RFID技术原理及其射频天线设计.（精选五篇）

第一篇：RFID技术原理及其射频天线设计.

第 44卷

增 刊 厦门大学学报(自然科学版 Vol.44 Sup.2005年 6月

Journal of Xiamen University(Nat ural Science J un.2005

RFID 技术原理及其射频天线设计 收稿日期 :2005203210 基金项目 :国家人事部留学人员创业基金 , 福建省自然科学基金计 划资助项目(A0410007 作者简介 :陈华君(1977-, 男 , 博士研究生.3通讯作者 :dhguo@xmu.edu.cn 陈华君 1, 林

凡 2, 郭东辉 1,2,33, 吴孙桃 2(1.厦门大学物理学系 , 2.厦门大学 M EMS 中心 , 3.厦门大学电子工程系 , 福建 厦门 361005 摘要 :首先简要介绍 RFID 技术的基本工作原理 , 说明射频天线是 RFID 系统设计的技术关键 , 然后介绍了几种基本的

RFID 射频天线及其工作原理 ，并针对普遍使用的偶极子天线在 RFID 系统中方向性上的不足提出改进 , 最后 , 给出一个具

有全向收发功能的 RFID 天线设计.通过设计仿真工具模拟仿真 , 并进行实际样品测试 , 获得较满意的设计结果.关键词 :RFID;射频天线;电子标签

中图分类号 :TN 820.12;TN 821.4文献标识码 :A

文章编号 :043820479(2005 Sup 20312204

自 1970年第一张 IC 卡问世起 , IC 卡成为当时微 电子技术市场增长最快的产品之一 , 到 1996年全世界 发售 IC 卡就有 7亿多张 [1].但是 , 这种以接触式使用 的 IC 卡有其自身不可避免的缺点 , 即接触点对腐蚀和 污染缺乏抵抗能力 , 大大降低了 IC 卡的使用寿命和使 用范围.近年来人们开始开发应用非接触式 IC 卡来逐 步替代接触式 IC 卡 , 其中射频识别(RFID ,radio f re 2quency identification 卡就是一种典型的非接触式 IC 卡 , IC 卡之间数 据交换的 ，显示出比一般接触式 IC 卡使用更便利的优 点 , 已被广泛应用于制作电子标签或身份识别卡.然 而 ,RFID 在不同的应用环境中需要采用不同天线通 讯技术来实现数据交换的.这里我们将首先通过介绍 RFID 应用系统的基本工作原理来具体说明射频天线 的设计是 RFID 不同应用系统的关键 , 然后分别介绍 几种典型的 RFID 天线及其设计原理 , 最后介绍利用 HFSS 工具来设计了一种全向的 RFID 天线.1 RFID 技术原理

通常情况下 , RFID 的应用系统主要由读写器和 RFID 卡两部分组成的 , 如图 1所示.其中 , 读写器一 般作为计算机终端 , 用来实现对 RFID 卡的数据读写 和存储 , 它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成.而 RFID 卡则是一种无源的应答器 , 主要是由一块集 成电路(IC 芯片及其外接天线组成 , 其中 RFID 芯片

通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路 [2], 有 的甚至将天线一起集成在同一芯片上 [3].RFID 应用系统的基本工作原理是 RFID 卡进入 读写器的射频场后 , 由其天线获得的感应电流经升压 电路作为芯片的电源 , 同时将带信息的感应电流通过 射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信 息处理;所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑 控制电路送回射频前端电路 , 最后通过天线发回给读 写器.可见 ,RFID 卡与读写器实现数据通讯过程中起 关键的作用是天线.一方面 , 中获得足够的能量;另一方面 , 天线决定了 卡与 读写器之间的通讯信道和通讯方式.目前 RFID 已经得到了广泛应用 , 且有国际标准 :ISO10536,ISO14443, ISO15693, ISO18000等几种.这

些标准除规定了通讯数据帧协议外 , 还着重对工作距 离、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格 进行了规范.RFID 应用系统的标准制定决定了 RFID 天线的选择 , 下面将分别介绍已广泛应用的各种类型 的 RFID 天线及其性能.图

1射频识别系统原理图

Fig.1 Structure of RFID system

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图

2应答器等效电路图

Fig.2 Equivalent circuit diagram of responder 2 RFID 天线类型

RFID 主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型 3种

基本形式的天线.其中 , 小于 1m RFID 天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线 ，它们主要工作在中低频段.而 1m 以上远距离的应用 系统需要采用微带贴片型或偶极子型的 RFID 天线 ,.这几种类型天线的工作

原理是不相同的.2.1线圈天线

当 RFID 的线圈天线进入读写器产生的交变磁场

中 ,RFID 天线与读写器天线之间的相互作用就类似 于变压器 , 两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次 级线圈.由 RFID 的线圈天线形成的谐振回路如图 2所示 , 它包括 RFID 天线的线圈电感 L、寄生电容 C p 和并联电容 C 2′ , :f =

2π・ C ,(式中

C 为 C p 和 C 2′ 的并联等效电容.RFID 应用系统就是

通过这一频率载波实现双向数据通讯的。常用的 ID 21型非接触式 IC 卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03mm ×0.76mm , 天线线圈谐振工作频率 通常为 13.56M Hz.目前已研发出面积最小为 0.4mm ×0.4mm 线圈天线 [3]的短距离 RFID 应用系统.某些应用要求 RFID 天线线圈外形很小 , 且需一 定的工作距离 , 如用于动物识别的 RFID.线圈外形即

面积小的话 , RFID 与读写器间的天线线圈互感量 M 就明显不能满足实际使用.通常在 RFID 的天线线圈 内部插入具有高导磁率 μ的铁氧体材料 , 以增大互感 量 , 从而补偿线圈横截面减小的问题.2.2微带贴片天线

微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片 上的辐射贴片导体所构成的 [4], 如图 3所示.根据天线 辐射特性的需要 , 可以设计贴片导体为各种形状.通常 贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波 长 , 假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有 变化 , 仅沿约为半波长(λg/2 的导体长度方向变化.则 微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的

图

3微带天线

Fig.3 Microstrip antenna 边缘场引起的 , 辐射方向基本确定 , 因此 , 一般适用于

通讯方向变化不大的 RFID 应用系统中.为了提高天 线的性能并考虑其通讯方向性问题 , 人们还提出了各 种不同的微带缝隙天线 , 如文献 [5,6]设计了一种工作 在 24GHz 的单缝隙天线和 5.9GHz 的双缝隙天线 , 其辐射波为线极化波;[7,8]开发了一种圆极化缝 隙耦合贴片天线 , 它是可以采用左旋圆极化和右旋圆 ‘ 1’ 和 ‘ 0’ 进行编码.图

4偶极子天线

(a 偶极子天线;(b 折合振子天线;(c 变形偶极子天线

Fig.4 Dipole antenna 2.3RFID 应用系统中 , 最常用的是 偶极子天线(又称对称振子天线 [9].偶极子天线及其 演化形式如图 4所示 , 其中偶极子天线由两段同样粗 细和等长的直导线排成一条直线构成 , 信号从中间的 两个端点馈入 , 在偶极子的两臂上将产生一定的电流 分布 , 这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场.利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程 : E θ=∫ l-l d E θ=∫ l-l r

sin θcos(αz co s θ d z 式中 I z 为沿振子臂分布的电流 , α为相位常数 , r 是振 子中点到观察点的距离 , θ为振子轴到 r 的夹角 ,l 为 单个振子臂的长度.同样 , 也可以得到天线的输入阻 抗、输入回波损耗 S

11、阻抗带宽和天线增益等等特性 参数 [9].当单个振子臂的长度 l =λ/4时(半波振子 , 输入 阻抗的电抗分量为零 , 天线输入阻抗可视为一个纯电 阻.在忽略天线粗细的横向影响下 , 简单的偶极子天线 设计可以取振子的长度 l 为 λ/4的整数倍 , 如工作频

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313・ 增刊

陈华君等 :RFID技术原理及其射频天线设计

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(a

(b

图

5偶极子天线(a 回波损耗 S 11;(b 辐射方向图

Fig.5 Dipole antenna 率为 2.45GHz 的半波偶极子天线 , 其长度约为 6cm.当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时 , 可采用图 42b 的折合振子.3 RFID 射频天线的设计

从 RFID 技术原理和 RFID 天线类型介绍上看 , RFID 具体应用的关键在于 RFID 天线的特点和性能.目前线圈型天线的实现技术很成熟 , 虽然都已广泛地 应用在如身份识别、货物标签等 RFID 应用系统中 , 但 是对于那些要求频率高、信息量大、工作距离和方向不 确定的 RFID 应用场合 , 采用线圈型天线则难以设计 实现相应的性能指标.同样 , 如果采用微带贴片天线的 话 , 由于实现工艺较复杂 , 成本较高 , 一时还无法被低 成本的 RFID 应用系统所选择.能力较强、制造简单和成本低等优点 , 用于全方向通讯的 RFID 应用系统 , 因此 , 下面我们来 45(国际工业医疗研究自 由频段 RFID 偶极子天线.42a 所示.天线采用铜 材料(电导率 :5.8e7s/m , 磁导率 :1 , 位于充满空气的 立方体中心.在立方体外表面设定辐射吸收边界.输入 信号由天线中心处馈入 , 也就是 RFID 芯片的所在位 置.对于 2.45GHz 的工作频率其半波长度约为 61mm , 设偶极子天线臂宽 w 为 1mm , 且无限薄 , 由于天 线臂宽的影响 , 要求实际的半波偶极子天线长度为 57mm.在 Ansoft HFSS 工 具平台 上 , 采 用 有 限 元 算

法 [10]对该天线进行仿真 , 获得的输入回波损耗 S 11分 布图如图 52a 所示 , 辐射场 E 面(即最大辐射方向和电 场矢量所在的平面 方向图如图 52b 所示.天线输入阻 抗约为 72Ω, 电压驻波比(VSWR 小于 2.0时的阻抗 带宽为 14.3%, 天线增益为 1.8.从图 52b 可以看到在天线轴方向上 , 天线几乎无 辐射.如果此时读写器处于该方向上 , 应答器将不会做

(a

(b

图 6

变形偶极子天线(a 回波损耗 S 11;(b 辐射方向图

Fig.6 Changed dipole antenna 出任何反应.为了获得全方位辐射的天线以克服该缺

点 , 可以对天线做适当的变形 , 如在将偶极子天线臂末 端垂直方向上延长 λ/4成图 42c 所示.这样天线总长 度修改为(57.0mm +2×28.5mm , 天线臂宽仍然为 1mm.天线臂延长 λ/4后 , 整个天线谐振于 1个波长 , 而非原来的半个波长.这就使得天线的输入阻抗大大 地增加 , 仿真计算结果约为 2k Ω.其输入回波损耗 S 11如图 62a 所示.图 62b 为 E 面(天线平面 上的辐射场 方向图 , 其中实线为仿真结果 , 黑点为实际样品测量数 据 , 两者结果较为吻合说明了该设计是正确的.从图 62b 可以看到在原来弱辐射的方向上得到了很大的改

善 , 其 辐 射 已 经近似 为 全 方 向 的 了.电 压 驻 波 比(VSWR 小于 2.0时的阻抗带宽为 12.2%, 增益为 1.4, 对于大部分 RFID 应用系统 , 该偶极子天线可以 满足要求.4结束语

总之 ,RFID 的实际应用关键在于天线设计上 , 特 别是对于具有非常大市场容量的商品标签来说 , 要求 RFID 能够实现全方向的无线数据通讯 , 且还要价格 低廉、体积小.因此 , 我们所设计的上述这种全向型偶 极子天线的结构简单、易于

批量加工制造 , 是可以满足 实际需要的.通过对设计出来实际样品的进行参数测 试 , 测试结果与我们的设计预期结果是一致.参考文献 : [1]

苏雪莲.IC 卡的国内外发展现状 [J].微电子技术 ,1997,(2 :1-9.[2] Friedman D , Heinrich H ,Duan D W.A low 2power CMOS integrated circuit for field 2powered radio f requency identi 2fication tags [A ].Solid 2State Circuits Conference [C ].1997.294-295,474.[3] Usami M.An ultra small RFID chip :u 2chip [A ].Radio ・

413・ 厦门大学学报(自然科学版

2005年

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Frequency Integrated Circuits(RFIC Symposium [C ].2004.241-244.[4] [美 ]鲍尔 I J , 布哈蒂亚 P , 著.微带天线 [M ].梁联倬 , 寇 廷耀 , 译.北京 :电子工业出版社 ,1984.[5] Padhi S K , Karmakar N C ,Law C L ,et al.Microstrip 2fed slot antenna for millimetre 2wave RFID system[A ].Micro 2wave Conference ,Asia 2Pacific[C].2000.1396-1399.[6] Padhi S K , Karmakar N C ,Law C L ,et al.A dual polar 2

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朱崇灿 , 黄景熙 , 鲁述 , 编.天线 [M ].武汉 :武汉大学出版 社 ,1996.10.[10]

杜平安 , 甘娥忠 , 于亚婷.有限元法 :原理、建模及应用 [M ].北京 :国防工业出版社 ,2004.Principle of RF Antenna and Design for RFID C H EN Hua 2jun 1,L IN Fan 2, GUO Dong 2hui 1,2,33,WU Sun 2tao 2(1.Dept.of Phys.,Xiamen University , 2.Dept.of M EMS Center ,Xiamen University , 3.Dept.of Electr.Eng.,Xiamen University ,Xiamen 361005,China Abstract : Antenna is the key part of the RFID(Radio Frequency IDentification system.This paper introduces the principle of

RFID system and its antennae ,and designs an omni antenna for RFID system to improve the shortage of radiation pattern of tradition 2al dipole antenna used in RFID system.The results of both simulation and measurement are identical.K ey w ords : RFID;RF Antenna;electronic tag ・

513・ 增刊

及其射频天线设计

陈华君等 :RFID技术原理

第二篇：RFID技术原理及其射频天线设计

RFID技术原理及其射频天线设计

近年来人们开始开发应用非接触式IC 卡来逐步替代接触式IC 卡,其中射频识别(RFID , radio frequency identification)卡就是一种典型的非接触式IC卡，然而,RFID 在不同的应用环境中需要采用不同天线通讯技术来实现数据交换的.自1970 年第一张IC 卡问世起, IC 卡成为当时微电子技术市场增长最快的产品之一,到1996 年全世界发售IC 卡就有7 亿多张.但是,这种以接触式使用的IC 卡有其自身不可避免的缺点,即接触点对腐蚀和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC 卡的使用寿命和使用范围.近年来人们开始开发应用非接触式IC 卡来逐步替代接触式IC 卡,其中射频识别(RFID , radio frequency identification)卡就是一种典型的非接触式IC卡,它是利用无线通信技术来实现系统与IC 卡之间数据交换的,显示出比一般接触式IC 卡使用更便利的优点,已被广泛应用于制作电子标签或身份识别卡.然而,RFID 在不同的应用环境中需要采用不同天线通讯技术来实现数据交换的.这里我们将首先通过介绍RFID 应用系 统的基本工作原理来具体说明射频天线的设计是RFID 不同应用系统的关键,然后分别介绍几种典型的RFID 天线及其设计原理,最后介绍利用Ansoft HFSS 工具来设计了一种全向的RFID 天线.RFID 技术原理

通常情况下, RFID 的应用系统主要由读写器和RFID 卡两部分组成的,如图1 所示.其中,读写器一般作为计算机终端,用来实现对RFID 卡的数据读写和存储,它是由控制单元、高频通讯模块和天线组成.而RFID 卡则是一种无源的应答器,主要是由一块集成电路(IC)芯片及其外接天线组成,其中RFID 芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路 ,有的甚至将天线一起集成在同一芯片上.图1 射频识别系统原理图 RFID 应用系统的基本工作原理是RFID 卡进入读写器的射频场后,由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源,同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理;所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路,最后通过天线发回给读写器.可见,RFID 卡与读写器实现数据通讯过程中起关键的作用是天线.一方面,无源的RFID 卡芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量;另一方面,天线决定了RFID 卡与读写器之间的通讯信道和通讯方式.目前RFID 已经得到了广泛应用,且有国际标准:ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693 , ISO18000 等几种.这些标准除规定了通讯数据帧协议外,还着重对工作距离、频率、耦合方式等与天线物理特性相关的技术规格进行了规范.RFID 应用系统的标准制定决定了RFID天线的选择,下面将分别介绍已广泛应用的各种类型的RFID 天线及其性能.RFID 天线类型

RFID 主要有线圈型、微带贴片型、偶极子型3 种基本形式的天线.其中,小于1 m 的近距离应用系统的RFID 天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线,它们主要工作在中低频段.而1 m 以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的RFID 天线,它们工作在高频及微波频段.这几种类型天线的工作原理是不相同的.2.1 线圈天线

当RFID 的线圈天线进入读写器产生的交变磁场中,RFID 天线与读写器天线之间的相互作用就类似于变压器,两者的线圈相当于变压器的初级线圈和次级线圈.由RFID 的线圈天线形成的谐振回路如图2所示,它包括RFID 天线的线圈电感L、寄生电容Cp和并联电容C2′,其谐振频率为: ,(式中C 为Cp 和C2′的并联等效电容).RFID 应用系统就是通过这一频率载波实现双向数据通讯的。常用的ID1 型非接触式IC 卡的外观为一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm),天线线圈谐振工作频率通常为13.56 MHz.目前已研发出面积最小为0.4mm ×0.4 mm 线圈天线的短距离RFID 应用系统.图2 应答器等效电路图

某些应用要求RFID 天线线圈外形很小,且需一定的工作距离,如用于动物识别的RFID.线圈外形即面积小的话,RFID 与读写器间的天线线圈互感量M就明显不能满足实际使用.通常在RFID 的天线线圈内部插入具有高导磁率μ的铁氧体材料,以增大互感量,从而补偿线圈横截面减小的问题.2.2 微带贴片天线

微带贴片天线是由贴在带有金属地板的介质基片上的辐射贴片导体所构成的 ,如图3 所示.根据天线辐射特性的需要,可以设计贴片导体为各种形状.通常贴片天线的辐射导体与金属地板距离为几十分之一波长,假设辐射电场沿导体的横向与纵向两个方向没有变化,仅沿约为半波长(λg/ 2)的导体长度方向变化.则微带贴片天线的辐射基本上是由贴片导体开路边沿的边缘场引起的,辐射方向基本确定,因此,一般适用于通讯方向变化不大的RFID 应用系统中.为了提高天线的性能并考虑其通讯方向性问题,人们还提出了各种不同的微带缝隙天线,如文献[5,6]设计了一种工作在24 GHz 的单缝隙天线和5.9 GHz 的双缝隙天线,其辐射波为线极化波;文献[7,8]开发了一种圆极化缝隙耦合贴片天线,它是可以采用左旋圆极化和右旋圆极化来对二进制数据中的‘1’和‘0’进行编码.图3 微带天线

2.3 偶极子天线

在远距离耦合的RFID 应用系统中,最常用的是偶极子天线(又称对称振子天线).偶极子天线及其演化形式如图4 所示,其中偶极子天线由两段同样粗细和等长的直导线排成一条直线构成,信号从中间的两个端点馈入,在偶极子的两臂上

将产生一定的电流分布,这种电流分布就在天线周围空间激发起电磁场.利用麦克斯韦方程就可以求出其辐射场方程:

式中Iz 为沿振子臂分布的电流,α为相位常数, r 是振子中点到观察点的距离,θ为振子轴到r 的夹角,l 为单个振子臂的长度.同样,也可以得到天线的输入阻抗、输入回波损耗S11、阻抗带宽和天线增益等等特性参数.图4 偶极子天线

(a)偶极子天线;(b)折合振子天线;(c)变形偶极子天线

当单个振子臂的长度l =λ/ 4 时(半波振子),输入阻抗的电抗分量为零,天线输入阻抗可视为一个纯电阻.在忽略天线粗细的横向影响下,简单的偶极子天线设计可以取振子的长度l 为λ/ 4 的整数倍,如工作频率为2.45 GHz 的半波偶极子天线,其长度约为6 cm.当要求偶极子天线有较大的输入阻抗时,可采用图4b的折合振子.RFID 射频天线的设计

从RFID 技术原理和RFID 天线类型介绍上看,RFID 具体应用的关键在于RFID 天线的特点和性能.目前线圈型天线的实现技术很成熟,虽然都已广泛地应用在如身份识别、货物标签等RFID 应用系统中,但是对于那些要求频率高、信息量大、工作距离和方向不确定的RFID 应用场合,采用线圈型天线则难以设计实现相应的性能指标.同样,如果采用微带贴片天线的话,由于实现工艺较复杂,成本较高,一时还无法被低成本的RFID 应用系统所选择.偶极子天线具有辐射能力较强、制造简单和成本低等优点,且可以设计成适用于全方向通讯的RFID 应用系统,因此,下面我们来具体设计一个工作于2.45 GHz(国际工业医疗研究自由频段)的RFID 偶极子天线.半波偶极子天线模型如图4a 所示.天线采用铜材料(电导率:5.8e7 s/ m ,磁导率:1),位于充满空气的立方体中心.在立方体外表面设定辐射吸收边界.输入信号由天线中心处馈入,也就是RFID 芯片的所在位置.对于2.45 GHz 的工作频率其半波长度约为61mm ,设偶极子天线臂宽w 为1 mm ,且无限薄,由于天线臂宽的影响,要求实际的半波偶极子天线长度为57mm.在Ansoft HFSS 工具平台上, 采用有限元算法对该天线进行仿真,获得的输入回波损耗S11 分布图如图5a 所示,辐射场E 面(即最大辐射方向和电场矢量所在的平面)方向图如图5b 所示.天线输入阻抗约为72 Ω ,电压驻波比(VSWR)小于2.0 时的阻抗带宽为14.3 % ,天线增益为1.8.图5 偶极子天线

(a)回波损耗S11;(b)辐射方向图

从图5b 可以看到在天线轴方向上,天线几乎无辐射.如果此时读写器处于该方向上,应答器将不会做出任何反应.为了获得全方位辐射的天线以克服该缺点,可以对天线做适当的变形,如在将偶极子天线臂末端垂直方向上延长λ/ 4 成图4c 所示.这样天线总长度修改为(57.0 mm + 2 ×28.5 mm),天线臂宽仍然为1 mm.天线臂延长λ/ 4 后,整个天线谐振于1 个波长,而非原来的半个波长.这就使得天线的输入阻抗大大地增加,仿真计算结果约为2 kΩ.其输入回波损耗S11如图6a 所示.图6b 为E 面(天线平面)上的辐射场方向图,其中实线为仿真结果,黑点为实际样品测量数据,两者结果较为吻合说明了该设计是正确的.从图6b 可以看到在原来弱辐射的方向上得到了很大的改善,其辐射已经近似为全方向的了.电压驻波比(VSWR)小于2.0 时的阻抗带宽为12.2 % ,增益为1.4 ,对于大部分RFID 应用系统,该偶极子天线可以满足要求.图6 变形偶极子天线

(a)回波损耗S11;(b)辐射方向图 结束语

总之,RFID 的实际应用关键在于天线设计上,特别是对于具有非常大市场容量的商品标签来说,要求RFID 能够实现全方向的无线数据通讯,且还要价格低廉、体积小.因此,我们所设计的上述这种全向型偶极子天线的结构简单、易于批量加工制造,是可以满足实际需要的.通过对设计出来实际样品的进行参数测试,测试结果与我们的设计预期结果是一致.

第三篇：基于射频识别技术(RFID)的仓库管理

射频识别技术与仓储编码实训报告

题目

姓

名

赵艳艳

专业班级 物联网应用技术S13-1班

指导教师

完成时间

2015年1月

天津电子信息职业技术学院 制

2015.1

摘 要

某大型制造企业，目前使用的是人工书写单据的仓储管理方式，这种方式不但繁琐、容易造成人为损失，且人工及配送成本非常高。随着企业规模扩大，产成品结构越来越复杂，且整个市场对产品的个性化要求也日益提高，随之而来的是如何管理好库存。而一个结合了无线射频技术（RFID）的仓库系统可以从根本上解决仓库管理的问题。RFID技术不但免除了跟踪过程中的人工干预，且在节省大量人力的同时极大的提高了工作效率。这种系统可以大大的简化物品的库存管理，满足信息流量不断增大和信息处理速度不断提高的需求。仓库管理系统由业务管理软件、RFID标签发行系统和RFID标签识别采集系统组成，这几个系统互相联系，共同完成仓库管理的各个流程。此仓库管理系统是基于SQL大型数据库，采用组件式开发的三层结构系统，在此系统的基础上，在充分理解库存管理业务的需求后，结合RFID技术，对原有业务流程进行改造和重新设计。优化的业务流程模块包括收料管理、入库管理、移库管理、出库管理与盘点管理，并绘制了改造后的业务流程图。将整个仓库管理系统与射频识别技术相结合，能够高效地完成各种业务操作，改进仓库管理，提升效率及价值。

关键词：仓库管，RFID，业务流程改造

目 录

第一章 项目背景及意义....................................................1 第二章 需求分析...........................................................2

2.1 仓库管理系统的用户需求............................................2 2.2仓库管理系统的功能性需求描述......................................2 2.3仓库管理系统的非功能性需求描述....................................3 第三章 系统总体设计......................................................5

3.1 仓库管理系统的结构................................................5 3.2 仓库管理系统的架构................................................5 3.3 系统设计要点......................................................6 第四章 系统设计与实现....................................................7

4.1 收料管理..........................................................7

4.1.1收料通知单...................................................7 4.1.2 收料管理描述及业务流程图....................................7 4.2入库管理...........................................................9

4.2.1外购入库单...................................................9 4.2.2入库管理描述及业务流程图.....................................9 4.3移库管理..........................................................10 4.3.1仓库调拨单（移库）：........................................10 4.3.2移库管理描述及业务流程图....................................11 4.4出库管理..........................................................13 4.4.1领料通知单（出库单）：......................................13 4.4.2出库管理描述及业务流程图....................................13 4.5盘点管理..........................................................15 4.5.1库存盘点....................................................15 4.5.2盘点管理描述及业务流程图....................................15 第五章 系统应用效果评价.................................................17

5.1仓库管理系统与RFID技术结合......................................17 5.2作业流程的改进与保持.............................................17 第六章 研究成果..........................................................18 主要参考文献.............................................................19

第一章 项目背景及意义

现在本企业的仓库还是通过在货架上贴手写卡片来区分货位，这是一件费时费力的工作，而且还经常出现取错货物和多次重复取货等的错误。由于面临来自全球和地区日趋激烈的竞争，提高生产效率、降低运营成本,对于企业来说将至关重要，其中库存管理将是制造型企业中控制生产成本的关键问题之一。库存就是金钱，是财务报表上的重要事项，管好库存就是管好企业的钱财 [1]。随着企业规模扩大，产成品结构越来越复杂，且整个市场对产品的个性化要求也日益提高，随之而来的问题是面对每天都要重复进行的收货、出入库、移库和盘点的工作，如何才能快速的完成大批量货物的快速核对、收取？在企业具有一定规模的仓库中，怎样才能快速地找到指定的货物？盘点一定要停业才能进行吗？对于仓库进行停业盘点所造成的损失是显而易见的，也是企业绝对不愿意承受的，但是不进行盘点又无法真实地掌握库房的情况，这同样是企业的管理者所不愿意面对的。有没有可以在不影响企业正常工作的情况下进行库房盘点的办法呢？本文基于RFID技术，设计实现基于此无线射频技术基础上的仓库管理系统，以达到对原有业务流程进行改造和重新设计来解决以上问题。1

第二章 需求分析

此大型制造企业，在仓库管理中存在以下几个问题：由于生产组织模式采用被动的“推”式生产模式，造成库存原材料、成品品种众多，数量巨大，库存管理难度大，物料数量大占用较多存储空间，不但增加管理成本，而且物料短缺情况还是时有发生；库存管理工作粗放，管理方式仍采用较多手工方式，工作量大，且对人员数量需求较多，容易造成库存统计错误；库存帐物不符现象时有出现，但不能及时发现这种现象；物流管理中暴露的问题不能及时反映及时解决，例如：物料不准确、BOM错误等，缺乏有效手段，进行问题汇报和沟通；协调性较差，没有信息系统的支持。随着基于RFID（射频识别技术）技术的仓库管理系统的应用，可以从根本上解决库存管理问题。RFID技术不但免除了跟踪过程中的人工干预，且在节省大量人力的同时极大的提高了工作效率[2]。这种系统可以大大的简化物品的库存管理，满足信息流量不断增大和信息处理速度不断提高的需求。2.1 仓库管理系统的用户需求

仓库管理系统是针对本企业仓库物料的收料、入库、移库、出库和盘点查询等方面工作而开发的管理软件，根据企业的要求，实现仓库的收料管理、入库管理、移库管理和盘点管理及用户管理等功能。用户通过相应的模块，对仓库里物料的基本情况进行更新、删除和查询，对物料的收料、入库、移库、出库和盘点进行管理，对各功能模块明细进行查询，对使用该系统的用户进行更新、删除和查询，对库存数量进行查询，用户通过简单的作即可轻松的管理仓库。2.2仓库管理系统的功能性需求描述（1）用户管理

对有权使用该系统的用户的基本情况数据进行更新、查询等作，实现用户管理功能。用户分级管理，分别具有不同的权限；具有分组管理用户的功能。可以针对用户分配软件模块使用权限。（2）物料管理

对仓库里所有物料的种类（包括名称、厂家等信息）进行更新、删除和查询等操作，实现物料管理功能。物料可以动态添加种类，支持批次管理，支持多计量单位变换。（3）仓库管理

对仓库里物料货物实现收料、入库、移库、出库和盘点管理，要求能导出每种功能模块的单据，方便用户进行物料管理，并能提供收料、入库、移库、出库和盘点的明细，方便用户查询。（4）库龄分析

提供物料使用情况和呆滞情况的分析，为业务人员制定采购计划提供依据，提供其他分析报表，提高仓库管理水平。2.3仓库管理系统的非功能性需求描述

系统支持射频输入和手工输入两种方式，以防射频系统不稳定时影响生产活动。系统要求与PDM和财务系统集成，能够通过系统接口方式获得物料基础数据。系统硬件部分要求模块化设计实现，维护简便稳定可靠。

手持部分需要结实耐用，能够在恶劣的环境中使用（下雨、下雪等）。手持部分在无外接电源情况下，需要至少连续工作10小时以上。

图1 基于RFID技术的仓库管理系统功能

第三章 系统总体设计

3.1 仓库管理系统的结构

图2 仓库管理结构图

仓库管理系统由业务管理软件、RFID标签发行系统和RFID标签识别采集系统组成，这几个系统互相联系，共同完成仓库管理的各个流程。后台仓库数据库管理系统是整个系统的核心，RFID识别采集是实现管理功能的基础和手段。后台管理系统由中心数据服务器和管理终端组成，是系统的数据中心，负责与手持机通讯，将手持机上传的数据转换并插入到后台业务仓储管理系统的数据库中，对标签管理信息、发行标签和采集的标签信息集中进行储存和处理[3]。3.2 仓库管理系统的架构

此仓库管理系统是基于SQL大型数据库，采用组件式开发的三层结构系统。三层结构分别为：

数据库：管理账套数据的读写。中间层：用于账套管理的工作。

表示层：用户日常直接操作界面和手持设备。

3.3 系统设计要点

在充分理解库存管理业务的需求后，结合RFID技术，对原有业务流程进行改造和重新设计。业务处理模式尽量与原有模式相同，只是操作方式上在手持设备上进行。系统操作融入作业的每个关键环节，使作业人员能够实时与系统进行交互，获得系统信息支持，系统也能实时采集到关键作业数据，以供关联系统进行快速有效处理。

无线处理系统设计原则操作简单、信息充足、处理效率高。无线设备与原有系统最大的区别还在于手持设备可以支持一定程度上的离线处理。当系统网络或主机发生故障时，操作人员可以使用离线处理模式，继续进行日常作业，不过功能会受到一定限制，作业数据会被保留在手持设备本地，当网络或主机故障恢复后，系统可以自动进行同步保存离线处理时的数据。从而使系统故障对企业生产作业的影响降低。

RFID仓储管理系统由业务管理软件、RFID标签发行系统和RFID标签识别采集系统组成，这几个系统互相联系，共同完成库存管理的各个流程。根据企业的具体需求，在各原料仓库中使用仓库管理系统、基于条码技术的自动识别技术和无线移动处理技术，提高仓库作业的效率和信息处理实时性，使管理者可以及时便捷地获取各类物料流动信息[4]。

第四章 系统设计与实现

4.1 收料管理 4.1.1收料通知单

收料通知单是采购部门在物料到达企业以后，登记由谁验收、由哪个仓库入库等情况的详细单据，便于物料的跟踪与查询（如图3所示）。它是采购订单的重要执行单据，其不仅要处理与采购订单直接关联的执行情况，还要处理外购入库单与采购订单间接关联的执行情况，起到承上启下的业务管理作用。它可以通过手工录入、单据关联、单据复制等多种途径生成。在实际业务处理中，可以由收料通知单生成外购入库单及退料通知单等[5]。

图3 收料通知单

4.1.2 收料管理描述及业务流程图

采购部生成收料申请单，并打印收料申请单条码，然后物料运输到仓库。仓库收货员使用无线移动设备（手持设备）扫描收料申请单条码，无线移动设备依据收料申请单从仓库管理系统下载所扫描的收料申请单的物料信息，物料信息包括：物料条码、物料名称和收货数量，并指定物料是否是急件以及是否需要检验。仓库收货员使用无线移动设备扫描入库申请单中指定的物料条码，录入数量，如果物料具有托盘则要扫描托盘条码。从仓库管理系统查询所扫描物料的可用库位信息，选择物料存放的库位，如果存放在该库位上的物料需要检验，则要录入物料检验的数量。

仓库操作员扫描完收料申请单上指定的物料后提交到仓库管理系统进行相应的处理，提交的信息包括物料条码、实际收货数量，托盘条码和库位条码，并指定物料在各个库位上检验的数量，提交后收料操作完成[6]。

图4 收料管理流程图

4.2入库管理 4.2.1外购入库单

已经收料的物料，在检验员执行质检后，操作人员根据质检合格单将采购合格数量与收料通知单关联生成外购入库单（如图5所示）。外购入库单通常是确认货物入库的有效证明文件。外购入库单包括蓝字外购入库单和红字入库单，红字外购入库单是蓝字外购入库的反向单据，代表物料的退库。外购入库单的常用增加方式有手工新增和关联生成方式两种。

图5 外购入库单

4.2.2入库管理描述及业务流程图

入库时，仓库操作员根据订货清单清点检查每一件货品，检查合格后交给仓库保管员送入库房。仓库保管员持手持机扫描已完成收货操作的入库申请单条码，无线移动设备从仓库管理系统中下载所扫描的入库申请单的物料收货信息，物料信息包括：物料条码、物料名称、收货数量以及托盘条码，并指定物料是否需检验以及检验是否完成，同时标识物料是否为急件。仓库操作员根据物料收货信息，扫描物料条码、库位条码并录入数量，如果物料具有托盘则要扫描托盘条码。仓库操作员扫描完收货信息中指定的物料后提交到仓库管理系统进行相应的处理，提交的信息包括：物料条码、入库数量及托盘条码并指定物料是否为急件，完成后入库操作完成。

图6 入库管理流程图

4.3移库管理

4.3.1仓库调拨单（移库）：

仓库调拨单是确认货物在仓库之间流动的书面证明。它是体现库存业务状态的重要单据，仓库管理系统的最大特色是以独立于企业物流的有形的单据流转代替业务中无形的存货流转轨迹，从而将整个业务流程统一为一个有机整体。系统为仓库调拨单提供了手工录入、关联生成或复印生成等多种生成方法，系统为调拨单单据的处理提供了新增、审核/反审核、作废、打印、引出等多项操作功能（如图7所示）。

图7 仓库调拨单

4.3.2移库管理描述及业务流程图

仓库操作员生成物料移库单，并在移库单上指定物料移库的最终目的地，并打印移库单条码。仓库操作员使用无线移动设备扫描移库单条码，无线移动设备从仓库管理系统中下载所扫描移库单的物料移库信息，移库信息包括：物料条码、物料名称、托盘条码以及库位条码并指出该库位是否被设置为日常盘点的库位。仓库操作员根据物料移库信息扫描物料条码、移出库位条码，录入移库数量，如果物料具有托盘则要扫描托盘条码，然后，扫描移入库位条码和托盘条码。如果所扫描的移出库位被设为日常盘点的库位，则需要录入该库位上该物料移出后还剩余的数量。仓库操作员扫描完移库单中指定的物料信息后提交物料移库信息到仓库管理系统中作相应的处理，移库信息包括：物料条码、移入移出的托盘条码和库位条码以及库位上物料的剩余数量（库位被设置为日常盘点库位），完成后移库操作完成。

图8 移库管理流程图

4.4出库管理

4.4.1领料通知单（出库单）：

领料通知单是体现库存业务的重要单据，是物料出库的重要凭证（如图9所示）。对领料单的生成，系统提供了关联投料单的自动生成、人工新增等多种方法，对零料的领取方法系统提供了单件领料、工序领料、配套领料、批量领料等多种方法，企业可根据实际情况灵活应用。车间人员到仓库进行生产领料，仓库人员核对领料单上的数量和发料仓库无误后，发料并保存领料单。如果选择“严格按投料单发料”系统参数时，仓库发料人员所发的物料不得大于投料单上的应发数量，否则领料单不能保存。

图9 领料单

4.4.2出库管理描述及业务流程图

仓库操作员制作出库单，并打印出库单条码。仓库操作员使用无线移动设备扫描出库单条码，无线移动设备到仓库管理系统中下载所扫描的出库单的物料出库信息，出库信息包括：物料条码、物料名称、库位条码、物料托盘条码以及出库数量。仓库操作员依据出库单的物料信息扫描物料条码、库位条码并录入数量，如果物料具有托盘则要扫描托盘条码。仓库操作员扫描完出库单中指定的物料后将出库信息提交到仓库管理系统作相应的处理，提交的信息包括：物料条码、实际出库数量、库位条码、托盘条码以及生产批次和工位条码。

图10 出库管理流程图

4.5盘点管理 4.5.1库存盘点

库存盘点是处理与库存数据相关的日常操作的信息管理的综合功能模块，主要备份盘点数据、打印盘点表、输入盘点数据、编制盘点报告表等处理功能，实现对数据的备份、打印、输出、录入单据等。它是对账存数据和实际库存数据进行核对的重要工具，是保证企业账实相符的重要手段。4.5.2盘点管理描述及业务流程图

仓库操作员制作盘点单，并打印盘点单条码。仓库操作员使用无线移动设备（手持设备）扫描盘点单条码，无线移动设备从仓库管理系统中下载所扫描的盘点单的盘点物料信息，盘点物料信息包括：物料条码、物料名称、物料所在库位条码以及物料在该库位上的数量。仓库操作员扫描盘点单上指定的物料条码、物料所属的库位条码并录入该物料在库位上的实际数量，如果物料具有托盘则要扫描托盘条码。仓库操作员扫描完盘点单上指定的物料后提交盘点的物料信息到仓库管理系统中进行相应的处理，提交的信息包括：物料条码、库位条码以及数量，提交完成后盘点操作完成。

图11 盘点管理流程图

第五章 系统应用效果评价

在本解决方案中，使用无线移动处理技术和RFID技术解决企业在现实生产过程中信息实时处理和数据采集自动化的要求。无线移动处理技术可以使操作人员在作业过程中第一时间将作业信息采集到系统中，或得到信息系统对作业的智能化支撑。

5.1仓库管理系统与RFID技术结合

RFID技术在制造企业执行层系统的应用价值在于提升作业效率和信息的自动化精确获取。当仓库管理系统引入了RFID技术，在企库存管理各环节，可以获得更多的自动化数据采集，功能控制。操作工人可以不必在工作的同时执行数据采集的动作，可以全身心的投入生产作业中，从而作业效率也得到提高。这一点对进行大批量作业的制造企业显得尤其重要，虽然一个手工扫描或按钮动作只需要1-2秒，但对于一个作业节拍只有十几秒的企业来说，那就是一种重要的提高了。由于RFID标签的能存储较大容量的数据的特性，使得系统能够实现更多的交互性控制，使得一些在原先完全基于条码技术时的难点瞬时迎刃而解，使得企业物流数据可以环环相扣，顺畅流动。当然限于目前RFID设备的成本问题，要想完全实现利用RFID技术带来的优点，必须要付出高成本的代价，因此我们只能做些局部的尝试。但日后随着技术的提升和普及，成本问题一定会得到解决。5.2作业流程的改进与保持

对原有的库存管理作业方式，在本解决方案实施以后将得到较大的改变，在每一个日常作业环节中融入信息系统的支持与指导，使其成为作业的一部分，虽然从表面上看增加了作业人员的操作步骤，但却大大增加了每次作业的正确性和受控性，所以从最终的效果来看，这样的改变是增加了整体作业的绩效的。对于这样的改进，在信息系统设计与实施的时候是所必须的。

第六章 研究成果

 将整个仓库管理系统与射频识别技术相结合，能够高效地完成各种业务操作，改进仓库管理，提升效率及价值；

 提高物品出入库过程中的识别率，可不开箱检查，并同时识别多个物品，提高出入库效率；

 缩减盘点周期，提高数据实时性，实时动态掌握库存情况，实现对库存物品的可视化管理；

 采用射频技术能大大提高拣选与分发过程的效率与准确率，并加快配送的速度，减少人工、降低配送成本；

 精确掌握物资情况，优化合理库存。

主要参考文献

[1] 马士华，林勇。《供应链管理（第2版）》，机械工业出版社，2005 [2] 张革军．RFID技术在供应链管理中的应用．自动识别技术与应用，2005 [3] 王小敏，《基于RFID技术的库存管理系统研究》，对外经济贸易大学，硕士论 文，2006 [4] 李铁克，《制造执行系统模型综述与分析》，冶金自动化，2003年，第四期 [5] 陈启申，《ERP-从内部集成起步》，电子工业出版社，2005 [6] 植俊文，《基于RFID的MES系统设计》，广东工业大学，硕士论文，2006

第四篇： 《RFID原理及技术》 课程设计指导书

黄河交通学院

课程设计指导书

课程编号： 13373071

课程设计名称： RFID原理及技术

课程设计总周数/学分： 2/3

适用专业： 物联网工程

制 定 人： 邵彩玲

制（修）订时间： 2021年5月

专业负责人审核：

专业建设工作组审核：

2021年 5 月

实训安全纪律

学生应按照课程教学安排，准时上实训课，不得迟到早退。

实训前应认真阅读实训指导书，明确实训目的、步骤、原理，预习有关理论知识，并接受实训教师的提问和检查。

不得高声喧哗和打闹，不准抽烟、随地吐痰和乱丢纸屑杂物。

实训时必须严格遵守仪器设备的操作规程，爱护仪器设备，节约使用材料，服从实训教师和技术人员的指导。未经许可不得动用与本实训无关的仪器设备及其物品。

实训中要细心观察，认真记录各种实验数据。不准敷衍，不准抄袭别组数据，不得擅自离开操作岗位。

实训时必须注意安全，防止人身和设备事故的发生。若出现事故，应立即切断电源，及时向指导教师报告，并保护现场，不得擅自处理。

实训完毕，应清理实训现场。经指导教师检查仪器设备、工具、材料和实训记录后方离开。

实训后要认真完成实训报告，包括分析结果、处理数据、绘制曲线及图表。在规定的时间内教指导教师批改。

在实训过程中，由于不慎造成仪器设备、工具损坏者，应写出损坏情况报告，并接受检查，有上级部门根据情况进行处理。

凡违反操作规程、擅自动用与本实验无关的仪器设备、私自拆卸仪器而造成事故和损失的，肇事者必须写出书面检查，视情节轻重和认识程度，按章予以赔偿。

目 录

第一部分 实训大纲 1

一、实训目的和基本要求 1

二、实训内容 1

三、时间分配 2

四、实训任务要求及考核指标 2

任务一 分组题目—任务书 4

任务书一 RFID汽车防盗安全系统 4

任务书二 基于RFID的模拟停车场管理系统 4

任务书三 校园射频识别门禁解锁设计 5

任务书四 基于RFID的非接触式垃圾桶设计 5

任务书五 基于RFID的食堂刷卡系统设计 6

任务书六 基于 RFID 技术的考勤系统设计 6

任务书七 基于射频识别卡的智能饮水机控制系统设计 7

任务书八 基于RFID的图书馆管理系统 7

任务书九 基于RFID的智能仓储系统 8

任务书十 基于RFID简易公交卡刷卡机 8

任务二 公共题目—任务书 9

任务书一 设计符合ISO14443A协议的读写器及实物制作 9

（一）设计目的及要求 9

（二）实物制作参考图 9

任务书二 设计三表（水、电、气）读写器及实物制作 10

（一）设计目的及要求 10

（二）实物制作参考图 10

任务书三 基于MF CR530射频模块读写器及实物制作 11

（一）设计目的及要求 11

（二）实物制作参考图 11

任务书四 制作125kHZ 频段RFID收发装置 12

（一）设计目的及要求 12

（一）实物制作参考图 12

第一部分 实训大纲

一、实训目的和基本要求

1、设计目的RFID原理及技术课程设计是将知识转化为能力的桥梁，其主要目的是进一步巩固和加深学生所学的理论知识，并将其系统化；培养学生综合运用所学知识独立解决实际问题的能力和初步培养学生进行创新设计的能力；使学生初步掌握嵌入式软硬件系统分析设计，并在机构分析与综合方面受到一次比较全面的训练。

2、设计要求

（1）通过阅读任务书中的要求，形成对产品硬件和软件总体设计方案。

（2）按照任务书给定的参数设计读写器或电子标签相应的硬件电路，并形成相应的功能模块。

（3）以任务书中产品的描述为目标对涉及的参数指标进行设计，满足设计需求。

（4）对设计产品进行仿真或实际调试，从仿真或测试中找出相应的问题。

（5）编写产品设计书及制作PPT，培养学生归纳、总结的表达能力。

二、实训内容

本次课程设计主要是将学生所学电磁场理论、电路与模拟电子技术、数字电子技术、单片机原理与应用等课程知识进行综合性的运用。首先从任务书中的产品设计需求出发，对产品的功能实现进行分析并对其进行有机分解；其次采有模块化设计理念，对该功能所需硬件电路图进行设计并测试，进而得到系统的整体电路图；然后根据任务书中设计需求进行仿真分析、评估。最后结合设计和仿真总结设计成果。

下面简述主要步骤的大致内容:

（1）阅读任务书，明确功能要求及技术指标

（2）总体方案设计与论证

（3）硬件模块化设计

（4）器件选型与参数计算

（5）原理电路仿真、分析

（6）具体实物焊接、测试

三、时间分配

实训任务要求及考核指标

（一）任务布置：

分组题目：参照任务书中要求，四人一组，每组1题，独立进行设计。

公共题目：可调电子时钟设计及制作。

课程设计上交内容：

1、分组题目的硬件电路图 2、分组题目的设计流程图 3、分组题目的仿真结果截图及其说明文档 4、课程报告电子版及纸质版 5、公共题目电子制作实物

（三）评分细则：

以硬件设计图和仿真运行结果为指标，参考平时纪律表现为依据，由指导教师按五级计分制（优、良、中、及格、不及格）进行评定。其中：

优秀（90~100）：设计方案新颖，创新点突出，满足设计需求，内容丰富，在设计过程中勤奋好学，有创新思想。

良好（80~90）：设计方案比较新颖，创新点比较突出，基本满足任务书的需求，内容比较丰富，在设计过程中勤奋好学，有创新思想。

中等（70~80）：设计方案一般，创新点一般，功能上满足设计需求但实现方法上有所出入，内容不够丰富，在设计过程中比较勤奋，创新思想不明显。

及格（60~70）：设计方案不完善，存在一些小错误，设计功能接近任务书要求，内容一般，在设计过程中不够勤奋。

不及格（60分以下）：设计方案有严重错误且设计内容与任务书严重不符合，设计说明书内容不足，在设计过程中不够认真。

五、参考资料（参考书、网络资源等）

教材

《物联网射频识别（RFID）核心技术教程》 黄玉兰主编 人民邮电出版社，2019.7

参考书

（1）射频识别技术与应用 赵军辉主编 北京：机械工业出版社，2008.7

（2）射频识别技术——原理、协议及系统设计（第2版）谢磊 陆桑璐主编 北京：科学出版社，2016.6

任务一 分组题目—任务书

任务书一 RFID汽车防盗安全系统

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：RFID汽车防盗安全系统

设计要求：

以RFID系统为核心组成，射频识别系统由阅读器、应答器和射频天线组成。

用户可以通过钥匙模块的开关发送射频数据来打开和关闭车门。

为了系统的安全性，对发送数据进行滚动码加密，发送完毕进入到停止模式。

加分项：选择适当的电路仿真软件，仿真、验证所设计的RFID电路，并截屏仿真结果。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务书二 基于RFID的模拟停车场管理系统

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：开发一个基于RFID的模拟停车场管理系统，实现刷卡进入/离开停车场并根据停车时长收费。

设计要求：

使用RFID设备，包括读卡器以及电子标签；

车辆进入停车场提示：当车辆刷卡进入停车场时，会在屏幕上显示“欢迎“所的提示信息，提示消息会在几秒之后消失；

车辆离开停车场提示：当车辆离开停车场时会弹出祝你一路顺风的提示信息；

加分项：管理员可以对数据库任何数据进行插入、修改、查询和删除的功能。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务书三 校园射频识别门禁解锁设计

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：改变传统的钥匙开锁的现状，运用射频识别技术，将指定的ID卡解锁对应的门。

设计要求：

给出RFID系统的组成、结构框图设计，突出电感耦合式的射频前端的特点；

基于RFID技术，对硬件进行开发，使ID卡能够被识别；

在多个ID卡的情况下，只有一个对此门有权限的ID卡才能开启门。

加分项：选择适当的电路仿真软件，仿真、验证所设计的RFID电路，并截屏仿真结果。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务书四 基于RFID的非接触式垃圾桶设计

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：在目前疫情防控的大环境下，为了避免人们交叉接触，设计了无接触式垃圾桶。

设计要求：

设计相应的RFID硬件及软件模块，包括主控系统、读写器和电子标签；

将每一种不同类型的垃圾袋附着不同的电子标签；

当读写器识别到垃圾袋对应的标签时，就会打开对应回收类型的垃圾桶。

加分项：选择适当的电路仿真软件，仿真、验证所设计的硬件电路，并截屏仿真结果。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务书五 基于RFID技术的食堂刷卡系统设计

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：通过IC卡读卡器读入信号给主芯片完成数据的读取、删除、储存、注册、扣钱、充钱等；

设计要求：

系统包含：RFID射频模块、控制模块、液晶显示模块、上位机模块、串口模块等五个模块；

管理员可以进行用户信息注册、查询信息、修改信息、删除信息，金额设置；

在设计的基础上可以选择所学模块（AT89C51/52,STM32,RFID IC/ID卡的读写）；

加分项：可以增加适当的硬件，软件仿真，验证刷卡系统并将其截图保留。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务书六 基于RFID的考勤系统设计

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：基于RFID的考勤系统设计

设计要求：

本设计由STC89C52单片机电路、RFID模块电路、液晶显示电路和电源电路组成；

系统具有刷卡功能，显示考勤状态“上班”和“下班”。

系统可以更改显示时间和特殊信息，例如请假、迟到等。

系统具备统计功能，可以统计本日出勤总人数。

加分项：可以增加适当的硬件，软件仿真，验证刷卡系统并将其截图保留。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务书七 基于射频识别的智能饮水机

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：利用无线射频技术RFID,实现一个智能化的水卡计费系统。

设计要求：

基于射频识别技术，在系统处于工作状态时，阅读器一直处于读卡状态，寻找合适的电子标签；

当有合适的电子标签，靠近读写器时，读写器识别电子标签；

读出电子标签信息，显示金额，时间等信息，开始计费。

加分项：能够实现循环累计扣费和充值。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务书八 基于RFID的图书馆管理系统

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：基于RFID的图书管理系统

设计要求：

利用RFID实现对图书的自助借阅管理；

实现图书归还功能；

根据射频识别技术和条形码读取信息实现书架系统管理。

加分项：增加防盗报警功能

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务书九 基于RFID的智能存储系统

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：智能存储系统

设计要求：

入库管理：商品入库，经过读卡器读取商品的信息，生产日期，商品产地，保质期，商品类别，根据包含的信息给出适合保存的仓库，并将商品信息记录到上位机数据库；

出库管理：商品出库，读卡器读取信息。根据盘点信息或入库信息给出保存时间，是否过期等，并在上位机数据库标注出库；

盘点管理：由工作人员扫描商品，读取信息，并计算出保存时间，以及计算出商品是否过期等。同时更新数据库中的信息；

加分项：选择适当的电路仿真软件，仿真、验证所设计的硬件电路，并截屏仿真结果。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务书十 基于RFID的简易公交车刷卡机

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：基于RFID的简易公交车刷卡机

设计要求：

给出RFID系统的组成、结构框图设计，设计具备要求的设计电路；

能够读取公交卡信息，显示刷卡成功并显示卡型“学生卡”“老年卡”等；

实现公交卡信息的录入，修改，删除数据。

加分项：选择适当的仿真软件或实物，截屏仿真结果或实物照片、视频。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

任务二 公共题目—任务书

任务书一 设计符合ISO14443A协议的读写器及实物制作

（一）设计目的及要求

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：基于ISO14443 A标准的读写器设计

设计要求：

采用51系列单片机，结合射频模块（如RC500）芯片，设计符合ISO14443A协议的读写器；

硬件设计：单片机最小系统、通信接口、显示屏驱动、RC500时钟电路和匹配网络、天线、电源等；

功能设计：建立二进制文件、建立外部密钥文件、卡定额充值、卡定额消费、修复卡片错误、取随机数、删除MF文件下所有目录、写名字到CPU卡中、显示序列号等（可选择实现其1、2功能）。

加分项：编写上位机程序，建立上位机与读写器的通信链接，实现对IC卡的读、写操作。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

（二）实物制作参考图

任务书二 设计三表（水、电、气）读写器及实物制作

（一）设计目的及要求

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：基于ISO14443 A标准的读写器设计

设计要求：

采用51系列单片机，结合射频模块（如RC522）芯片，设计符合ISO14443A协议的读写器；

硬件设计：单片机最小系统、SPI接口、RC522时钟电路和匹配网络、天线、电源等；

功能设计：利用上位机实现三表合一卡充值、读取充值金额、输出余额（水：吨，电：度，气：方）。

加分项：选型或设计与上述读写器匹配的IC卡，实现信息数据的写入和读出操作，测试有效工作距离。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

（二）实物制作参考图

任务书三 基于MF CR530射频模块读写器及实物制作

（一）设计目的及要求

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：基于MF CR530射频模块的读写器设计

设计要求：

采用51系列单片机，结合MF CR530射频模块芯片，设计支持Mifare1（M1）卡的读写器；

硬件设计：单片机最小系统、SPI接口、RC530时钟电路和匹配网络、滤波、天线、电源等；

功能设计：选卡、认证、加值、减值、读卡、写卡、终止等，给出程序设计流程图。

加分项：选型或设计与上述读写器匹配的IC卡，实现信息数据的写入和读出操作，测试有效工作距离。

设计报告及PPT制作：

按要求完成项目设计报告及制作相应PPT

（二）实物制作参考图

任务书四 制作125kHZ 频段RFID收发装置

（一）设计目的及要求

设计目的：训练学生综合运用已学课程的基本知识，独立进行RFID应用技术和开发工作，掌握RFID系统结构设计、功能环节设计、电路设计、调试与测试（仿真）等过程的步骤与方法，学习对所设计环节的技术参数指标进行分析与平均的方法。

功能需求：制作125kHZ 频段的读写器和电子标签

设计要求：

根据125kHZ 频段RFID系统工作的特点，自主选择技术方案和电路，设计并制作出符合相应ISO标准的读写器和电子标签，并实现其基本功能。

说明所遵循的标准，设计读写器（感应模块，支持TK4100芯片卡）和对应的电子标签（可选购），给出电路原理图、PCB设计图，并委托加工PCB板；

选购器件、焊接、调试电路，编制上位机监控软件，测试读写功能、作用距离、误码率等指标，；

加分项：通过电子标签的识别，控制门禁的开启与报警。

设计报告及PPT制作：

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（二）实物制作参考图

第五篇：在射频识别系统中的天线问题

在射频识别系统中的天线问题

关键词: 天线 类型 阻抗 距离 辐射模式

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天线的目标是传输最大的能量进出标签芯片。这需要仔细的设计天线和自由空间以及其相连的标签芯片的匹配。本文考虑的频带是435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz，在零售商品中使用。天线必须：

足够的小以至于能够贴到需要的物品上； 有全向或半球覆盖的方向性； 提供最大可能的信号给标签的芯片；

无论物品什么方向，天线的极化都能与读卡机的询问信号相匹配； 具有鲁棒性； 非常便宜。

在选择天线的时候的主要考虑是： 天线的类型； 天线的阻抗：

在应用到物品上的RF的性能；

在有其他的物品围绕贴标签物品时的RF性能。

可能的选择

这里有两种使用方式：一）贴标签的物品被放在仓库中，有一个便携装置，可能是手持式，询问所有的物品，并且需要它们给予信息反馈信息；二）在仓库的门口安装读卡设配，询问并记录进出物品。还有一个主要的选择是有源标签还是无源标签[1],[2]。

可选的天线

在435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz 频率是用的RFID系统中，可选的天线有几种，见下表，它们重点考虑了天线的尺寸。这样的小天线的增益是有限的，增益的大小取决于辐射模式的类型，全向的天线具有峰值增益0到2 dBi；方向性的天线的增益可以达到6 dBi。增益大小影响天线的作用距离。下表中的前三个种类的天线是线极化的，但是微带面天线可以使圆极化的，对数螺旋天线仅仅是圆极化的。由于RFID标签的方向性是不可控的，所以读卡机必须是圆极化的。一个圆极化的标签天线可以产生3 dB 以强的信号。

阻抗问题

为了最大功率传输，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。几十年来，设计天线与50 或 70 欧姆的阻抗匹配，但是可能设计天线具有其他的特性阻抗。例如，一个缝隙天线可以设计具有几百欧姆的阻抗。一个折叠偶极子的阻抗可以是一做个标准半波偶极子阻抗的20倍。印刷贴片天线的引出点能够提供一个很宽范围的阻抗(通常是 40 到 100欧姆)。选择天线的类型，以至于它的阻抗能够和标签芯片的输入阻抗匹配是十分关键的。另一个问题是其他的与天线接近的物体可以降低天线的返回损耗。对于全向天线，例如双偶极子天线，这个影响是显著的。改变双偶极子天线和一听番茄酱的间距做了一些实际测量，显示了一些变化，见图4和图5。其他的物体也有相似的影响。此外是物体的介电常数，而不是金属，改变了谐振频率。一塑料瓶子水降低了最小返回损耗频率16%。当物体与天线的距离小于62.5 mm的时候，返回损耗将导致一个3.0 dB的插入损耗，而天线的自由空间插入损耗才0.2 dB。可以设计天线使它与接近物体的情况相匹配，但是天线的行为对于不同的物体和不同的物体距离而不同。对于全向天线是不可行的，所以设计方向性强的天线，它们不受这个问题的影响。

辐射模式

在一个无反射的环境中测试了天线的模式，包括了各种需要贴标签的物体，在使用全向天线的时候性能严重下降。圆柱金属听引起的性能下降是最严重的，在它与天线距离50mm的时候，反回的信号下降大于20 dB(见图6)。天线与物体的中心距离分开到100—150mm的时候，反回信号下降约10 到12 dB。在与天线距离100mm的时候，测量了几瓶水（塑料和玻璃），见图7，反回信号降低大于10 dB。在蜡纸盒的液体，甚至苹果上做试验得到了类似的结果。

局部结构的影响

在使用手持的仪器的时候，大量的其他临近物体的使读卡机天线和标签天线的辐射模式严重失真。这可以对于2.45 GHz的工作频率计算，假设一个代表性的几何形状，见图8,9,10，和自由空间相比，显示返回信号降低了10dB，在双天线同时使用的时候，比预料的模式下降的更多。图11和图12是在一个天线前的一个横截平面的接收信号等高线图，显示了严重的失真。在仓库的使用环境下，一个物品盒子具有一个标签会有问题，几个标签贴在一个盒子上以确保所有时候都有一个标签是可以看见的。便携系统的使用有几个天线的问题。每个盒子两个天线足够适合门禁装置探测，这样局部结构的影响变得不再重要，因为门禁装置的读卡机天线被固定在仓库的出入，并且直接指向贴标签的物体。

距离

RFID 天线的增益和是否使用有源的标签芯片将影响系统的使用距离。乐观的考虑，在电磁场的辐射强度符合UK的相关标准时，2.45 GHz 的无源情况下，全波整流，驱动电压不大于3伏，优化的RFID天线阻抗环境(阻抗 200 或 300 欧姆)，使用距离大约是1米[3]。如果使用WHO限制[4]则更适合于全球范围的使用，但是作用距离下降了一半。这些限制了读卡机到标签的电磁场功率。作用距离随着频率升高而下降。如果使用有源芯片作用距离可以达到5到10米。

总结

全向天线应该避免在标签中使用，然而是可以使用方向性天线，它具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。天线类型的选择必须使它的阻抗与自由空间和ASIC匹配。在一个仓库中使用天线好像是不可行的，除非使用有源标签，但是在任何情况下，仓库内的天线辐射模式将严重失真。一个门禁系统的使用将是好的选择，可以使用短作用距离的无源标签。当然门禁系统比手持的仪器昂贵，但是手持仪器工作人员需要使用它到仓库搜寻物品，人员费用同样昂贵。在门禁系统中，每一个物品盒子，仅需要2个而不是4个或6个RFID标签。