FRID原理及应用

一一 RFID 系统 系统 Radio Frequency Identification 1 定义定义 RFID 作为一种通信技术 可通过无线电讯号识别特定目标并读取相关数据 而无需识别系统与特 定目标之间建立机械或光学接触 常用的有低频 125 134 2K 高频 13 56Mhz 超高频 微波等 技术 2 系统组成 系统组成 由阅读器阅读器 电子标签电子标签 RFID 中间件中间件和应用系统软件应用系统软件 4 部分构成 3 基本原理基本原理 利用射频信号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 4 工作原理工作原理 阅读器通过天线向周围空间发送一定频率的射频信号 标签一旦进入阅读器天线的作用区域将 产生感应电流 获得能量被激活 激活标签将自身信息编码后经天线发送出去 阅读器接收该信息 经过 解码后必要时送至后台网络 后台网络中主机鉴定标签身份的合法性 只对合法标签进行相关处理 通过 向前端发送指令信号控制阅读器对标签的读写操作 5 工作方式工作方式 1 全双工系统 2 半双工系统 3 时序系统 6 系统分类系统分类 1 EAS 系统 2 便携式数据采集系统 3 物流控制系统 4 定位系统 7 系统构架系统构架 根据选定的电子标签 读写器 加上中间件 数据集成环境和上层的应用系统 一个典型的 RFID 系统就构建好了 8 注意问题注意问题 1 避免冲突 2 读识距离 3 安全要求 9 发展势趋发展势趋 1 系统的高频化 2 系统的网络化 3 系统的兼容性更好 4 系统的数据量更大 10 性能指标 有效 可靠 适应 标准 经济 易维护性 性能指标 有效 可靠 适应 标准 经济 易维护性 11 项目实施项目实施 4 阶段阶段 1 起步 2 测试和验证 3 试点实施 4 实施 逐渐实现平稳缓慢的过渡 12 技术特点 优点 技术特点 优点 1 快速扫描 2 体积小型化 形状多样化 3 抗污染能力和耐久性 4 可重复使用 5 穿透性和无屏障阅读 6 数据的记忆容量大 7 安全性 13 技术现状和面临的主要问题 缺点 技术现状和面临的主要问题 缺点 1 标签成本问题 2 标准制订问题 3 公共服务体系问 题 4 产业链形成问题 5 技术和安全问题 14 RFID 技术发展历程技术发展历程 1941 1950 雷达催生 RFID 奠定了理论基础 主要处于实验室实验阶段 1951 1960 技术理论得到发展 开始应用尝试 1961 1970 处于大发展时期 各项测试技术得到加速发展 1971 1980 商业应用阶段 封闭应用系统出现 1981 1990 技术标准化 产品得到广泛采用 1991 2000 产品种类更加丰富 2001 至今 有源 无源和半有源电子标签均得到发展 电子标签成本不断降低 二二 RFID 标准体系标准体系 1RFID 标准体系标准体系 RFID 技术标准 RFID 应用标准 RFID 数据内容标准 RFID 性能标准 2三大编码体系三大编码体系 UID 泛在识别中心标准体系 EPC global 标准体系 ISO IEC 标准体系 3物联网标准体系物联网标准体系 应用层 网络层 感知层 传输层 三三 RFID 安全分析安全分析 1 安全攻击 安全攻击 RFID 主要的安全攻击可以简单的分为 主动攻击主动攻击 和 被动攻击被动攻击 两种类型 应对主动攻击的重要技术是认证技术认证技术 应对被动攻击的主要技术手段是加密加密 2 安全风险 安全风险 保密性 最主要最主要 拒绝服务和伪造标签 常见常见 位置保密或跟踪 3 安全需求安全需求 1 机密性 2 完整性 3 可用性 4 真实性 5 隐私性 4 威胁方式威胁方式 1 物理环境 物理环境 如电磁干扰 断电 设备故障等威胁 2 人工威胁 人工威胁 如 前 管理者攻击 前 用户攻击 外部人员攻击 四四 RFID 常用的编码方法 及其选择因素常用的编码方法 及其选择因素 编码编码是 RFID 系统的一项重要工作 二进制编码二进制编码是用不同形式的代码来表示二进制的 1 和 0 1 方法有方法有 1 反向不归零编码 2 曼彻斯特编码 3 单极性归零编码 4 差动双相编码 5 密勒编码 6 变形密勒编码 7 差动编码 2 编码方式的选择因素 编码方式的选择因素 要考虑电子标签 1 能量的来源能量的来源 2 检错的能力检错的能力 3 时钟的提取时钟的提取 3 反向不归零反向不归零 高电平表示二进制 1 反之为 0 曼彻斯特曼彻斯特 从高到低的电压跳变表示 1 反之为 0 单极性归零单极性归零 发出窄脉冲为 1 不发送电流为 0 差动双相差动双相 在半个位周期中的任意边沿表示二进制 0 没有边沿跳变表示 1 密勒密勒 半个位周期任意边沿为 1 下一个位周期电平不变为 0 变形密勒变形密勒 每个边沿都采用负脉冲代替 差动差动 每个零传输的二进制 1 都会引起信号电平的变化 对于二进制 0 信号电平保持不变 五五 天线天线 1 定义定义 天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号 或将电流信号转换成电磁波发射出去的装置 凡是利用电磁波电磁波来传递信息和能量的 都依靠天线来进行工作 天线是用来发射或接收无线电波的装置和 部件 2 作用作用 在 RFID 系统中 阅读器必须通过天线发射能量 形成电磁场 通过电磁场对电子标签进行识别 所以 阅读器上的天线所形成的电磁场范围就是阅读器的可读区域 3 分类 分类 1 按照波段波段分类 长波天线 中波天线 短波天线 超短波天线和微波天线等 2 按照结构结构分类 线状天线线状天线 面状天线 缝隙天线和微带天线等 线状天线线状天线是指线半径远小于线本身的长度和波长 且载有高频电流的金属导线 3 按照用途用途分类 广播天线 通信天线 雷达天线 导航天线和 RFID 天线等 4 天线周围的场区天线周围的场区 根据观测点与天线的距离划分为三个区域 1 无功近场区无功近场区 2 辐射近场区辐射近场区 3 辐射远场区辐射远场区 六六 电子标签电子标签 1 定义定义 也称为智能标签 是指由 IC 芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签 其内置的射频天线用于和阅 读器进行通信 根据工作原理工作原理的不同 分为利用物理效应进行工作利用物理效应进行工作和以电子电路为理论基础以电子电路为理论基础的数据载体 2 组成组成 从功能功能上来说 一般由 天线天线 调试器调试器 编辑发生器编辑发生器 时钟时钟 存储电路存储电路 组成 3 分类 分类 1 按照标签获取能量获取能量分类 分为有源标签 半有源标签和无源标签 2 按照标签工作频率工作频率分类 分为低频 高频 超高频和微波标签 3 按照数据调制方式调制方式分类 分为主动式 半主动式和被动式标签 4 按照标签作用距离作用距离分类 分为密耦合 近耦合 疏耦合和远耦合四类 5 按照标签封装材质封装材质分类 分为纸标签 塑料标签和玻璃标签 6 按照存储器类型的存储器类型的分类 分为只读标签 一次写入多次读取标签和可读写标签 4 发展趋势发展趋势 1 作用距离更远 2 无源可读写性能更加完善 3 适合高速移动物体识别 4 快速多标签读 写 功能 5 一致性更好 6 强磁场下的自保护功能更完善 7 智能性更强 加密特性更完善 8 带有传感器 功能的标签 9 带有其他附属功能的标签 10 具有杀死功能的标签 1 新的生产工艺 12 体积更小 13 成本更低 5 电子标签天线的设计步骤电子标签天线的设计步骤 1 选定应用的种类 确定电子标签天线需要的参数 2 确定天线采用的材料 3 确定电子标签天线的结构 4 ASIC 封装后 确定天线的阻抗 5 综合优化天线参数 使天线参数满足技 术指标 6 用网络分析检测天线的各项指标 七七 EPC 电子产品代码电子产品代码 1 原则原则 1 唯一性 2 永久性 3 简单性 4 可扩展性 5 保密性与安全性 6 无含义 2 优点优点 1 无接触读取 2 远距离读取 3 动态读取 4 多数量 品种读取 5 标签无源 6 海量存储量等优势 这些都是条码无法比拟的 条码缺点条码缺点 1 条码只能识别一类产品 而无法识别单品 2 条码是可视传播技术 人们必须将条码对准扫描仪才有效 3 如果印有条码的横条被撕裂 污损或脱落 就无法扫描这些商品 4 传统一维条码是索引代码 必须实时和数据库联系 从数据库中寻找完整的描述数据 八八 串联谐振回路串联谐振回路 1 特性特性 1 谐振时 回路电抗 X 0 阻抗 Z R 为最小值 且为纯阻 2 谐振时 回路电流最大 且与电压同相 3 电感与电容两端电压的模值相等 且等于外加电压的 Q 倍 2 条件 条件 X L 1 导出回路产生串联谐振的角频率角频率和频率频率分别为 0 1 0 1 2 3 优点优点 在阅读器中 具有电路简单 成本低 激励可采用低内阻的恒压源 谐振时可获得最大的回路电流电路简单 成本低 激励可采用低内阻的恒压源 谐振时可获得最大的回路电流 等特点特点 因而被广泛采用 适用于适用于恒压源 即信号源内阻很小的情况 九九 波特率 比特率和信道传输速率波特率 比特率和信道传输速率 1 概念概念 码元 波特率 比特率 1 在信息传输通道中 携带数据信息的信号单元叫码元码元 2 每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率 简称波特率波特率 波特率波特率是指数据信号对载波的调制速率 用单位时间内载波调制状态改变的次数表示 3 每秒钟通过信道传输的信息量称为位传输速率 简称比特率比特率 比特率比特率是数据传输速率 表示单位时间内可传输二进制位的位数 2 关系关系 比特率比特率 波特率波特率 如果一个码元的状态数可以用 M 个离散电平个数来表示 log2 3 信道传输速率 信道传输速率 就是数据在传输介质 信道 上的传输速率 在数值上等于每秒钟传输数据代码的二进制比 特数 单位是比特 秒 b s 十十 读写器和读写器和 RFID 电子标签之间数据读取交换方式 传输原理电子标签之间数据读取交换方式 传输原理 1 交换方式交换方式 负载调制负载调制 和 反向散射调制反向散射调制 1 读写器和标签之间的天线能量交换方式类似于变压器结构 称为负载调制负载调制 2 读写器和射频标签之间的能量传递方式为反向散射调制反向散射调制 2 传输原理传输原理 读写器和标签之间的通信通过电磁波实现 按照通信距离可分为近场和远场 十一十一 电感耦合方式电感耦合方式 1 RFID 系统的两种耦合方式 电感耦合 磁耦合 式电感耦合 磁耦合 式 和 电磁反向散射耦合 电磁场耦合 式电磁反向散射耦合 电磁场耦合 式 电感耦合方式电感耦合方式依据是电磁感应定律电磁感应定律 一般适用于高 低频率工作的近距离 RFID 系统 电磁反向散射耦合式电磁反向散射耦合式依据是雷达原理雷达原理 一般适用于超高频 微波工作频率的远距离 RFID 系统 2 两种耦合方式的异同 异异 使用的无线电射频的频率和作用距离的远近不同 同同 都采用无线电射频技术 3 采用电感耦合方式时 应答器向阅读器的数据传输采用 负载调制技术负载调制技术 在电感耦合方式的 FRID 系统中 负载调制负载调制有 电阻负载调制电阻负载调制 和 电容负载调制电容负载调制 两种方式 4 电感耦合方式下阅读器向应答器提供能量的过程电感耦合方式下阅读器向应答器提供能量的过程 当时变磁场通过阅读器线圈时 在线圈上会产生感应电压 并在线圈中产生电流 当应答器进入阅读 器产生的交变磁场时 应答器的电感线圈上就会产生感应电压 当距离足够近 应答器天线电路所截获的 能量可以供应答器芯片正常工作时 阅读器和应答器才能进入信息交互阶段 十二十二 混频器混频器 1 定义定义 混频器是射频系统中用于频率变换的部件 具有广泛的应用领域 可以将输入信号的频率升高或降 低而不改变原信号的特性 2 作用作用 可以将输入信号的频率升高或降低而不改变原信号的特性 混频器的典型应用是在射频的接收系统 中 混频器可以将较高频率的射频输入信号变换为频率较低的中频输出信号 以便更容易对信号进行后续 的调整和处理 十三十三 射频前端射频前端 1 定义定义 实现射频能量和信息传输的电路称为射频前端电路 简称为射频前端射频前端 2 组成电路组成电路 串联 并联振谐回路 具有初级和次级线圈的耦合电路 3 射频前端采用了负载调制器负载调制器或反向散射调制反向散射调制器等多种工作方式 4 射频前端 模拟前端 电路主要有电感耦合电感耦合和微波电磁反向散射微波电磁反向散射两种工作方式 5 RFID 的射频前端电路的作用电路的作用是 实现射频能量和信息传输实现射频能量和信息传输 其中读写器的射频前端常采用 串联谐振电路串联谐振电路 电子标签的射频前端常采用 并联谐振电路并联谐振电路 十四十四 差错控制差错控制 在信息码元中加入监督码元被称为差错控制编码差错控制编码或纠错编码纠错编码 用途分类 检错码和纠错码 检错码检错码以检错为目的 不一定纠错 纠错码纠错码以纠错为目的 一定能检错 1 常用的差错控制差错控制方式主要有 检错重发检错重发 前向纠错前向纠错 混合纠错混合纠错 2 常用的纠错编码纠错编码是校检和法校检和法 包括 奇偶校验奇偶校验 纵向冗余校验纵向冗余校验 LRC 循环冗余码校验循环冗余码校验 CRC 3 奇偶校验 在传输的 1 个字节 8 位 上附加一个校验位 形成 9 位数码的传输 十五十五 调制和解调调制和解调 调制调制 将基带信号的频谱搬移到信道通带中的过程 解调解调 将信道中的频带信号恢复为基带信号的过程 目的目的 把传输的模拟信号或数字信号变换成适合信道传输的信号 意味着要把 信源的基带信号 转变为一 个相对基带频率而言非常高的带通信号 原因 原因 1 工作频率越高宽带越大 2 工作频率越高天线尺寸越小 RFID 常用的信号调制信号调制方法 载波载波 幅移键控幅移键控 ASK 频移键控频移键控 FSK 相移键控相移键控 PSK 副载波调制副载波调制 调幅调幅是指载波的频率和相位不变 载波的振幅随调制信号的变化而变化 有模拟和数字调幅两种有模拟和数字调幅两种 调频调频是利用载波的频率变化来传递信息 是对载波的频率进行键控 调相调相是利用载波的相位变化来传递数字信号 是对载波的相位进行键控 十六十六 密码和加密密码和加密 1 常见的密码算法体制密码算法体制 加密技术 有 对称密码体制对称密码体制 计算开销小 速度快 和 非对称密码体制非对称密码体制 两种 区别区别 前者加密和解密密匙相同 后者加密和解密密匙不同 对称密码体制对称密码体制分为 分组密码分组密码 分为 DES 和 CES 和序列密码序列密码 非对称密码体制有非对称密码体制有 RSA 算法算法 2 FRID 加密机制加密机制 主要采用三种传输信息保护方式 1 认证传输方式 不保密 纠错 2 加密传输方式 保密 不纠错 3 混合传输方式 保密 纠错 十七十七 巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器 如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化是最平坦的 这种滤波器称为巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器 也称为最平坦滤最平坦滤 波器波器 滤波器类型滤波器类型 低通低通滤波器 高通 高通滤波器 带通 带通滤波器 带阻 带阻滤波器 十八十八 多路存取法多路存取法 SDMA FDMA TDMA CDMA 在无线通信技术中 解决通信冲突问题的方法 基本上有 4 种不同的方法 空分多路法空分多路法 SDMA 频分多路法频分多路法 FDMA 时分多路法时分多路法 FDMA 码分多路法码分多路法 CDMA 三大通信标准 频分多路法三大通信标准 频分多路法 FDMA 时分多路