射频识别技术(RFID).ppt

RFID基础理论,RFID基本认知 RFID应用认知 RFID单元化技术 RFID系统技术,RFID基本认知,RFID基本概念 1. 什么是射频识别技术？ RFID射频识别（Radio Frequency Identification）是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合实现非接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。,2、 射频识别技术的特点 射频识别技术具有体积小、信息量大、寿命长、可读写、保密性好、抗恶劣环境、不受方向和位置影响、识读速度快、识读距离远、可识别高速运动物体、可重复使用等特点，支持快速读写、非可视识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术与网络定位和通信技术相结合，可实现全球范围内物资的实时管理跟踪与信息共享。 埃森哲（全球最大咨询公司）实验室首席科学家弗格森认为 RFID是一种突破性的技术：“第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。“,电磁学基础 在射频识别系统中，射频标签与读写器之间，通过两者的天线架起空间电磁波传输的通道，通过电感耦合或电磁耦合的方式，实现能量和数据信息的传输。 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。 （1）电感耦合：变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，如下图所示。,（2）电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。 电容耦合，就是两个相互隔离的电极，电能从一个电极，由于频率变化，感应到另一个电极的过程。,电磁与电感耦合的差别 在电磁耦合方式中，阅读器的天线将阅读器产生的读写射频能量以电磁波的方式发送到定向的空间范围内，形成阅读器的有效阅读区域，位于阅读器有效阅读区域中的射频标签从阅读器天线发出的电磁场中提取工作能源，并通过射频标签的内部电路及标签天线将标签内存的数据信息传送到阅读器，阅读器对信号解码后送计算机系统进行处理。电磁与电感耦合的差别在于电磁耦合方式中阅读器将射频能量以电磁波的形式发送出去。 在电感耦合方式中，阅读器将射频能量束缚在阅读器电感线圈周围，通过交变闭合的线圈磁场，沟通阅读器线圈与射频标签之间的射频通道，没有向空间辐射电磁能量。,射频识别系统中射频标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统中的一个重要问题。根据射频识别系统作用距离的远近情况，射频识别系统可分为密耦合、遥耦合和远距离三类。,1. 天线场区的概念 （1）无功近场区 无功近场区又称为电抗近场区。它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个场区域。在该区域中电抗性贮能场占主导地位，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电磁、磁电之间场的转换。在该区域中束缚于天线的电磁场未曾做功（只是进行相互交换），因而称为无功近场区。,（2）辐射近场区 越过电抗近场区就是辐射场区，辐射场区的电磁场已脱离了天线的束缚并作为电磁波进入空间。在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距天线口径的距离有关。,2.耦合类型 （1）密耦合系统 密耦合的的作用距离是1cm以下，是利用射频标签与读写器之间的电感耦合构成无接触的空间信息传输射频通道工作的，工作频率一般在30MHZ以下。,在密耦合系统（也称变压器方式）中，阅读器一方的天线相当于变压器的初级线圈，射频标签一方的天线相当于变压器的次级，耦合磁场在阅读器线圈初级与射频标签线圈次级之间构成闭合回路。电感耦合方式是低频近距离无接触射频识别系统的一般耦合原理。,密耦合系统中射频标签一般是无源标签， 天线场区：为无功近场区， 能量传输：通过电感耦合方式来实现。国际标 准可参考的有ISO10536. 数据传输：是通过电感（磁场）耦合或电容（电场）耦合的负载调制实现。,负载调制的概念 对于电感耦合系统，射频标签天线上的负载电阻的接通和断开，将反映在读写器天线上的电压发生变化，从而实现远距离射频标签对读写器天线上的电压进行振幅调制，人们通过数据控制负载电压的变化，这些数据就能够从射频标签传输到读写器，这种数据传输方式称作负载调制。,（2）遥耦合系统 遥耦合与密耦合不同之处是不可能采用电容耦合，一般又称为电感耦合。遥耦合又可分为近耦合（典型作用距离为15厘米）和疏耦合（典型作用距离为1M）两类。 国际标准可参考的有ISO14443（近耦合）和ISO15693（疏耦合）,遥耦合标签几乎是无源标签，通常是由单个芯片以及作为天线的大面积线圈所组成。 天线场区：为无功近场区， 能量传输：通过电感耦合方式来实现。 数据传输：也是通过电感（磁场）耦合的负载调制实现。遥耦合系统目前仍是低成本射频识别系统的主流，其典型工作频率为13.56MHZ。,（3）远距离系统,远距离系统的工作距离从几米到几十米，个别系统具有更远的作用距离。典型的工作频率有915MHZ、2.45GHZ等，可参考的国际标准有ISO10374、ISO18000-4-5-6等。 天线场区：辐射远场区 远距离系统均是利用射频标签与读写器之间的电磁耦合（电磁波发射与反射）构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。采用反射调制工作方式实现射频标签到读写器的数据传输。,3.射频识别系统空间传输通道中发生的过程可归结为三种事件模型： （1）能量是时序得以实现的基础。 （2）时序是数据交换的实现方式。 （3）数据交换是目的。 4.能量。 阅读器向射频标签供给射频能量。 无源标签：工作能量来自阅读器射频能量。 半有源标签：阅读器的射频能量起到唤醒标签转入工作状态的作用。 有源标签：不需利用阅读器的射频能量。,5.时序 （1）双向系统（阅读器向标签发送命令和数据，标签向阅读器返回所存储的数据） 阅读器先讲方式 射频标签先讲方式 （2）多标签识别系统 一般情况下，采用阅读器先讲方式，阅读器通过发出一系列的隔离指令，使得读出范围内的多个射频标签逐一或逐批地被隔离（令其睡眠）出去，最后保留一个处于活动状态的标签与阅读器建立无冲撞的通信。,6.数据传输 （1）从阅读器向射频标签方向的数据交换 从射频标签存储信息的注入方式来分，可分为有线写入方式和无线写入方式两种情况。 从阅读器向射频标签是否发送命令来分，可分为射频标签只能接受能量激励和既接受能量激励也接受阅读器代码命令。 （2）从射频标签向阅读器方向的数据交换。其工作方式包括： 射频标签收到阅读器发送的射频能量时被激活，并向阅读器反射标签存储的信息（此方式属单向通信）。 射频标签收到阅读器发送的射频能量被激励后，根据阅读器发送的指令转入发送数据状态或“休眠”状态（此方式为半双工双向通信）。,RFID系统组成,中间件及应用软件,数据协议处理器,标签驱动 (射频单元),应用系统,读写器,电子标签,响应单元,编码,存储器,解码,物理接口(调制解调),读数据,写数据,命令,查询,写入,读取,应用程序接口(API),空中接口(Air Interface),芯片,天线,封装,数据,能量,射频识别系统的工作原理 RFID工作原理模型,应用 系统,射频 标签,编码,调制,解码,读写器,应用接口,空中接口,射频识别系统的工作原理是利用射频标签与射频读写之间的射频信号及其空间耦合、传输特性，实现对静止的、移动的待识别物品的自动识别。 读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被启动。 标签将自身编码等信息透过卡内天线发送出去。 读写器接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和译码然后送到后台软件系统处理。 后台软件系统根据逻辑运算判断，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行相应的动作。,RFID 应用认知,RFID典型应用案例 香港国际机场 在传统的行李条码化管理方式下，机场工作人员需要使用手持条码扫描器近距离扫描行李标签，才能识读到行李的相关信息。这种工作方式不仅效率较低，同时，由于条码标签容易污损，导致出错率较高。和条码相比，在旅客行李上粘贴RFID行李标签后，超高频RFID读写器可以远距离并可从不同角度识别行李标签的ID，识读速度更快，结果更准确。此外，RFID行李标签的信息存储量也比条码多。据测试结果显示，使用条码行李标签的准确扫描率为80%，而使用RFID行李标签后，机场行李处理速度大大提高，有效识读率达到97%（RFID射频快报注：受部分金属行李箱的干扰影响），能够节省5%的时间、人手及营运能力，每天可多处理2000件离港行李。,问题,机场工作人员为行李贴加RFID标签,行李处理系统的RFID读写器识读行李标签信息,行李传送带附近也安装了RFID读写器,问题,条码管理需要大量人力时间,将RFID技术和电脑技术紧密结合，利用RFID实施图书管理系统,解决方案,读者则可自助完成借、还书等工作 工作人员可进行快速图书的盘点 图书防盗 结合读者和管理人员的借阅卡和工作卡，还可以实时了解人员进出的情况，统计进出数据,优势,中大型的图书馆由于进出人数众多，以及大量的馆藏图书， 使工作人员工作繁琐，读者长时间排队借还书,图书管理,图书失窃 造成大量损失,图书管理,标签转换站,馆员工作站,管理软件,藏书盘点仪,自动分检线,自动还书口,自助借阅,RFID 图书标签,仓库管理,集装箱防盗,RFID单元化技术,RFID 相关协议 RFID标签 RFID 读写器及天线 RFID 中间件,RFID 相关协议,ISO/IEC相关RFID标准 ISO/IEC已出台的RFID标准主要关注基本的模块构建，空中接口，涉及到的数据结构以及其实施问题。具体可以分为技术标准、数据内容标准、一致性标准及应用标准四个方面。 包括： ISO 18000-1 空中接口一般参数 ISO 18000-2 低于135KHz频率的空中接口参数 ISO 18000-3 13.56MHz频率下的空中接口参数 ISO 18000-4 2.45GHz频率下的空中接口参数 ISO 18000-6 860-960MHz频率下的空中接口参数 ISO 18000-7 433.92MHz频率下的空中接口参数 ISO 10536 非接触集成电路卡,ISO 15693 非接触集成电路卡近程卡 ISO 14443 非接触集成电路卡近程卡 ISO 18046 RFID设备性能测试方法 ISO 18047 (有源及无源的)RFID设备一致性测试方法 ISO 15424 数据载体/特征标识符 ISO 15418 UCC应用标识 ISO 15434 大容量ADC媒体用的传送语法 ISO 15459 物品管理的唯一ID ISO 15961 数据协议：应用接口 ISO 15962 数据编码规则和逻辑存储功能的协议 ISO 15963 RF标签的唯一标识 ISO 10374 货运集装箱标签 ISO 18185 货运集装箱电子封条RF通信协议 ISO 11784 基于动物的无线射频识别的代码结构 ISO 11785 基于动物的无线射频识别技术 ISO 17358 应用需求 ISO 17363 货运集装箱 ISO 17364 可回收运输单元 ISO 17365 运输单元,目前在我国常用的两个RFID标准为用于非接触智能卡两个ISO标准：ISO 14443，ISO 15693。 ISO 14443和ISO 15693标准在1995年开始操作，其完成则是在2000年之后，二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率。ISO 15693读写距离较远，而ISO 14443读写距离稍近，但应用较广泛。 第二代电子身份证采用的标准是ISO 14443 TYPE B协议。ISO 14443定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议，通信速率为106kbit/s，它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。TYPE A采用开关键控（On-Off keying）的曼切斯特编码，TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码。TYPE B与TYPE A相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力列强的优点。RFID的核心是防冲撞技术，这也是和接触式IC卡的主要区别。ISO 14443-3规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同，前者是基于位冲撞检测协议，而TYPE B通信系列命令序列完成防冲撞。 ISO 15693采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制。防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。,EPCglobal RFID标准 EPCglobal主要关注的是： 物理对象系统标识的数据载体/内容；“物联网”自动识别基础架构最低性能；网络数据交换准如对象名解析系统包括以下协议： UHF Class 0 Gen 1 RF Protocol UHF Class 1 Gen 1 RF Protocol HF Class 1 Gen 1 Tag Protocol UHF Class 1 Gen 2 Tag Protocol EPC Tag Data Specification Reader Protocol Reader Management Tag Data Translation Application Level Events EPCIS Capture Interface EPCIS Data specification EPCIS Query Interface Object Numbering System, ONS EPCIS Discovery Subscriber Authentication,RFID标签,射频标签（RFID TAG）是安装在被识别对象上，存储被识别对象相关信息的电子装置，常称为电子标签。它是射频识别系统的数据载体，是射频识别系统的核心。 1.射频识别标签的分类及其构成 （1）按标签的工作方式分类 主动式标签：用自身的射频能量主动地发射数据给读写器的标签。主动标签含有电源。 被动式标签：由读写器发出查询信号触发后进入通信状态的标签。被动标签可有源也可无源。,（2）按标签的读写方式分类 只读型标签。只能读出不能写入的标签。可分为以下三类： 只读标签：内容出厂时已写入，识别时只可读出，不可改写。 一次性编程只读标签：标签内容只可在应用前一次性编程写入，识别过程中内容不可改写。 可重复编程只读标签：标签内容经擦除后可重新编程写入，识别过程中内容不可改写。 读写型标签。标签内容既可被读写器读出，又可由读写器写入的标签。,（3）按标签有无能源分类 无源标签。标签中不含电池的标签。工作能量来自阅读器射频能量。 有源标签。标签中含有电池的标签。不需利用阅读器的射频能量。 半有源标签：阅读器的射频能量起到唤醒标签转入工作状态的作用。,（4）按标签的工作频率分类 低频标签：500KHz以下 中高频标签： 3M-30MHz 特高频标签：300M-3000MHz 超高频标签：3GHz以上 （5）按标签的工作距离分类 远程标签：工作距离1m以上 近程标签：10cm100cm 超近程标签：0.2cm10cm,EPC目前定义了5种电子标签,射频识别标签的构成 射频识别标签一般由天线、调制器、编码发生器、时钟及存储器构成。,天线,调制器,控制器（CPU）,电源,编码发生器,时钟,存储器,射频识别标签的功能 （1）具有一定容量的存储器，用于存储被识别对象的信息。 （2）在一定工作环境下及技术条件下标签数据能被读出或写入。 （3）维持对识别对象的识别及相关信息的完整。 （4）数据信息编码后，工作时可传输给读写器。 （5）可编程，且一旦编程后，永久性数据不能再修改。 （6）具有确定的期限，使用期限内无须维修。,2. 射频识别工作频率 电磁波波段的划分,目前我国已规划的用于RFID技术的频率,射频标签工作频率分类 （1）低频（LF）标签 低频标签工作频率范围30300KHZ，典型的工作频率有：125KHZ，133KHZ，低频标签一般为无源标签，工作能量通过电感耦合(近场）获得，阅读距离小于1米。 典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、自动化生产线、精密仪器、电子闭锁防盗等。国际标准有：ISO11784/11785（用于动物识别）、ISO18000-2（125-135KHZ）,低频标签的优势：具有省电、廉价的特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等；非常适合近距离、低速度的、数据量要求较少的识别应用。 低频标签的劣势有：存储数据量少，只能适合低速、近距离识别应用；与高频标签相比，天线匝数更多，成本更高一些。,（2）高频（HF）标签 高频标签工作频率范围330MHZ，典型工作频率为13.56MHZ，中高频标签一般也采用无源设置，其工作能量和低频标签一样，也是通过电感耦合（近场）获得，其基本特点与低频标签相似，由于其工作频率的提高，可以选用较高的传输速度，天线设计相对简单，标签一般制成卡片形状。 典型的应用包括：无线IC卡、电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗、自动化生产线等。相关的国际标准有ISO14443、ISO15693、ISO18000-3（13.56MHZ)等.,（3）特高频（UHF）与超高频（SHF）标签 超高频与微波频段的射频标签，简称为微波射频标签。阅读距离一般大于1米，典型情况为46米，最大可达10米以上。各工作频率的用途及特点： 433MHZ左右：耦合方式为反向散射耦合（远场），主要用于货物管理及特定场合。该频段电磁波绕射能力强，工作距离较远，但天线尺寸较大，该频段的无线电业务繁杂，容易引起干扰问题。相关的国际标准有ISO18000 -7(433.92MHZ),800/900MHZ频段：我国于近期规划出840-845MHZ及920-925MHZ频段用于RFID技术，空间耦合方式为反向散射耦合。主要用于商品货物流通。该频段电磁波绕射能力强，最大工作距离可达8米左右，背景电磁噪声小，天线尺寸适中，射频标签易于实现，是全球范围内货物流通领域大规模使用RFID技术的最合适频段。相关的国际标准有ISO18000 -6(860-930MHZ),2.45G/5.8GHZ频段：空间偶合方式为反向散射耦合（远场）。主要用途为车辆识别和货物流通。该频段电磁波为视距传播，绕射能力差，且相对来讲空间损耗大，因此工作范围小。由于频率高，相对而言制造成本大，同时该频段为ISM频段，电磁环境复杂，干扰问题在特定场合可能较为突出。相关的国际标准有ISO18000-4（2.45GHZ)、ISO18000-5(5.8GHZ)、,3. 射频标签的制作与封装 射频标签产品按形态和材质的不同可分为三大类：标签类、注塑类和卡片类。 封装环节主要包括三个主要工艺：天线基板制作、一次封装（Inlay的制作）和二次封装（基板上涂覆绝缘膜、冲裁）,（1）天线基板的制作 天线基板的制作目前主要包括两种方式：一种是传统的蚀刻工艺，另一种是丝网印刷工艺。 （2）一次封装（内嵌片的制作） 一次封装是指带有天线的基板和芯片通过点胶的方式制成内嵌片的过程。,（3）二次封装（基板上涂覆绝缘膜、冲裁）,Inlay,冷凝胶,涂敷有冷凝胶的Inlay,塑料（底纸）,不干胶,电路带保护的标签,刷好不干胶的标签,离型纸,成卷的不干胶标签,RFID 读写器及天线,射频读写器根据具体实现功能的特点有其他较为流行的别称： 单纯实现读取标签信息的设备成为阅读器(Reader)、读出装置(Reading Device)、扫描器(Scanner)等。 单纯实现向标签内存写入信息的设备成为编程器(Programmer)、写入器(Writer)等。 综合具有读取与写入标签内存信息的设备成为读写器、通信器(Communicator)等。,一、射频读写器的工作原理模型,基带模块： 基带信号处理 应用程序接口 控制与协议处理 数据命令接口 缓冲存储区,射频模块： 调制解调处理 数据命令接口 发送通道 接收通道 收发分离,天 线,天线接口,数据命令缓冲,应用接口,射频识别系统的工作原理模型,应用 系统,射频 标签,编码,调制,解码,读写器,应用接口,空中接口,二、射频读写器的构成 读写器一般由天线、射频模块和控制处理模块和I/O接口模块组成。,1、天线 天线是发射和接收射频载波的设备。不管何种射频读写设备均少不了天线或耦合线圈。在确定的工作频率和带宽条件下，天线发射由射频模块产生的射频载波，并接收从标签发射回来的射频载波。对射频识别系统而言，天线是射频标签和读写器的空间接口。,2、射频模块 射频通道模块是射频读写设备的前端，也是影响系统价格的关键。射频模块由射频振荡器、射频处理器、射频接收器及前置放大器组成。射频模块可分为发射通道和接收通道两部分，分别用于发射和接收射频载波。射频模块通常完成控制与处理模块传送来的发送控制命令的执行，其主要功能有两项，一是将读写器欲发往射频标签的命令调制（装载）到射频信号上，经发射天线发送出去。二是对射频标签反回到读写器的回波信号的解调处理，并将处理后的回波基带信号送控制处理模块。射频模块的组成包括以下主要内容： （1）频率源电路。用于产生读写设备载波调制的频率信号。,（2）调制/解调电路。用于实现基带信号载波发送与接收的调制（装载）与解调（卸载）。 （3）功率放大电路。用于实现将输出到天线的射频信号放大到足够的功率电平。 （4）单天线收发分离电路。用于实现读写器发送与接收射频信道的分离。 （5）信号放大、滤波、整形处理电路。用于处理解调后的回波信号。 （6）收发控制电路。用于控制射频功率的输出以及多天线系统的功率分配。,3、控制与处理模块 控制与处理模块是射频读写设备的智能单元。其主要功能包括实现发送到射频标签命令的编码，回波信号的解码。差错控制，读写命令流程策略控制。发送命令缓存，接收数据缓存，与后端应用程序之间的接口协议实现，I/O控制等。其组成包括以下主要内容： （1）CPU或MPU（单片机）。智能处理单元，内装嵌入程序。 （2）CPU或MPU外围接口电路。为CPU或MPU提供必要的存储区、中断控制器、I/O信号与I/O接口控制信号等。,（3）信号加工、缓存等处理电路。对发送命令、接收回波信号进行编码、解码、缓冲存储等。 （4）时钟电路、看门狗电路。为CPU/MPU提供工作时钟以及系统自恢复功能。 （5）其他控制与接口电路。根据系统的功能，实现相应的控制与接口预处理。,4、I/O接口模块 I/O接口模块用于实现读写设备与外部传感器、控制器以及应用系统主机之间的输入与输出通信。常用的I/O接口类别有： （1）RS232串行接口。计算机流行的标准串行通信接口，可实现双向数据传输，优点是标准接口、通用、流行。缺点是传输速度与传输距离受限。,（2）RS422/485串行接口。标准串行接口，支持远距离通信，标准传输距离1200米。采用差分数据传输模式，抗干扰能力较强。通信速度范围与RS232相同。 （3）标准并行打印接口。通常用于为读写设备提供外接打印机，输出读写信息的功能。 （4）以太网接口。提供读写设备直接入网接入能力与接口，一般均支持TCP/IP协议。 （5）红外线IR接口。提供红外线接口，近距离串行红外无线传输，传输速度与标准串口高速相当。 （6）USB接口。标准串行接口，短距离、高速传输接口。,三、读写器的分类 1、按通信方式分类：可分为读写器优先和标签优先两类。 2、按传送方向分类：可分为全双工（FDX）和半双工（HDX）两类。 3、按应用模式分类：可分为固定式、便携式、一体式和模块式,四、读写器的选择 （1）根据功能多寡的选择 （2）根据频率频段的选择 （3）根据应用环境的选择 （4）根据电子标签协议选择,五、 射频读写设备的发展趋势 主要体现在如下几方面： 1、读写器射频模块与基带模块的标准化设计。 2、更高的集成度（射频与基带模块）。 3、低成本的六端口射频模块技术更趋完善。 4、多标签读写更有效、更快捷。 5、不同厂家的标签兼容读写，不同工作频段标签的兼容读写。 6、不断降低成本。 7、读写设备设计方案与设计思想的创新。,RFID 中间件,什么是RFID中间件 RFID 中间件是用来加工和处理来自读写器的所有信息和事件流的软件，是连接读写器和企业应用的纽带，使用中间件提供一组通用的应用程序接口（API），即能连到RFID读写器，读取RFID标签数据 。它要对标签数据进行过滤、分组和计数，以减少发往信息网络系统的数据量并防止错误识读、多读信息。 RFID中间件是一种面向消息的中间件（Message-Oriented Middleware，MOM），资讯情报（Information）是以信息（Message）的形式，从一个程序传送到另一个或多个程序。,为什么要使用 RFID中间件 看到目前各式各样RFID的应用，企业最想问的第一个问题是：“我要如何将我现有的系统与这些新的RFID Reader连接？”这个问题的本质是企业应用系统与硬件接口的问题。因此，通透性是整个应用的关键，正确抓取数据、确保数据读取的可靠性、以及有效地将数据传送到后端系统都是必须考虑的问题。传统应用程序与应用程序之间（Application to Application）数据通透是通过中间件架构解决，并发展出各种Application Server应用软件；同理，中间 件的架构设计解决方案便成为RFID应用的一项极为重要的核心技术。,RFID基础设施管理 典型的企业级应用需要管理成百上千的阅读器(可能是不同品牌或型号的) ，RFID中间件提供对其进行配置管理，实时监控阅读器的状态。 数据过滤和收集 去除阅读器产生冗余、错误的标签数据。 生成报告时只上传关心的数据（分组统计的）。,中间件在系统中的作用及位置,RFID中间件与系统集成,RFID中间件的需求 数据处理尽量靠近源头 大量RFID数据存在于系统“边缘”； 让有价值的数据进入中央系统； 对数据进行清理、筛选、整合和汇总； 屏蔽各种错误与异常，避免给中央系统带来麻烦。,对事件进行层层抽象，转化为有价值的事件 RFID应用领域面临着大量简单、无序事件； 实现简单事件向有价值事件的转化。,81,RFID中间件的架构方式 以应用程序为中心(Application cntric)的中间件 以应用程序为中心是指：通过调用RFID读写器生产厂商提供的应用程序接IAPI，以HotCode的方式编写特定读写器的适配器。以应用程序为中心的中间件架构只能实现点对点的连接，仅适用于企业内部单一商业应用系统。 以基础架构为中心(Infrastructure Centric)的中间件 随着企业应用系统复杂性的增加，为每个应用通过Hot Code的形式编写Adapter是不现实的，同时面对物件标准化等议题，如EPC，企业可以考虑采用厂商提供的标准化的RFID中间件。因此以基础架构为中心的RFID中间件应运而生。,RFID中间件系统框架,中间件系统结构包括：阅读器接口、处理模块、应用程序接口三部分。阅读器接口负责前端和相关硬件的沟通接口；处理模块包括系统与数据标准处理模块；应用程序接口负责后端与其他应用软件的沟通接口及使用者自定义的功能模块。 （1）阅读器接口的功能： 提供阅读器硬件与中间件的接口； 负责阅读器和适配器与后端软件之间的通信接口，并能支持多种阅读器和适配器； 能够接受远程命令，控制阅读器和适配器。,（2）处理模块的功能： 在系统管辖下，能够观察所有阅读器的状态； 提供处理模块向系统注册的机制； 提供EPC编码和非EPC转换的功能； 提供管理阅读器的功能，如新增、删除、停用、群组等； 提供过滤不同阅读器接收内容的功能，进行数据处理。 （3）应用程序接口功能： 连接企业内部现有的数据库或EPC相关数据库，使外部应用系统可透过此中间件取得相关EPC/非EPC信息。,RFID中间件处理模块,1 .RFID事件管理系统（Event Management System, EMS） RFID EMS职责： 允许不同种类的阅读器写入适配器； 以标准格式从阅读器采集EPC数据； 允许设置过滤器，以平滑或清除EPC数据； 允许写各种记录文件，如记录EPC数据存储到数据库中的数据库日志；记录EPC数据广播到远程服务器事件中的HTTP/JMS/SOAP网络日志； 对记录器、过滤器和适配器进行事件缓冲，使它们无妨碍运行。 2 .实时内存事件数据库(Real-time In-memory Event Database, RIED) RIED是一个用来保存Edge RFID信息的内存数据库。Edge RFID保存和组织阅读器发送的事件，RFID EMS系统过滤和记录事件的框架，记录器可以将事件保存在数据库中。应用程序可以通过JDBC或本地Java接口访问RIED。RIED支持常用的SQL操作。,3. 任务管理系统（Task Management System, TMS） 类似于操作系统管理进程，具有一般线程管理器和多进程操作系统不具备的特点： 任务进度表的外部接口； 独立的Java虚拟机平台，包括从冗余类服务器中根据需要加载的统一库； 用来维护永久任务信息的进度表，和在中间件碎片或任务碎片中重启任务的能力。 TMS使得分布式中间件的维护变得简单，可仅仅通过在一组类服务器中保存最新任务和在中间件中恰当的安排任务进度来维护中间件。 TMS可完成企业的多种操作： 数据交互，向其他中间件发送产品信息或从其他中间件中获取产品信息； PML查询，即查询ONS/PML服务器获得产品实例的静态或动态信息； 删除任务进度，即确定和删除其他中间件上的任务； 值班报警； 远程上传； 中间件具有较小存储能力的独立系统平台，不同的中间件选择不同的工作平台。要求TMS能够对执行的任务进行自动升级。,RFID中间件系统设计要点 在客观条件限制下如何有效的利用RFID系统进行数据的过滤和聚集； 明确聚集类型将减少和降低标签检测事件对系统的冲击； RFID中间件中消息组件的功能特点； 如何支持不同的RFID阅读器； 如何支持不同的RFID标签内存结构； 如何将RFID系统集成到客户的信息管理系统中。 1 . 过滤和聚焦 过滤：按照规则取得指定的数据。有基于阅读器的过滤及基于标签和数据的过滤两种方式： 基于阅读器的过滤指仅从指定的阅读器中读取数据； 基于标签和数据的过滤指仅关心指定的标签的集合，如在一个托盘内的标签。,聚集：将读入的原始数据按照规则进行合并，如重复读入的数据只记录第一次和最后一次读入的数据。可分为以下四种类型： 移入和移出。只记录标签进入读取范围和离开读取范围的数据。 记数。只记录在读取范围内有多少标签数据，而不关心内容。 通过。只记录标签是否通过的指定的位置。 虚拟阅读。几个阅读器之间可以通过组合形成一个虚拟的阅读器，这几个阅读器均读入标签数据，但只需记录一次。 消息传递机制 在RFID系统中，存在各种应用程序以各种方式频繁的从RFID系统中取得数据和有线的网络带宽限制之间的矛盾问题，因此需要设计消息传递机制。 阅读器产生事件，并将消息传递到消息传递系统中，由消息传递系统决定如何将事件数据传递到相关的应用程序中。,消息传递系统应具有的功能： 基于内容的路由功能：对于阅读器获取的全部的原始数据，应用程序在大多数情况下仅仅需要其中的一部分，中间件提供通过事件消息的内容来决定消息的传递方向的功能，实现过滤工作。 反馈机制：RFID中间件具备数据过滤等高级功能，自动配置这些阅读器并将数据处理的规则反馈到阅读器，从而有效的降低对网络带宽的需求。 数据分类存储功能：有些应用程序（如物流分拣系统或销售系统）需要实时得到读取的标签信息，因此消息传递系统几乎不需要存储这些标签数据；而有些系统需要得到批量RFID标签数据，并从中选取有价值的RFID事件信息，因此要求消息传递系统可以提供数据存储功能，达到用户的需求。 3.标签读写 RFID中间件需要提供透明的标签读写功能。主要问题有，一，兼容不同阅读器的接口；二，识别不同的标签存储器的结构以进行有效的读写操作。,RFID系统技术,防碰撞技术 1 . 射频识别系统中的碰撞 在多个阅读器和标签的应用场合，会有标签之间或阅读器之间的相互干扰。这种干扰统称为碰撞。为了防止这些碰撞的产生，在RFID系统中需要设置一定的相关命令来解决防碰撞问题-防碰撞命令/算法。 (1) 标签的碰撞 标签有可被识别的唯一信息（序列号）。 一个标签位于阅读器的可读范围内-正常应答； 多个标签位于阅读器的可读范围内-出现干扰。,（2）阅读器的碰撞 在RFID工业应用中，需要搭建多个阅读器，如仓储管理、零售、图书馆管理等。所有的阅读器周围有一个有限空间，即阅读器的询问区域，标签和阅读器进行通讯。 在供应链中一个阅读器管理的覆盖空间在很多方位上会有很多重叠的询问区域，在询问区域交叉的阅读器之间会相互干扰，导致不能够与在询问区域内的标签进行通信。阅读器检测到的或者导致的干扰都成为阅读器的碰撞，有以下三种类型： 阅读器间频率干扰 阅读器工作时发射的无线信号功率为3036dBm，辐射范围较大；而标签背向反射调制的工作方式使得返回信号的强度很小；同时在发射和接收信号的两个阅读器之间会造成干扰，阅读器接收到的标签反射信号的信噪比降低，无法正确读取标签信息。,多阅读器-标签干扰 当一个标签同时位于两个或多个阅读器的询问区域内时，多余一个阅读器同时尝试与这个标签进行通信时就会发生标签干扰。,Tag3,Tag2,Tag1,Reader2,Reader1,多阅读器-标签干扰,3 ） 隐藏终端干扰 两个阅读器的阅读区域没有重叠，但Reader2发出的信号在标签上会干扰从Reader1发出的信号。,Tag,Reader2,Reader1,隐藏终端干扰,如何避免频率干扰？-阅读器在不同频率上、在使用距离范围内进行另一个操作便可以避免频率干扰； 如何避免标签干扰？-在相邻阅读器在不同时间工作时。 如何最小化阅读器碰撞？-阅读器防碰撞问题。,射频识别系统中的标签防碰撞算法 1. 通信中的防碰撞算法 无线通信技术中，通信碰撞的四种解决防碰撞方法：空分多址(SDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA). (1)空分多址(SDMA) 概念：利用空间分割构成不同的信道。举例来说，在一颗卫星上使用多个天线，各个天线的波束射向地球表面的不同区域。地面上不同地区的地球站，它们在同一时间、即使使用相同的频率进行工作，它们之间也不会形成干扰。 空分多址（SDMA）是一种信道增容的方式，可以实现频率的重复使用，充分利用频率资源。,在RFID系统中的实现有两种方法： 一，把大量的阅读器和天线的覆盖面积并排的安置在一个阵列中，当标签经过这个阵列时离它最近的阅读器就可以通信，不受到相邻的标签的干扰。多个标签在该阵列中，由于空间的分布可以同时被识别而不会相互影响。 二，在阅读器上使用电子控制定向天线，即自适应的SDMA，天线的方向由各个不同方向的偶极子的单个波叠加出来的。 (2)频分多址(FDMA) 概念：把信道频带分割为若干更窄的互不相交的频带（称为子频带），把每个子频带分给一个用户专用（称为地址）。频分复用（FDM）是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种技术。频分复用技术下，多个用户可以共享一个物理通信信道，该过程即为频分多址复用（FDMA）。FDMA 模拟传输是效率最低的网络，这主要体现在模拟信道每次只能供一个用户使用，使得带宽得不到充分利用。,RFID系统中FDMA技术，具有可自由调整的、非发送频率谐振的标签。标签能量的供应及控制信号的传输有若干个供选择的频率及可以使用最佳的频率，缺点为每个接收通路必须由自己单独的接收器提供，阅读器的费用高。 (3) 码分多址(CDMA) 概念：不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分，而是用各自不同的编码序列来区分，或者说，靠信号的不同波形来区分。如果从频域或时域来观察，多个CDMA信号是互相重叠的。CDMA是利用不同的码序列分割成不同信道的多址技术 。 在CDMA蜂窝通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制的。为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分双工。无论正向传输或反向传输，除去传输业务信息外，还必须传送相应的控制信息。为了传送不同的信息，需要设置相应的信道。但是，CDMA通信系统既不分频道又不分时隙，无论传送何种信息的信道都靠采用不同的码型来区分。 类似的信道属于逻辑信道，这些逻辑信道无论从频域或者时域来看都是相互重叠的，或者说它们均占用相同的频段和时间。,CDMA的频带利用率低，信道容量较小，地址码选择较难、接收时地址码捕获时间较长，其通信频带和技术复杂性在RFID系统中难以应用。 (4) 时分多址(TDMA) 概念：时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。 在RFID系统中TDMA是被广泛采用的多路方法。具体分为标签控制（驱动法）和阅读器控制（询问驱动法）。大多数RFID系统采用由阅读器作为主控制器的控制方法。 实现：在所有标签中，在某个时间内只建立唯一的阅读器和标签的通信关系，可以很好的解决标签碰撞问题。,3. RFID中的二进制防碰撞算法 将处于碰撞的标签分成左右两个子集0和1，基于轮询，按照二进制树模型和一定的顺序对所有的可能进行遍历。不是基于概率的算法，而是一种确定性的防碰撞算法。,0,1,10,11,100,101,图10-3 二进制防碰撞算法模型,冲突节点,非冲突节点,二进制搜索算法 阅读器查询的不是一个比特，而是一个比特前缀，只有序列号与这个查询前缀相符的标签才响应阅读器的命令而发送其序列号。当只有一个标签响应时，阅读器可以成功识别标签，但当多个标签响应时，阅读器就把下一次循环中的查询前缀增加一个比特0，通过不断增加前缀，阅读器就可以识别所有标签。 四种命令： REQUEST：发送一序列号作为参数给区域内标签。标签把自己的序列号与接收的相比较。 SELECT：用某个序列号作为参数发送给标签。具有相同序列号的标签将以此作为执行其他命令（读出和写入）的切入开关，即选择了标签。 READDATA：选中的标签将存储的数据发送给阅读器。 UNSELECT：取消一个事先选中的标签，标签进入无声状态，即对REQUEST命令不做应答。,RFID系统中阅读器的防碰撞算法 如何有效的解决阅读器之间的碰撞问题，是阅读器网络中的一个至关重要的问题。有两种方式：主动式和被动式。主动式为正在工作的阅读器主动告知近邻阅读器它正处于工作状态，被动式为通过想要占用信道的临近阅读器的询问，该阅读器才告诉其工作状态。 1 多路存取机制 载波侦听法（CDMA）是从ALOHA算法演变出的一种改进协议，又称载波侦听多点访问。要传输数据的站点首先对媒体上有无载波进行监听，以确定是否有别的站点在传输数据。如果媒体忙碌，该站点就避让一段时间后再做尝试。常用的退避算法有非坚持、L-坚持、P-坚持三种，来决定避让的时间。,载波监听多路访问/碰撞检测协议（CSMA/CD）：在传输过程中继续监听媒体，检测是否存在碰撞。如果发生碰撞，则信道上可以检测到超过发送站点本身发送的载波信号的幅度，并由此判断出碰撞的存在。一旦检测到碰撞，站点就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号，以通知总线上其他各有关站点。这样提高了总线的利用率。 2 常用的阅读器防碰撞算法 Colorwave算法 是一种分布式的TDMA算法。通过阅读器分配给不同的时隙来避免阅读器之间的碰撞。该算法需要所有阅读器之间的时间同步，同时还要求所有的阅读器都可以检测RFID系统中的碰撞。 Q-Learning算法 Q-Learning服务器给等级的阅读器等级服务器R-Server分配频率和时隙，总Q-Server监视和分配所有频率源和时隙源。这样一个独立的R-Server给阅读器分配资源，是的阅读器的通信之间不发生碰撞。,Pulse算法 该算法将通信信道分为控制信道和数据信道两部分。控制信道用于发送忙音信号和阅读器之间的通信；数据信道用于阅读器和标签之间的通信。该算法适合动态拓扑变化比较频繁的网络。 3 阅读器防碰撞算法的实现 举例说明。前提假设： （1）信道分为控制信道和数据信道两部分。彼此不存在干扰。 （2）阅读器可以同时接收数据信道和控制信道的数据，但是在同一时间只能通过一个信道发送数据。 （3）允许阅读器具有移动性，即可以随时进入和退出网络。,阅读器防碰撞算法流程图,RFID安全与隐私问题 分析RFID标签出现安全隐患的原因：设计思想为系统对应用是完全开放的、在标签上执行加、解密运算需要耗费较多的处理器资源及开销。 高度安全的RFID系统对于以下单项攻击能够予以预防： 为了复制或改变数据，未经授权的读取数据载体； 将外来的数据载体置入某个读写器的询问范围内； 假冒真正的数据载体，窃听无线电通信并重放数据。,RFID技术获得巨大成功的原因：Tag的特性：尺寸小、便宜、大多数为被动标签。使得标签持有者不会意识到他们拥有RFID电子标签。带来的问题：克服用户隐私侵犯、Tag可以被远程扫描，不加区分自动响应阅读器并传输信息。 RFID应用于企业的供应链中。由于安全问题的存在，RFID技术应用尚未普及到重要的关键任务中，重心仍然在RFID的实施效果和采用RFID技术带来的投资回报上。因此，未来遍布全球各地的RFID系统安全如同现在的网络安全一样会考验人们的智慧。 RFID系统的威胁： 以摧毁为目的的普通安全威胁，如DoS拒绝服务攻击、伪装合法标签等 与隐私相关的威胁，如信息泄露、恶意追踪等,目前对RFID系统的攻击主要是对标签信息的截获和破解。 获取-伪造-非授权使用 非接触-盗取-RFID的加密机制不安全 主要是对标签信息进行加密，有很多的手段可以获得芯片的结构和其中的数据。 澳大利亚艾迪克文大学的研究结果表示：RFID使用频率切换技术不能阻止拒绝服务器攻击。 标准Gen1（第一代）RFID标签，加载过量数据，无法运行。 标准Gen2（第二代）RFID标签，能够以4个频率运行，切换通信频道。 “安全只是一个相对的状态，任何安全系统都是被高估的，我们不能掉以轻心”-Rubin,安全与隐私威胁 信息泄露 RFID图书馆、药品、电子档案、生物特征 恶意追踪