无线射频技术及其应用——任务四RFID

一、实训目标

通过本次实训，学生了解掌握RFID的相关知识和操作技能，在商品识别方面的应用。

二、任务导入

射频识别技术RFID (Radio Frequency Identification Technology) 是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标并获取相关数据。

现在有一批贵重商品，条形码进行标识不能起到防盗和自动阅读的目的，有怎样的一种手段，能够在商品经过时自动读取商品的信息，从而防止商品的丢失?

三、实训步骤

首先了解什么是RFID，认识低频RFID试验箱，高频的RFID门禁系统，后根据任务将商品信息写入RFID电子标签，当商品通过时读取RFID电子标签信息。

四、发任务书

现有一批农夫山泉饮用天然水需要入库，商品条码为6921168509256，规格为550ml，将商品信息写入电子标签，在经过试验箱和门禁系统时RFID设备自动读取信息并将商品信息送到电脑。

五、任务分配

一个同学作为商品管理员将商品信息录入系统，做好电子标签，一个同学作为运输管理员将电子标签与商品捆绑，将商品的搬运出入实训室，以便第一个同学在电脑上接收商品信息。

六、任务说明

RFID简介: RFID (无线射频识别，Radio Frequency Identification) 是一种非接触式的自动识别技术。RFID系统基本构成为标签 (Tag)、阅读器 (Reader) 和天线 (Anten-na) 三部分，同时在实际应用中还需要相关硬件和软件的支持。

RFID原理: RFID通过发射天线发送一定频率的射频信号，应答器进入天线工作区域时产生感应电流而获得能量被启动，将保存的ID等信息通过天线发送出去。读写器从天线接收到信号后，对信号进行处理分离出需要的信息。

RFID应用: RFID技术已被应用于门禁、货架、智能购物车、智能信息终端、智能电子秤等方面。近些年来RFID技术都热炒，甚至被认为将最终取代传统的条形码。

七、教师演示

(一) 低频RFID试验箱

低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30～300KHz。典型工作频率有125KHz和133KHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的典型应用有: 动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗 (带有内置应答器的汽车钥匙) 等。

(1) 打开试验箱箱盖，打开试验箱电源;

(2) 取一张低频电子标签卡片，放在试验箱的读写卡区域;

(3) 打开软件，在不同的块写入不同的商品信息;

(4) 将写好的卡片与商品捆绑;

(5) 将带有卡片的商品经过试验箱的读卡区域;

(6) 电脑显示该商品信息和数量。

(二) 高频RFID门禁系统

中高频段射频标签的工作频率一般为3～30MHz。典型工作频率为13.56KHz。该频段的射频标签，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签，因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念，即不会造成理解上的混乱。为了便于叙述，我们将其称为中频射频标签。中频标签一般也采用无源为主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感 (磁) 耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。中频标签由于可方便地做成卡状，广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗 (电子遥控门锁控制器)、小区物业管理、大厦门禁系统等。

(1) 打开门禁系统电源;

(2) 取一张高频电子标签卡片，放在门禁的读写卡区域;

(3) 打开软件，在不同的块写入不同的商品信息;

(4) 将写好的卡片与商品捆绑;

(5) 将带有卡片的商品经过门禁系统区域;

(6) 电脑显示该商品信息和数量。

八、任务执行

本软件专为RFID射频技术单元实验设计开发。软件包括单块读写、多块同时读写和固定格式读写三项功能。为同学能更深刻地了解与更熟练地应用射频技术提供了良好的平台。

(一) 单块读写

双击桌面图标，桌面图标如图4-65所示。

图4-65 RFID单元实验软件图标

出现如下界面: 图4-66 RFID单元实验软件介绍 (不同的RFID软件介绍可能不一样，我们在学习过程中注意灵活性)。

图4-66 RFID单元实验软件介绍

点击“选项”按钮，出现下拉菜单，界面如图4-67所示。

图4-67 RFID单元实验软件选项菜单

点击菜单中的“单块读写”，出现界面如图4-68所示。

图4-68 RFID单元实验软件单块读写界面

选择你写入的单元号，根据提示写入内容，点击“写卡”，当把已写入的卡片放在试验箱中的读写区域，点击“读卡”，在窗口中即可看到卡片中所写的内容，如图4-69所示:

注: 卡片可重复读写，当写入新的内容时，自动会把对应单元中以前的内容覆盖掉，“清空”按键，只对窗口中的内容清空，对卡片无效。

图4-69 RFID单元实验软件单块读卡界面

(二) 多块读卡

点击菜单中的“多块读卡”，出现如图4-70所示界面。

图4-70 RFID单元实验软件多块读写界面

选择要写入的单元，填写写入内容，分别点击“写卡”和“读卡”按键，就会把内容写入卡中，或者读出卡中的内容，如图4-71所示。

注: 多块读写，所选的单元中，所存储的内容是一样的。

图4-71 RFID单元实验软件多块读卡界面

(三) 固定格式

点击下拉菜单中的“固定格式”，出现界面如图4-72所示。

图4-72 RFID单元实验软件多块读卡界面

按照要求填写好内容，操作步骤如前。

注: “固定格式”是根据开发商对照商品信息自行定义的，这里只是作为例子，无实际意义。

九、过程指导

在使用射频卡和实验箱的操作过程中请注意以下事项:

(1) 高频卡和低频卡不得混淆，频率不匹配将无法读写;

(2) 射频卡要在规定的距离范围之内才能被读写;

(3) 注意保护门禁系统。

实训过程中，同学应该注意配合，每个人写入自己的商品名称、规格、制作时间，注意这里的射频卡每个单元规定只能写入字符的个数。

十、实训展示

要求学生按以下流程，展示实训效果。

RFID门禁系统实训，可以完成信息写入、入库和出库任务，以对商品的自动识别完成无纸化的出入库管理，具体操作步骤如下:

(一) RFID门禁系统中射频卡信息写入实训

(1) 打开软件，如图4-73所示。(www.xing528.com)

图4-73 RFID入库管理启动界面

(2) 商品信息录入，如图4-74所示。

图4-74 RFID入库管理选项菜单

(3) 进入后台管理，添加商品信息，如图4-75所示。

4-75 RFID入库管理中添加商品信息

(4) 商品信息反馈，商品信息添加成功，如图4-76所示。可以继续单击“添加按钮”，再次添加商品信息。

-76 RFID入库管理中添加商品信息反馈

(5) 可以通过“查找”、“修改”、“删除”等按键对货物信息进行编辑。

(6) 将商品信息写入卡片，如图4-77所示，RFID卡片信息录入，即写信息。

图4-77 RFID入库管理中写卡操作之一

(7) 确认商品信息无误后，单击“开始写卡”，如图4-78所示。

图4-78 RFID入库管理中写卡操作之二

(8) 所有的射频卡写卡结束后，单击“停止写卡”，即完成写卡操作，如图4-79所示。

(9) 注: RFID卡片信息录入时，必须录入已存在的货物信息，并批量写卡，当停止写开始，软件会显示已写卡的数量。如图4-80所示。

图4-79 RFID入库管理中写卡操作之三

图4-80 RFID入库管理中写卡操作之四

(二) RFID门禁系统中出入库信息统计

(1) 出库管理: 同 (一) 从开始菜单中启动RFID出库软件，出现以下界面，如图4-81所示。

图4-81 RFID出库管理操作界面一

(2) 单击选项菜单中的“出库管理”会出现以下界面，如图4-82所示。

图4-82 RFID出库管理操作界面二

(3) 当粘贴有射频卡的商品经过门禁时，该模块自动读出出库商品的信息和数量。

(4) 入库软件操作流程和以上步骤相同。

十一、任务考核

每两个同学一组，将以下商品: 农夫山泉饮用天然水，商品条码为6921168509256，规格为550ml，完成入库，再完成出库。做低频实验时，一个同学操作软件，第二个同学配合将射频卡与商品绑定; 做高频实验时，角色进行交换。

十二、拓展学习

射频卡本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的信号由两部分叠加组成: 一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与其本身的L/C产生谐振，产生一个瞬间能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号，指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。由射频卡所形成的读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先进的管理软件，可脱机的操作方式，都使数据读写过程更为简单。

与接触式IC卡相比较，射频卡具有以下优点:

(1) 可靠性高: 射频卡与读写器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。例如: 由于粗暴插卡、非卡外物插入、灰尘或油污导致接触不良等原因造成的故障。此外，射频卡表面无裸露的芯片，无需担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片的使用可靠性。

(2) 操作方便，快速: 由于非接触通信，读写器在10cm范围内就可以对卡片操作，所以不必插拨卡，非常方便用户使用。射频卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过读写器即可完成操作，这大大提高了每次使用的速度。

(3) 防冲突: 射频卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以“同时”处理多张射频卡。这提高了应用的并行性，无形中提高了系统工作速度。

(4) 可以适合于多种应用: 射频卡的存储结构特点使它一卡多用，能应用于不同的系统，用户可根据不同的应用设定不同的密码和访问条件。

(5) 加密性能好: 射频卡的序列号是唯一的，制造厂家在产品出厂前已将此序列号固化，不可再更改。射频卡与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证IC卡的合法性时IC卡也验证读写器的合法性。射频卡在处理前要与读写器进行三次相互认证，而且在通信过程中所有的数据都加密。此外，卡中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。正由于射频卡具有以上无可比拟的优点，所以它很适宜应用于电子钱包，公路自动收费系统、食堂售饭系统和公共汽车自动售票系统等。

(一) 射频技术和条形码的区别

射频技术与条形码是两种不同的技术，有不同的适用范围，有时会有重叠。两者之间最大的区别是条形码是“可视技术”。射频标签只要在接收器的作用范围内就可以被读取。

从概念上来说，两者很相似，目的都是快速准确地确认追踪目标物体。主要的区别如下: 有无写入信息或更新内存的能力。条形码的内存不能更改。射频标签不像条形码，它特有的辨识器不能被复制。标签的作用不仅仅局限于视野之内，因为信息是由无线电波传输，而条形码必须在视野之内。由于条形码成本较低，有完善的标准体系，已在全球散播，所以已经被普遍接受，在成本方面，条形码的成本就是条形码纸张和油墨成本，而有内存芯片的主动射频标签价格在2美元以上，被动射频标签的成本也在1美元以上。但是没有内置芯片的标签价格只有几美分，它可以用于对数据信息要求不那么高的情况，同时又具有条形码不具备的防伪功能。

(二) 最基本的RFID系统组成

(1) 阅读器 (Reader): 读取 (或写入) 标签信息的设备，可设计为手持式或固定式，如图4-83所示。

图4-83 RFID阅读器

(2) 天线 (Antenna) 如图4-84所示: 在标签和阅读器间传递射频信号。

图4-84 天线

(3) 标签 (Tag): 由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象; 每个标签都有一个全球唯一的ID号码——UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改。用户数据区 (DATA) 是供用户存放数据的，可以进行读写、覆盖、增加的操作。阅读器对标签的操作有三类:

①识别 (Identify): 读取UID;

②读取 (Read): 读取用户数据;

③写入 (Write): 写入用户数据。

标签样式如图4-85所示。

图4-85 RFID电子标签

(三) RFID标签类型

RFID标签分为被动标签 (Passive tags) 和主动标签 (Active tags) 两种。主动标签自身带有电池供电，读/写距离较远，体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池不能长久使用，能量耗尽后需更换电池。

无源电子标签在接收到阅读器 (读出装置) 发出的微波信号后，将部分微波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护，成本很低并具有很长的使用寿命，比主动标签更小也更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。相比有源系统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。

按照存储的信息是否被改写，标签也被分为只读式标签 (read only) 和可读写标签(read and write) 只读式标签内的信息在集成电路生产时即将信息写入，以后不能修改，只能被专门设备读取; 可读写标签将保存的信息写入其内部的存储区，需要改写时也可以采用专门的编程或写入设备擦写。一般将信息写入电子标签所花费的时间远大于读取电子标签信息所花费的时间，写入所花费的时间为秒级，阅读花费的时间为毫秒级。

十三、设备保养

为了最大限度地发挥门禁系统的功能，减少人为的失误，我们在安装和调试的过程中应重点注意以下几个方面:

(1) 电源: 保证功率足够，尽量使用线性电源，门锁和控制器应分开供电。电源的安装尽可能靠近用电设备，以避免受到干扰和传输损耗。

(2) 布线: 分为电源线、通信线、信号线，布线时注意强、弱电分开走线，两管相隔要求大于20cm。

(3) 电源线: 线径足够粗，采用多股导线。注意以下几点:

①屏蔽线千万不能用来作为0V电压 (电源地) 的连接线;

②每个屏蔽回路只能有一个接地端;

③当屏蔽回路中无法接地时可将屏蔽线连接到网络的另一屏蔽回路中;

④必须将各个模块的信号连接在一起;

⑤若线路中间有断点，需将断点用烙铁焊上并做好绝缘处理;

⑥不要将网络连接线与交流电源放在一起;

⑦如果网络连线超过1200米，要加中继器，中继器后可以再延长1200米。

(4) 门禁系统: 注意安装位置的选取，防止电磁干扰。

(5) 读卡器: 不要安装在金属物体上，两台读卡器之间的距离不要少于30厘米，最好通过控制器供电。如果读卡器单独从外部供电，读卡器的电源请使用线性稳压电源(变压器)，并且不能把直流的负极连接到交流的接地端。

(6) 网络适配器: 和控制器之间的连接采用手拉手的方式。

(7) 电子标签卡高低频注意分类保管，避免与金属过多接触，防止重压影响天线发射和接收信号的效果。