射频识别技术实验内容总览

RFID标签识别与读写距离测试

• 实验目标：
  1. 熟悉RFID实验箱（或套件）的基本组成，包括读写器、天线、标签、电源及连接线。
  2. 掌握RFID读写器的基本操作流程（如初始化、寻卡、读卡）。
  3. 测试不同条件下（标签方向、环境干扰）的识别距离,理解影响因素。
• 所需设备：
  • RFID读写器（建议UHF频段，如Impinj R420, ThingMagic等）
  • RFID天线
  • 多种RFID标签（无源、不同尺寸和材质）
  • PC机
  • 读写器配套软件或SDK
• 实验步骤：
  1. 硬件连接： 按照说明书将读写器、天线、PC机正确连接并通电。
  2. 软件安装与配置： 在PC上安装读写器驱动和配套软件（如Impinj Reader Console, ThingMagic Waveform SDK等）。
  3. 基础识别： 启动软件，配置读写器工作参数（频率、功率等），将标签放置在天线有效范围内，执行“Inventory”（盘点）操作,观察软件是否能成功读取到标签的EPC码。
  4. 距离测试：
     • 将标签正对天线，逐渐远离天线,记录软件能稳定读取标签的最大距离。
     • 改变标签的朝向（如侧放、背对天线），再次测试最大距离,观察变化。
     • 尝试将金属或液体物品放置在标签附近,观察对识别距离的影响。
  5. 数据记录与分析： 记录不同情况下的识别距离，并分析原因（如偶极子天线方向性、金属的“屏蔽效应”等）。

不同类型标签性能对比

• 实验目标：
  1. 了解低频、高频、超高频RFID标签的工作原理和特性差异。
  2. 通过实际测试，对比不同频段标签在读写距离、抗干扰能力、穿透性等方面的表现。
• 所需设备：
  • 对应频段的RFID读写器（如125kHz LF, 13.56MHz HF, 860-960MHz UHF各一套）
  • 各频段的典型标签（如LF的动物耳标，HF的卡片/钥匙扣,UHF的物流标签）
  • 水和金属作为测试障碍物
• 实验步骤：
  1. 分别测试： 使用各自的读写器和标签，重复实验一的步骤,记录在空旷环境下的最大识别距离。
  2. 穿透性测试：
     • 将标签分别用纸张、塑料、薄木板遮挡,测试识别率。
     • 将标签贴在装有水的塑料瓶后,测试识别率。
     • 将标签贴在金属表面,测试识别率。
  3. 多标签测试： 在天线前放置多个同类型标签，观察读写器是否能同时识别（初步感受防碰撞）。
  4. 对比总结： 制作表格，对比LF、HF、UHF标签在距离、穿透性、抗金属/液体能力、多标签识别性能等方面的优缺点，并解释其背后的物理原理（如波长、耦合方式）。

标签数据块的读写与锁定

• 实验目标：
  1. 深入理解RFID标签的内存结构（如EPC、TID、User Bank等）。
  2. 掌握对标签指定内存地址的读写操作。
  3. 学习并实践标签的“锁定”或“销毁”功能,理解数据安全的重要性。
• 所需设备：
  • RFID读写器及配套软件/SDK
  • 支持块读写和锁定的标签（如UHF Gen2标签）
• 实验步骤：
  1. 读取内存信息： 使用软件读取标签的TID（唯一标识号）和EPC（电子产品码）,并尝试读取用户数据块。
  2. 写入数据： 向标签的用户数据块中写入自定义信息（如一段文字、一个序列号）。
  3. 读取验证： 再次读取标签,验证写入的数据是否成功。
  4. 锁定操作：
     • 找到锁定功能的选项（通常锁定EPC或User Bank）。
     • 执行锁定操作。
     • 尝试修改已被锁定的数据块,观察操作是否成功。
  5. 分析讨论： 讨论标签锁定机制在资产管理、防伪等场景中的应用价值。

基于RFID的身份识别与门禁模拟

• 实验目标：
  1. 将RFID技术应用于一个具体的模拟场景。
  2. 学习使用编程语言（如Python, C#）通过SDK控制读写器。
  3. 实现简单的逻辑判断和事件触发功能。
• 所需设备：
  • RFID读写器及SDK
  • PC机
  • 多张RFID标签（模拟“授权卡”和“未授权卡”）
  • 一个LED灯或继电器模块（模拟“门”的开闭）
• 实验步骤：
  1. 准备授权列表： 在程序中建立一个白名单,存储几张授权标签的EPC码。
  2. 编写程序：
     • 初始化读写器,并开始持续监听标签。
     • 当有标签进入读取范围时,程序获取其EPC码。
     • 将获取的EPC码与白名单进行比对。
     • 如果匹配： 控制LED灯亮起（或继电器吸合），模拟“开门”，并在屏幕上显示“欢迎，[EPC]”。
     • 如果不匹配： 控制LED灯不亮（或继电器断开），模拟“拒绝开门”，并显示“无效卡”。
  3. 测试与优化： 使用授权卡和未授权卡反复测试，观察系统反应，可以增加“开门”持续时间、蜂鸣器提示音等功能。

RFID与上位机通信及数据管理

• 实验目标：
  1. 学习读写器与PC之间的串口通信协议。
  2. 在PC端开发一个简单的数据管理界面。
  3. 实现对RFID事件的实时捕获、存储和查询。
• 所需设备：
  • RFID读写器（通常通过USB或串口连接）
  • PC机
  • 开发环境（如Python的PySerial库，或C#的SerialPort类）
  • 数据库（如SQLite, MySQL）或简单的文本文件
• 实验步骤：
  1. 串口通信： 编写程序，打开读写器的串口,并设置正确的波特率等参数。
  2. 数据捕获： 监听串口数据流，解析读写器发送过来的标签识别事件（通常包含EPC、时间戳、天线ID等信息）。
  3. 数据存储： 将解析到的每一条识别记录（EPC, 时间戳, 读写器ID）存入数据库或文本文件中。
  4. 界面开发（可选）： 使用GUI库（如Tkinter, PyQt）创建一个简单的窗口，实时显示当前读取到的标签列表,并提供历史记录的查询和导出功能。
  5. 应用扩展： 可以增加“标签进入”和“标签离开”的判断逻辑,统计某个区域的物品停留时间。

基于RFID的物品定位与追踪系统

• 实验目标：
  1. 学习如何通过部署多个读写器来实现区域定位。
  2. 理解RSSI（接收信号强度指示）在定位中的应用。
  3. 构建一个简单的物品移动追踪系统。
• 所需设备：
  • 至少2台RFID读写器及天线
  • 带有主动标签或有源RFID标签（UHF有源标签效果更好）
  • PC机
  • 网络交换机（如果读写器通过网络连接）
• 实验步骤：
  1. 部署读写器： 在一个房间内布置2-3台读写器,确保它们的覆盖区域有部分重叠。
  2. 数据同步： 编写一个程序，能够同时连接所有读写器,并汇总它们读取到的标签信息。
  3. 区域定位：
     • 方法一（基于覆盖范围）： 程序逻辑为“哪个读写器读取到了标签，就认为标签在其覆盖区域内”,可以粗略地将物品定位在某个读写器范围内。
     • 方法二（基于RSSI）： 如果读写器和标签支持，记录每个读写器接收到标签信号时的RSSI值，RSSI值越强，说明标签距离该读写器越近，通过比较不同读写器的RSSI值，可以估算出标签的大致位置（更精确）。
  4. 追踪与可视化： 在程序中记录标签在不同时间点被哪个读写器（或RSSI最高的读写器）检测到，形成一条移动轨迹,可以在地图上简单标示出来。

RFID标签的复制与防碰撞机制研究

• 实验目标：
  1. 了解RFID标签,特别是低安全级别标签的安全漏洞。
  2. 学习如何读取和克隆标签数据。
  3. 理解并观察RFID的防碰撞算法（如ALOHA、二进制树搜索）是如何工作的。
• 所需设备：
  • 支持读写的RFID读写器
  • 支持克隆功能的标签或专用克隆器
  • 多张相同类型的标签
  • PC机及配套软件
• 实验步骤：
  1. 标签克隆实验：
     • 使用读写器读取一张“源”标签的全部数据（包括EPC, TID, User Bank等）。
     • 将读取到的数据写入一张“目标”标签中。
     • 使用读写器验证“目标”标签，看其是否与“源”标签拥有完全相同的数据,证明克隆成功。
     • 讨论： 分析克隆带来的安全风险（如门禁卡复制、商品防伪被破解）。
  2. 防碰撞机制观察：
     • 将5-10张标签同时放置在读写器天线的有效范围内。
     • 启动软件的“Inventory”操作，并开启“防碰撞”相关的日志或调试信息。
     • 观察软件的输出，它不会一次性列出所有标签，而是会通过一系列的“Query”、“Select”、“ACK/NACK”命令,逐个或分组地识别出所有标签。
     • 分析： 尝试理解日志中的命令交互过程,解释为什么需要防碰撞以及它是如何提高识别效率的。

RFID阅读器天线设计与优化（可选，较难）

• 实验目标：
  1. 了解天线参数（如增益、波束宽度、阻抗匹配）对RFID系统性能的影响。
  2. 学习使用仿真软件（如CST, HFSS）或开源工具（如Qucs）进行简单的天线建模与仿真。
  3. （可选）制作一个简单的偶极子天线并进行测试。
• 所需设备/软件：
  • RFID读写器及频谱分析仪/网络分析仪（用于测试）
  • 天线仿真软件（如CST Studio Suite, ANSYS HFSS, 或开源的Qucs + NEC2）
  • 铜板、同轴电缆、SMA接头等材料（如需自制）
• 实验步骤：
  1. 理论学习： 学习天线的基本原理,特别是偶极子天线和微带天线。
  2. 软件仿真：
     • 在仿真软件中建立一个UHF频段（如915MHz）的半波偶极子天线模型。
     • 运行仿真，得到天线的S11参数（回波损耗，用于判断阻抗匹配）、方向图（增益和波束宽度）等。
     • 调整天线的尺寸（如长度、直径），观察仿真结果的变化,找到最优设计。
  3. 制作与测试（可选）：
     • 根据仿真结果,实际制作一个偶极子天线。
     • 使用网络分析仪测试其实际的S11参数,与仿真结果对比。
     • 将自制天线连接到读写器，测试其识别距离,与商用天线进行对比。

这个实验方案覆盖了从理论到实践，从基础到应用的多个层面,可以根据教学需求和学生水平选择其中的部分或全部进行。