關于轉播臺機房RFID射頻識別系統的預分析研究

山東省廣播電影電視局蒙山轉播臺 高 潔

1.引言

自動識別(Auto-ID)技術就是應用一定的識別裝置，通過被識別物品和識別裝置之間的接近活動，自動地獲取被識別物品的相關信息，并提供給后臺的計算機處理系統來完成相關后續處理的一種技術。射頻識別(RFID)技術的極大優勢，它可以很好的解決其他識別方式面臨的問題。因為射頻識別技術是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。由于閱讀器和應答器是非接觸的，避免了由于接觸不良所造成的誤操作，同時避免了灰塵、油污等外部惡劣環境對數據讀寫的影響；閱讀器和應答器采取無線通信方式，使用時無方向要求，讀取速度快，可識別高速運動物體，當讀寫多個應答器時采用了快速防沖突機制，能防止卡片之間出現數據干擾，因此同時識別多個標簽。

2.射頻識別系統組成

典型的RFID系統由四部分組成。

（1）應答器（電子標簽，Transponder）：由耦合元件及芯片組成，標簽含有內置天線，用于和射頻天線間進行通信。

（2）閱讀器（讀寫器，Reader）：讀取或寫標簽信息的設備。

（3）天線（Antenna）：在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。

（4）數據采集Middleware：閱讀器通過RS232或RS485接口與外部計算機(上位機主系統)連接，將數據傳給數據采集Middleware做進一步處理。

3.閱讀器（讀寫器，Reader）

3.1 閱讀器的結構

各種閱讀器雖然在耦合方式、通信流程、數據傳輸方法，特別是在頻率范圍等方面有著根本的差別，但是在功能原理上，及由此決定的構造設計上，各種閱讀器是十分類似的，它是連接應答器與應用系統的橋梁。

閱讀器一般由天線、射頻模塊、讀寫模塊構成。

（1）天線

天線是發射和接收射頻載波信號的設備。在確定的工作頻率和帶寬條件下，天線發射由射頻模塊產生的射頻載波，并接受從標簽發射或反射回來的射頻載波。

（2）射頻模塊

射頻模塊由射頻振蕩器、射頻處理器、射頻接收器以及前置放大器組成。射頻模塊可發射和接受射頻載波。射頻載波信號由射頻振蕩器產生并被射頻處理器放大，該載波通過天線發射。射頻模塊將天線接收的從射頻識別標簽發射/反射回來的載波解調后傳給讀寫模塊。

（3）讀寫模塊

一般由放大器、解碼及糾錯電路、微處理器、時鐘電路、標準接口以及電源組成，它可以接收射頻模塊傳輸的信號，解碼后獲得標簽內的信息，或將要寫入標簽的信息編碼后傳遞給射頻模塊，完成寫標簽操作。還可以通過標準接口將標簽內容和其他的信息傳遞給計算機。

3.2 閱讀器的基本功能

閱讀器一般由兩部分組成：軟件部分和硬件部分。

（1）軟件部分

這些軟件都是生產廠家在產品出廠時固化在閱讀器模塊中的軟件，負責對閱讀器接收到的指令進行響應和對應答器發出相應的動作指令。軟件部分一般包括以下軟件。

控制軟件：負責系統的控制和通信，控制天線發射的開、關，控制閱讀器的工作模式，完成與主機之間的數據傳輸和命令交換等功能。

導入軟件：主要負責系統啟動時導入相應的程序到制定的存儲空間，然后執行導入程序。

解碼器（軟件）：負責將指令系統翻譯成機器可以識別的命令，從而控制發送的信息，或者將收到的電磁波模擬信號解碼成數字信號，進行數據解碼、反碰撞處理等。

（2）硬件部分

從硬件上來說，閱讀器由兩個基本的功能模塊組成：控制系統和由發送器及接收器組成的高頻接口。另外閱讀器還需要發射電磁能量的天線。

控制系統通常采用ASIC組件和微處理器來實現其功能。在大多數情況下，控制器以微處理器作為其核心部件，對ASIC的訪問通過面向寄存器的微處理器總線來完成。

閱讀器控制系統主要實現以下功能：

1）與應用系統進行通信，并執行應用系統發來的各種命令；

2）控制與應答器的通信過程；

3）對發送信號進行編碼和對接收信號進行解碼；

對于復雜的系統還要有如下附加的功能：

1）對閱讀器與應答器間傳送的數據進行加密和解密；

2）執行反碰撞算法；

3）進行閱讀器與應答器的身份驗證。

控制系統和應用軟件之間的數據交換主要通過閱讀器的接口來完成。接口可以采用RS-232或RS-458串口，也可以采用RJ45以太網口，或者采用WLAN接口。

閱讀器的高頻接口也被稱為射頻模塊，閱讀器的高頻接口擔負以下任務：

1）產生高效的射頻信號，以啟動應答器或為它提供能量；

2）對發射信號進行調制，用于將數據安全地傳送給應答器；

圖1 典型的應答器的結構框圖

3）接收并解調來自應答器地高頻信號；

在高頻接口中有兩個分割開來的信號通道，分別用于上下兩個方向的數據流傳輸。發送給應答器的數據通過發送分支，而接受到應答器的數據通過接收分支傳過來。

高頻接口和控制器之間的接口將高頻接口的狀態以二進制的形式表示出來，1表示有高頻信號，0表示沒有高頻信號。

4.應答器（電子標簽，Transponder）

應答器是射頻識別系統中存儲被識別物體相關信息的電子裝置，通常應答器是貼在被識別物體表面上或者嵌入在被識別物體的內部。標簽存儲器中的信息可由閱讀器進行非接觸讀和寫。標簽可以是卡式也可以是其他形式的裝置[6]。

4.1 應答器的結構

雖然應答器的封裝形式不一樣，但是其構造卻基本一致。在實際應用中，典型的應答器結構框圖如圖1所示。

應答器微型芯片里面一般存有兩種類型的數據，一種為UID（Unique Identification，唯一標識號），用來唯一標識應答器，它固化在應答器中（只讀）；另外一種為可以擦寫的數據，用來表示被識別物體相關的信息，存儲在標簽的EEPROM中。

從功能上來說，應答器一般由天線、調制器、編碼發生器、時鐘以及存儲器組成。

時鐘把所有電路功能時序化，以使存儲器中的數據在精確的時間內被傳送到閱讀器；存儲器中的數據是應用系統規定的惟一性編碼，在應答器被安裝在識別對象上以前已被寫入。數據讀出時，編碼發生器把存儲器中存儲的數據編碼，調制器接收由編碼器編碼后的信息，并通過天線電路將此信息發射/反射到閱讀器。數據寫入時，由控制器控制，將天線接收到的信號解碼后寫入到存儲器。

4.2 應答器的功能

應答器通常具有以下功能：

(1)具有一定的存儲容量，可以存儲被識別物品的相關信息；

(2)在一定工作環境及技術條件下，應答器存儲的數據能夠被讀出或寫入；

(3)維持對識別物品的識別及相關信息的完整；

(4)數據信息編碼后，及時傳輸給閱讀器；

(5)可編程，并且在編程后，永久性數據不能再修改；

(6)具有確定的使用期限，使用期限內不需維修；

(7)對于有源標簽，通過閱讀器能夠顯示電池的狀況。

5.RFID系統的工作方式

RFID主要有兩種工作方式，一種是RTF（Reader Talks First，閱讀器先發言），另一種是TTF（Tag Talks First，標簽先發言），這是閱讀器的防沖突協議方式。

在一般狀態下，應答器處于“等待”或稱為“休眠”的工作狀態，當應答器進入閱讀器工作范圍是，檢測到一定特征的射頻信號，便從“休眠”狀態轉到“接收”狀態，接收閱讀器發出的命令后，進行相應的處理，并將結果返回閱讀器。這類只有接收到閱讀器特殊命令才發送數據的應答器被稱為RTF方式；與此相反，進入閱讀器的能量場即主動發送自身序列號的應答器被稱為TTF方式。TTF與RTF協議相比，TTF方式的射頻標簽具有識別速度快等特點，適用于需要高速應用的場合；另外，它在噪聲環境中更穩健，在處理標簽數量動態變化的場合也更為實用。因此，更適于工業環境的跟蹤和追蹤應用。

[1]沈宇超,沈樹群.射頻識別技術及其發展現狀[J].電子技術應用,1999,25(1):425.

[2]沈宇超,沈樹群,王海波等.射頻識別系統中的防碰撞算法設計[J].電子科學學刊,1999,21(5):702-705.

[3]楊山主編.電路基礎理論(修訂本)[M].天津:天津大學出版社,1993.

[4]張鐵軍.RFID(射頻識別)系統開發及應用研究[D].西安交通大學,2002.

[5]王廷才.電子線路輔助設計PROTEL99SE[M].北京:高等教育出版社,2004,8.