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第九章 自动识别技术应用:怎样设计自动识别系统?(2 / 3)

(2)遥耦合系统。遥耦合系统的作用距离能够达到1m,为了支撑这段距离,所有遥耦合系统在读写器与标签之间都是电感耦合,因此该系统也称成为“电感无线电装置”。遥耦合系统的传输频率较低,一般在6MHz~30MHz之间,而频率在一定程度上又代表了数据的传输带宽,所以遥耦合系统的传输能力要低于密耦合系统,它通过电感无线电装置进行传输的能力也是很小的。

为了作业的需要,遥耦合系统又被分为近耦合系统和疏耦合系统。近耦合系统的作用距离为15CM,和密耦合系统一样,利用的也是无功近场区之间的闭合磁络,只不过作用距离更长一些。疏耦合区域则是牺牲能量换取距离,原理不再赘述。

(3)远距离系统。该系统的作业距离最小值就是遥耦合系统的最大值1m,而其作业距离的最大值则为10m,高质量的系统甚至能达到更远的作业距离。远距离系统完全不受无功近场区的影响,而是利用天线辐射远场区完成射频标签和读写器的电磁耦合,并构成无接触空间信息传输通道进行工作。

为了使远距离的信息传输保持稳定性,就需要为射频标签灌注足够的能量,这时候,光靠传输过程中所经过的天线场的能量远远不够,所以,远距离系统具有一个辅助性供电电池,这个辅助电池不直接给数据提供能量,而是为读写和存储数据提供必要的服务。由于辅助电池的作用,射频标签和读写器之间完全可以采用稳定性很强的高频能量。所以,云距离系统的工作频率最低也能保持在433MHz以上,有的甚至达到2.4GHz或5.8GHz。

远距离系统应用范围最广,突破了读写器的距离限制,不仅能支持多标签读写,还能对告诉移动的物体进行准确识别。据悉,目前远距离系统的水平已经可以对以80km/h的速度运动的物体进行准确识别,被称为理想的射频识别系统。可惜的是,远距离系统的射频标签和读写器的成本较高,离真正的普及还有一段距离。下图为耦合系统的作用图:

图9-2-2 耦合系统的作用图

第三,数据传输。从上文可以知道,射频标签和读写器之间的通信通过电磁波来实现,按距离分为远场和近场,而数据交换方式也和通信方式略有不同,分为负载调制和反向散射调制。

(1)负载调制。射频标签和读写器之间的交换方式如果类似于变压器的结构,或者只通过无功近场区,就称其为负载调制。这种调制方式的频率很低,一般从125KHz~13.56MHz之间(1MHz\u003d1024KHz),通过准静态电磁场来实现连接。

(2)反向散射调制。在辐射远场区的数据传输中,射频标签和读写器的距离起码在一米以上,而波长最大不过几十厘米,特别是频率在2.4GHz的远距离识别系统中,射频标签和读写器的数据传输方式就是反向散射调制。该技术从射频标签返回数据的方式是控制天线的阻抗,利用了变容二极管、高度开关和逻辑门。

射频标签要发送的数据信号具有两种电平(电路中两点或几点在相同阻抗下电量的相对比值),通过一个简单的逻辑门(混频器)和中频信号完成调制,依靠调制把数据植入载体后,共同连接到一个阻抗开关,由阻抗开关改变天线场的反射指数。

这种数据传输方式和传统的方式有很大的区别,反向散射调制在数据的传输链中只存在一个发射器,但却能够完成双向互动的通信。这是因为,天线开关可以按照射频标签要发送的数据类型进行打开或关闭。例如,射频标签要发送的数据为“0”时,天线的开关被打开,这时候,标签的天线处于失去匹配状态,辐射到标签的电磁大部分都被反射回了读写器。反过来,射频标签将要发送的数字为“1”时,天线开关关闭,标签的天线处于匹配状态,射频标签这时候可以吸收大部分的电磁能。所以,反射到读写器的电磁能量相对减少,所返回的数据就被调制到了电磁波幅度上,从而便于区分。

3.射频识别“离不开”的三大组件

分析射频识别系统的三大组件之前,我们首先要明白该系统的工作原理,所谓“射频识别技术”,就是利用电感或者电子耦合以及反向散射的传输特性,实现对物体的自动跟踪和识别。首先,读写器利用天线在一定范围内发射射频能量形成一个电磁场,当附着射频标签的物体进入读写器的天线场范围时,就会产生一定的感应电流。其次,射频标签通过这种电流而获得一定的能量,并通过标签内的天线场,发出存储在内部芯片的产品数据。这时候,读写器形成的天线场就能自动接收射频标签发出的数据并进行调制和解码,最后送到服务器或管理系统进行分析和处理。下图为射频识别系统的工作原理,应答器可以看作射频标签。

图9-3-1 射频识别系统的工作原理

从上图可以看出,一个最简单的射频识别系统也具有射频标签和读写器两部分,当然,还有镶嵌在读写器和射频标签内部的天线。下面分别进行分析:

第一,射频标签。射频标签又称为射频卡或应答器,由IC芯片与内置天线组成,每一个射频标签都有一个惟一的电子编码,通常嵌在被识别对象上,存储了被识别对象的各种信息和数据。拥有惟一电子编码的还包括二维码与一维码(常见的国际条形码),但很多人混淆了三者的概念。我们可以这样区分,二维码和一维码是一类,它们都不能做到全方位识别,只能使用一个手持终端扫描,而且不能承受高温高压或者恶劣的环境。超市商品上的条形码很容易损坏就是这个原因,而且还很容易被撕坏,在酸性和碱性的作业环境下也很极易失去识别能力。而射频标签则不然,它们对恶劣环境的抗性非常强,而且不用找到标签的位置,只要让应答器靠近物体就可以识别。无论是方便性和稳定性,射频标签都远远超过二维码和一维码。

射频标签根据供电方式、作业频率和数据调制方式的不同,可分为三类。

(1)根据供电方式划分,可分为无源射频标签和有源射频标签。有源和无源可以理解成有无内置电池,有源射频标签完全由内部的电池供电,其能量储备非常充足,可识别距离可以达到几十米,甚至百米开外。但缺点就是价格过高,使用寿命很短。即便内置的电池被高度压缩,也还是要占用一定的空间,不能制作成薄卡,也不适应在恶劣的环境下作业。

无射频标签无需内置电池,依靠耦合读写器发射的电磁场能量获得自己的作业能源,具有重量轻、寿命长、体积小、成本低等显著特点。另外,它对恶劣环境的抗性也较强。缺点是发射距离短,一般不到一米,极限距离也不过几十米,而且需要大发射功率的读写器作为支持。

(2)根据数据调制方式划分,可分为被动式标签和主动式标签,主动式射频标签也是自带电池进行供电,可以将数据主动发给读写器,可靠性高,传输距离也远。而被动式标签是由读写器先发出查询信号激活射频标签,然后进入通信状态。两者各有优缺点,具体见下表:

表9-3-1 主动式和被动式射频标签的对比

(3)根据工作频率划分,可以分为30~300KHz的低频、3~30MHz的高频、300MHz~3GHz的超高频和2.45GHz的微波。不过,射频识别所占据的频段在国际上有统一的划分,不同的频段代表着不同的工作方式(电感耦合或电磁耦合)、识别范围和设备成本等。

一般情况下,低频射频标签的典型频率为125KHz和3KHz,中高频段射频标签为13.56MHz,特高工作频率为433MHz和915MHz,微波射频标签为2.45GHz和5.8GHz。下表记录了几个典型频段射频系统的特点。

表9-3-2 几个典型频段的射频系统的特点

第二,读写器。读写器可以实现数据的传输读写,除了显示射频标签信息,也可以同电脑其他系统进行组合,完成对射频标签的各种操作。读写器拆分后为7部分,分别为硬盘驱动器、传输设备、编程器、通信器、查询器、扫描器和读头。

读写器是射频识别系统的重要组成部分,在识别系统中的作用非常重要,因为读写器的频率决定了射频识别系统的作业频率,而读写器本身的功率影响着射频识别的有效距离。读写器的功能主要体现在以下几个方面:

(1)完成读写器和射频标签之间的通信功能,这也是最常见的功能。

(2)读写器可以通过RS-232等接口实现自身与计算机之间的连接通信,并与计算机的网络进行连接,提供射频标签上的数据信息。

(3)读写器具备防碰撞功能,可以实现一个读写器同时解读多个电子标签。

(4)读写器除了能读取静止的射频标签,对快速移动中的电子标签也可以实现快速读取。

(5)读写器可以检查出解读过程中的错误信息,保证显示的数据准确无误。

(6)相对于有源电子标签而言,读写器能够读出内置电池的相关信息,如电量等。

因此,读写器的主要任务是触发存储商品信息的射频标签,并与射频标签建立通信关系,在电脑与非接触的商品之间传输数据,完成非接触类通信的一系列步骤。例如,通信的建立、身份验证和防止碰撞等都是由读写器来完成的。下面是读写器的基本工作流程图:

图9-3-2 读写器的基本工作流程

按照基本构成来说,读写器分为硬件部分和软件部分。软件部分不需要使用者自己下载,它们在出厂时就已经被固化在了读写器模块中,可以对读写器接收到的指令进行反馈、对射频标签发出各种动作指令。硬件部分可以简化为控制系统和高频接口,高频接口由发送器和接收器组成,控制系统则采用专用集成电路和微处理器来实现其功能。此外,读写器还需要可以发射电磁波的天线。

高频接口又被称作射频模块,其主要功能有:高频发射电磁波、激活射频标签为自身提供能量、对发射信号进行调制,然后将数据传输给射频标签,并接收无线信息。控制系统也称为读写系统,可以与数据管理软件进行数据传输,并执行从该软件发出来的各种指令。

第三,天线。天线可以看作一个转换装置,它能将接收到的电流信号转换成电磁波,也可以将电磁波信号转换成电流装置。天线在射频识别系统中起到了连接和枢纽的作用,射频标签和读写器都需要安装天线。可以这么说,天线是射频标签和读写器的空间接口。根据射频识别系统的工作原理,读写器和射频标签之间的天线耦合分为电感耦合模式和反向散射耦合模式,分别应用于低频识别和微波识别。单从天线方面来说,射频识别系统中一共分为两类,一类是射频标签的天线,一类是读写器的天线。

(1)射频标签的天线。该类天线必须要嵌入很小的射频标签内,所以要求的体积必须要足够小,并且要有一定的覆盖方向性,不仅可以为射频标签提供尽可能大的信号,也为其提供能量。作为射频标签里易耗损的部件,天线的价格非常便宜,但在选购的时候要特别注意天线的品类、阻抗和应用到射频标签上的射频能量。