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[导读]摘要:物联网可利用RFID技术,通辻开放性的计算机网络实现信息的交换和共享,实现对物品的"透明”管理。RFID射频识别隶属于非接触式自动识别技术。其基本原理是利用射频信号和空间电磁场耦和传输特性来实现对监控物体的信息交换及自动识别。RFID的设计就是射频电路技术、通信技术、传感器技术等的紧密结合。

引言

物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的Internet of Things"。在这个网络中,物品(商品)能够彼此进行“交流",而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别<RFID)技术,通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。RFID(Radio Frequency Identification),射频识别俗称电子标签。RFID正是能够让物品“开口说话”的一种技术。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术F,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无需人工干预,可工作于各种恶劣环境。

1 RFID基本理论

1,1RFID系统结构及工作原理

RFID是一种简单的无线系⑵。其主要由3部组成:阅读器(Reader)、电子标签(Eig)和天线(Antenna)。阅读器(Reader)又称为询问器(Interro-gation),根据RFID协议对电子标签进行通信操作。阅读器由射频模块和数字控制单元组成。电子标签又称为射频标签、应答器(Transponder),简称标;签。其内部包括了射频电路和控制逻辑。随着集成工艺越来越发达,集成在标签中的芯片功能也越来越强大,而体积却越来越小。最基本的RFID系统示意图如图1所示。

射频技术在物联网中的应用图1 基本RFID系统框图

RFID技术的基本工作原理:标签进入磁场后,接收阅读器发出的射频信号,通过感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag,无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag,有源标签或主动标签);阅读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。

1. 2RF1D分类

RFID按应用频率的不同分为低频(LRF)、高频(HRF)、超髙频(URF)及微波(MF),相对应的代表性频率分别为:低频135kHz以下、高频13.56MHz、超高频860〜960MHz及微波2.4GHz,5.8GHz。

RFID按照能源的供给方式分为无源RFID,有源RFID,以及半有源RFID。无源RF1D读写距离近,价格低;有源RFID可以提供更远的读写距离,但是需要电池供电,成本要更高一些,适用于远距离读写的应用场合。

1. 3标签分类

标签一般分为主动式标签和被动式标签主动式标签:电源模块集成入标签中;被动式标签:电源由阅读器提供。通过耦合,阅读器能量给标签芯片提供电源。被动式标签相比主动式标签有外观灵巧多变及价格低廉的优点,从而获得大家青睐。

2 RFID系统的射频电路

RFID中的射频模块主要实现3大功能:

(1) 通过天线发射足够功率的射频电磁波,以激发电子标签并为其提供能量;

(2) 对发射信号进行调制,然后将已调制的信号数据转化为电磁波传送给标签;

(3) 接收并解调来自电子标签的射频信号。

据RFID射频模块功能分析可知,一个简易的RFID包括了:射频振荡器、频率合成器、射频放大器、功率控制器、射频天线、射频接收等与射频电路有关的技术。

2. 1射频振荡器

在RFID中,射频振荡器可釆用CMOS环形振荡器、LC振荡器、RC振荡器及晶体振荡器。考虑到稳频效果,射频振荡器可用锁相环和压控振荡器(VCO)实现。VCO电路过去大多采用反向偏压的变容二极管作为压控器件,然而在用实际工艺实现电路时,会发现变容二极管的品质因数通常都很小,这将影响到电路的性能。MOS变容管便应运而生To釆用标准CMOS工艺实现VCO,是实现RFCMOS集成收发机的关键。

2. 2频率合成器

目前频率合成的技术可概括为四类:直接频率合成技术、锁相式频率合成技术、直接数字式频率合成技术和混合式频率合成技术直接模拟式即频率合成的最初方法,优点是简单、易于实现,频率装换时间短,频率增量也可任意小。但因该方法不宜单片集成,噪声、谐波等效果差,已被锁相式和直接数字式代替。

锁相环(PLL)频率合成的核心是锁相环。锁相式频率合成又可分为整数频率合成和分数频率合成。锁相环本质上是一个相位负反馈系统,在这个相位负反馈系统中振荡器输出信号、输入参考信号和反馈信号均是相位信号,而不是电流或电压信号。应该说,锁相技术是伴随着集成电路的发展、反馈控制理论的发展而发展成熟。且已经成为现代通信系统中不可替代的一环。其优良性能主要表现在:锁定时无频差、良好的窄带滤波特性、良好的调制跟踪性能等。

直接数字频率合成技术(DDS)诞生于20世纪80年代末,它用数字计算机和数/模变换器来产生信号。它是基于相位量化的概念进行频率合成,并可实现调制功能。其特点是:频率分辨率高、相位噪声低、控制灵活、易于调整,且频率稳定度高。其不足在于,合成输出频率较低,频谱纯度较差。

PLL技术和DDS技术各有优缺点。前者具有高频率、宽带,频谱质量好等优点,但频率转换速率低。后者具有高速频率转换能力,频率、相位分辨力高,但频率较低,纯度也不如PLL。二者有效结合,即可构成混合式频率合成技术。其思路就是利用DDS的高分辨率来解决PLL中低频率分辨率和转换事件之间的矛盾。方案常有DDS激励PLL和DDS附加PLL两种。

2.3射频天线

RFID天线常釆用电磁场耦合式天线、电磁波后向散射式天线及微带天线。

电感耦合式(Inductive Coupling)天线:类似于变压器模型,通过空间交变磁场实现电磁耦合,其依据的是电磁感应定律。标签电路中的谐振电路谐振频率与阅读器发射频率相符,以此进行能量耦合及信息传递。该方式适合应用于低、高频工作的近距离RFID系统。

电磁波后向散射耦合式(Backscattercoupling)天线:基本原理类似雷达原理。高频发射的电磁波,碰到目标后反射,同时携带回目标信息,依据的是电磁波空间传播规律。适用于高频和微波波段RFID设计。可选类型有双偶极子天线、折叠偶极子天线、印制偶极子天线、微带面天线及对数螺旋天线。

微带天线从20世纪70年代获得重视和研究,使用频段很宽。微带天线可与微波集成电路一起集成,且易于制成共形天线。微带天线主要有:微带贴片天线、微带阵子天线和微带阵列天线。

2.4射频信号放大

射频信号放大电路分为小信号放大和功率放大技术。以射频功率放大为例,图为扩大射频标签的激活距离,可釆用A类、B类、C类等射频功率放大电路。目前多采用的是具有温度补偿、线性度好且具有输出功率可控的集成CMOS功率放大电路。射频功放基本框图如图2所示。

射频技术在物联网中的应用图2 RFID射频功放

2.5调制解调电路

RFID通常用数字调制实现信息传递,RFID系统中用的最多的是ASK调制方式。

无源UHFRFID标签一般采用逆向散射的调制(负载调制)方法,如图3所示。

射频技术在物联网中的应用图3 RFID负载调制

逆向散射调制电路采用CMOS开关电路来实现,调制信号通过控制开关的开启,也即改变单沟道CMOS开关的输入阻抗,由于CMOS开关是并联在天线两端的,因而就改变了天线的输入阻抗,实现了逆向散射调制的功能。

在射频电路中,解调有相干解调和非相干解调两种方式。考虑到RFID系统的ASK调制,解调方式常用的是包络检波的方式。目前RFID系统使用金属氧化物半导体(MOS)管实现包络检波器中的二极管、电容和电阻。设计时要注意检波电路的输入阻抗对谐振荡路Q值的影响。

3结语

“物联网''概念描述的是一个对象和对象间的无线网络。物联网(InternetofThings)把新一代IT技术(射频识别技术、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术)充分运用在各行各业之中。物联网产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送4个环节,每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。物联网研究的问题很多,论文讨论的主要是RFID中的射频技术。当然如果解决好了各个环节的技术问题,那么真正的“智慧地球”、“U-Japan”、“U-Korea”、“智慧中国”就会实现。


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