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【摘 要】物联网的兴起促进国民经济的发展，处于物联网信息感知层的RFID已广泛应用于零售流通、医疗、汽车、物流、服饰、智能图书馆、航空、动物追踪溯源等行业。其中读写器与电子标签之间的通信问题引起了人们极大的关注。本文给出了读写器与电子标签的耦合方式，标签到读写器的通信，读写器到标签的通信，最后详细分析了二者之间的通信模式。
【关键词】RFID；读写器；标签；双向通信
1 引言
RFID技术是常见的非接触式自动识别技术之一，是无线电技术与雷达技术的结合，它通过无线射频信号自动识别目标并获取目标上存储的相关数据，且读写工作无需人工干涉，可快速识别高速运动物体并能同时识别多个目标，操作快捷方便，为多种行业的业务系统完美实现提供了可能[1]。
RFID技术与其他自动识别技术相比较是一种突破性的技术，具有数据的无线读写、耐环境性强、可重复性使用、穿透性强、数据的存储容量大、形状小型化及多样化、识别单个物体、标签数据存储安全等优点。
2 RFID系统
RFID技术的发展较为迅速，已在发达国家具有成熟的RFID系统。早期出现的RFID系统应用领域单一，且读写器数量少，仅仅采用专用的线路将一个或几个服务器连接起来进行数据的通信[2]。缺点是规模小、不具有可扩展性、网络连通性不强。随着物联网应用的不断延伸，对读写器的数量要求也越来越高，针对出现的射频、带宽、数据等问题，成熟的RFID系统的出现显得有必要。
由于分类标准（供电来源、频率、封装）不同，电子标签的分类也不同。针对这种情况，读写器和电子标签的空中接口协议采用不同频率，主要定义通信链路层、读写器与电子标签之间的操作控制和命令传递。读写器网络控制器处于中间层，将处于不同位置的读写器进行组网，进行设备管理、信息传递和信息处理。采用中间件技术和不同的接口技术针对RFID在不同行业的应用开发相应的应用软件。整个体系结构图中隐藏着三种通道，数据通道、管理通道及控制通道。其中数据通道指读写器与电子标签双向通信时通信信道中传递的数据[2]。
2.1组成
包括电子标签、读写器、中间件和应用系统三个部分[3]。在电子标签中，存储芯片作为数据的载体，具有唯一的电子编码信息，其存储的信息可被读写器进行读写操作。电容和天线的振荡频率决定电子标签的频率， 也决定整个系统的工作频率。标签天线用于接收读写器天线的射频能量和来自读写器的指令，并将标签存储芯片存储的信息传递给读写器。标签天线的设计与电子标签的运动速度、标签与读写器之间的距离有关。读写器用于完成电子标签和应用系统之间的数据通信，应用软件主动对读写器发送指令，从而完成读写器对电子标签的数据通信。读写器中的射频单元完成指令的发送和数据的接收功能，这一功能借助于读写器天线的存在。读写器与应用系统之间通过不同的通信接口进行通信。中间件为应用软件提供运行开发的环境，是来处理来自读写器的所有信息和事件的软件，是读写器与应用系统之间的纽带。
2.2工作原理
应用系统通过通信接口向读写器发送读取电子标签数据命令，读写器将命令编码后经读写器中的射频单元转换成一定频率的射频信号向电子标签发送，读写器天线将射频信号以电磁波的形式辐射[4]。电子标签在辐射区域内进行三次认证从而达到识别标签，标签获得能量，将收到的读取数据命令进行调制，分析命令后经电子标签的天线将带有存储信息并编码后的电磁波信号发送到读写器[5]。读写器中射频单元的天线进行接收，送到逻辑单元后进行译码，将标签中的数据进行储存。读写器进行相关的数据处理后经通信接口将数据传递给应用系统。
2.3电感耦合
读写器的天线线圈产生具有载波信号的电磁场并在空间中辐射，穿透电子标签中的耦合线圈。当读写器或电子标签具有相对运动的时候，从而引起电子标签闭合线圈中电场强度的变化，产生电磁感应[6]，电磁感应后电子标签获得能量，而电子标签耦合线圈上具有负载电阻，它的接通与断开直接控制读写器天线的电压的变化，实现振幅调制。而电子标签存储的信息必须经过负载电阻传递，控制负载电阻的电压，从而控制天线的电压，实现存储的信息在读写器的载波下进行振幅调制。读写器接收到调制信号后进行解调，实现电子标签到读写器的通信。读写器到电子标签的通信靠空间中的电磁场进行传递。
2.4电磁耦合
电磁波从读写器天线中向外辐射，在空间衰减后遇到电子标签并返回，携带电子标签中的存储信息。电子标签耦合线圈中的负载电阻直接影响电磁波的障碍物反射，故电子标签到读写器的通信采用振幅调制。读写器经天线向空间发射未调制载波和已调制载波。未调制载波直接作为电子标签的工作电压，已调制载波被电子标签进行解调，从而对信号进行处理。
2.5通信模式
二者之间的通信采用两种调制模式，ASK和PJM。ASK模式下，前导符用于命令通信，其他的命令采用同步帧，根据发送的命令选择具有副载波的编码方式，如曼彻斯特编码、米勒编码；PJM模式下，前导符用于所有通信，采用BPSK调制，返回时副载波有8种信道，对应8种不同的频率。
整个通信过程中包含三种操作，选择、检测和存取。选择操作下，发送select命令；检测操作下，先发送BeginRound命令，确定标签返回协议后再发送其他命令ResizeRound、NextSlot、Ack、Nak命令；存取操作下，等待读写器发送完前导及校验后，标签应答发送Req_Rn、Read、Write、Lock、Kill命令。
3 结论
RFID技术是物联网中应用最成熟的技术。在整个RFID系统中，面对不同频率下的读写器与电子标签的数据通信问题一直占据重要地位。读写器与电子标签的硬件设计及二者之间的编码方式影响到数据的发送到接收。本文研究的两种耦合方式下的读写器与电子标签的双向通信，能够应用到更多的应用系统中。
参考文献：
[1]戴彩艳.13.56MHzRFID读写器天线的研究与设计[D].福建师范大学.2013
[2]米志强，射频识别（RFID）技术与应用[M]王武.电子工业出版社
[3]丁治国.RFID关键技术研究与实现[D].中国科学技术大学.2009
[4]赵斌，张红雨.RFID技术的应用及发展[J].电子设计工程m2010，18：123-126
[5]郭彦乐.RFID认证协议及其安全性分析[D].西安电子科技大学.2012
[6]张凡，用于甚高频RFSQUID的电感耦合式谐振器[J].低温物理学报.1999
作者简介：
张红霞，1985，女，山东省单县，讲师，硕士，物联网应用方向；
注：
山东省高等学校科技计划项目（J13LN51），山东协和学院科技计划项目（XHXY201422、XHXY201430）
【关键词】RFID；读写器；标签；双向通信
1 引言
RFID技术是常见的非接触式自动识别技术之一，是无线电技术与雷达技术的结合，它通过无线射频信号自动识别目标并获取目标上存储的相关数据，且读写工作无需人工干涉，可快速识别高速运动物体并能同时识别多个目标，操作快捷方便，为多种行业的业务系统完美实现提供了可能[1]。
RFID技术与其他自动识别技术相比较是一种突破性的技术，具有数据的无线读写、耐环境性强、可重复性使用、穿透性强、数据的存储容量大、形状小型化及多样化、识别单个物体、标签数据存储安全等优点。
2 RFID系统
RFID技术的发展较为迅速，已在发达国家具有成熟的RFID系统。早期出现的RFID系统应用领域单一，且读写器数量少，仅仅采用专用的线路将一个或几个服务器连接起来进行数据的通信[2]。缺点是规模小、不具有可扩展性、网络连通性不强。随着物联网应用的不断延伸，对读写器的数量要求也越来越高，针对出现的射频、带宽、数据等问题，成熟的RFID系统的出现显得有必要。
由于分类标准（供电来源、频率、封装）不同，电子标签的分类也不同。针对这种情况，读写器和电子标签的空中接口协议采用不同频率，主要定义通信链路层、读写器与电子标签之间的操作控制和命令传递。读写器网络控制器处于中间层，将处于不同位置的读写器进行组网，进行设备管理、信息传递和信息处理。采用中间件技术和不同的接口技术针对RFID在不同行业的应用开发相应的应用软件。整个体系结构图中隐藏着三种通道，数据通道、管理通道及控制通道。其中数据通道指读写器与电子标签双向通信时通信信道中传递的数据[2]。
2.1组成
包括电子标签、读写器、中间件和应用系统三个部分[3]。在电子标签中，存储芯片作为数据的载体，具有唯一的电子编码信息，其存储的信息可被读写器进行读写操作。电容和天线的振荡频率决定电子标签的频率， 也决定整个系统的工作频率。标签天线用于接收读写器天线的射频能量和来自读写器的指令，并将标签存储芯片存储的信息传递给读写器。标签天线的设计与电子标签的运动速度、标签与读写器之间的距离有关。读写器用于完成电子标签和应用系统之间的数据通信，应用软件主动对读写器发送指令，从而完成读写器对电子标签的数据通信。读写器中的射频单元完成指令的发送和数据的接收功能，这一功能借助于读写器天线的存在。读写器与应用系统之间通过不同的通信接口进行通信。中间件为应用软件提供运行开发的环境，是来处理来自读写器的所有信息和事件的软件，是读写器与应用系统之间的纽带。
2.2工作原理
应用系统通过通信接口向读写器发送读取电子标签数据命令，读写器将命令编码后经读写器中的射频单元转换成一定频率的射频信号向电子标签发送，读写器天线将射频信号以电磁波的形式辐射[4]。电子标签在辐射区域内进行三次认证从而达到识别标签，标签获得能量，将收到的读取数据命令进行调制，分析命令后经电子标签的天线将带有存储信息并编码后的电磁波信号发送到读写器[5]。读写器中射频单元的天线进行接收，送到逻辑单元后进行译码，将标签中的数据进行储存。读写器进行相关的数据处理后经通信接口将数据传递给应用系统。
2.3电感耦合
读写器的天线线圈产生具有载波信号的电磁场并在空间中辐射，穿透电子标签中的耦合线圈。当读写器或电子标签具有相对运动的时候，从而引起电子标签闭合线圈中电场强度的变化，产生电磁感应[6]，电磁感应后电子标签获得能量，而电子标签耦合线圈上具有负载电阻，它的接通与断开直接控制读写器天线的电压的变化，实现振幅调制。而电子标签存储的信息必须经过负载电阻传递，控制负载电阻的电压，从而控制天线的电压，实现存储的信息在读写器的载波下进行振幅调制。读写器接收到调制信号后进行解调，实现电子标签到读写器的通信。读写器到电子标签的通信靠空间中的电磁场进行传递。
2.4电磁耦合
电磁波从读写器天线中向外辐射，在空间衰减后遇到电子标签并返回，携带电子标签中的存储信息。电子标签耦合线圈中的负载电阻直接影响电磁波的障碍物反射，故电子标签到读写器的通信采用振幅调制。读写器经天线向空间发射未调制载波和已调制载波。未调制载波直接作为电子标签的工作电压，已调制载波被电子标签进行解调，从而对信号进行处理。
2.5通信模式
二者之间的通信采用两种调制模式，ASK和PJM。ASK模式下，前导符用于命令通信，其他的命令采用同步帧，根据发送的命令选择具有副载波的编码方式，如曼彻斯特编码、米勒编码；PJM模式下，前导符用于所有通信，采用BPSK调制，返回时副载波有8种信道，对应8种不同的频率。
整个通信过程中包含三种操作，选择、检测和存取。选择操作下，发送select命令；检测操作下，先发送BeginRound命令，确定标签返回协议后再发送其他命令ResizeRound、NextSlot、Ack、Nak命令；存取操作下，等待读写器发送完前导及校验后，标签应答发送Req_Rn、Read、Write、Lock、Kill命令。
3 结论
RFID技术是物联网中应用最成熟的技术。在整个RFID系统中，面对不同频率下的读写器与电子标签的数据通信问题一直占据重要地位。读写器与电子标签的硬件设计及二者之间的编码方式影响到数据的发送到接收。本文研究的两种耦合方式下的读写器与电子标签的双向通信，能够应用到更多的应用系统中。
参考文献：
[1]戴彩艳.13.56MHzRFID读写器天线的研究与设计[D].福建师范大学.2013
[2]米志强，射频识别（RFID）技术与应用[M]王武.电子工业出版社
[3]丁治国.RFID关键技术研究与实现[D].中国科学技术大学.2009
[4]赵斌，张红雨.RFID技术的应用及发展[J].电子设计工程m2010，18：123-126
[5]郭彦乐.RFID认证协议及其安全性分析[D].西安电子科技大学.2012
[6]张凡，用于甚高频RFSQUID的电感耦合式谐振器[J].低温物理学报.1999
作者简介：
张红霞，1985，女，山东省单县，讲师，硕士，物联网应用方向；
注：
山东省高等学校科技计划项目（J13LN51），山东协和学院科技计划项目（XHXY201422、XHXY201430）