第4章 物联网RFID系统概论.ppt

第四章物联网RFID系统概论,射频识别（RFID）技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号的空间耦合实现非接触式的信息传递，从而达到识别的目的。在物联网中，物品能够彼此进行“交流”，其实质就是利用射频自动识别（RFID）技术。RFID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现全球范围内的物品跟踪与信息共享。,主要内容,4.1自动识别技术简介4.2射频识别系统组成4.3RFID系统的分类4.4RFID系统使用的频率4.5本章小结,4.1自动识别技术简介,识别也称辨识，是指对不同事物差异的区分。自动识别通常指采用机器进行识别的技术，目的是提供个人、动物、货物、商品等信息。自动识别包括条形码、生物特征识别、射频识别等。条形码1.概念条形码是由一组按照一定规则排列的条、空和相应的数字组成，用以表示一定信息的图形标识符。,条形码,4.1自动识别技术简介,2.条形码的工作原理,要将条形码转换成有意义的信息，需要经历扫描和译码两个过程。根据工作原理的差异，扫描器可以分为光笔、CCD、激光三种。当条形码扫描器光源发出的光在条形码上反射后，反射光照射到条形码扫描器内部的光电转换器上，光电转换器根据反射光信号强弱的不同，转换成相应的电信号。电信号输出到条形码扫描器的放大电路增强信号之后，再送到整形电路将模拟信号转换成数字信号，根据条和空的宽度不同，相应转换的电信号持续时间长短也不同。然后译码器通过测量脉冲数字电信号0和1的数目来判别条和空的数目，通过测量0和1信号连续的个数来判别条和空的宽度。要知道条形码所包含的信息，还需根据对应的编码规则（如EAN-8码），将条形符号换成相应的数字和字符信息。最后，这些信息由计算机管理系统进行相应数据处理，物品的详细信息就可以被识别了。,4.1自动识别技术简介,3.条形码的优缺点条形码优点：（1）条形码易于制作，对印制设备和材料无特殊要求，成本低廉，易于推广；（2）条形码采用激光读取信息，数据输入速度快，识别准确；（3）识别设备结构简单、操作容易，无须专门训练。条形码也存在如下缺点：（1）条形码必须对着扫描仪才能成功读取条形码信息。（2）如果印有条形码的横条或者标签被撕裂、无损或者脱落，就无法识别这些商品。（3）条形码只能识别制造商和产品类别，而不是某一件具体唯一的商品。,4.1自动识别技术简介,生物特征识别技术生物特征识别技术主要是指通过人的生理特征和行为特征对其身份进行识别的技术，通常有语音识别、指纹识别、人脸识别、虹膜识别等。1.语音识别语音识别的原理是：将说话人的声音变成数字信号，将其声音特征与已存储的某说话人的参考语音进行比较，以确定这段话是否为已存储语音信息的某个人的声音，借此证实说话人的身份。2.指纹识别指纹识别在各类生物识别方法中是应用较早的。人类手指上的条状纹路通常由交替出现的宽度大致相同的脊和谷组成，通过分析指纹的全局和局部特征，从中抽取特征值进行比对识别。目前，指纹采集与比对系统已经广泛应用。,4.1自动识别技术简介,3.人脸识别人脸识别的原理是：通过将已经存储的人脸图像与人的面部特点和表情的分析比较，达到自动识别的目的。人脸识别具有非侵犯性好、安全性高、应用环境广泛等特性，在身份认证方面具有独特的优势。基于人脸识别的身份认证系统的优点主要有：（1）可有效防止冒名顶替行为，由于活体身份认证，不是对应人员则无法通过身份认证；（2）提高身份认证准确性，验证时间小于1s，人脸识别认假率可低于0.001%,4.1自动识别技术简介,射频识别（RFID）射频识别系统的识别信息存储在电子载体（标签）之中，通过无线电波实现非接触的识别过程。RFID系统以电子标签来标识某个物体，电子标签的天线通过电磁场将物体的数据发射到附近的读写器，读写器对接收到的数据进行收集和处理。一种典型的物联网RFID结构如图所示，其中最主要的部分包括电子标签和读写器。,4.1自动识别技术简介,射频识别发展历程RFID在历史上的首次应用可以追溯到第二次世界大战，探询器根据接收到的回传信号来识别敌我。20世纪70年代末期，美国政府通过LosAlamos科学实验室将RFID技术推广到民用领域。21世纪，RFID标准初步形成，极大推动了RFID的研究和应用。目前，RFID在票务系统、收费卡、城市交通管理、安检门禁、物流、食品安全追溯、矿井生产安全、防盗、防伪、证件、生产自动化、商业供应链等众多领域获得了广泛重视和应用。RFID系统在识别的基础上可以完成收费、显示、控制、信息传输、数据整合、存储和挖掘等功能，因此RFID应用领域广泛，而且每种应用的实现都会形成一个庞大的市场。,4.1自动识别技术简介,射频识别的优势在RFID实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，其中保存着约定格式的电子数据。RFID系统显示出了比条形码更大的优势：（1）RFID可以识别单个非常具体的物体，而条形码仅能够识别物体的类别，例如，条形码可以识别这是某品牌的瓶装白酒，但是不能分出是哪一瓶；（2）RFID采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码是靠激光来读取外部数据的；（3）RFID可以同时对多个物体进行识别（即具有防碰撞能力），而条形码只能一个一个地读取；（4）RFID的电子标签可存储的信息量大，并可进行多次改写；（5）RFID易于构建网络应用环境，对于商品货物而言，可构建所谓的物流网。,4.2射频识别系统组成,RFID系统基本都是由读写器和电子标签组成，通常还包含上层的管理系统（或称为系统高层）。RFID中的主要部件及其作用如下：,4.2射频识别系统组成,1.读写器（Reader）,读写器是指读取或写入电子标签信息的设备，也可称为阅读器。读写器一般由射频信号发射单元器、高频接收单元和控制单元组成。还有附加的接口（RS-232、USB），以便做进一步的处理或存储。RFID系统工作时，一般先由读写器发射一个特定的询问信号，当电子标签感应到这个信号后给出应答信号。读写器接收到应答信号后对其处理，然后将处理后的信息返回给外部主机。2.电子标签（Tag）电子标签是射频识别系统的数据载体，存储着被识别物品的相关信息，标签主要由天线及IC芯片构成。根据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为无源标签和有源标签。射频识别系统中的读写器和电子标签均配备天线。天线用于产生磁通量，而磁通量用于向无源标签提供能量并在读写器和标签之间传送信息。,4.2射频识别系统组成,3.上层管理系统上层管理系统管理RFID系统中的多个读写器，通常它可以通过一定的接口向读写器发送命令。在实际应用中，上层管理系统还包含有数据库，存储和管理RFID系统中的数据。同时，根据不同的应用需求提供不同的功能或相应接口。,4.3RFID系统的分类,RFID系统的分类根据射频识别系统的特征，可以将射频识别系统进行多种分类。射频识别系统按照工作方式不同可以分为全双工系统、半双工系统和时序系统三大类；根据标签内是否有电池为其供电，可将其分为有源系统和无源系统两大类；根据读取电子标签数据的技术实现手段，又可将其分为广播发射式、倍频式和反射调制式三大类。,4.3RFID系统的分类,按照工作方式进行分类1.全双工系统在全双工系统中，数据在读写器和电子标签之间的双向传输是同时进行的，并且从读写器到电子标签的能量传输是连续的，与传输的方向无关。其中，电子标签发送数据的频率是读写器频率的几分之一，即采用分谐波或一种完全独立的非谐波频率。2.半双工系统从读写器到电子标签的数据传输和从电子标签到读写器的数据传输是交替进行的，并且从读写器到电子标签的能量传输是连续的，与数据传输的方向无关。,4.3RFID系统的分类,3.时序系统在时序系统中，从电子标签到读写器的数据传输是在电子标签的能量供应间歇时进行的，而从读写器到电子标签的能量传输总是在限定的时间间隔内进行。这种时序系统的缺点是在读写器发送间歇时，电子标签的能量供应中断，这就要求系统必须有足够大容量的辅助电容器或辅助电池对电子标签进行能量补偿。,4.3RFID系统的分类,按照电子标签的数据量进行分类1.1比特系统1比特系统的数据量为1bit，该系统中读写器能够发送0、1两种状态的信号，针对在电磁场中有电子标签和在电磁场中没有电子标签两种情况。这种系统对于实现简单的监控或者信号发送功能是足够的。因为生产1比特电子标签不需要电子芯片，所以价格比较便宜，主要应用在商品防盗系统中。2.多比特系统与1比特系统相对应，该系统中电子标签的数据量通常在几个字节到几千个字节之间，主要由具体应用来决定。,4.3RFID系统的分类,按照读取信息手段进行分类1.广播发射式射频识别系统广播发射式射频识别系统实现起来最简单。电子标签必须采用有源方式工作，并实时将其存储的标识信息向外广播，读写器相当于一个只收不发的接收机。这种系统的缺点是标签必须不停地向外发射信息，造成能量浪费和电磁污染。2.倍频式射频识别系统读写器发出射频查询信号，电子标签返回的信号载频为读写器发出的射频的倍频。对于无源电子标签，电子标签将接收的射频能量转换为倍频回波载频时，其能量转换效率较低。提高转换效率需要较高的微波技巧，电子标签成本更高；且系统工作需占用两个工作频点。,4.3RFID系统的分类,3反射调制式射频识别系统实现反射调制式射频识别系统首先要解决同频收发问题。在系统工作时，读写器发出微波查询信号，电子标签（无源）将部分接收到的微波能量信号整流为直流电，以供电子标签内的电路工作，另一部分微波能量信号将电子标签内保存的数据信息进行调制（ASK）后发射回读写器。读写器接收到发射回的调幅调制信号后，从中解出电子标签所发送的数据信息。在系统工作过程中，读写器发出微波信号与接收反射回的幅度调制信号是同时进行的，发射回的信号强度较发射信号要弱的多，因此技术实现上的难点在于同频收发。,4.4RFID系统使用的频率,根据电子标签和读写器之间传递信息所使用的频率，RFID系统常见的工作频率分四种：低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）与微波，各个频率所使用的电子标签也各不相同。低频低频工作频率为30kHz300kHz，采用电磁感应方式通信。低频信号穿透性好，抗金属和液体干扰能力强，但难以屏蔽外界的低频干扰信号。一般来说，低频RFID标签读取距离一般短于10cm，读取距离跟标签大小成正比。低频RFID标签一般在出厂时就初始化好了不可更改的编码。一些低频标签也加入了写入和防碰撞功能。低频标签主要应用在动物追踪与识别、门禁管理、汽车流通管理、POS系统和其他封闭式追踪系统中。,4.4RFID系统使用的频率,常用的低频标签一般具有以下性能：（1）通常都是近距离标签，距离为10cm以下，主要应用于短距离、数据量低的射频识别系统中；（2）价格很低，成本低廉；（3）一般为只读性，安全性不高，很容易复制完全相同的ID号，所以一般用在安全性和成本要求不高的场合。高频高频工作频率为3MHz30MHz，常见高频工作频率有6.75MHz、13.56MHz和27.125MHz。高频系统具有良好的抗金属与液体干扰的性能，读取距离大多在1m以内。高频RFID标签传输速度较高，但抗噪音干扰性较差，一般具备读写与防冲突功能。,4.4RFID系统使用的频率,高频RFID标签是RFID应用中最广泛的，如证、卡、票领域（二代身份证、公共交通卡、门票等）。还包括供应链的物品追踪、门禁管理、图书馆、医药产业、智能货架等应用。以Mifareone及其兼容卡为代表。高频的电子标签按照ISO协议可以分为以下三种类型：ISO14443A：通信距离在10cm以下，这种卡为逻辑加密卡，如果对安全性要求更高，请使用CPU卡；ISO14443B：二代身份证采用此协议，通信距离在10cm以下；ISO15693：理论通信距离可以达到1m，读写距离通常也在10cm以下，可用在物流管理上。,4.4RFID系统使用的频率,超高频被动式超高频RFID标签工作频率为860960MHz，主动式超高频RFID标签则工作在433MHz。在中国一般以915MHz为主。超高频RFID标签传输距离远，具备防碰撞性能，并且具有锁定与消除标签的功能。被动式超高频RFID标签支持近场通信与远场通信两种：远场被动式UHF采用反向散射耦合方式进行通信，其最大的优点是读写距离远，一般是35m，最远可达10m，但是由于抗金属与液体性差，所以较少用于单一物品的识别，主要应用于以箱或者托盘为单位的追踪管理、行李追踪、资产管理和防盗等场合；近场被动式UHF通信使用的天线与HF相类似，但线圈数量只需要一圈，而且采用的是电磁感应方式而非反向散射耦合方式，也具备HF的抗金属液体干扰的优点，其缺点是读取距离短，约为5cm，近场UHF通信主要应用于单一物品识别追踪，以取代目前HF的应用。,4.4RFID系统使用的频率,超高频的ISO标准主要以下两种为主：ISO18000-6B：这种标签包含8Bytes不可修改且唯一的UID号，包括UID在内共有256Bytes内存，但是相对ISO18000-6C标签，其价格较高；ISO18000-6C：以Gen2电子标签为主，其优点是具有可以修改的EPC码，并且可以直接读取EPC码，而且价格便宜。微波微波RFID标签主要工作在2.45GHz，有些则为5.8GHz，因为其工作频率高，在RFID标签中传输速度最大，但抗金属液体能力最差。被动式微波RFID标签主要使用反向散射耦合方式进行通信，传输距离较远。如果要加大传输距离还可以改为主动式。微波RFID标签非常适合用于高速公路等收费系统。,4.5本章小结,射频识别技术是无线电频率识别的简称，它与条形码、生物特征识别等都