第2讲 RFID技术.ppt

1 物联网技术概论 电子信息系 2 RFID技术概述RFID工作原理RFID技术分类RFID技术标准RFID安全问题 3 RFID技术概述 自动识别技术 是应用一定的识别装置 通过被识别物品和识别装置之间的接触活动 自动地获取被识别物品的相关信息 并提供给后台的计算机系统来完成后续处理的一种技术 是一种高度自动化的信息采集技术 计算机自动识别系统包括 自动识别系统 应用程序接口API 中间件和应用系统软件 自动识别系统完成系统的采集和存储工作 应用系统软件对自动识别系统所采集的数据进行应用处理 而应用程序接口软件则提供自动识别系统和应用系统软件之间的通讯接口包括数据格式 将自动识别系统采集的数据信息转换成应用软件系统可以识别和利用的信息并进行数据传递 4 自动识别系统根据识别对象的特征可以分为两大类 分别是数据采集技术和特征提取技术 这两大类自动识别技术的基本功能都是完成物品的自动识别和数据的自动采集 数据采集技术的基本特征是需要被识别物体具有特定的识别特征载体 如标签等 仅光学字符识别例外 而特征提取技术则根据被识别物体的本身的行为特征 包括静态的 动态的和属性的特征 来完成数据的自动采集 主要有 条码技术 条形码 二维码 光学字符识别技术 OCR 卡识别技术 磁卡 IC卡 生物识别技术 指纹 虹膜 人脸 气味等 声音识别技术图像识别技术射频识别技术 RFID 5 条形码技术 自动识别技术举例条形码光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡 条码技术是在计算机应用发展过程中 为消除数据录入的 瓶颈 问题而产生的 可以说是最 古老 的自动识别技术 条形码是由一组规则排列的条 空以及对应的字符组成的标记 当使用专门的条形码识别设备如手持式条码扫描器扫描这些条码时 条码中包含的信息就转化为计算机可识别的数据 目前市场上常见的是一维条形码 信息量约几十位数据和字符 二维条形码相对复杂 但信息量可达几千字符 6 条形码技术 一维条形码 自动识别技术举例条形码光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡 一维条码是由一组规则排列的条 空以及对应的字符组成的标记 普通的一维条码在使用过程中仅作为识别信息 它的意义是通过在计算机系统的数据库中提取相应的信息而实现的 一个完整的条码的组成次序依次为 静区 前 起始符 数据符 中间分割符 主要用于EAN码 校验符 终止符 静区 后 7 一维条形码 几个基本概念 模块 构成条码的基本单位是模块 模块是指条码中最窄的条或空 模块的宽度通常以mm或mil 千分之一英寸 为单位 构成条码的一个条或空称为一个单元 一个单元包含的模块数是由编码方式决定的 有些码制中 如EAN码 所有单元由一个或多个模块组成 而另一些码制 如39码中 所有单元只有两种宽度 即宽单元和窄单元 其中的窄单元即为一个模块 密度 Density 条码的密度指单位长度的条码所表示的字符个数 模块尺寸越小 密度越大 所以密度值通常以模块尺寸的值来表示 如5mil 通常7 5mil以下的条码称为高密度条码 15mil以上的条码称为低密度条码 宽窄比 对于只有两种宽度单元的码制 宽单元与窄单元的比值称为宽窄比 一般为2 3左右 常用的有2 1 3 1 宽窄比较大时 阅读设备更容易分辨宽单元和窄单元 因此比较容易阅读 8 一维条形码 几个基本概念 续 对比度 PCS 条码符号的光学指标 PSC值越大则条码的光学特性越好PCS RL RD RL 100 RL 条的反射率RD 空的反射率 条码长度 从条码起始符前缘到终止符后缘的长度条码密度 单位长度的条码所表示的字符个数双向条码 条码的两段都可以作为扫描起点的 中间分隔符 在条码符号中 位于两个相邻的条码符号之间且不代表任何信息的空 连续性条码 在条码字符中 两个相邻的条码字符之间没有中间分隔符的条码 非连续性条码 在条码字符中 两个相邻的条码字符之间存在中间分隔符的条码 9 一维条形码 译码原理 激光扫描仪通过一个激光二极管发出一束光线 照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上 反射后的光线穿过阅读窗照射到条码表面 光线经过条或空的反射后返回阅读器 由一个镜子进行采集 聚焦 通过光电转换器转换成电信号 该信号将通过扫描期或终端上的译码软件进行译码 10 一维条形码 典型一维条形码制比较 11 条形码技术 二维条形码 自动识别技术举例条形码光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡 二维码利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 二维码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 12 条形码技术 二维条形码 自动识别技术举例条形码光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡 目前 世界上应用最多的二维条码符号有AztecCode PDF147 DataMatrix QRCode Code16K等 Code16K DataMatrix PDF147 AztecCode QRCode 13 一维条形码与二维条形码的比较 一维条形码特点 可直接显示内容为英文 数字 简单符号 贮存数据不多 主要依靠计算机中的关联数据库 保密性能不高 损污后可读性差 二维条形码特点 可直接显示英文 中文 数字 符号 图型 贮存数据量大 可存放1K字符 可用扫描仪直接读取内容 无需另接数据库 保密性高 可加密 安全级别最高时 损污50 仍可读取完整信息 14 光符号识别 语音识别 光学字符识别 OpticalCharacterRecognition OCR 是模式识别 PatternRecognition PR 的一种技术 目的是要使计算机知道它到底看到了什么 尤其是文字资料 OCR技术能使设备通过光学机制识别字符 语音识别研究如何采用数字信号处理技术自动提取及决定语言信号中最基本有意义的信息 同时也包括利用音律特征等个人特征识别说话人 自动识别技术举例光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡条形码 15 语音识别框架 典型的模式识别系统 16 IC卡技术 IC卡 IntegratedCircuitCard 即 集成电路卡 在日常生活中已随处可见 实际上是一种数据存储系统 如有必要还可附加计算能力 一个标准的IC卡应用系统通常包括 IC卡 IC卡接口设备 IC卡读写器 PC 较大的系统还包括通信网络和主计算机等 如图所示 自动识别技术举例光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡条形码 17 IC卡 基本组成 IC卡 由持卡人掌管 记录持卡人特征代码 文件资料的便携式信息载体 接口设备 即IC卡读写器 是卡与PC信息交换的桥梁 且常是IC卡的能量来源 核心为可靠的工业控制单片机 如Intel的51系列等 PC 系统的核心 完成信息处理 报表生成输出和指令发放 系统监控管理以及卡的发行与挂失 黑名单的建立等 网络与计算机 通常用于金融服务等较大的系统 自动识别技术举例光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡条形码 18 IC卡 分类 自动识别技术举例光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡条形码 19 IC卡 按芯片分类 20 IC卡 按芯片分类 21 IC卡 按芯片分类 22 CPU卡 按交换界面分类 23 CPU卡 按应用领域分类 根据应用领域的不同可将智能卡分为金融卡和非金融卡 即银行卡和非银行卡 金融卡又分为信用卡和现金卡 前者用于消费支付时 可按预先设定额度透支资金 后者可用做电子钱包和电子存折 但不得透支 而非金融卡的涉及范围极广 实质上囊括了金融卡之外的所有领域 如门禁卡 组织代码卡 医疗卡 保险卡 IC卡身份证 电子标签等 24 CPU卡 按数据传输形式分类 25 虹膜识别 合适的生物特征 虹膜识别是当前应用最方便精确的生物识别技术 虹膜的高度独特性和稳定性是其用于身份鉴别的基础 虹膜识别的特点 生物活性 虹膜处在巩膜的保护下 生物活性强 非接触性 从无需用户接触设备 对人身没有侵犯 唯一性 形态完全相同虹膜的可能性低于其他组织 稳定性 虹膜定型后终身不变 一般疾病不会对虹膜组织造成损伤 防伪性 不可能在对视觉无严重影响的情况下用外科手术改变虹膜特征 自动识别技术举例光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡条形码 26 指纹识别技术 从实用角度看 指纹识别是优于其他生物识别技术的身份鉴别方法 因为指纹具有各不相同 终生基本不变的特点 且目前的指纹识别系统已达到操作方便 准确可靠 价格适中的阶段 正逐步应用于民用市场 指纹识别的处理流程 通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术 对活体指纹进行采集 分析和比对 可以迅速 准确地鉴别出个人身份 系统一般主要包括对指纹图像采集 指纹图像处理 特征提取 特征值的比对与匹配等过程 自动识别技术举例光符号识别语音识别虹膜识别指纹识别IC卡条形码 27 指纹特征有哪些 总体特征 28 指纹特征有哪些 局部特征 终结点 Ending 一条纹路在此终结 分叉点 Bifurcation 一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路 分歧点 RidgeDivergence 两条平行的纹路在此分开 孤立点 DotorIsland 一条特别短的纹路 以至成为一点 环点 Enclosure 一条纹路分开成为两条之后 立即有合并成为一条 这样形成的一个小环称为环点 短纹 ShortRidge 一端较短但不至于成为一点的纹路 29 RFID RadioFrequencyIDentification 即射频识别技术 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 识别时无需人工干预 可工作于各种恶劣环境 可识别高速运动物体并可同时识别多个射频标签 操作快捷方便 利用无线电波进行双向通信 易于实现自动化且不易损坏 射频卡不怕油渍 灰尘污染 短距离的射频标签可以在这样的环境中替代条码 长距离的产品多用于交通中 距离可达几十米 什么是RFID 30 标签 Tag 由耦合元件及芯片组成 每个标签具有唯一的电子编码 附着在物体上标识目标对象 阅读器 Reader 读取 有时还可以写入 标签信息的设备 可设计为手持式或固定式 包括天线 Antenna 应用软件系统 RFID系统组成 31 32 RFID的应用第二代身份证 33 RFID是射频识别技术 RadioFrequencyIdentification 的英文缩写 利用射频信号通过空间耦合 交变磁场或电磁场 实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的 它是上世纪90年代兴起的自动识别技术 首先在欧洲市场上得以使用 随后在世界范围内普及 RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别 射频识别技术改变了条形码依靠 有形 的一维或二维几何图案来提供信息的方式 通过芯片来提供存储在其中的数量巨大的 无形 信息 34 RFID阅读器 35 射频标签射频标签相当于条码技术中的条码符号 用来存储需要识别传输的信息 与条码不同的是标签必须能够自动或在外力的作用下 把存储的信息主动发射出去 36 RFID标签 37 射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术 射频识别技术的基本原理是电磁理论 即利用无线电波对记录媒体进行读写 射频识别技术的优点是不局限于视线 识别距离比光学系统远 射频识别卡具有读写能力 可携带大量数据 难以伪造 RFID特点 38 射频识别技术和条形码技术相似 目的都是快速准确地确认追踪目标物体 射频识别技术和条形码技术的区别 射频标签特有的辨识器不能被复制 标签的作用不仅仅局限于视野之内 因为信息是由无线电波传输 而条形码必须在视野之内 由于条形码成本较低 有完善的标准体系 已在全球广泛使用 而射频技术由于成本相对较高 只被局限在有限的市场上使用 但它具有广阔的前景 39 RFID特点 非接触 读取距离由几厘米到几米可遮盖 即使有遮蔽物 金属 液体除外 也可辨识轻薄短小 可多样化的贴付于对象 人 物 环境时间性 耐污 耐振 耐撞撃 长期性个体识别 芯片单体上有个体标识符串 可个别管理物品自动读取 无需人工介入即可读取可抹写 数据可重复抹写移动读写 移动中也可读写同时多笔读取 可同时读取多笔标签 40 常见四种识别技术比较 条码 成本最低 采用纸制材料 较易磨损 数据量小 磁卡 数据可读写 成本低廉 易被伪造 IC卡 有独立的运算和储存能力 数据安全性好 价格稍高 RFID 具有非接触式识读能力 能同时识别多个物品 41 2 1 3RFID技术的发展 42 RFID技术分类 按标签 能量供给方式 分类一 43 随着技术发展 目前有源RFID标签逐步采用无线单片机来进行设计 具有持久性 信息传播穿透性强 存储信息容量大 种类多等特点 有源电子标签最重要特点是电子标签工作的能量由电池提供 而不是像无源电子标签系统感应阅读器的能量 44 有源标签阅读器 44 有源标签阅读器的主要任务是完成有源标签的读取 存储和通讯传输到上位机和服务器 有源标签阅读器主要由微控制器 相关软件 包括实时操作系统 高频电路 天线和通讯接口等部分组成 45 有源标签阅读器系统 45 46 RFID 应答器 射频卡或标签 射频卡 48 按标签 数据读写的技术方法 分类二 49 按标签 信息注入方式 分类三 50 按标签 存储器类型 分类四 51 按标签 工作频率 分类五 52 RFID物理原理 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 发生在阅读器和高频电子标签RFID之间的射频信号的耦合主要采用电感耦合 电感耦合 磁耦合 的原理是 两电感线圈在同一介质中 相互的电磁场通过该介质传导到对方 形成耦合 变压器模型 负载调制 通过空间高频交变磁场实现耦合 依据的是电磁感应定律 53 最常见的电感耦合 就如变压器 即将一个波动的电流或电压在一个线圈内产生磁场 在同一个磁场中的另外一组或几组线圈上就会产生相应比例的磁场 电感耦合方式一般适合于高 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13 56MHz 识别作用距离小于1m 典型作用距离为10 20cm RFID标签与阅读器之间的耦合通过天线完成 这里的天线通常可以理解为电波传播的天线 有时也指电感耦合的天线 电感耦合方式RFID的工作原理 RIFD工作方式 电感耦合 阅读器 应答器 电感耦合方式的电路结构 信息 存储及控制电路 阅读器 阅读器 磁场H 55 射频识别系统中 读写器和电子标签之间的通信通过电磁波来实现 按照通信距离 可以划分为近场和远场 相应的 读写器和电子标签之间的数据交换方式也被划分为负载调制和反向散射调制 负载调制近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合来实现的 在这种情况下 读写器和电子标签之间的天线能量交换方式类似于变压器模型 称之为负载调制 负载调制实际是通过改变电子标签天线上的负载电阻的接通和断开 来使读写器天线上的电压发生变化 实现近距离电子标签对天线电压的振幅调制 如果通过数据来控制负载电压的接通和断开 那么这些数据就能够从电子标签传输到读写器了 这种调制方式在125kHz和13 56MHz射频识别系统中得到了广泛的应用 电感耦合方式RFID的工作原理 RIFD工作方式 负载调制 负载调制的原理示意图 57 电磁反向散射耦合 电磁场耦合 雷达原理模型 发射出去的电磁波 碰到空间目标时 其能量的一部分被目标吸收 另一部分以不同的强度散射到各个方向 在散射的能量中 一小部分反射回发射天线 并被天线接收 因此发射天线也是接收天线 对接收信号进行放大和处理 即可获得目标的有关信息 依据的是电磁波的空间传播规律 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 反向散射耦合RFID工作方式 目标的反向散射耦合RFID工作方式 反向散射耦合 电源电路用于吸收耦合的功率 59 RFID阅读器 60 阅读器 Reader 又称读写器 阅读器主要负责与电子标签的双向通信 同时接收来自主机系统的控制指令 阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段 其功率决定了射频识别的有效距离 阅读器根据使用的结构和技术的不同可以是读或读 写装置 它是RFID系统信息控制和处理中心 阅读器通常由射频接口 逻辑控制单元和天线三部分组成 61 62 1 射频接口射频接口模块主要任务和功能 产生高频发射能量 激活电子标签并为其提供能量 对发射信号进行调制 将数据传输给电子标签 接收并调制来自电子标签的射频信号 注意 在射频接口中有两个分隔开的信号通道 分别来往于电子标签和阅读器两个方向的数据传输 63 2 逻辑控制单元逻辑控制单元也称读写模块 主要任务和功能 与应用系统软件进行通信 并执行从应用系统软件发送来的指令 控制阅读器与电子标签的通信过程 主 从原则 信号的编码与解码 对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密 执行防碰撞算法 对阅读器和标签的身份进行验证 64 天线天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号 或者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置 在RFID系统中 阅读器必须通过天线来发射能量 来形成电磁场 通过电磁场对电子标签进行识别 因此 阅读器天线所形成的电磁场范围即为阅读器的可读区域 65 阅读器天线发出无线电波标签天线感应到电波 标签内芯片接受到阅读器所传出的数据 指令 便将储存于本身的数据再通过无线电波传回阅读器 RFID工作原理 66 标签与阅读器之间的数据传输是通过空气介质以无线电波形式进行 阅读器将无线电载波信号经过发射天线向外发射 当射频标签进入发射天线的工作区时 射频标签被激活后即将自身信息代码经天线发射出去 阅读器天线接收到射频标签发出的载波信号 经天线的调节器传给阅读器 阅读器对接到的信号进行解调解码 送后台控制器 控制器 计算机 根据逻辑运算判断该射频标签的合法性 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机构的动作 执行机构按计算机的指令动作 通过计算机网络将各个监控点连接起来 构成总控信息平台 根据不同的项目设计不同的软件来完成要达到的功能 67 电子标签内部各模块的功能 1 天线 用来接收由阅读器送来的信号 并把要求的数据传送回给阅读器 2 电压调节器 把由阅读器送来的射频信号转换为直流电源 并经大电容存储能量 再通过稳压电路以提供稳定的电源 3 调制器 逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线返给阅读器 4 解调器 去除载波 取出调制信号 5 逻辑控制单元 译码阅读器送来的信号 并依据要求返回数据给阅读器 6 存储单元 包括ERPROM和ROM 作为系统运行及存放识别数据 68 UHFEPCGen2电子标签具有数据存贮量大 数据传输速率快 工作频率宽 多标签识读等特性 有4个内部存储器分区 分别是 保留存储器 EPC存储器 TID存储器和用户定义存储器 EPC存储器包括了CRC校验码 协议规范控制 EPC全球编码等重要信息 TID存储器包括了ISO15693分类信息 标签方式定义 制造厂家信息 如序列号 等 保留存储器包括了存取密码 销毁标签密码等信息 UHF电子标签 69 UHF阅读器 从实现角度来说 读写器的控制核心智能单元 通常采用嵌入式MPU 并通过编制相应的MPU控制程序来实现接收信号的智能处理及与后续应用程序之间的接口API 70 阅读器通过天线 发射信号到标签 TAG 可以采用ASK调制 脉冲间隔编码 PulseIntervalEncoding 通讯速率26 7 128KBit S 71 标签收到阅读器发出的高频载波信号 标签天线接收到特定的电磁波 线圈就会产生感应电流 在经过整流电路时 激活电路上的微型开关 给标签供电 标签上的电子线路 根据阅读器发出的信息 通过ASK或者PSK耦合方式进行调制 FM0等编码方式 向阅读器反馈相关信息 72 UHF RFID阅读器及电子标签之间的通讯采用电磁反向散射耦合方式完成 电磁反向散射耦合方式很像雷达 如下图所示 73 阅读器就像手电筒 标签就像一个镜子 标签反射最大 就是逻辑 1 标签反射最小 就是逻辑 0 74 75 RFID技术标准 RFID系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成 目前已经发布或者是正