模块射频模块，控制处理模块和天线。

射频模块分为发送通道以及接收通道。射频模块主要负责射频信号的解调和基带信号的调制。基带信号处理模块主要负责将读写器发出的命令与数据进行编码，使信号便于调制到载波上进行传输，对经过射频模块处理过的回波信号进行放大，解调，提取出电子标签发送的信号。智能模块这里涉及嵌入式编程，对读写器与电子标签之间传送的数据进行加密和解密，实现与后端应用程序之间的接口（Application Program Interface,API）规范，执行防碰撞算法，实现多个标签同时识别。天线处于读写器的最前端，是读写器的重要组成部分。读写器天线发射的电磁场强度和方向性决定了电子标签的作用距离和感应强度，读写器天线对射频识别系统有重要影响。读写器天线的参数主要是方向系数，方向图，半功率波瓣宽度，增益，极化。带宽和输入阻抗等。读写器方向性根据设计可强可弱，增益一般在几到十几分贝之间，极化分为线极化或者圆极化方式，带宽覆盖整个工作频段，输入阻抗通常选择50Ω或者75Ω，尺寸在几厘米到几米之间。

读写器的发展趋势为兼容性，多频段，多制式兼容。接口多样化，具有RS232,USB,WIFI等接口。采用新的技术，包括智能天线和防碰撞算法。

系统高层

对于某些简单的应用，一个读写器可以独立完成应用的需要。但对于多数应用来说，射频识别系统是由多个读写器构成的信息系统，系统高层是必不可少的。系统高层可以将许多读写器获取的数据信息有效的整合起来，完成查询，管理和数据交换的功能。

中间件是介于RFID读写器与后端应用程序之间的独立软件，中间件可以与多个读写器和多个后端应用程序相连，应用程序通过中间件就能连接到读写器，读取电子标签的数据，中间件在整个嵌入式应用系统中扮演着设备抽象和管理的作用，解决包括软硬件联调困难和解决方案迭代周期长的问题。