前言：
RFID射频身份识别，是一个非常成熟的通信技术，在仓储物流、交通运输等行业有广泛的应用，本文就将介绍RFID的通信原理。
目录
第1章 RFID射频身份识别概述
射频身份识别： RFID (Radio frequency identification)，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。
RFID不但可以感知物体位置，还能感知物体的移动状态并进行跟踪。
RFID 的应用非常广泛，典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。
第2章 RFID网络架构
2.1 RFID通信无线通信
（1）电子标签
电子标签又称射频标签、应答器、数据载体。
（2）读写器
阅读器又称为读出装置、扫描器、读头、通信器、读写器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）
（3）无线通信
电子标签与阅读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，实现能量的传递和数据交换。
2.2 RFID系统架构
RFID技术一般与服务器、数据库、云计算、近距离无线通信等技术结合使用，由大量的RFID通过物联网组成庞大的物体识别体系。
第3章 RFID电子标签
3.1 RFID电子标签概述
电子标签又称射频标签、应答器、数据载体。它是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号来识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。
在无线通信的体系架构中，电子标签相当于无线终端。
3.2 RFID电子标签内部组成与工作原理
（1）吸波材料
吸波材料是具有高磁导率的一种磁性功能材料，通常是将一些吸收剂均匀地填充在高分子材料上，通过特殊工艺制作而成。与传统意义上的吸波材料相比，该类针对13.56MHz高性能吸波材料在性能表征和使用原理都有所不同。
传统的吸波材料，主要应用对象是在军事对抗上，进行掩盖、迷惑对方雷达侦察的一些飞机、战舰以及装甲坦克上，用于防止电子波的反射，吸收的频率通常为频率极高的微波段。
电子标签中的吸波材料，主要针对民用电子设备内，用于为磁场提供路径的导磁体。
当接收到的电磁波的频率低于或高于额定频率是，磁导率高、磁损耗低，能够有效导流空间的电磁波，防止电子标签贴在金属载体上对电磁波的反射，非常有助于RFID的天线对电磁波信的接收。
而接收到的电磁波的频率高于额定频率时，损耗则会增大，抑制电磁波的传播，具有低通滤波器的性质。
但由于其具备柔性、安装方便等优势，在电子标签中得到广泛的应用。
(a)表示一个非金属且非磁性物体对电磁场的传播基本没有受到影响，还是按照原来的方向，相当于电磁波在自由空间传播，所以电磁场的能量和方向未受到干扰。
(b)是在图(a)基础上贴合了一块具有良好导电性能的金属板，在图中可以清晰的看出磁力线方向发生了很大的变化。主要表现在金属板前后的磁场均出现变化，这就是所谓屏蔽现象。金属板后面没有磁场，而面对入射电磁场的方向也会因为金属板所产生涡电流引产生一与入射电磁场方向相反的电磁场，从而削弱磁场，甚至完全抵消原磁场。
(c)在面对入射电磁场方向金属板表面贴上吸波材料(片)后，则可有效地为磁场传输提供有效的路径，因此由于吸波材料的存在，有效地避免了金属板的涡流效应。
同理，在RFID电子标签靠近金属板材时，见图(a)所示，同样会发生以上类似的效应，同时线圈的谐振频率fr也会发生改变，fr将向低频方向移动，此时，电子标签的通信能力大大下降，读卡距离受到严重干扰。
通过在线圈和金属表面之间插入高磁导的磁性材料，见图(b)所示，将能够在很大程度上避免涡流的产生，从而电子标签也就可以放心地在金属表面上使用了。
在将天线安装在磁性片材上时应该注意：
回形线圈天线的电感由于磁性材料的高磁导率而会变得明显增大，以至于需要重新调整谐振频率或连同匹配网络(在读写器内部都需要重新确定。
（2）天线线圈：
其实，就是一个能够接收阅读器发出来的电磁波的线圈，也可称为天线。同时也能够把电子标签中的少量的数据信息，通过线圈感应给阅读器。
与普通天线的区别是，电子标签本身提供信号接收的能量，而直接利用的是接收到电磁波的微弱的能量。
其基本原理是电磁感应，因此比天线更准确的称呼是“电感线圈”，如下图所示：
电磁感应（Electromagnetic induction）现象是指放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。
此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。
（3）RFID射频芯片
实际上，RFID射频芯片是一颗超低功耗的、简化版本的射频芯片RFIC。
无源的RFID，其芯片的电源，直接来自于感应线圈中的电流，是不是专门的电源电路 。
也没有专门的MCU, MCU的功能、内存的功能全部集成在RFID射频芯片中。
该芯片完成无线通信中射频层与物理层的功能：
- 无线信号的接收与发送
- 简化版的调制与解调
- 简化版的物理层编码
- 简化版的物理层帧结构
- E2PROM数据存储功能
3.3 E2PROM中的数据
至于E2PROM的数据内容与格式，不同的RFID芯片不同，格式不完全一致，请参看相关芯片资料。
3.4 RFID线圈与射频天线电路的区别
（1）普通的射频天线电路
天线感应（接收）电磁波信号，然后通过变压器，进行进行放大，同时隔离外部信号与内部信号，起到保护内部电路的作用。
通过变压器对信号进行放大，需要新的能量，这有内部接收电路的电源提供。
（2）电子标签线圈与射频天线电路的区别
- 无源的电子标签是没有电源的，因此无源的电子标签中是没有变压器电路的，电子标签直接利用的是感应出来的微弱的电流信号。
- 相反，电子标签上的射频芯片的电源，也来自与线圈中感应出来的微弱的电流信号。
- 通过电容，暂时短暂的缓存电感线圈感应到的能量，信号的收发时间非常短。
第4章 RFID读写器组成
RFID读写器 （RFID阅读器）通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。
在无线通信的体系架构中，电子标签相当于基站或AP。
典型的RFID读写器包含有：
（1）读写器天线
就是普通的天线了，而不一定是线圈。
（2）RFID射频模块(发送器和接收器)、
- 无线信号的接收与发送
- 常规的调制与解调
- 常规的物理层编码
- 常规的物理层帧结构
（3）MCU控制单元
- E2PROM数据存储功能
- 数据的预处理
- 与远程服务器的通信
（4）数据回传接口
回传接口用于把把读取到的RFID信息，传输到控制服务器，这些接口包括：
RS32S接口、或以太网接口、或2G/3G/4G/5G的无线接口，
至于回传接口的通信协议，不在本文的讨论范围。
第5章 RFID的无线通信原理
无线信号的空间耦合！！！
5.1 通信过程
基本通信过程：
- 通信发起：确定谁先发起通信，即是读写器，还是电子标签。对于无源和半有源系统，都是读写器发起通信；对于有源系统，双方都有可能发起通信。
- 通信协商：读写器与电子标签在通信之前，要协调双方的位速率，保持数据同步。读写器与电子标签的通信采用无线通信，数据传输采用串行方式进行。
- 数据传送：RFID采集器，通过向其信号覆盖范围内的RFID终端，持续发送的电磁波信号，激活RFID终端 。
- 数据传送：RFID终端，激活后，向RFID回送自身的信息。
- 信息确认：是指确认读写器与电子标签之间信息的准确性，如果信息不正确，将请求重发。RFID的通信协议常采用自动连续重发，接收方比较数据后丢掉错误数据，保留正确数据。
- 数据回传：RFID采集器，把收集到的信息通过无线通信网络传输给数据处理平台。
5.2 无线频率与带宽
- 125K： 一般叫做LF，一般做为畜牧业管理使用
其实RFID技术首先在低频得到了广泛的应用和推广。
该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作， 也就是在读写器线圈和RFID标签线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用在天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用。 磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。
- 13.56M：一般叫做HF，用于驾校通、考勤等人员管理。也可以做资产防伪管理
在该频率的RFID读写器不再需要线圈进行绕制，可以通过蚀刻印刷的方式制作天线。读卡器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过读卡器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离读卡器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从读卡器传输到读写器。
- 900M：一般叫做UHF，通信距离远，防冲突性能好，一般用做停车场和物流上
工作频率为860MHz到960MHz之间,国内一般用902-927MHz
在该频率的RFID读写器通过电场来传输能量，电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达50m左右。主要是通过电容耦合的方式进行实现。
-
2.4G：微波段RFID读卡器，穿透性强，是自动智能设备的首选。
-
5.8G：微波段RFID读卡器，在高速公路ETC电子收费系统中使用，这时候的读写器也称为RSU(Road Side Unit)
不同频率的，带宽是不相同的。
5.4 双工模式
RFIC采用同频半双工的通信方式，一方在发送，另一方必须接受，不能同时收发。
5.5 调制与解调技术
调制是通过射频信号承载二进制比特的过程，而解调是从射频信号成恢复出二进制比特的过程。
厂家的数字调制有：
（1） 幅移键控
调幅是指载波的频率和相位不变，载波的振幅随调制信号的变化而变化。振幅键控是利用载波的幅度变化来传递数字信息。
在二进制数字调制中，载波的幅度只有两种变化，分别对应二进制信息的1和0。
时域波形如下图所示：
在上图中，使用相同频率、相同相位、不同幅度的电磁波表示数字信号0和1。
原理图实现如下图所示：
（2）频移键控
频移键控（FSK）是利用载波的频率变化来传递数字信息，是对载波的频率进行键控。
二进制频移键控载波的频率只有两种变化状态，载波的频率在两个频率点间变化，分别对应二进制信息的1和0。
时域波形表示如下：
（3）相移键控
相移键控（PSK）是利用载波的相位变化来传递数字信息，是对载波的相位进行键控。
二进制相移键控载波的初始相位有两种变化状态，通常载波的初始相位在0和π两种状态间变化，分别对应二进制信息的1和0。
时域波形表示如下：
（4）混合调制
在实际系统中，通常分为两次调制。
- 基带调制：把0和1的数字调制到0频附近的基带载波上。
- 射频调制：把调制后的基带载波信号，通过射频调制，也称为混频调制，基带信号的频谱搬移到高频载波上。
5.6 物理层编码与解码技术
物理层编码的目的，通常包括（1）区分物理层信道；（2）增加冗余信息，增强检错和纠错的能力；（3）适应物理信道传输的需要，提高抗干扰能力。
常见的物理层编码方法有：）反向不归零（NRZ)编码、）反向不归零（NRZ)编码、单极性归零（Unipolar RZ)编码、差动双相（DBP)编码、差分编码等。
RFID的无线通信通常是商用的、成品的、RFID射频芯片实现。
第6章 案例解析
6.1 MIFARE
MIFARE是恩智浦半导体公司（NXP Semiconductors）拥有的一系列非接触式智能卡和近傍型卡技术的注册商标。
MIFARE包括一系列依循ISO/IEC 14443-A规格，利用无线射频识别（频率为13.56MHz）的多种非接触式智能卡专有解决方案。
这项技术是最早是1994年由米克朗集团（Mikron Group）开发，在1998年转售给飞利浦电子公司（2006年更名为恩智浦半导体公司）。
近年来MIFARE已经普遍在日常生活当中使用，如大众运输系统付费、商店小额消费、门禁安全系统、借书证等。
伴随着超过50亿张智能卡和IC卡以及超过5 千万台读卡器的销售，MIFARE已成为全球大多数非接触式、智能卡的技术选择，并且是自动收费领域最成功的平台。
6.2 RFID电子标签
RFID相对容易，只要购买现成的电子标签就可以了，不需要自己设计电路。
4.3 RFID读卡器（以MFRC522为例）
（1）MFRC522简介
MFRC522是荷兰恩智浦公司的Mifare非接触读卡芯片系列中的一个系列，由于其低电压、低功耗、小尺寸、低成本等优点，在国内的13.56MHz RFID读卡器芯片市场上有这广泛的应用。
（2）硬件系统组成
这是一个非常常见的、通用的嵌入式射频射频的硬件架构，主要由射频芯片MFRC522和MCU MSP430两大组成和外围电路组成，特别是外围的天线电路。
- MCU
MCU是TI公司的超低功耗单片机MSP430F149,该单片机支持多种低功耗模式，并能够快速唤醒，具有60KB+256B的Flash、2KB的RAM、两个既可做异步UART又可以做SPI使用的串行通讯口、6组I/O口、一个内部DCO和2个外部时钟，非常适合开发低功耗高性能的产品。
MCU通过SPI方式与MFRC522连接，供电电压均为3.3V,所以不再需要外围的电压转换电路，外接一个天线及简单的滤波匹配电路，即可实现与卡片的通信。
嵌入式软件, 运行在单片机MSP430，其辅助对射频芯片MFRC522进行初始化、启动射频芯片MFRC522对电子标签的读写操作、以及读取电子标签中的E2PROM中的内容。
- MFRC522射频芯片
MFRC522射频芯片完成与RFID电子标签的无线通信。
MFRC522主要包括两部分：
其中数字部分由状态机、编码解码逻辑等组成；
MFRC522的内部发送器无需外部有源电路即可驱动读写天线，实现与符合ISO/IEC14443A或MIFARE标准的电子标签卡片的通讯。
模拟接口：负责处理模拟信号的调制和解调。
接收器模块：提供了一个强健而高效的解调和解码电路，用于接收兼容ISO/IEC14443A和MIFARE的卡片信号。
非接触式异步收发模块：配合主机处理通信协议所需要的协议。FIFO（先进先出）缓存使得主机与非接触式串行收发模块之间的数据传输变得更加快速方便。
数字模块：控制全部ISO/IEC14443A帧和错误检测（奇偶和CRC）功能以及与MCU的通信。
- MFRC522与MCU接口实现
MFRC522提供了3种接口模式：高达10Mb/s的SPI、I2C总线模式（快速模式下能达400kb/s,而高速模式下能达3.4Mb/s）、达1228.8kb/s的UART模式。
6.3 开源项目
开源软件无线电技术对无线电的行行业业影响颇深，电子标签也不例外。
GNU Radio 是免费的软件开发工具套件。它提供信号运行和处理模块，用它可以在易制作的低成本的射频（RF）硬件和通用微处理器上实现软件定义无线电。
这套套件广泛用于业余爱好者，学术机构和商业机构用来研究和构建无线通信系统。
GNU Radio 的应用主要是用 Python 编程语言来编写的。但是其核心信号处理模块是C++在带浮点运算的微处理器上构建的。因此，开发者能够简单快速的构建一个实时、高容量的无线通信系统。尽管其主要功用不是仿真器，GNU Radio 在没有射频 RF 硬件部件的境况下支持对预先存储和（信号发生器）生成的数据进行信号处理的算法的研究。