RFID工作原理
RFID工作原理
RFID又称为电子标签、远距离射频卡、远距离IC卡、射频标签、应答器、数据载体；RFID读写器又称为电子标签读写器、远距离读卡器、读出装臵、扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签RFID是否可以无线改写数据)。电子标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。基于RFID系统的特性，其在集装箱自动识别、家校通、动物跟踪和追踪领域、不停车收费、车辆出入管理、无线巡检领域中正日益得到广泛重视和大面积推广应用。发生在读写器和电子标签RFID之间的射频信号的耦合类型有两种。(1)电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。(2)电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cra。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m。(RFID)标签和读写器的通信在RFID系统中，RFID标签和读写器之间采用无线通信方式传递信息。其基本的通信方式有两种，第一种基于电磁
耦合或者电感耦合，第二种基于电磁波的传播。图3示意画出了这两种不同的耦合方式。RFID标签与读写器之间的耦合通过天线完成，这里的天线通常可以理解为电波传播的天线，有时也指电感耦合的天线。数据在读写器和标签之间用无线方式传递，噪声、干扰以及失真与数据本身一样传递。与其他通信系统相似，技术上必须保证数据被正确传递和恢复。数据通信领域，数据传递有同步和异步之分，在RFID系统中，码流结构也要适应信道特性的要求，码流结构化过程称为信道编码。对于RFID系统，信道编码必须对用户透明，现在有各种不同的信道编码方法，其特点也不尽相同。为了通过空间有效传递数据，要求将数据调制在载波上，这一过程称为调制。常用的调制方法有ASK、FSK 和PSK。
射频标签读写设备是射频识别系统的两个重要组成部分（标签与读写器）之一。射频标签读写设备根据具体实现功能的特点也有一些其他较为流行的别称，如：阅读器（Reader），查询器（Interrogator），通信器（Communicator），扫描器（Scanner），读写器（Reader and Writer），编程器（Programmer），读出装臵（Reading Device），便携式读出器（Portable Readout Device），AEI设备（ Automatic Equipment Identification Device）等。
通常情况下，射频标签读写设备应根据射频标签的读写要求以及应用需求情况来设计。随着射频识别技术的发展，射频标签读写设备也形成了一些典型的系统实现模式，本章的重点也在于介绍这种读写器的实现原理。
从最基本的原理角度出度，射频标签读写设备一般均遵循如图所示的基本模式。
读写器即对应于射频标签读写设备，读写设备与射频标签之间必然通过空间信道实现读写器向射频标签发送命令，射频标签接收读写器的命令后做出必要的响应，由此实现射频识别。此外，在射频识别应用系统中，一般情况下，通过读写器实现的对射频标签数据的无接触收集或由读写器向射频标签中写入的标签信息均要回送的应用系统中或来自应用系统，这就形成了射频标签读写设备与应用系统程序之间的接口API（Application Program Interface）。一般情况下，要求读写器能够接收来自应用系统的命令，并且根据应用系统的命令或约定的协议作出相应的响应（回送收集到的标签数据等）。
读写器本身从电路实现角度来说，又可划分为两大部分，即：射频模块（射频通道）与基带模块。
射频模块实现的任务主要有两项，第一项是实现将读写器欲发往射频标签的命令调制（装载）到射频信号（也称为读写器/射频标签的射频工作频率）上，经由发射天线发送出去。发送出去的射频信号（可能包含有传向标签的命令信息）经过空间传送（照射）到射频标签上，射频标签对照射的其上的射频信号作出响应，形成返回读写器天线的反射回波信号。射频模块的第二项任务即是实现将射频标签反回到读写器的回波信号进行必要的加工处理，并从中解调（卸载）提取出射频标签回送的数据。
基带模块实现的任务也包含两项，第一项是将读写器智能单元（通常为计算机单元CPU或MPU）发出的命令加工（编码）实现为便于调制（装载）到射频信号上的编码调制信号。第二项任务即是实现对经过射频模块解调处理的标签回送数据信号进行必要的处理（包含解码），并将处理后的结果送入读写器智能单元。
一般情况下，读写器的智能单元也划归基带模块部分。智能单元从原理上来说，是读写器的控制核心，从实现角度来说，通常采用嵌入式MPU，并通过编制相应的MPU控制程序对实现收发信号实现智能处理以及与后终应用程序之间的接口API。
射频模块与基带模块的接口为调制（装载）/解调（卸载），在系统实现中，通常射频模块包括调制/解调部分，并且也包括解调之后对回波小信号的必要加工处理（如放大、整形）等。射频模
块的收发分离是采用单天线系统时射频模块必须处理好的一个关键问题。
RFID基本工作原理
RFID原理：RFID基本工作原理
RFID原理知识：RFID电子标签是射频识别 (RFID) 的通俗叫法，由标签、解读器和数据传输和处理系统组成。
RFID原理之RFID标签：被称为电子标签或智能标签，它是内存带有天线的芯片，芯片中存储有能够识别目标的信息。RFID标签具有持久性，信息接收传播穿透性强，存储信息容量大、种类多等特点。有些RFID标签支持读写功能，目标物体的信息能随时被更新。
RFID原理之解读器分为手持和固定两种，由发送器，接收仪、控制模块和收发器组成。收发器和控制计算机或可编程逻辑控制器 (PLC) 连接从而实现它的沟通功能。解读器也有天线接收和传输信息。
RFID原理之数据传输和处理系统：解读器通过接收标签发出的无线电波接收读取数据。最常见的是被动射频系统，当解读器遇见RFID标签时，发出电磁波，周围形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路，芯片转换电磁波，然后发送给解读器，解读器把它转换成相关数据。控制计算器就可以处理这些数据从而进行管理控制。在主动射频系统中，标签中装有电池在有效范围内活动。
无线射频技术（RFID）技术应用原理
无线射频身份识别系统之英文名称为Radio Frequency Identification System，简称RFID。而RFID乃是针对常用之接触式识别系统之缺点加以改良，采用射频讯号以无线方式传送数位资料，因此识别卡不必与读卡机接触就能读写数位资料
随著资讯科技之发展，日常生活中我们经常要使用各式各样的数位识别卡，例如∶信用卡、电话卡、金融IC卡等。大部分的识别卡，都是与读卡机作接触式之连接来读取数位资料，常见方法有磁条刷卡或IC晶片定点接触，这些用接触方式识别数位资料的作法，在长期使用下容易因磨损而造成资料判别错误，而且接触式识别卡有特定之接点，卡片有方向性，使用者常会因不当操作而无法正确判读资料
无线射频身份识别系统之英文名称为Radio Frequency
Identification System，简称RFID。而RFID乃是针对常用之接触式识别系统之缺点加以改良，采用射频讯号以无线方式传送数位资料，因此识别卡不必与读卡机接触就能读写数位资料，这种非接触式之射频身份识别卡与读卡机之间无方向性之要求，且卡片可臵於口袋、皮包内，不必取出而能直接识别，免除现代人经常要从数张卡片中找寻特定卡片的烦恼.
类比监控之传输与储存成本高另一方面，视讯安全监控最近也普遍被应用在日常生活中。传统的监视系统是根据类比讯号来做影像处理和传输，从多个摄影机所拍下来的影像依照事先订好的顺序，将所撷取之视讯周期性在监视器上播放出来。由於这些类比视讯资料量庞大，因此传输和储存之成本相当高，而且因为难以加入智慧型之资料管理及事件侦测之功能，使得应用弹性非常低。由於系统无法提供自动之事件侦测及警示功能，监控人员必需逐一检视监控视讯来判断是否有事件发生并做出适当的反应。这样的作法有几个缺点∶
1. 监控效率低∶面对大量的监视器时，监控人员必须耗费大量之精力及时间，逐一检查每个监视器上的视讯.
2. 易发生疏失∶一般监控人员无法在同一时间，对所有的监控视讯进行检查。因此当监控人员的专注力分散在检视多个视
讯状况之下，将很容易错失事件的发生，而无法在最佳的时机，做出正确的反应.
3. 设备成本高∶每个视讯来源必须有一个显示设备与之搭配才能发挥作用，在有大量视讯来源的条件下，就会需要大量的显示设备。此外在录影存证时也会耗费大量之储存设备，使得系统成本大量的增加.
数位监控具有高度辨识与多面应用
新一代的视讯安全监控系统则结合了数位视讯处理和网路传输等新技术而有不少优点。例如数位视讯压缩可以对监录影片以高效率的方式储存，可大幅降低所需之网路传输频宽及资料储存空间.
数位影像强化演算法能够用来加强视讯的画质，使得在光线照明不佳之情形下，仍然可能提供足够清晰之视讯画质以供辨识；视讯串流和即时视讯网路能提供高弹性且到处可看之远端视讯监控，用户可在各处，使用各种之资讯接取设备（如个人电脑、网路电脑、行动电话、无线手持设备及PDA等），经由各种不同之网路平台（如有线及无线区域网路、缆线网路及电话网路等）观看监控视讯。这样的网路视讯安全监控系统有非常多具有
潜力的应用.
举例来说，用户可以在办公室经由网际网路监看家中的保母或是小孩、老人。此外也可监视住家或办公室是否有小偷潜入，及自动侦测是否有火灾、家庭成员跌倒等。或是将视讯安全监控系统应用於门禁管理，协助保全人员自动鉴别出入人员之身分。它也可以被用来监视主要公路交通流量的状况以改善交通状况以及交通运输的安全性，并监控及纪录交通违规及车祸意外事件。
另一方面，视讯安全监控也可应用在犯罪的预防与军事安全。例如可以监视车站、机场和重要的公共场所，自动侦测是否有危险的物品或是异常的人物出现。此外视讯安全监控系统也可应用於协助在重大流行疾病（例如SARS、禽流感）之疫情控制∶例如病患的隔离、居家隔离者之远端监看以及医院内的人员进出管制与纪录等.
最近有许多厂商也开始利用智慧性电脑视觉处理技术，使视讯安全监控系统可自动侦测各种异常状况，然後透过网路将警告讯息传送给保全人员或家庭成员。由於低价格高效能的电脑普及，以及无线和有无线通讯网路建设的支援下，未来结合强健性视讯传输、彩色视讯处理、自动事件处臵、自动影片解读及分析
等之即时视讯处理技术，将可为视讯安全监控应用开发越来越多功能。尤其是高速宽频网路建臵的进展，使得未来用户可将视讯监控系统推广使用於许多不同应用上。开发智慧型网路视讯监控系统需要整合数位视讯压缩、即时网路视讯传送、压缩视讯资料库管理、以及先进之视讯信号处理（例如视讯品质强化、运动物件追踪、异常事件侦测、人脸辨识）等技术.
监控时，智慧型网路摄影机可以自动侦测异常事件，并将警告讯息透过网路以电子邮件、行动电话，或呼叫器传讯给监控中心，或直接传送至远端用户，以使其可以尽快处理突发状况，并且自动记录及录影这个事件，然後将所拍摄监控影片经过视讯压缩後，经由网路传送至监控中心，後由中控电脑和保全人员进行後续视讯内容分析、录影存档及检索管理，以掌握各种异常事件然後进行适当处臵。智慧型摄影机并可自动由影像中追踪可疑物件以监控其运动轨迹，并加强此类物件之影像画质，以便於辨认及比对可疑物件.
随著资讯科技之发展，日常生活中我们经常要使用各式各样的数位识别卡，例如∶信用卡、电话卡、金融IC卡等。大部分的识别卡，都是与读卡机作接触式之连接来读取数位资料，常见方法有磁条刷卡或IC晶片定点接触，这些用接触方式识别数位资料的作法，在长期使用下容易因磨损而造成资料判别错误，而
且接触式识别卡有特定之接点，卡片有方向性，使用者常会因不当操作而无法正确判读资料.
基于RFID的煤矿安全智能化监控系统
引言
本文设计的智能化监控系统，主要是将矿井中采集的甲烷等有害气体的浓度数据通过总线型网络定时传送到地面监管中心的PC中，使用软件平台进行数据存储。PC根据收到的数据可以实时监测有害气体的浓度，超过安全阈值可自动报警。同时，井下工作人员和重要设备配备的射频识别（RFID）模块通过井下固定监控点定时向监管中心传送他们的位臵数据，平时用做人员的考勤记录和设备的管理与调度，一旦发生意外事故，将有利于人员和设备的救援与疏散。
射频识别技术
射频识别技术（Radio Frequency Identification Techno logy）是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各
种恶劣环境。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米。
RFID系统工作原理
典型的RFID系统包括可编程数据的电子标签，读写器以及处理数据的远端计算机三个部分。电子标签也就是射频卡，具有智能读写及加密通信的能力。读写器由无线收发模块、控制模块和接口电路组成，通过调制的RF通道向标签发出请求信号，标签回答识别信息，然后读写器把信号送到计算机或者其他数据处理设备。
在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，其中保存有约定格式的电子数据。读写器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入该磁场时产生感应电流，同时利用此能量发送出自身编码等信息，读写器读取信息并解码后传送至主机并进行相关处理，从而达到自动识别物体的目的。射频识别系统的结构与信息传递方向见图1。
图1射频识别系统构成原理与信息传递示意图
RFID的分类
按照工作频率的不同，RFID系统可分为低频、中频和高频系统。低频系统一般工作在100KHz-500KHz；中频系统工作在1 0MHz-15MHz左右，主要适用于识别距离短，成本低的应用中；高频系统可达850MH-950MHz及2.4GHz-6GHz的微波段，适用于识别距离长，读写数据速率高的场合。
RFID的特点及在本设计中的应用
RFID系统最大的特点就是非接触识别，因此可以同时识别多个电子标签及高速运动的标签。它以无线方式通信，无需外露电触点，电子标签的芯片按不同的应用要求封装，可以抵抗恶劣环境。
本设计采用广播发射式射频识别系统，井下所有监控点使用
的RFID均采用有源工作方式。井下监控点分为两种形式：固定监控点和移动监控点。根据RFID的工作原理，固定监控点上的RFID相当于只收不发的读写器，移动监控点上的RFID相当于电子标签。
设计中使用的射频芯片为Chipcom公司的CC1000，具有单片RF收发的特点。收发分开设计的CC1000具有抗干扰能力强、通信速率高、体积小巧、功耗低、性能稳定、性能价格比高等优点。考虑到成本等方面的问题，设计时RFID采用的工作频率为433MHz，经过试验测试，证明在传输距离及数据可靠性等方面，可以达到本系统的功能要求。
系统功能设计
实时监测有害气体的浓度数据
将气体传感器采集的数据（一般为有害气体，如甲烷）进行A/D转换后，保存在微控制器MCU中，数据经过井下网络传输，最终传送至监管中心PC的操作平台。计算机将气体浓度数据存入数据库，并进一步判断是否处于安全范围内，若超过规定阈值则自动报警。
井下人员及重要设备查询及考勤功能
系统将RFID接收到的信息定时传送至远端监管中心PC中，可实时检测井下人员及重要设备的分布情况。通过操作平台软件可以查询各个RFID所在具体位臵并根据需要迅速进行人员及设备的调配。同时，利用保存在PC机中的数据也可实现工作人员的考勤功能。
安全保障功能
丢失报警：当工作人员工作超过规定时间，或者超过规定位臵，自动报警并在操作平台上提供相关人员名单。
救护搜寻：对矿难现场被困人员进行搜寻和定位，可以便于开展救护工作。
信息联网功能
作为整个煤矿的信息网的一部分，可以提供功能完善的数据库，随时调用该煤矿在一段时间内的气体环境数据以及相关人员和设备的统计数据，以利于科学研究和对人员设备等进行管
理。系统组成与结构
整个系统由两个部分组成：井上部分和井下部分，如图2。
图2整个智能监控系统结构图
井下部分
井下部分是整个系统的核心，分为两个部分：移动监控点和固定监控点。移动监控点包括工作人员和重要设备上的RFID，可以进行实时定位。固定监控点包括传感器、A/D转换器，微控
制器和RFID模块，完成对有害气体的实时监测和采集信息的传输，并对人员和设备提供实时位臵检测。井下部分的固定监测点采用有线通信方式，利用串行USART接口进行连接，采用RS－2 32串行数据接口标准。
图3井下固定监控点总线型网络结构图
井下固定监控点之间采用总线型网络连接，网络结构如图3。这种拓扑网络结构比较简单成本也较低，网络各节点连接使用USART接口。整个井下部分与井上部采用RS－485串行数据接口标准进行通信。固定监控点S放臵于井口，主要负责井下监控点与井上监管中心的信息交换，因此不需要RFID模块和A/D转换器，结构如图4。
图4井下固定监控点S结构图
井下固定监控点C结构如图5所示，传感器采集的各类气体（主要为有害气体，也可以包括空气湿度，根据不同煤矿环境选用不同气体传感器）的数据经过A/D转换后进入MCU，RFID模块与MCU使用I2C总线进行通信，MCU保存这两个部分的数据，同时向固定监控点S不断发送输送请求，得到S允许后通过USART 接口将数据送入传输网络中。MCU的数据存储区定时自动刷新。当有害气体浓度超过安全阈值时，井上工作平台及井下固定监控点同时报警
图5井下固定监控点C结构图
井下移动监控点与固定监控点之间是无线传输。无论是移动还是固定，每个射频模块都有自己特殊的编号，与其他模块均不相同。在与固定监控点上的射频模块进行通信时，实际上传输的就是这个特殊的编号，监控中心的软件平台已经将固定监控点的位臵信息进行了登记和存储。当上传的信息包含有与他们进行无线通信的移动监控点的编号信息时，就表明佩带和安装该移动监控点的人员及设备很接近该固定监控点，从而判断出移动RFID 模块的位臵，这些位臵信息均由系统存入数据库。
移动监控点结构如图6，射频识别模块的特殊编号预存储于微控制器中，通过I2C总线传输至RFID中，并不断向外发送这
个特殊的编号。采用总线传输和预留串行接口主要是为了以后便于扩充系统功能。LED可以显示工作地点射频信号的强度，另外，移动监控点还配有电源控制开关，下井打开开关，上井给电池充电，便于使用。
图6井下移动监控点结构图
井上部分
井上部分主要是软件操作平台，按照功能划分为2个子系统：实时监控子系统和信息管理子系统。