物联网的关键技术.doc

物联网的关键技术通院10班 文馨贤 学号B13011002目录无线射频技术云计算二维码感知无线电无线射频技术RFID基础知识1什么是RFIDRFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。一套完整RFID系统由Reader与Transponder两部份组成,其动作原理为由Reader发射一特定频率之无限电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将內部之IDCode送出，此时Reader便接收此IDCode。Transponder的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物晶片、汽车晶片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。RFID标签有两种：有源标签和无源标签。以下是电子标签内部结构:芯片+天线与RFID系统组成示意图2什么是电子标签电子标签即为RFID有的称射频标签、射频识别。它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，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。2什么是RFID技术？RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，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。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。8.RFID无线识别电子标签基础介绍：无线射频识别技术（RadioFrequencyIdenfication，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID系统至少包含电子标签和阅读器两部分。电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签(Activetag)、无源电子标签(Passivetag)和半无源电子标签(Semipassivetag)。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池，半无源电子标签(Semipassivetag)部分依靠电池工作。电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。依据封装形式的不同可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。RFID阅读器（读写器）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。典型的阅读器包含有高频模块(发送器和接收器)、控制单元以及阅读器天线2RFID的工作原理射频识别系统的基本模型如图81所示。其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)。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、数据的交换。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，如右图所示。(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。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和1356MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为1020cra。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。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，245GHz，58GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3l0m。RFID知识进阶1.工作方式射频识别系统的基本工作方式分为全双工（FullDuplex）和半双工（HalfDuplex）系统以及时序（SEQ）系统。全双工表示射频标签与读写器之间可在同一时刻互相传送信息。半双工表示射频标签与读写器之间可以双向传送信息，但在同一时刻只能向一个方向传送信息。在全双工和半双工系统中，射频标签的响应是在读写器发出的电磁场或电磁波的情况下发送出去的。因为与阅读器本身的信号相比，射频标签的信号在接收天线上是很弱的，所以必须使用合适的传输方法，以便把射频标签的信号与阅读器的信号区别开来。在实践中，人们对从射频标签到阅读器的数据传输一般采用负载反射调制技术将射频标签数据加载到反射回波上（尤其是针对无源射频标签系统）。时序方法则与之相反，阅读器的辐射出的电磁场短时间周期性地断开。这些间隔被射频标签识别出来，并被用于从射频标签到阅读器的数据传输。其实，这是一种典型的雷达工作方式。时序方法的缺点是：在阅读器发送间歇时，射频标签的能量供应中断，这就必须通过装入足够大的辅助电容器或辅助电池进行补偿。2数据量射频识别射频标签的数据量通常在几个字节到几千个字节之间。但是，有一个例外，这就是1比特射频标签。它有1比特的数据量就足够了，使阅读器能够作出以下两种状态的判断：在电磁场中有射频标签或在电磁场中无射频标签。这种要求对于实现简单的监控或信号发送功能是完全足够的。因为1比特的射频标签不需要电子芯片，所以射频标签的成本可以做得很低。由于这个原因，大量的1比特射频标签在百货商场和商店中用于商品防盗系统（EAS）。当带着没有付款的商品离开百货商场时，安装在出口的读写器就能识别出在电磁场中有射频标签的状况，并引起相应的反应。对按规定已付款的商品来说，1比特射频标签在付款处被除掉或者去活化。3可编程能否给射频标签写入数据是区分射频识别系统的另外一个因素。对简单的射频识别系统来说，射频标签的数据大多是简单的（序列）号码，可在加工芯片时集成进去，以后不能再变。与此相反，可写入的射频标签通过读写器或专用的编程设备写入数据。射频标签的数据写入一般分为无线写入与有线写入两种形式。目前铁路应用的机车、货车射频标签均采用有线写入的工作方式。4数据载体为了存贮数据，主要使用三种方法：EEPROM、FRAM、SRAM。对一般的射频识别系统来说，使用电可擦可编程只读存贮器（EEPROM）是主要方法。然而，使用这种方法的缺点是：写入过程中的功率消耗很大，使用寿命一般为写入100,000次。最近，也有个别厂家使用所谓的铁电随机存取存贮器（FRAM）。与电可擦可编程只读存贮器相比，铁电随机存取存贮器的写入功率消耗减少100倍，写入时间甚至减少1000倍。然而，铁电随机存取存贮器由于生产中的问题至今未获得广泛应用。FRAM属于非易失类存贮器。对微波系统来说，还使用静态随机存取存贮器（SRAM），存贮器能很快写入数据。为了永久保存数据，需要用辅助电池作不中断的供电。5状态模式对可编程射频标签来说，必须由数据载体的内部逻辑控制对标签存贮器的写/读操作以及对写/读授权的请求。在最简单的情况下，可由一台状态机来完成。使用状态机，可以完成很复杂的过程。然而，状态机的缺点是：对修改编程的功能缺乏灵活性，这意味着要设计新的芯片，由于这些变化需要修改硅芯片上的电路，设计更改实现所要的花费很大。微处理器的使用明显地改善了这种情况。在芯片生产时，将用于管理应用数据的操作系统，通过掩膜方式集成到微处理器中，这种修改花费不多。此外，软件还能调整以适合各种专门应用。此外，还有利用各种物理效应存贮数据的射频标签，其中包括只读的表面波（SAW）射频标签和通常能去活化（写入0）以及极少的可以重新活化（写入1）的1比特射频标签。6能量供应射频识别系统的一个重要的特征是射频标签的供电。无源的射频标签自已没有电源。因此，无源的射频标签工作用的所有能量必须从阅读器发出的电磁场中取得。与此相反，有源的射频标签包含一个电池，为微型芯片的工作提供全部或部分（辅助电池）能量。7频率范围射频识别系统的另一个重要特征是系统的工作频率和阅读距离。可以说工作频率与阅读距离是密切相关的，这是由电磁波的传播特性所决定的。通常把射频识别系统的工作频率定义为阅读器读射频标签时发送射频信号所使用的频率。在大多数情况下，把它叫做阅读器发送频率（负载调制、反向散射）。不管在何种情况下，射频标签的发射功率要比阅读器发射功率低很多。射频识别系统阅读器发送的频率基本上划归三个范围：（1）低频（30kHz300kHz）；（2）中高频（3MHz30MHz）；（3）超高频（300MHz3GHz）或微波（3GHz）。根据作用距离，射频识别系统的附加分类是：密耦合（01cm）、遥耦合（01m）和远距离系统（1m）。8射频标签读写器数据传输射频标签回送到阅读器的数据传输方式多种多样，可归结为三类：（1）利用负载调制的反射或反向散射方式（反射波的频率与阅读器的发送频率一致）；（2）利用阅读器发送频率的次谐波传送标签信息（标签反射波与阅读器的发送频率不同，为其高次谐波（n倍）或分谐波（1/n倍）；（3）其他形式。RFID工作频率的分类1.概要从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重要的特点之一。毫无疑问，射频标签的工作频率是其最重要的特点之一。射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。工作在不同频段或频点上的射频标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段之中。典型的工作频率有：125kHz，133kHz，13.56MHz，27.12MHz，433MHz，902928MHz，2.45GHz，5.8GHz等。从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率。2低频段射频标签低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz300kHz。典型工作频率有：125KHz，133KHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。与低频标签相关的国际标准有：ISO11784/11785（用于动物识别）、ISO18000-2（125-135kHz）。低频标签有多种外观形式，应用于动物识别的低频标签外观有：项圈式、耳牌式、注射式、药丸式等。典型应用的动物有牛、云计算云计算定义云是由一系列相互联系并且虚拟化的计算机组成的并行和分布式系统模式。这些虚拟化的计算机动态地提供一种或多种统一化的计算和存储资源。这些资源通过服务提供者和服务消费者之间的协商来流通。基于这样云的计算称为云计算。简单地说，云计算就是指基于互联网络的超级计算模式。即把存储于个人电脑、服务器和其他设备上的大量存储器容量和处理器资源集中在一起，统一管理并且协同工作。云计算服务体系我们将云计算看成是一个组合的服务。我们通过云层次栈将云的三种模型：PaaS，IaaS和SaaS三种服务归属于云系统不同软件架构层。用户通过应用层提供的Web门户访问服务。一般来说，该服务是收费项目。但是这种商业模式得到大多数用户的青睐，因为它减少对软件维护的压力和操作支持的费用。另外，用户从用户终端导入到数据中心，大大降低用户对硬件需求。云软件环境层也就是软件平台(PaaS)。该层用户是云平台开发者，他们将应用部署在云平台上。云软件基础设施层(IaaS)该层为高层提供基础性资源，可以组成新的云软件环境或者应用。提供云服务分为三类：计算资源、数据存储和通信设施。计算资源：给云用户提供虚拟机。数据存储：允许用户在远程硬盘上存储数据并在任何时候访问数据，它有效的扩大云用户群。数据存储系统一般要满足维护用户数据的诸多要求包括可用性、安全性、备份与数据一致等等通信设施：云服务对于网络的质量有着较高的要求，是的网络通信成为云系统中一个至关重要的基础设施组件。云系统提供的通信能力：面向服务、结构化、可预测和可靠性。软件内核：该层次负责管理云的物理服务器基础软件管理。软件内核可以看做是操作系统内核。网格计算部署和运行在该层集群上，但是有网格缺乏虚拟化抽象，任务与真实的硬件基础设施有着密切的联系。固件和硬件：形成云的硬件骨架和交换机。云计算与IDC相比，对于资源利用率也有很大的不同。IDC一般采用服务器托管和虚拟主机方式对网站提供服务。每个IDC组所获得的网络带宽、处理能力和存储空间都是固定的。然而，大部分网站之间的资源其实是不均衡的。因此，IDC无法面对突发流量所带来的影响，会造成资源的瘫痪与浪费。云计算的特点2.1超大规模“云”具有相当的规模，Google云计算已经拥有100多万台服务器，Amazon、IBM、微软、Yahoo等的“云”均拥有几十万台服务器。企业私有云一般拥有数百上千台服务器。“云”能赋予用户前所未有的计算能力。2.2虚拟化云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自“云”，而不是固定的有形的实体。应用在“云”中某处运行，但实际上用户无需了解、也不用担心应用运行的具体位置。只需要一台笔记本或者一个手机，就可以通过网络服务来实现我们需要的一切，甚至包括超级计算这样的任务。2.3高可靠性“云”使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机可靠。2.4通用性云计算不针对特定的应用，在“云”的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一个“云”可以同时支撑不同的应用运行。2.5高可扩展性“云”的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。2.6按需服务“云”是一个庞大的资源池，你按需购买；云可以象自来水，电，煤气那样计费。2.7极其廉价由于“云”的特殊容错措施可以采用极其廉价的节点来构成云，“云”的自动化集中式管理使大量企业无需负担日益高昂的数据中心管理成本，“云”的通用性使资源的利用率较之传统系统大幅提升，因此用户可以充分享受“云”的低成本优势，经常只要花费几百美元、几天时间就能完成以前需要数万美元、数月时间才能完成的任务。3.云计算的由来云计算(CloudComputing)是一种新兴的商业计算模型。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和各种软件服务。这种资源池称为“云”。“云”是一些可以自我维护和管理的虚拟计算资源，通常为一些大型服务器集群，包括计算服务器、存储服务器、宽带资源等等。云计算将所有的计算资源集中起来，并由软件实现自动管理，无需人为参与。这使得应用提供者无需为繁琐的细节而烦恼，能够更加专注于自己的业务，有利于创新和降低成本。之所以称为“云”，是因为它在某些方面具有现实中云的特征：云一般都较大；云的规模可以动态伸缩，它的边界是模糊的；云在空中飘忽不定，你无法也无需确定它的具体位置，但它确实存在于某处。之所以称为“云”，还因为云计算的鼻祖之一亚玛逊公司将曾经大家称作为网格计算的东西，取了一个新名称“弹性计算云”(EC2)，并取得了商业上的成功。云计算被它的吹捧者视为“革命性的计算模型”，因为它使得超级计算能力通过互联网自由流通成为了可能。企业与个人用户无需再投入昂贵的硬件购置成本，只需要通过互联网来购买租赁计算力，“把你的计算机当做接入口，一切都交给互联网吧”。用户只需要640K的内存就足够了。”比尔盖茨1989年在谈论“计算机科学的过去现在与未来时”时如是说。那时，所有的程序都很省很小，100MB的硬盘简直用不完。互联网还在实验室被开发着，超文本协议刚刚被提出。它们的广泛应用，将在6年之后开始。目前（2008年），在提供装机服务的网站上可以检索到这样的信息，一个普通白领上班所需的电脑标配是：低端酷睿双核/1GB内存/100GB硬盘，很快，兆级的硬盘就将进入家庭机使用范围。硬件配置飞速飚高的背后，是互联网上数据飞速的的增长这简直在挑战人类想象力的极限，海量数据作为一个概念被提出时，单位以GB计。而现在这只是一个小网站的数据量单位。4云计算基本原理云计算的基本原理是，通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将更与互联网相似。这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。这可是一种革命性的举措，打个比方，这就好比是从古老的单台发电机模式转向了电厂集中供电的模式。它意味着计算能力也可以作为一种商品进行流通，就像煤气、水电一样，取用方便，费用低廉。最大的不同在于，它是通过互联网进行传输的。云计算的蓝图已经呼之欲出：在未来，只需要一台笔记本或者一个手机，就可以通过网络服务来实现我们需要的一切，甚至包括超级计算这样的任务。从这个角度而言，最终用户才是云计算的真正拥有者。云计算的应用包含这样的一种思想，把力量联合起来，给其中的每一个成员使用。从最根本的意义来说，云计算就是利用互联网上的软件和数据的能力。对于云计算，李开复（Google全球副总裁、中国区总裁）打了一个形象的比喻：钱庄。最早人们只是把钱放在枕头底下，后来有了钱庄，很安全，不过兑现起来比较麻烦。现在发展到银行可以到任何一个网点取钱，甚至通过ATM，或者国外的渠道。就像用电不需要家家装备发电机，直接从电力公司购买一样。“云计算”带来的就是这样一种变革由谷歌、IBM这样的专业网络公司来搭建计算机存储、运算中心，用户通过一根网线借助浏览器就可以很方便的访问，把“云”做为资料存储以及应用服务的中心。云计算目前已经发展出了云安全和云存储两大领域。如国内的瑞星和趋势科技就已开始提供云安全的产品；而微软、谷歌等国际头更多的是涉足云存储领域二维码二维条码/二维码（dimensionalbarcode）是用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础二维码：QR码的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理：它具有条码技术的一些共性：每种码制有其特定的字符集；每个字符占有一定的宽度；具有一定的校验功能等。同时还具有对不同行的信息自动识别功能、及处理图形旋转变化等特点。在许多种类的二维条码中，常用的码制有：DataMatrix,MaxiCode,Aztec,QRCode,Vericode,PDF417,Ultracode,Code49,Code16K等，QR码是1994年由日本Denso-Wave公司发明。QR来自英文QuickResponse的缩写，即快速反应的意思，源自发明者希望QR码可让其内容快速被解码。QR码最常见于日本、韩国；并为目前日本最流行的二维空间条码。二维码的编码技术原理二维码可以分为堆叠式/行排式二维码和矩阵式二维码。堆叠式/行排式二维码形态上是由多行短截的一维码堆叠而成；矩阵式二维码以矩阵的形式组成，在矩阵相应元素位置上用“点”表示二进制“1”，用“空”表示二进制“0”，由“点”和“空”的排列组成代码。（一）堆叠式/行排式二维码行排式二维码(又称：堆积式二维码或层排式二维码)，其编码原理是建立在一维码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定、其译码算法与软件也不完全相同于一维码。有代表性的行排式二维码有CODE49、CODE16K、PDF417等。其中的CODE49,是1987年由DavidAllair博士研制，Intermec公司推出的第一个二维码。Code49条码Code49是一种多层、连续型、可变长度的条码符号，它可以表示全部的128个ASCII字符。每个Code49条码符号由2到8层组成，每层有18个条和17个空。层与层之间由一个层分隔条分开。每层包含一个层标识符，最后一层包含表示符号层数的信息。Code16K码Code16K条码是一种多层、连续型可变长度的条码符号，可以表示全ASCII字符集的128个字符及扩展ASCII字符。它采用UPC及Code128字符。一个16层的Code16K符号，可以表示77个ASCII字符或154个数字字符。Code16K通过唯一的起始符/终止符标识层号，通过字符自校验及两个模107的校验字符进行错误校验。二）矩阵式二维码短阵式二维码（又称棋盘式二维码）它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点（方点、圆点或其他形状）的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维码所代表的意义。矩阵式二维码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维码有：CodeOne、MaxiCode、QRCode、DataMatrix等。在目前几十种二维要码中，常用的码制有：PDF417二维码，Datamatrix二维码，Maxicode二维码，QRCode，Code49，Code16K，Codeone等，除了这些常见的二维码之外，还有Vericode条码、CP条码、CodablockF条码、田字码、Ultracode条码，Aztec条码。感知无线电关键技术感知无线电的整个过程可以通过“侦听感知自适应”的循环来表示。其中关键技术有以下几项：1、频谱侦测感知无线电技术要能够实时侦听较宽的频谱，以发现“频谱空洞”(即该频段内主用户未占用的频谱)。同时为了不对主用户造成有害干扰，感知用户在通信过程中，需能够快速检测到主用户的再次出现，以便及时腾出带宽给主用户使用。这就需要物理层具有一种新的功能频谱侦测功能。2、动态频谱分配目前对感知无线电的频谱共享技术的研究主要是基于频谱池(SpectrumPooling)的策略。频谱池策略的思想是将一部分分配给不同业务的频谱合并成一个公共的频谱池，频谱池中的频谱可以是不连续的，整个频谱池又可划分为若干个子信道。感知用户可临时占用频谱池里的空闲信道。动态频谱分配要能协调和管理主用户和感知用户之间的信道接入。主要有两种策略：一种是只要频谱池有空闲的子信道，主用户就可以选择空闲信道而不中断感知用户的通信；另一种是主用户并不考虑感知用户是否占用信道，只要需要就占用信道，而感知用户必须切换到其他信道。3、抗干扰技术采用感知无线电技术实现频谱共享的前提是必须保证对主用户不造成干扰。感知无线电里的抗干扰技术主要有干扰估测和功率控制技术。在感知无线电系统中，引入了干扰温度这一度量标准来估测干扰的大小。在CR系统中，发射功率受到给定干扰温度和可用频谱空洞数这两种无线网络资源的限制。到目前为止，一般采用信息论和对策论来解决功率控制的难题。新的MAC层协议感知用户间需要交换一些控制和感知信息。为了满足感知用户之间的通信，需要一种新的公共控制信道来完成信令信息的传输，CR系统中的MAC协议设计就要考虑特定的控制信道的需求。无线局域网实现了许多认知无线电技术，并且能够利用感知无线电来增强其安全和网络性能；基于MIMO-OFDM的CR系统也在研究当中。感知无线网络将成为具备极高频谱使用效率的未来新发展四、感知无线电在WLAN中的应用感知无线电已成为一个广泛用来描述许多不同功能与应用的名词。这其中包括可提供灵活的功能性以模仿各种无线电算法与雷达隐身技术的软件无线电，它在无线电中嵌入智能来避开已被占用的频谱，并由此让另外的频谱开放给没有获得授权的应用。最近，感知无线电还被