第一篇：RFID技術原理及其射頻天線設計.

第 44卷

增 刊 廈門大學學報(自然科學版 Vol.44 Sup.2005年 6月

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

RFID 技術原理及其射頻天線設計 收稿日期 :2005203210 基金項目 :國家人事部留學人員創業基金 , 福建省自然科學基金計 劃資助項目(A0410007 作者簡介 :陳華君(1977-, 男 , 博士研究生.3通訊作者 :dhguo@xmu.edu.cn 陳華君 1, 林

凡 2, 郭東輝 1,2,33, 吳孫桃 2(1.廈門大學物理學系 , 2.廈門大學 M EMS 中心 , 3.廈門大學電子工程系 , 福建 廈門 361005 摘要 :首先簡要介紹 RFID 技術的基本工作原理 , 說明射頻天線是 RFID 系統設計的技術關鍵 , 然后介紹了幾種基本的

RFID 射頻天線及其工作原理 ，并針對普遍使用的偶極子天線在 RFID 系統中方向性上的不足提出改進 , 最后 , 給出一個具

有全向收發功能的 RFID 天線設計.通過設計仿真工具模擬仿真 , 并進行實際樣品測試 , 獲得較滿意的設計結果.關鍵詞 :RFID;射頻天線;電子標簽

中圖分類號 :TN 820.12;TN 821.4文獻標識碼 :A

文章編號 :043820479(2005 Sup 20312204

自 1970年第一張 IC 卡問世起 , IC 卡成為當時微 電子技術市場增長最快的產品之一 , 到 1996年全世界 發售 IC 卡就有 7億多張 [1].但是 , 這種以接觸式使用 的 IC 卡有其自身不可避免的缺點 , 即接觸點對腐蝕和 污染缺乏抵抗能力 , 大大降低了 IC 卡的使用壽命和使 用范圍.近年來人們開始開發應用非接觸式 IC 卡來逐 步替代接觸式 IC 卡 , 其中射頻識別(RFID ,radio f re 2quency identification 卡就是一種典型的非接觸式 IC 卡 , IC 卡之間數 據交換的 ，顯示出比一般接觸式 IC 卡使用更便利的優 點 , 已被廣泛應用于制作電子標簽或身份識別卡.然 而 ,RFID 在不同的應用環境中需要采用不同天線通 訊技術來實現數據交換的.這里我們將首先通過介紹 RFID 應用系統的基本工作原理來具體說明射頻天線 的設計是 RFID 不同應用系統的關鍵 , 然后分別介紹 幾種典型的 RFID 天線及其設計原理 , 最后介紹利用 HFSS 工具來設計了一種全向的 RFID 天線.1 RFID 技術原理

通常情況下 , RFID 的應用系統主要由讀寫器和 RFID 卡兩部分組成的 , 如圖 1所示.其中 , 讀寫器一 般作為計算機終端 , 用來實現對 RFID 卡的數據讀寫 和存儲 , 它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成.而 RFID 卡則是一種無源的應答器 , 主要是由一塊集 成電路(IC 芯片及其外接天線組成 , 其中 RFID 芯片

通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路 [2], 有 的甚至將天線一起集成在同一芯片上 [3].RFID 應用系統的基本工作原理是 RFID 卡進入 讀寫器的射頻場后 , 由其天線獲得的感應電流經升壓 電路作為芯片的電源 , 同時將帶信息的感應電流通過 射頻前端電路檢得數字信號送入邏輯控制電路進行信 息處理;所需回復的信息則從存儲器中獲取經由邏輯 控制電路送回射頻前端電路 , 最后通過天線發回給讀 寫器.可見 ,RFID 卡與讀寫器實現數據通訊過程中起 關鍵的作用是天線.一方面 , 中獲得足夠的能量;另一方面 , 天線決定了 卡與 讀寫器之間的通訊信道和通訊方式.目前 RFID 已經得到了廣泛應用 , 且有國際標準 :ISO10536,ISO14443, ISO15693, ISO18000等幾種.這

些標準除規定了通訊數據幀協議外 , 還著重對工作距 離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關的技術規格 進行了規范.RFID 應用系統的標準制定決定了 RFID 天線的選擇 , 下面將分別介紹已廣泛應用的各種類型 的 RFID 天線及其性能.圖

1射頻識別系統原理圖

Fig.1 Structure of RFID system

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圖

2應答器等效電路圖

Fig.2 Equivalent circuit diagram of responder 2 RFID 天線類型

RFID 主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型 3種

基本形式的天線.其中 , 小于 1m RFID 天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線 ，它們主要工作在中低頻段.而 1m 以上遠距離的應用 系統需要采用微帶貼片型或偶極子型的 RFID 天線 ,.這幾種類型天線的工作

原理是不相同的.2.1線圈天線

當 RFID 的線圈天線進入讀寫器產生的交變磁場

中 ,RFID 天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似 于變壓器 , 兩者的線圈相當于變壓器的初級線圈和次 級線圈.由 RFID 的線圈天線形成的諧振回路如圖 2所示 , 它包括 RFID 天線的線圈電感 L、寄生電容 C p 和并聯電容 C 2′ , :f =

2π? C ,(式中

C 為 C p 和 C 2′ 的并聯等效電容.RFID 應用系統就是

通過這一頻率載波實現雙向數據通訊的。常用的 ID 21型非接觸式 IC 卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03mm ×0.76mm , 天線線圈諧振工作頻率 通常為 13.56M Hz.目前已研發出面積最小為 0.4mm ×0.4mm 線圈天線 [3]的短距離 RFID 應用系統.某些應用要求 RFID 天線線圈外形很小 , 且需一 定的工作距離 , 如用于動物識別的 RFID.線圈外形即

面積小的話 , RFID 與讀寫器間的天線線圈互感量 M 就明顯不能滿足實際使用.通常在 RFID 的天線線圈 內部插入具有高導磁率 μ的鐵氧體材料 , 以增大互感 量 , 從而補償線圈橫截面減小的問題.2.2微帶貼片天線

微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質基片 上的輻射貼片導體所構成的 [4], 如圖 3所示.根據天線 輻射特性的需要 , 可以設計貼片導體為各種形狀.通常 貼片天線的輻射導體與金屬地板距離為幾十分之一波 長 , 假設輻射電場沿導體的橫向與縱向兩個方向沒有 變化 , 僅沿約為半波長(λg/2 的導體長度方向變化.則 微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導體開路邊沿的

圖

3微帶天線

Fig.3 Microstrip antenna 邊緣場引起的 , 輻射方向基本確定 , 因此 , 一般適用于

通訊方向變化不大的 RFID 應用系統中.為了提高天 線的性能并考慮其通訊方向性問題 , 人們還提出了各 種不同的微帶縫隙天線 , 如文獻 [5,6]設計了一種工作 在 24GHz 的單縫隙天線和 5.9GHz 的雙縫隙天線 , 其輻射波為線極化波;[7,8]開發了一種圓極化縫 隙耦合貼片天線 , 它是可以采用左旋圓極化和右旋圓 ‘ 1’ 和 ‘ 0’ 進行編碼.圖

4偶極子天線

(a 偶極子天線;(b 折合振子天線;(c 變形偶極子天線

Fig.4 Dipole antenna 2.3RFID 應用系統中 , 最常用的是 偶極子天線(又稱對稱振子天線 [9].偶極子天線及其 演化形式如圖 4所示 , 其中偶極子天線由兩段同樣粗 細和等長的直導線排成一條直線構成 , 信號從中間的 兩個端點饋入 , 在偶極子的兩臂上將產生一定的電流 分布 , 這種電流分布就在天線周圍空間激發起電磁場.利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場方程 : E θ=∫ l-l d E θ=∫ l-l r

sin θcos(αz co s θ d z 式中 I z 為沿振子臂分布的電流 , α為相位常數 , r 是振 子中點到觀察點的距離 , θ為振子軸到 r 的夾角 ,l 為 單個振子臂的長度.同樣 , 也可以得到天線的輸入阻 抗、輸入回波損耗 S

11、阻抗帶寬和天線增益等等特性 參數 [9].當單個振子臂的長度 l =λ/4時(半波振子 , 輸入 阻抗的電抗分量為零 , 天線輸入阻抗可視為一個純電 阻.在忽略天線粗細的橫向影響下 , 簡單的偶極子天線 設計可以取振子的長度 l 為 λ/4的整數倍 , 如工作頻

?

313? 增刊

陳華君等 :RFID技術原理及其射頻天線設計

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(a

(b

圖

5偶極子天線(a 回波損耗 S 11;(b 輻射方向圖

Fig.5 Dipole antenna 率為 2.45GHz 的半波偶極子天線 , 其長度約為 6cm.當要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時 , 可采用圖 42b 的折合振子.3 RFID 射頻天線的設計

從 RFID 技術原理和 RFID 天線類型介紹上看 , RFID 具體應用的關鍵在于 RFID 天線的特點和性能.目前線圈型天線的實現技術很成熟 , 雖然都已廣泛地 應用在如身份識別、貨物標簽等 RFID 應用系統中 , 但 是對于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不 確定的 RFID 應用場合 , 采用線圈型天線則難以設計 實現相應的性能指標.同樣 , 如果采用微帶貼片天線的 話 , 由于實現工藝較復雜 , 成本較高 , 一時還無法被低 成本的 RFID 應用系統所選擇.能力較強、制造簡單和成本低等優點 , 用于全方向通訊的 RFID 應用系統 , 因此 , 下面我們來 45(國際工業醫療研究自 由頻段 RFID 偶極子天線.42a 所示.天線采用銅 材料(電導率 :5.8e7s/m , 磁導率 :1 , 位于充滿空氣的 立方體中心.在立方體外表面設定輻射吸收邊界.輸入 信號由天線中心處饋入 , 也就是 RFID 芯片的所在位 置.對于 2.45GHz 的工作頻率其半波長度約為 61mm , 設偶極子天線臂寬 w 為 1mm , 且無限薄 , 由于天 線臂寬的影響 , 要求實際的半波偶極子天線長度為 57mm.在 Ansoft HFSS 工 具平臺 上 , 采 用 有 限 元 算

法 [10]對該天線進行仿真 , 獲得的輸入回波損耗 S 11分 布圖如圖 52a 所示 , 輻射場 E 面(即最大輻射方向和電 場矢量所在的平面 方向圖如圖 52b 所示.天線輸入阻 抗約為 72Ω, 電壓駐波比(VSWR 小于 2.0時的阻抗 帶寬為 14.3%, 天線增益為 1.8.從圖 52b 可以看到在天線軸方向上 , 天線幾乎無 輻射.如果此時讀寫器處于該方向上 , 應答器將不會做

(a

(b

圖 6

變形偶極子天線(a 回波損耗 S 11;(b 輻射方向圖

Fig.6 Changed dipole antenna 出任何反應.為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺

點 , 可以對天線做適當的變形 , 如在將偶極子天線臂末 端垂直方向上延長 λ/4成圖 42c 所示.這樣天線總長 度修改為(57.0mm +2×28.5mm , 天線臂寬仍然為 1mm.天線臂延長 λ/4后 , 整個天線諧振于 1個波長 , 而非原來的半個波長.這就使得天線的輸入阻抗大大 地增加 , 仿真計算結果約為 2k Ω.其輸入回波損耗 S 11如圖 62a 所示.圖 62b 為 E 面(天線平面 上的輻射場 方向圖 , 其中實線為仿真結果 , 黑點為實際樣品測量數 據 , 兩者結果較為吻合說明了該設計是正確的.從圖 62b 可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改

善 , 其 輻 射 已 經近似 為 全 方 向 的 了.電 壓 駐 波 比(VSWR 小于 2.0時的阻抗帶寬為 12.2%, 增益為 1.4, 對于大部分 RFID 應用系統 , 該偶極子天線可以 滿足要求.4結束語

總之 ,RFID 的實際應用關鍵在于天線設計上 , 特 別是對于具有非常大市場容量的商品標簽來說 , 要求 RFID 能夠實現全方向的無線數據通訊 , 且還要價格 低廉、體積小.因此 , 我們所設計的上述這種全向型偶 極子天線的結構簡單、易于

批量加工制造 , 是可以滿足 實際需要的.通過對設計出來實際樣品的進行參數測 試 , 測試結果與我們的設計預期結果是一致.參考文獻 : [1]

蘇雪蓮.IC 卡的國內外發展現狀 [J].微電子技術 ,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? 廈門大學學報(自然科學版

2005年

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Frequency Integrated Circuits(RFIC Symposium [C ].2004.241-244.[4] [美 ]鮑爾 I J , 布哈蒂亞 P , 著.微帶天線 [M ].梁聯倬 , 寇 廷耀 , 譯.北京 :電子工業出版社 ,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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朱崇燦 , 黃景熙 , 魯述 , 編.天線 [M ].武漢 :武漢大學出版 社 ,1996.10.[10]

杜平安 , 甘娥忠 , 于亞婷.有限元法 :原理、建模及應用 [M ].北京 :國防工業出版社 ,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

及其射頻天線設計

陳華君等 :RFID技術原理

第二篇：RFID技術原理及其射頻天線設計

RFID技術原理及其射頻天線設計

近年來人們開始開發應用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識別(RFID , radio frequency identification)卡就是一種典型的非接觸式IC卡，然而,RFID 在不同的應用環境中需要采用不同天線通訊技術來實現數據交換的.自1970 年第一張IC 卡問世起, IC 卡成為當時微電子技術市場增長最快的產品之一,到1996 年全世界發售IC 卡就有7 億多張.但是,這種以接觸式使用的IC 卡有其自身不可避免的缺點,即接觸點對腐蝕和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC 卡的使用壽命和使用范圍.近年來人們開始開發應用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識別(RFID , radio frequency identification)卡就是一種典型的非接觸式IC卡,它是利用無線通信技術來實現系統與IC 卡之間數據交換的,顯示出比一般接觸式IC 卡使用更便利的優點,已被廣泛應用于制作電子標簽或身份識別卡.然而,RFID 在不同的應用環境中需要采用不同天線通訊技術來實現數據交換的.這里我們將首先通過介紹RFID 應用系 統的基本工作原理來具體說明射頻天線的設計是RFID 不同應用系統的關鍵,然后分別介紹幾種典型的RFID 天線及其設計原理,最后介紹利用Ansoft HFSS 工具來設計了一種全向的RFID 天線.RFID 技術原理

通常情況下, RFID 的應用系統主要由讀寫器和RFID 卡兩部分組成的,如圖1 所示.其中,讀寫器一般作為計算機終端,用來實現對RFID 卡的數據讀寫和存儲,它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成.而RFID 卡則是一種無源的應答器,主要是由一塊集成電路(IC)芯片及其外接天線組成,其中RFID 芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲器等電路 ,有的甚至將天線一起集成在同一芯片上.圖1 射頻識別系統原理圖 RFID 應用系統的基本工作原理是RFID 卡進入讀寫器的射頻場后,由其天線獲得的感應電流經升壓電路作為芯片的電源,同時將帶信息的感應電流通過射頻前端電路檢得數字信號送入邏輯控制電路進行信息處理;所需回復的信息則從存儲器中獲取經由邏輯控制電路送回射頻前端電路,最后通過天線發回給讀寫器.可見,RFID 卡與讀寫器實現數據通訊過程中起關鍵的作用是天線.一方面,無源的RFID 卡芯片要啟動電路工作需要通過天線在讀寫器天線產生的電磁場中獲得足夠的能量;另一方面,天線決定了RFID 卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式.目前RFID 已經得到了廣泛應用,且有國際標準:ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693 , ISO18000 等幾種.這些標準除規定了通訊數據幀協議外,還著重對工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關的技術規格進行了規范.RFID 應用系統的標準制定決定了RFID天線的選擇,下面將分別介紹已廣泛應用的各種類型的RFID 天線及其性能.RFID 天線類型

RFID 主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型3 種基本形式的天線.其中,小于1 m 的近距離應用系統的RFID 天線一般采用工藝簡單、成本低的線圈型天線,它們主要工作在中低頻段.而1 m 以上遠距離的應用系統需要采用微帶貼片型或偶極子型的RFID 天線,它們工作在高頻及微波頻段.這幾種類型天線的工作原理是不相同的.2.1 線圈天線

當RFID 的線圈天線進入讀寫器產生的交變磁場中,RFID 天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器,兩者的線圈相當于變壓器的初級線圈和次級線圈.由RFID 的線圈天線形成的諧振回路如圖2所示,它包括RFID 天線的線圈電感L、寄生電容Cp和并聯電容C2′,其諧振頻率為: ,(式中C 為Cp 和C2′的并聯等效電容).RFID 應用系統就是通過這一頻率載波實現雙向數據通訊的。常用的ID1 型非接觸式IC 卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm),天線線圈諧振工作頻率通常為13.56 MHz.目前已研發出面積最小為0.4mm ×0.4 mm 線圈天線的短距離RFID 應用系統.圖2 應答器等效電路圖

某些應用要求RFID 天線線圈外形很小,且需一定的工作距離,如用于動物識別的RFID.線圈外形即面積小的話,RFID 與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實際使用.通常在RFID 的天線線圈內部插入具有高導磁率μ的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補償線圈橫截面減小的問題.2.2 微帶貼片天線

微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質基片上的輻射貼片導體所構成的 ,如圖3 所示.根據天線輻射特性的需要,可以設計貼片導體為各種形狀.通常貼片天線的輻射導體與金屬地板距離為幾十分之一波長,假設輻射電場沿導體的橫向與縱向兩個方向沒有變化,僅沿約為半波長(λg/ 2)的導體長度方向變化.則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導體開路邊沿的邊緣場引起的,輻射方向基本確定,因此,一般適用于通訊方向變化不大的RFID 應用系統中.為了提高天線的性能并考慮其通訊方向性問題,人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線,如文獻[5,6]設計了一種工作在24 GHz 的單縫隙天線和5.9 GHz 的雙縫隙天線,其輻射波為線極化波;文獻[7,8]開發了一種圓極化縫隙耦合貼片天線,它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來對二進制數據中的‘1’和‘0’進行編碼.圖3 微帶天線

2.3 偶極子天線

在遠距離耦合的RFID 應用系統中,最常用的是偶極子天線(又稱對稱振子天線).偶極子天線及其演化形式如圖4 所示,其中偶極子天線由兩段同樣粗細和等長的直導線排成一條直線構成,信號從中間的兩個端點饋入,在偶極子的兩臂上

將產生一定的電流分布,這種電流分布就在天線周圍空間激發起電磁場.利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場方程:

式中Iz 為沿振子臂分布的電流,α為相位常數, r 是振子中點到觀察點的距離,θ為振子軸到r 的夾角,l 為單個振子臂的長度.同樣,也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數.圖4 偶極子天線

(a)偶極子天線;(b)折合振子天線;(c)變形偶極子天線

當單個振子臂的長度l =λ/ 4 時(半波振子),輸入阻抗的電抗分量為零,天線輸入阻抗可視為一個純電阻.在忽略天線粗細的橫向影響下,簡單的偶極子天線設計可以取振子的長度l 為λ/ 4 的整數倍,如工作頻率為2.45 GHz 的半波偶極子天線,其長度約為6 cm.當要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時,可采用圖4b的折合振子.RFID 射頻天線的設計

從RFID 技術原理和RFID 天線類型介紹上看,RFID 具體應用的關鍵在于RFID 天線的特點和性能.目前線圈型天線的實現技術很成熟,雖然都已廣泛地應用在如身份識別、貨物標簽等RFID 應用系統中,但是對于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID 應用場合,采用線圈型天線則難以設計實現相應的性能指標.同樣,如果采用微帶貼片天線的話,由于實現工藝較復雜,成本較高,一時還無法被低成本的RFID 應用系統所選擇.偶極子天線具有輻射能力較強、制造簡單和成本低等優點,且可以設計成適用于全方向通訊的RFID 應用系統,因此,下面我們來具體設計一個工作于2.45 GHz(國際工業醫療研究自由頻段)的RFID 偶極子天線.半波偶極子天線模型如圖4a 所示.天線采用銅材料(電導率:5.8e7 s/ m ,磁導率:1),位于充滿空氣的立方體中心.在立方體外表面設定輻射吸收邊界.輸入信號由天線中心處饋入,也就是RFID 芯片的所在位置.對于2.45 GHz 的工作頻率其半波長度約為61mm ,設偶極子天線臂寬w 為1 mm ,且無限薄,由于天線臂寬的影響,要求實際的半波偶極子天線長度為57mm.在Ansoft HFSS 工具平臺上, 采用有限元算法對該天線進行仿真,獲得的輸入回波損耗S11 分布圖如圖5a 所示,輻射場E 面(即最大輻射方向和電場矢量所在的平面)方向圖如圖5b 所示.天線輸入阻抗約為72 Ω ,電壓駐波比(VSWR)小于2.0 時的阻抗帶寬為14.3 % ,天線增益為1.8.圖5 偶極子天線

(a)回波損耗S11;(b)輻射方向圖

從圖5b 可以看到在天線軸方向上,天線幾乎無輻射.如果此時讀寫器處于該方向上,應答器將不會做出任何反應.為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺點,可以對天線做適當的變形,如在將偶極子天線臂末端垂直方向上延長λ/ 4 成圖4c 所示.這樣天線總長度修改為(57.0 mm + 2 ×28.5 mm),天線臂寬仍然為1 mm.天線臂延長λ/ 4 后,整個天線諧振于1 個波長,而非原來的半個波長.這就使得天線的輸入阻抗大大地增加,仿真計算結果約為2 kΩ.其輸入回波損耗S11如圖6a 所示.圖6b 為E 面(天線平面)上的輻射場方向圖,其中實線為仿真結果,黑點為實際樣品測量數據,兩者結果較為吻合說明了該設計是正確的.從圖6b 可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改善,其輻射已經近似為全方向的了.電壓駐波比(VSWR)小于2.0 時的阻抗帶寬為12.2 % ,增益為1.4 ,對于大部分RFID 應用系統,該偶極子天線可以滿足要求.圖6 變形偶極子天線

(a)回波損耗S11;(b)輻射方向圖 結束語

總之,RFID 的實際應用關鍵在于天線設計上,特別是對于具有非常大市場容量的商品標簽來說,要求RFID 能夠實現全方向的無線數據通訊,且還要價格低廉、體積小.因此,我們所設計的上述這種全向型偶極子天線的結構簡單、易于批量加工制造,是可以滿足實際需要的.通過對設計出來實際樣品的進行參數測試,測試結果與我們的設計預期結果是一致.

第三篇：基于射頻識別技術(RFID)的倉庫管理

射頻識別技術與倉儲編碼實訓報告

題目

姓

名

趙艷艷

專業班級 物聯網應用技術S13-1班

指導教師

完成時間

2015年1月

天津電子信息職業技術學院 制

2015.1

摘 要

某大型制造企業，目前使用的是人工書寫單據的倉儲管理方式，這種方式不但繁瑣、容易造成人為損失，且人工及配送成本非常高。隨著企業規模擴大，產成品結構越來越復雜，且整個市場對產品的個性化要求也日益提高，隨之而來的是如何管理好庫存。而一個結合了無線射頻技術（RFID）的倉庫系統可以從根本上解決倉庫管理的問題。RFID技術不但免除了跟蹤過程中的人工干預，且在節省大量人力的同時極大的提高了工作效率。這種系統可以大大的簡化物品的庫存管理，滿足信息流量不斷增大和信息處理速度不斷提高的需求。倉庫管理系統由業務管理軟件、RFID標簽發行系統和RFID標簽識別采集系統組成，這幾個系統互相聯系，共同完成倉庫管理的各個流程。此倉庫管理系統是基于SQL大型數據庫，采用組件式開發的三層結構系統，在此系統的基礎上，在充分理解庫存管理業務的需求后，結合RFID技術，對原有業務流程進行改造和重新設計。優化的業務流程模塊包括收料管理、入庫管理、移庫管理、出庫管理與盤點管理，并繪制了改造后的業務流程圖。將整個倉庫管理系統與射頻識別技術相結合，能夠高效地完成各種業務操作，改進倉庫管理，提升效率及價值。

關鍵詞：倉庫管，RFID，業務流程改造

目 錄

第一章 項目背景及意義....................................................1 第二章 需求分析...........................................................2

2.1 倉庫管理系統的用戶需求............................................2 2.2倉庫管理系統的功能性需求描述......................................2 2.3倉庫管理系統的非功能性需求描述....................................3 第三章 系統總體設計......................................................5

3.1 倉庫管理系統的結構................................................5 3.2 倉庫管理系統的架構................................................5 3.3 系統設計要點......................................................6 第四章 系統設計與實現....................................................7

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

4.1.1收料通知單...................................................7 4.1.2 收料管理描述及業務流程圖....................................7 4.2入庫管理...........................................................9

4.2.1外購入庫單...................................................9 4.2.2入庫管理描述及業務流程圖.....................................9 4.3移庫管理..........................................................10 4.3.1倉庫調撥單（移庫）：........................................10 4.3.2移庫管理描述及業務流程圖....................................11 4.4出庫管理..........................................................13 4.4.1領料通知單（出庫單）：......................................13 4.4.2出庫管理描述及業務流程圖....................................13 4.5盤點管理..........................................................15 4.5.1庫存盤點....................................................15 4.5.2盤點管理描述及業務流程圖....................................15 第五章 系統應用效果評價.................................................17

5.1倉庫管理系統與RFID技術結合......................................17 5.2作業流程的改進與保持.............................................17 第六章 研究成果..........................................................18 主要參考文獻.............................................................19

第一章 項目背景及意義

現在本企業的倉庫還是通過在貨架上貼手寫卡片來區分貨位，這是一件費時費力的工作，而且還經常出現取錯貨物和多次重復取貨等的錯誤。由于面臨來自全球和地區日趨激烈的競爭，提高生產效率、降低運營成本,對于企業來說將至關重要，其中庫存管理將是制造型企業中控制生產成本的關鍵問題之一。庫存就是金錢，是財務報表上的重要事項，管好庫存就是管好企業的錢財 [1]。隨著企業規模擴大，產成品結構越來越復雜，且整個市場對產品的個性化要求也日益提高，隨之而來的問題是面對每天都要重復進行的收貨、出入庫、移庫和盤點的工作，如何才能快速的完成大批量貨物的快速核對、收取？在企業具有一定規模的倉庫中，怎樣才能快速地找到指定的貨物？盤點一定要停業才能進行嗎？對于倉庫進行停業盤點所造成的損失是顯而易見的，也是企業絕對不愿意承受的，但是不進行盤點又無法真實地掌握庫房的情況，這同樣是企業的管理者所不愿意面對的。有沒有可以在不影響企業正常工作的情況下進行庫房盤點的辦法呢？本文基于RFID技術，設計實現基于此無線射頻技術基礎上的倉庫管理系統，以達到對原有業務流程進行改造和重新設計來解決以上問題。1

第二章 需求分析

此大型制造企業，在倉庫管理中存在以下幾個問題：由于生產組織模式采用被動的“推”式生產模式，造成庫存原材料、成品品種眾多，數量巨大，庫存管理難度大，物料數量大占用較多存儲空間，不但增加管理成本，而且物料短缺情況還是時有發生；庫存管理工作粗放，管理方式仍采用較多手工方式，工作量大，且對人員數量需求較多，容易造成庫存統計錯誤；庫存帳物不符現象時有出現，但不能及時發現這種現象；物流管理中暴露的問題不能及時反映及時解決，例如：物料不準確、BOM錯誤等，缺乏有效手段，進行問題匯報和溝通；協調性較差，沒有信息系統的支持。隨著基于RFID（射頻識別技術）技術的倉庫管理系統的應用，可以從根本上解決庫存管理問題。RFID技術不但免除了跟蹤過程中的人工干預，且在節省大量人力的同時極大的提高了工作效率[2]。這種系統可以大大的簡化物品的庫存管理，滿足信息流量不斷增大和信息處理速度不斷提高的需求。2.1 倉庫管理系統的用戶需求

倉庫管理系統是針對本企業倉庫物料的收料、入庫、移庫、出庫和盤點查詢等方面工作而開發的管理軟件，根據企業的要求，實現倉庫的收料管理、入庫管理、移庫管理和盤點管理及用戶管理等功能。用戶通過相應的模塊，對倉庫里物料的基本情況進行更新、刪除和查詢，對物料的收料、入庫、移庫、出庫和盤點進行管理，對各功能模塊明細進行查詢，對使用該系統的用戶進行更新、刪除和查詢，對庫存數量進行查詢，用戶通過簡單的作即可輕松的管理倉庫。2.2倉庫管理系統的功能性需求描述（1）用戶管理

對有權使用該系統的用戶的基本情況數據進行更新、查詢等作，實現用戶管理功能。用戶分級管理，分別具有不同的權限；具有分組管理用戶的功能。可以針對用戶分配軟件模塊使用權限。（2）物料管理

對倉庫里所有物料的種類（包括名稱、廠家等信息）進行更新、刪除和查詢等操作，實現物料管理功能。物料可以動態添加種類，支持批次管理，支持多計量單位變換。（3）倉庫管理

對倉庫里物料貨物實現收料、入庫、移庫、出庫和盤點管理，要求能導出每種功能模塊的單據，方便用戶進行物料管理，并能提供收料、入庫、移庫、出庫和盤點的明細，方便用戶查詢。（4）庫齡分析

提供物料使用情況和呆滯情況的分析，為業務人員制定采購計劃提供依據，提供其他分析報表，提高倉庫管理水平。2.3倉庫管理系統的非功能性需求描述

系統支持射頻輸入和手工輸入兩種方式，以防射頻系統不穩定時影響生產活動。系統要求與PDM和財務系統集成，能夠通過系統接口方式獲得物料基礎數據。系統硬件部分要求模塊化設計實現，維護簡便穩定可靠。

手持部分需要結實耐用，能夠在惡劣的環境中使用（下雨、下雪等）。手持部分在無外接電源情況下，需要至少連續工作10小時以上。

圖1 基于RFID技術的倉庫管理系統功能

第三章 系統總體設計

3.1 倉庫管理系統的結構

圖2 倉庫管理結構圖

倉庫管理系統由業務管理軟件、RFID標簽發行系統和RFID標簽識別采集系統組成，這幾個系統互相聯系，共同完成倉庫管理的各個流程。后臺倉庫數據庫管理系統是整個系統的核心，RFID識別采集是實現管理功能的基礎和手段。后臺管理系統由中心數據服務器和管理終端組成，是系統的數據中心，負責與手持機通訊，將手持機上傳的數據轉換并插入到后臺業務倉儲管理系統的數據庫中，對標簽管理信息、發行標簽和采集的標簽信息集中進行儲存和處理[3]。3.2 倉庫管理系統的架構

此倉庫管理系統是基于SQL大型數據庫，采用組件式開發的三層結構系統。三層結構分別為：

數據庫：管理賬套數據的讀寫。中間層：用于賬套管理的工作。

表示層：用戶日常直接操作界面和手持設備。

3.3 系統設計要點

在充分理解庫存管理業務的需求后，結合RFID技術，對原有業務流程進行改造和重新設計。業務處理模式盡量與原有模式相同，只是操作方式上在手持設備上進行。系統操作融入作業的每個關鍵環節，使作業人員能夠實時與系統進行交互，獲得系統信息支持，系統也能實時采集到關鍵作業數據，以供關聯系統進行快速有效處理。

無線處理系統設計原則操作簡單、信息充足、處理效率高。無線設備與原有系統最大的區別還在于手持設備可以支持一定程度上的離線處理。當系統網絡或主機發生故障時，操作人員可以使用離線處理模式，繼續進行日常作業，不過功能會受到一定限制，作業數據會被保留在手持設備本地，當網絡或主機故障恢復后，系統可以自動進行同步保存離線處理時的數據。從而使系統故障對企業生產作業的影響降低。

RFID倉儲管理系統由業務管理軟件、RFID標簽發行系統和RFID標簽識別采集系統組成，這幾個系統互相聯系，共同完成庫存管理的各個流程。根據企業的具體需求，在各原料倉庫中使用倉庫管理系統、基于條碼技術的自動識別技術和無線移動處理技術，提高倉庫作業的效率和信息處理實時性，使管理者可以及時便捷地獲取各類物料流動信息[4]。

第四章 系統設計與實現

4.1 收料管理 4.1.1收料通知單

收料通知單是采購部門在物料到達企業以后，登記由誰驗收、由哪個倉庫入庫等情況的詳細單據，便于物料的跟蹤與查詢（如圖3所示）。它是采購訂單的重要執行單據，其不僅要處理與采購訂單直接關聯的執行情況，還要處理外購入庫單與采購訂單間接關聯的執行情況，起到承上啟下的業務管理作用。它可以通過手工錄入、單據關聯、單據復制等多種途徑生成。在實際業務處理中，可以由收料通知單生成外購入庫單及退料通知單等[5]。

圖3 收料通知單

4.1.2 收料管理描述及業務流程圖

采購部生成收料申請單，并打印收料申請單條碼，然后物料運輸到倉庫。倉庫收貨員使用無線移動設備（手持設備）掃描收料申請單條碼，無線移動設備依據收料申請單從倉庫管理系統下載所掃描的收料申請單的物料信息，物料信息包括：物料條碼、物料名稱和收貨數量，并指定物料是否是急件以及是否需要檢驗。倉庫收貨員使用無線移動設備掃描入庫申請單中指定的物料條碼，錄入數量，如果物料具有托盤則要掃描托盤條碼。從倉庫管理系統查詢所掃描物料的可用庫位信息，選擇物料存放的庫位，如果存放在該庫位上的物料需要檢驗，則要錄入物料檢驗的數量。

倉庫操作員掃描完收料申請單上指定的物料后提交到倉庫管理系統進行相應的處理，提交的信息包括物料條碼、實際收貨數量，托盤條碼和庫位條碼，并指定物料在各個庫位上檢驗的數量，提交后收料操作完成[6]。

圖4 收料管理流程圖

4.2入庫管理 4.2.1外購入庫單

已經收料的物料，在檢驗員執行質檢后，操作人員根據質檢合格單將采購合格數量與收料通知單關聯生成外購入庫單（如圖5所示）。外購入庫單通常是確認貨物入庫的有效證明文件。外購入庫單包括藍字外購入庫單和紅字入庫單，紅字外購入庫單是藍字外購入庫的反向單據，代表物料的退庫。外購入庫單的常用增加方式有手工新增和關聯生成方式兩種。

圖5 外購入庫單

4.2.2入庫管理描述及業務流程圖

入庫時，倉庫操作員根據訂貨清單清點檢查每一件貨品，檢查合格后交給倉庫保管員送入庫房。倉庫保管員持手持機掃描已完成收貨操作的入庫申請單條碼，無線移動設備從倉庫管理系統中下載所掃描的入庫申請單的物料收貨信息，物料信息包括：物料條碼、物料名稱、收貨數量以及托盤條碼，并指定物料是否需檢驗以及檢驗是否完成，同時標識物料是否為急件。倉庫操作員根據物料收貨信息，掃描物料條碼、庫位條碼并錄入數量，如果物料具有托盤則要掃描托盤條碼。倉庫操作員掃描完收貨信息中指定的物料后提交到倉庫管理系統進行相應的處理，提交的信息包括：物料條碼、入庫數量及托盤條碼并指定物料是否為急件，完成后入庫操作完成。

圖6 入庫管理流程圖

4.3移庫管理

4.3.1倉庫調撥單（移庫）：

倉庫調撥單是確認貨物在倉庫之間流動的書面證明。它是體現庫存業務狀態的重要單據，倉庫管理系統的最大特色是以獨立于企業物流的有形的單據流轉代替業務中無形的存貨流轉軌跡，從而將整個業務流程統一為一個有機整體。系統為倉庫調撥單提供了手工錄入、關聯生成或復印生成等多種生成方法，系統為調撥單單據的處理提供了新增、審核/反審核、作廢、打印、引出等多項操作功能（如圖7所示）。

圖7 倉庫調撥單

4.3.2移庫管理描述及業務流程圖

倉庫操作員生成物料移庫單，并在移庫單上指定物料移庫的最終目的地，并打印移庫單條碼。倉庫操作員使用無線移動設備掃描移庫單條碼，無線移動設備從倉庫管理系統中下載所掃描移庫單的物料移庫信息，移庫信息包括：物料條碼、物料名稱、托盤條碼以及庫位條碼并指出該庫位是否被設置為日常盤點的庫位。倉庫操作員根據物料移庫信息掃描物料條碼、移出庫位條碼，錄入移庫數量，如果物料具有托盤則要掃描托盤條碼，然后，掃描移入庫位條碼和托盤條碼。如果所掃描的移出庫位被設為日常盤點的庫位，則需要錄入該庫位上該物料移出后還剩余的數量。倉庫操作員掃描完移庫單中指定的物料信息后提交物料移庫信息到倉庫管理系統中作相應的處理，移庫信息包括：物料條碼、移入移出的托盤條碼和庫位條碼以及庫位上物料的剩余數量（庫位被設置為日常盤點庫位），完成后移庫操作完成。

圖8 移庫管理流程圖

4.4出庫管理

4.4.1領料通知單（出庫單）：

領料通知單是體現庫存業務的重要單據，是物料出庫的重要憑證（如圖9所示）。對領料單的生成，系統提供了關聯投料單的自動生成、人工新增等多種方法，對零料的領取方法系統提供了單件領料、工序領料、配套領料、批量領料等多種方法，企業可根據實際情況靈活應用。車間人員到倉庫進行生產領料，倉庫人員核對領料單上的數量和發料倉庫無誤后，發料并保存領料單。如果選擇“嚴格按投料單發料”系統參數時，倉庫發料人員所發的物料不得大于投料單上的應發數量，否則領料單不能保存。

圖9 領料單

4.4.2出庫管理描述及業務流程圖

倉庫操作員制作出庫單，并打印出庫單條碼。倉庫操作員使用無線移動設備掃描出庫單條碼，無線移動設備到倉庫管理系統中下載所掃描的出庫單的物料出庫信息，出庫信息包括：物料條碼、物料名稱、庫位條碼、物料托盤條碼以及出庫數量。倉庫操作員依據出庫單的物料信息掃描物料條碼、庫位條碼并錄入數量，如果物料具有托盤則要掃描托盤條碼。倉庫操作員掃描完出庫單中指定的物料后將出庫信息提交到倉庫管理系統作相應的處理，提交的信息包括：物料條碼、實際出庫數量、庫位條碼、托盤條碼以及生產批次和工位條碼。

圖10 出庫管理流程圖

4.5盤點管理 4.5.1庫存盤點

庫存盤點是處理與庫存數據相關的日常操作的信息管理的綜合功能模塊，主要備份盤點數據、打印盤點表、輸入盤點數據、編制盤點報告表等處理功能，實現對數據的備份、打印、輸出、錄入單據等。它是對賬存數據和實際庫存數據進行核對的重要工具，是保證企業賬實相符的重要手段。4.5.2盤點管理描述及業務流程圖

倉庫操作員制作盤點單，并打印盤點單條碼。倉庫操作員使用無線移動設備（手持設備）掃描盤點單條碼，無線移動設備從倉庫管理系統中下載所掃描的盤點單的盤點物料信息，盤點物料信息包括：物料條碼、物料名稱、物料所在庫位條碼以及物料在該庫位上的數量。倉庫操作員掃描盤點單上指定的物料條碼、物料所屬的庫位條碼并錄入該物料在庫位上的實際數量，如果物料具有托盤則要掃描托盤條碼。倉庫操作員掃描完盤點單上指定的物料后提交盤點的物料信息到倉庫管理系統中進行相應的處理，提交的信息包括：物料條碼、庫位條碼以及數量，提交完成后盤點操作完成。

圖11 盤點管理流程圖

第五章 系統應用效果評價

在本解決方案中，使用無線移動處理技術和RFID技術解決企業在現實生產過程中信息實時處理和數據采集自動化的要求。無線移動處理技術可以使操作人員在作業過程中第一時間將作業信息采集到系統中，或得到信息系統對作業的智能化支撐。

5.1倉庫管理系統與RFID技術結合

RFID技術在制造企業執行層系統的應用價值在于提升作業效率和信息的自動化精確獲取。當倉庫管理系統引入了RFID技術，在企庫存管理各環節，可以獲得更多的自動化數據采集，功能控制。操作工人可以不必在工作的同時執行數據采集的動作，可以全身心的投入生產作業中，從而作業效率也得到提高。這一點對進行大批量作業的制造企業顯得尤其重要，雖然一個手工掃描或按鈕動作只需要1-2秒，但對于一個作業節拍只有十幾秒的企業來說，那就是一種重要的提高了。由于RFID標簽的能存儲較大容量的數據的特性，使得系統能夠實現更多的交互性控制，使得一些在原先完全基于條碼技術時的難點瞬時迎刃而解，使得企業物流數據可以環環相扣，順暢流動。當然限于目前RFID設備的成本問題，要想完全實現利用RFID技術帶來的優點，必須要付出高成本的代價，因此我們只能做些局部的嘗試。但日后隨著技術的提升和普及，成本問題一定會得到解決。5.2作業流程的改進與保持

對原有的庫存管理作業方式，在本解決方案實施以后將得到較大的改變，在每一個日常作業環節中融入信息系統的支持與指導，使其成為作業的一部分，雖然從表面上看增加了作業人員的操作步驟，但卻大大增加了每次作業的正確性和受控性，所以從最終的效果來看，這樣的改變是增加了整體作業的績效的。對于這樣的改進，在信息系統設計與實施的時候是所必須的。

第六章 研究成果

? 將整個倉庫管理系統與射頻識別技術相結合，能夠高效地完成各種業務操作，改進倉庫管理，提升效率及價值；

? 提高物品出入庫過程中的識別率，可不開箱檢查，并同時識別多個物品，提高出入庫效率；

? 縮減盤點周期，提高數據實時性，實時動態掌握庫存情況，實現對庫存物品的可視化管理；

? 采用射頻技術能大大提高揀選與分發過程的效率與準確率，并加快配送的速度，減少人工、降低配送成本；

? 精確掌握物資情況，優化合理庫存。

主要參考文獻

[1] 馬士華，林勇。《供應鏈管理（第2版）》，機械工業出版社，2005 [2] 張革軍．RFID技術在供應鏈管理中的應用．自動識別技術與應用，2005 [3] 王小敏，《基于RFID技術的庫存管理系統研究》，對外經濟貿易大學，碩士論 文，2006 [4] 李鐵克，《制造執行系統模型綜述與分析》，冶金自動化，2003年，第四期 [5] 陳啟申，《ERP-從內部集成起步》，電子工業出版社，2005 [6] 植俊文，《基于RFID的MES系統設計》，廣東工業大學，碩士論文，2006

第四篇： 《RFID原理及技術》 課程設計指導書

黃河交通學院

課程設計指導書

課程編號： 13373071

課程設計名稱： RFID原理及技術

課程設計總周數/學分： 2/3

適用專業： 物聯網工程

制 定 人： 邵彩玲

制（修）訂時間： 2021年5月

專業負責人審核：

專業建設工作組審核：

2021年 5 月

實訓安全紀律

學生應按照課程教學安排，準時上實訓課，不得遲到早退。

實訓前應認真閱讀實訓指導書，明確實訓目的、步驟、原理，預習有關理論知識，并接受實訓教師的提問和檢查。

不得高聲喧嘩和打鬧，不準抽煙、隨地吐痰和亂丟紙屑雜物。

實訓時必須嚴格遵守儀器設備的操作規程，愛護儀器設備，節約使用材料，服從實訓教師和技術人員的指導。未經許可不得動用與本實訓無關的儀器設備及其物品。

實訓中要細心觀察，認真記錄各種實驗數據。不準敷衍，不準抄襲別組數據，不得擅自離開操作崗位。

實訓時必須注意安全，防止人身和設備事故的發生。若出現事故，應立即切斷電源，及時向指導教師報告，并保護現場，不得擅自處理。

實訓完畢，應清理實訓現場。經指導教師檢查儀器設備、工具、材料和實訓記錄后方離開。

實訓后要認真完成實訓報告，包括分析結果、處理數據、繪制曲線及圖表。在規定的時間內教指導教師批改。

在實訓過程中，由于不慎造成儀器設備、工具損壞者，應寫出損壞情況報告，并接受檢查，有上級部門根據情況進行處理。

凡違反操作規程、擅自動用與本實驗無關的儀器設備、私自拆卸儀器而造成事故和損失的，肇事者必須寫出書面檢查，視情節輕重和認識程度，按章予以賠償。

目 錄

第一部分 實訓大綱 1

一、實訓目的和基本要求 1

二、實訓內容 1

三、時間分配 2

四、實訓任務要求及考核指標 2

任務一 分組題目—任務書 4

任務書一 RFID汽車防盜安全系統 4

任務書二 基于RFID的模擬停車場管理系統 4

任務書三 校園射頻識別門禁解鎖設計 5

任務書四 基于RFID的非接觸式垃圾桶設計 5

任務書五 基于RFID的食堂刷卡系統設計 6

任務書六 基于 RFID 技術的考勤系統設計 6

任務書七 基于射頻識別卡的智能飲水機控制系統設計 7

任務書八 基于RFID的圖書館管理系統 7

任務書九 基于RFID的智能倉儲系統 8

任務書十 基于RFID簡易公交卡刷卡機 8

任務二 公共題目—任務書 9

任務書一 設計符合ISO14443A協議的讀寫器及實物制作 9

（一）設計目的及要求 9

（二）實物制作參考圖 9

任務書二 設計三表（水、電、氣）讀寫器及實物制作 10

（一）設計目的及要求 10

（二）實物制作參考圖 10

任務書三 基于MF CR530射頻模塊讀寫器及實物制作 11

（一）設計目的及要求 11

（二）實物制作參考圖 11

任務書四 制作125kHZ 頻段RFID收發裝置 12

（一）設計目的及要求 12

（一）實物制作參考圖 12

第一部分 實訓大綱

一、實訓目的和基本要求

1、設計目的RFID原理及技術課程設計是將知識轉化為能力的橋梁，其主要目的是進一步鞏固和加深學生所學的理論知識，并將其系統化；培養學生綜合運用所學知識獨立解決實際問題的能力和初步培養學生進行創新設計的能力；使學生初步掌握嵌入式軟硬件系統分析設計，并在機構分析與綜合方面受到一次比較全面的訓練。

2、設計要求

（1）通過閱讀任務書中的要求，形成對產品硬件和軟件總體設計方案。

（2）按照任務書給定的參數設計讀寫器或電子標簽相應的硬件電路，并形成相應的功能模塊。

（3）以任務書中產品的描述為目標對涉及的參數指標進行設計，滿足設計需求。

（4）對設計產品進行仿真或實際調試，從仿真或測試中找出相應的問題。

（5）編寫產品設計書及制作PPT，培養學生歸納、總結的表達能力。

二、實訓內容

本次課程設計主要是將學生所學電磁場理論、電路與模擬電子技術、數字電子技術、單片機原理與應用等課程知識進行綜合性的運用。首先從任務書中的產品設計需求出發，對產品的功能實現進行分析并對其進行有機分解；其次采有模塊化設計理念，對該功能所需硬件電路圖進行設計并測試，進而得到系統的整體電路圖；然后根據任務書中設計需求進行仿真分析、評估。最后結合設計和仿真總結設計成果。

下面簡述主要步驟的大致內容:

（1）閱讀任務書，明確功能要求及技術指標

（2）總體方案設計與論證

（3）硬件模塊化設計

（4）器件選型與參數計算

（5）原理電路仿真、分析

（6）具體實物焊接、測試

三、時間分配

實訓任務要求及考核指標

（一）任務布置：

分組題目：參照任務書中要求，四人一組，每組1題，獨立進行設計。

公共題目：可調電子時鐘設計及制作。

課程設計上交內容：

1、分組題目的硬件電路圖 2、分組題目的設計流程圖 3、分組題目的仿真結果截圖及其說明文檔 4、課程報告電子版及紙質版 5、公共題目電子制作實物

（三）評分細則：

以硬件設計圖和仿真運行結果為指標，參考平時紀律表現為依據，由指導教師按五級計分制（優、良、中、及格、不及格）進行評定。其中：

優秀（90~100）：設計方案新穎，創新點突出，滿足設計需求，內容豐富，在設計過程中勤奮好學，有創新思想。

良好（80~90）：設計方案比較新穎，創新點比較突出，基本滿足任務書的需求，內容比較豐富，在設計過程中勤奮好學，有創新思想。

中等（70~80）：設計方案一般，創新點一般，功能上滿足設計需求但實現方法上有所出入，內容不夠豐富，在設計過程中比較勤奮，創新思想不明顯。

及格（60~70）：設計方案不完善，存在一些小錯誤，設計功能接近任務書要求，內容一般，在設計過程中不夠勤奮。

不及格（60分以下）：設計方案有嚴重錯誤且設計內容與任務書嚴重不符合，設計說明書內容不足，在設計過程中不夠認真。

五、參考資料（參考書、網絡資源等）

教材

《物聯網射頻識別（RFID）核心技術教程》 黃玉蘭主編 人民郵電出版社，2019.7

參考書

（1）射頻識別技術與應用 趙軍輝主編 北京：機械工業出版社，2008.7

（2）射頻識別技術——原理、協議及系統設計（第2版）謝磊 陸桑璐主編 北京：科學出版社，2016.6

任務一 分組題目—任務書

任務書一 RFID汽車防盜安全系統

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：RFID汽車防盜安全系統

設計要求：

以RFID系統為核心組成，射頻識別系統由閱讀器、應答器和射頻天線組成。

用戶可以通過鑰匙模塊的開關發送射頻數據來打開和關閉車門。

為了系統的安全性，對發送數據進行滾動碼加密，發送完畢進入到停止模式。

加分項：選擇適當的電路仿真軟件，仿真、驗證所設計的RFID電路，并截屏仿真結果。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務書二 基于RFID的模擬停車場管理系統

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：開發一個基于RFID的模擬停車場管理系統，實現刷卡進入/離開停車場并根據停車時長收費。

設計要求：

使用RFID設備，包括讀卡器以及電子標簽；

車輛進入停車場提示：當車輛刷卡進入停車場時，會在屏幕上顯示“歡迎“所的提示信息，提示消息會在幾秒之后消失；

車輛離開停車場提示：當車輛離開停車場時會彈出祝你一路順風的提示信息；

加分項：管理員可以對數據庫任何數據進行插入、修改、查詢和刪除的功能。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務書三 校園射頻識別門禁解鎖設計

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：改變傳統的鑰匙開鎖的現狀，運用射頻識別技術，將指定的ID卡解鎖對應的門。

設計要求：

給出RFID系統的組成、結構框圖設計，突出電感耦合式的射頻前端的特點；

基于RFID技術，對硬件進行開發，使ID卡能夠被識別；

在多個ID卡的情況下，只有一個對此門有權限的ID卡才能開啟門。

加分項：選擇適當的電路仿真軟件，仿真、驗證所設計的RFID電路，并截屏仿真結果。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務書四 基于RFID的非接觸式垃圾桶設計

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：在目前疫情防控的大環境下，為了避免人們交叉接觸，設計了無接觸式垃圾桶。

設計要求：

設計相應的RFID硬件及軟件模塊，包括主控系統、讀寫器和電子標簽；

將每一種不同類型的垃圾袋附著不同的電子標簽；

當讀寫器識別到垃圾袋對應的標簽時，就會打開對應回收類型的垃圾桶。

加分項：選擇適當的電路仿真軟件，仿真、驗證所設計的硬件電路，并截屏仿真結果。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務書五 基于RFID技術的食堂刷卡系統設計

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：通過IC卡讀卡器讀入信號給主芯片完成數據的讀取、刪除、儲存、注冊、扣錢、充錢等；

設計要求：

系統包含：RFID射頻模塊、控制模塊、液晶顯示模塊、上位機模塊、串口模塊等五個模塊；

管理員可以進行用戶信息注冊、查詢信息、修改信息、刪除信息，金額設置；

在設計的基礎上可以選擇所學模塊（AT89C51/52,STM32,RFID IC/ID卡的讀寫）；

加分項：可以增加適當的硬件，軟件仿真，驗證刷卡系統并將其截圖保留。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務書六 基于RFID的考勤系統設計

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：基于RFID的考勤系統設計

設計要求：

本設計由STC89C52單片機電路、RFID模塊電路、液晶顯示電路和電源電路組成；

系統具有刷卡功能，顯示考勤狀態“上班”和“下班”。

系統可以更改顯示時間和特殊信息，例如請假、遲到等。

系統具備統計功能，可以統計本日出勤總人數。

加分項：可以增加適當的硬件，軟件仿真，驗證刷卡系統并將其截圖保留。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務書七 基于射頻識別的智能飲水機

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：利用無線射頻技術RFID,實現一個智能化的水卡計費系統。

設計要求：

基于射頻識別技術，在系統處于工作狀態時，閱讀器一直處于讀卡狀態，尋找合適的電子標簽；

當有合適的電子標簽，靠近讀寫器時，讀寫器識別電子標簽；

讀出電子標簽信息，顯示金額，時間等信息，開始計費。

加分項：能夠實現循環累計扣費和充值。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務書八 基于RFID的圖書館管理系統

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：基于RFID的圖書管理系統

設計要求：

利用RFID實現對圖書的自助借閱管理；

實現圖書歸還功能；

根據射頻識別技術和條形碼讀取信息實現書架系統管理。

加分項：增加防盜報警功能

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務書九 基于RFID的智能存儲系統

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：智能存儲系統

設計要求：

入庫管理：商品入庫，經過讀卡器讀取商品的信息，生產日期，商品產地，保質期，商品類別，根據包含的信息給出適合保存的倉庫，并將商品信息記錄到上位機數據庫；

出庫管理：商品出庫，讀卡器讀取信息。根據盤點信息或入庫信息給出保存時間，是否過期等，并在上位機數據庫標注出庫；

盤點管理：由工作人員掃描商品，讀取信息，并計算出保存時間，以及計算出商品是否過期等。同時更新數據庫中的信息；

加分項：選擇適當的電路仿真軟件，仿真、驗證所設計的硬件電路，并截屏仿真結果。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務書十 基于RFID的簡易公交車刷卡機

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：基于RFID的簡易公交車刷卡機

設計要求：

給出RFID系統的組成、結構框圖設計，設計具備要求的設計電路；

能夠讀取公交卡信息，顯示刷卡成功并顯示卡型“學生卡”“老年卡”等；

實現公交卡信息的錄入，修改，刪除數據。

加分項：選擇適當的仿真軟件或實物，截屏仿真結果或實物照片、視頻。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

任務二 公共題目—任務書

任務書一 設計符合ISO14443A協議的讀寫器及實物制作

（一）設計目的及要求

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：基于ISO14443 A標準的讀寫器設計

設計要求：

采用51系列單片機，結合射頻模塊（如RC500）芯片，設計符合ISO14443A協議的讀寫器；

硬件設計：單片機最小系統、通信接口、顯示屏驅動、RC500時鐘電路和匹配網絡、天線、電源等；

功能設計：建立二進制文件、建立外部密鑰文件、卡定額充值、卡定額消費、修復卡片錯誤、取隨機數、刪除MF文件下所有目錄、寫名字到CPU卡中、顯示序列號等（可選擇實現其1、2功能）。

加分項：編寫上位機程序，建立上位機與讀寫器的通信鏈接，實現對IC卡的讀、寫操作。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

（二）實物制作參考圖

任務書二 設計三表（水、電、氣）讀寫器及實物制作

（一）設計目的及要求

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：基于ISO14443 A標準的讀寫器設計

設計要求：

采用51系列單片機，結合射頻模塊（如RC522）芯片，設計符合ISO14443A協議的讀寫器；

硬件設計：單片機最小系統、SPI接口、RC522時鐘電路和匹配網絡、天線、電源等；

功能設計：利用上位機實現三表合一卡充值、讀取充值金額、輸出余額（水：噸，電：度，氣：方）。

加分項：選型或設計與上述讀寫器匹配的IC卡，實現信息數據的寫入和讀出操作，測試有效工作距離。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

（二）實物制作參考圖

任務書三 基于MF CR530射頻模塊讀寫器及實物制作

（一）設計目的及要求

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：基于MF CR530射頻模塊的讀寫器設計

設計要求：

采用51系列單片機，結合MF CR530射頻模塊芯片，設計支持Mifare1（M1）卡的讀寫器；

硬件設計：單片機最小系統、SPI接口、RC530時鐘電路和匹配網絡、濾波、天線、電源等；

功能設計：選卡、認證、加值、減值、讀卡、寫卡、終止等，給出程序設計流程圖。

加分項：選型或設計與上述讀寫器匹配的IC卡，實現信息數據的寫入和讀出操作，測試有效工作距離。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

（二）實物制作參考圖

任務書四 制作125kHZ 頻段RFID收發裝置

（一）設計目的及要求

設計目的：訓練學生綜合運用已學課程的基本知識，獨立進行RFID應用技術和開發工作，掌握RFID系統結構設計、功能環節設計、電路設計、調試與測試（仿真）等過程的步驟與方法，學習對所設計環節的技術參數指標進行分析與平均的方法。

功能需求：制作125kHZ 頻段的讀寫器和電子標簽

設計要求：

根據125kHZ 頻段RFID系統工作的特點，自主選擇技術方案和電路，設計并制作出符合相應ISO標準的讀寫器和電子標簽，并實現其基本功能。

說明所遵循的標準，設計讀寫器（感應模塊，支持TK4100芯片卡）和對應的電子標簽（可選購），給出電路原理圖、PCB設計圖，并委托加工PCB板；

選購器件、焊接、調試電路，編制上位機監控軟件，測試讀寫功能、作用距離、誤碼率等指標，；

加分項：通過電子標簽的識別，控制門禁的開啟與報警。

設計報告及PPT制作：

按要求完成項目設計報告及制作相應PPT

（二）實物制作參考圖

第五篇：在射頻識別系統中的天線問題

在射頻識別系統中的天線問題

關鍵詞: 天線 類型 阻抗 距離 輻射模式

文檔: 技術文檔| 技術原理 | 軟件 | 產品資料 | 方案案例 | 智能卡

天線的目標是傳輸最大的能量進出標簽芯片。這需要仔細的設計天線和自由空間以及其相連的標簽芯片的匹配。本文考慮的頻帶是435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz，在零售商品中使用。天線必須：

足夠的小以至于能夠貼到需要的物品上； 有全向或半球覆蓋的方向性； 提供最大可能的信號給標簽的芯片；

無論物品什么方向，天線的極化都能與讀卡機的詢問信號相匹配； 具有魯棒性； 非常便宜。

在選擇天線的時候的主要考慮是： 天線的類型； 天線的阻抗：

在應用到物品上的RF的性能；

在有其他的物品圍繞貼標簽物品時的RF性能。

可能的選擇

這里有兩種使用方式：一）貼標簽的物品被放在倉庫中，有一個便攜裝置，可能是手持式，詢問所有的物品，并且需要它們給予信息反饋信息；二）在倉庫的門口安裝讀卡設配，詢問并記錄進出物品。還有一個主要的選擇是有源標簽還是無源標簽[1],[2]。

可選的天線

在435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz 頻率是用的RFID系統中，可選的天線有幾種，見下表，它們重點考慮了天線的尺寸。這樣的小天線的增益是有限的，增益的大小取決于輻射模式的類型，全向的天線具有峰值增益0到2 dBi；方向性的天線的增益可以達到6 dBi。增益大小影響天線的作用距離。下表中的前三個種類的天線是線極化的，但是微帶面天線可以使圓極化的，對數螺旋天線僅僅是圓極化的。由于RFID標簽的方向性是不可控的，所以讀卡機必須是圓極化的。一個圓極化的標簽天線可以產生3 dB 以強的信號。

阻抗問題

為了最大功率傳輸，天線后的芯片的輸入阻抗必須和天線的輸出阻抗匹配。幾十年來，設計天線與50 或 70 歐姆的阻抗匹配，但是可能設計天線具有其他的特性阻抗。例如，一個縫隙天線可以設計具有幾百歐姆的阻抗。一個折疊偶極子的阻抗可以是一做個標準半波偶極子阻抗的20倍。印刷貼片天線的引出點能夠提供一個很寬范圍的阻抗(通常是 40 到 100歐姆)。選擇天線的類型，以至于它的阻抗能夠和標簽芯片的輸入阻抗匹配是十分關鍵的。另一個問題是其他的與天線接近的物體可以降低天線的返回損耗。對于全向天線，例如雙偶極子天線，這個影響是顯著的。改變雙偶極子天線和一聽番茄醬的間距做了一些實際測量，顯示了一些變化，見圖4和圖5。其他的物體也有相似的影響。此外是物體的介電常數，而不是金屬，改變了諧振頻率。一塑料瓶子水降低了最小返回損耗頻率16%。當物體與天線的距離小于62.5 mm的時候，返回損耗將導致一個3.0 dB的插入損耗，而天線的自由空間插入損耗才0.2 dB。可以設計天線使它與接近物體的情況相匹配，但是天線的行為對于不同的物體和不同的物體距離而不同。對于全向天線是不可行的，所以設計方向性強的天線，它們不受這個問題的影響。

輻射模式

在一個無反射的環境中測試了天線的模式，包括了各種需要貼標簽的物體，在使用全向天線的時候性能嚴重下降。圓柱金屬聽引起的性能下降是最嚴重的，在它與天線距離50mm的時候，反回的信號下降大于20 dB(見圖6)。天線與物體的中心距離分開到100—150mm的時候，反回信號下降約10 到12 dB。在與天線距離100mm的時候，測量了幾瓶水（塑料和玻璃），見圖7，反回信號降低大于10 dB。在蠟紙盒的液體，甚至蘋果上做試驗得到了類似的結果。

局部結構的影響

在使用手持的儀器的時候，大量的其他臨近物體的使讀卡機天線和標簽天線的輻射模式嚴重失真。這可以對于2.45 GHz的工作頻率計算，假設一個代表性的幾何形狀，見圖8,9,10，和自由空間相比，顯示返回信號降低了10dB，在雙天線同時使用的時候，比預料的模式下降的更多。圖11和圖12是在一個天線前的一個橫截平面的接收信號等高線圖，顯示了嚴重的失真。在倉庫的使用環境下，一個物品盒子具有一個標簽會有問題，幾個標簽貼在一個盒子上以確保所有時候都有一個標簽是可以看見的。便攜系統的使用有幾個天線的問題。每個盒子兩個天線足夠適合門禁裝置探測，這樣局部結構的影響變得不再重要，因為門禁裝置的讀卡機天線被固定在倉庫的出入，并且直接指向貼標簽的物體。

距離

RFID 天線的增益和是否使用有源的標簽芯片將影響系統的使用距離。樂觀的考慮，在電磁場的輻射強度符合UK的相關標準時，2.45 GHz 的無源情況下，全波整流，驅動電壓不大于3伏，優化的RFID天線阻抗環境(阻抗 200 或 300 歐姆)，使用距離大約是1米[3]。如果使用WHO限制[4]則更適合于全球范圍的使用，但是作用距離下降了一半。這些限制了讀卡機到標簽的電磁場功率。作用距離隨著頻率升高而下降。如果使用有源芯片作用距離可以達到5到10米。

總結

全向天線應該避免在標簽中使用，然而是可以使用方向性天線，它具有更少的輻射模式和返回損耗的干擾。天線類型的選擇必須使它的阻抗與自由空間和ASIC匹配。在一個倉庫中使用天線好像是不可行的，除非使用有源標簽，但是在任何情況下，倉庫內的天線輻射模式將嚴重失真。一個門禁系統的使用將是好的選擇，可以使用短作用距離的無源標簽。當然門禁系統比手持的儀器昂貴，但是手持儀器工作人員需要使用它到倉庫搜尋物品，人員費用同樣昂貴。在門禁系統中，每一個物品盒子，僅需要2個而不是4個或6個RFID標簽。