物联网通信技术

,物联网通信技术,通信距离一般小于100米，典型技术包括：RFID、Wi-Fi、ZigBee、UWB、Bluetooth等。近距离无线通信技术是物联网技术的重要支撑技术近距离无线通信技术主要应用在家庭办公网络、家庭数字娱乐、智能楼宇、物流运输管理等方面。,第3章近距离无线通信技术,近距离无线通信的特征1）低成本应用所需终端数量巨大2）低功耗通信距离短发射功率低（毫瓦级）3）对等通信终端之间进行对等通信，无需中转4）灵活的个性化设计,3.1近距离无线通信技术,3.1近距离无线通信技术,3.1RFID技术,3.1.1RFID定义与发展进程,3.1.2RFID技术原理与分类,3.1.3RFID电子标签,3.1.4RFID读写器,3.1.5RFID的应用,3.1.6RFID标准化现状,射频识别技术定义RadioFrequencyIdentification，RFID是一种应用于信息采集系统的非接触式自动识别技术，它通过无线射频方式自动识别目标对象并获取相关数据信息，实现对RFID标签的信息获取。,3.1.1RFID定义,3.1.1RFID技术发展进程,1）RFID系统组成2）RFID系统工作原理3）RFID系统的特点4）RFID系统分类,3.1.2RFID技术原理与分类,1）RFID系统组成,RFID系统是指利用RFID技术并集识别、传输、共享信息等功能于一体的智能系统。RFID读写器RFID系统RFID电子标签中央系统,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID系统组成框图,3.1.2RFID技术原理与分类,1）RFID系统组成,RFID电子标签是RFID系统中必备的一部分，标签中存储着被识别物体的相关信息，通常被安置在被识别的物体表面上。当RFID电子标签被RFID读写器识别到或者电子标签主动向读写器发送消息时，标签内的物体信息将被读取或改写。,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID电子标签,RFID电子标签可分为有源标签和无源标签两类，通过标签中是否有电池来区分。有源标签自身带有电池供电，读写距离较远，体积较大，也称主动标签；无源标签本身不带电源，通过读写器产生的磁场获取工作所需的能量，成本低，有较长寿命，比主动标签更小，更轻，读写距离较近，也称被动标签。,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID电子标签,RFID电子标签包括射频模块和控制模块两部分:(1)射频模块通过内置的天线来完成与RFID读写器之间的射频通信。(2)控制模块内有一个存储器，它存储着标签内的所有信息，并且部分信息可以通过与RFID读写器间的数据交换来进行实时的修改。,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID电子标签,被动电子标签的内部结构,电子标签内的专用芯片由高速的射频接口、控制单元、EEPROM三个模块组成，其中的EEPROM用来存储识别码（EPC）或其它数据，控制单元用来控制数据的接收与发送，芯片外围连接电感线圈（主动电子标签连接天线和电池）。,RFID电子标签,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID电子标签,3.1.2RFID技术原理与分类,在电子标签和读写器进行通信的过程中，天线起到了重要的作用，标签天线的性能对提高RFID系统的性能有着重要的意义。近年来，标签天线技术取得了较大的进展，各种新技术和新材料的应用使标签天线的性能得到了较大的提升。防金属技术小型化技术(1)分形天线(2)偶极子天线(3)倒F天线材料技术,RFID电子标签天线,3.1.2RFID技术原理与分类,低成本构造低成本电子标签的关键在于降低天线的成本。随着信息技术的进一步发展和应用领域的扩大，标签天线的成本还有望大幅降低。一体集成化将标签天线和标签芯片集成在一起，成为了标签天线技术发展的主要趋势之一。智能化OMRON开发了一种新型的天线技术，可以直接控制读写器发射出来的电磁波束的方向，这样就可以避开环境或阻挡物的影响，以达到最好的效果。近年来，电子标签智能天线的研究也日渐受到重视。,RFID电子标签天线,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID读写器,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID读写器是RFID系统的中间部分，它可以利用射频技术读取或者改写RFID电子标签中的数据信息，并且可以把这些读出的数据信息通过有线或者无线方式传输到中央信息系统进行管理和分析。,RFID读写器的主要功能是读写RFID电子标签中的物体信息，它主要包括射频模块和读写模块以及其他一些基本功能单元。RFID读写器通过射频模块发送射频信号，读写模块连接射频模块，把射频模块中得到的数据信息进行读取或改写。,RFID读写器,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID读写器,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID读写器还有其他的硬件设备，包括电源和时钟等。电源用来给RFID读写器供电，并且通过电磁感应可以给无源RFID电子标签进行供电；时钟在进行射频通信时用于确定同步信息。,RFID读写器,3.1.2RFID技术原理与分类,中央信息系统是对识别到的信息进行管理、分析及传输的计算机平台。它一般包含一个数据库，存储着所有RFID电子标签的数据信息，用户可以通过中央信息系统查询相关的RFID电子标签信息。,中央信息系统,3.1.2RFID技术原理与分类,中央信息系统,3.1.2RFID技术原理与分类,中央信息系统与RFID读写器相连，通过读写器对电子标签中数据信息的读取或改写，数据库内的数据信息也进行实时的更新。中央信息系统一般和互联网或专网相连接，RFID电子标签中的数据信息可以得到大范围的共享，用户也可以实现远程操作功能。,中央信息系统,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID系统内三个部分依次连接起来，完成一次信息的传输、交换及管理。a）首先RFID读写器通过射频模块中的天线将无线电载波信号发射出去，形成读写器的一个有效识别范围；,3.1.2RFID技术原理与分类,2）RFID系统工作原理,b）当RFID电子标签（无源标签）进入到这个识别范围时，电子标签被激活，通过读写器天线发出的电磁场提取工作能量，并通过电子标签内的射频模块将标签中存储的数据信息发射出去；,3.1.2RFID技术原理与分类,2）RFID系统工作原理,c）然后读写器的天线接收到射频信号，射频模块对信号进行解调解码，通过中央信息系统或读写器自身判断其合法性后，针对不同的设定发出不同的指令，如读取信息或者改写信息；,2）RFID系统工作原理,3.1.2RFID技术原理与分类,d）最后RFID读写器将经过读写模块处理后的数据信息传输至中央信息系统，中央信息系统对这些信息进行实时更新，然后将这些信息共享给用户。,2）RFID系统工作原理,3.1.2RFID技术原理与分类,在RFID系统中，始终以能量作为基础，通过一定的时序方式来实现数据交换。在RFID系统工作的信道中存在3种事件模型：（1）以能量提供为基础的事件模型（2）以时序方式实现数据交换的事件模型（3）以数据交换为目的的事件模型,RFID系统中的三件事件类型,3.1.2RFID技术原理与分类,对于无源标签来说，RFID读写器向其提供工作能量。当电子标签进入读写器的工作范围之内以后，读写器发出的能量激活电子标签，电子标签通过整流的方法将接收到的能量转换并存储在电子标签中的电容里，从而为电子标签提供工作能量；当电子标签离开读写器的工作范围以后，电子标签由于没有获得读写器的能量激活而处于休眠状态。,（1）能量提供,3.1.3RFID系统基本工作原理,（1）能量提供,3.1.2RFID技术原理与分类,对于有源标签来说，有源标签一般不利用读写器发出的射频能量，它在进入读写器工作范围后处于激活状态，和读写器发出的电磁波相互作用，因而读写器能够以较小的发射能量取得较远的通信距离。,（1）能量提供,3.1.3RFID系统基本工作原理,（1）能量提供,3.1.2RFID技术原理与分类,时序指的是RFID读写器和RFID电子标签的工作顺序。RFID系统是一个双向系统，读写器可以向电子标签发送命令与数据，电子标签也可以向读写器发送存储的数据。对于这样的双向系统来说，就需要确定一种工作顺序，用来防止通信时产生冲突。,（2）时序,3.1.2RFID技术原理与分类,读写器先讲（RTF，ReaderTalksFirst）RFID系统中，RFID读写器一般处于主动状态，即读写器发出询问后，电子标签给予回答。,3.1.2RFID技术原理与分类,（2）时序,RFID电子标签先讲（TTF，TagTalksFirst）RFID电子标签进入读写器工作范围以后，首先发送信息，读写器根据电子标签发送来的信息，进行记录或者进一步发出询问信息，这样与电子标签构成一次完整的通信，来达到读写器对电子标签进行识别的目的。,3.1.3RFID系统基本工作原理,（2）时序,3.1.2RFID技术原理与分类,当RFID读写器工作范围内存在多个RFID电子标签时，读写器可以对这些电子标签分别来进行识别，在这种工作方式下时序显得更为重要。一般情况下，RFID读写器处于主动状态，即采用RTF。,3.1.3RFID系统基本工作原理,（2）时序,3.1.2RFID技术原理与分类,读写器首先发出一系列的隔离指令，使得在读写器识读范围内的多个电子标签逐一或逐批的被隔离出去，最后只剩下一个处于活动状态的电子标签与读写器建立通信。通信结束后，读写器将当前活动状态的电子标签置为休眠状态。,（2）时序,3.1.3RFID系统基本工作原理,3.1.2RFID技术原理与分类,然后对刚才被隔离的电子标签进行唤醒命令，激活全部的被隔离标签，使得它们进入活动状态，再进一步逐次隔离，只选出一个电子标签进行无碰撞通信。如此重复，RFID读写器即可实现对工作范围内多个RFID电子标签的识别功能。,（2）时序,3.1.2RFID技术原理与分类,TTF方式因为不需要等待RFID读写器而主动发送数据，所以具有识别速度快等特点，适用于需要高速识别的场合，另外，它在处理标签数量动态变化的场合更为实用，在噪声环境中也更稳健。因此，TTF方式更适于工业环境的追踪应用。RTF方式是RFID读写器处于主动状态，能够无碰撞地识读多个RFID电子标签，可靠性能较好，适用于一些重要数据识别的场合。,（2）时序,3.1.3RFID系统基本工作原理,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID系统最终要完成的功能是对数据的获取，这种在系统内的数据交换有两个方面的内容：RFID读写器向RFID电子标签方向的数据传输RFID电子标签向RFID读写器方向的数据传输,3.1.3RFID系统基本工作原理,（3）数据交换,3.1.3RFID系统基本工作原理,3.1.2RFID技术原理与分类,读写器向电子标签方向的数据传输在RFID系统的工作流程中，首先RFID读写器通过天线向外发射射频信号，形成一个读写器的有效识别区域，然后读写器可以对在识别区域内的RFID电子标签发送命令信息或者写入数据。,（3）数据交换,3.1.3RFID系统基本工作原理,3.1.2RFID技术原理与分类,首先，考虑RFID读写器是否向RFID电子标签发送命令信息方面，可以分为两种情况：电子标签只接受能量激励和既接受能量激励又接受读写器的命令信息。,3.1.3RFID系统基本工作原理,（3）数据交换,3.1.2RFID技术原理与分类,1)一些简单的RFID系统中，RFID电子标签在其工作频带内的射频能量激励下，成为激活状态，同时将标签中存储的信息反射回去。这种RFID系统中电子标签只接受能量激励而不接受读写器的命令信息，它一般不具有多标签的识别能力，目前主要应用于铁路车号识别系统中。,3.1.3RFID系统基本工作原理,（3）数据交换,3.1.2RFID技术原理与分类,2)在一些复杂的RFID系统中，RFID读写器不但能够激活其工作范围内的RFID电子标签，还能够将命令信息发送到RFID电子标签中去，然后电子标签依据命令信息做出相应的动作。电子标签接受读写器的命令信息有两个目的，即进行改写操作和实现多标签读取。,3.1.3RFID系统基本工作原理,（3）数据交换,3.1.3RFID系统基本工作原理,3.1.2RFID技术原理与分类,其次，考虑RFID读写器是否对RFID电子标签进行改写方面，也可以分为两种情况：1)只读而不改写的RFID系统2)可读可改写的RFID系统,（3）数据交换,3.1.3RFID系统基本工作原理,3.1.3RFID系统基本工作原理,3.1.2RFID技术原理与分类,1）只读而不改写RFID系统中RFID读写器在得到了RFID电子标签的数据信息后，就直接将此信息上传给中央信息系统，而不再对电子标签进行任何操作。2）可读可改写RFID系统，RFID读写器在读取完RFID电子标签中的数据信息后，读写器再把改写的命令信息发送给电子标签，将电子标签中的存储信息进行改写。,（3）数据交换,3.1.3RFID系统基本工作原理,（3）数据交换,3.1.2RFID技术原理与分类,电子标签向读写器方向的数据传输RFID电子标签的工作目的是实现电子标签向RFID读写器方向的数据传输。工作方式包含以下两种：电子标签激活以后，直接向读写器发送电子标签中存储的数据信息；电子标签激活以后，根据读写器的命令信息，进入数据发送状态或者休眠状态。,（3）数据交换,3.1.2RFID技术原理与分类,RFID技术具有很多突出的优点：a）非接触操作，长距离识别（几厘米至几十米），因此完成识别工作时无须人工干预，应用便利。b)无机械磨损，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境。,2）RFID系统的特点,3.1.3RFID系统基本工作原理,2）RFID系统的特点,3.1.3RFID系统基本工作原理,2）RFID系统的特点,3.1.2RFID技术原理与分类,c）形状和大小多样化,RFID电子标签基本不受尺寸大小与形状之限制，此外，RFID电子标签更加小型化。因此RFID的应用范围更加广泛。d)可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签。,2）RFID系统的特点,3.1.2RFID技术原理与分类,e）数据的记忆容量大,数据容量会随着存储器容量的发展而扩大，未来物品所需携带的信息量越来越大，对扩充容量的需求也增加，对此RFID不会受到限制。f）读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性。,2）RFID系统的特点,3.1.3RFID系统基本工作原理,2）RFID系统的特点,3.1.2RFID技术原理与分类,g）数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可以用一些加密算法实现安全性管理。h）在部分安全性要求较高时场合，读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。,2）RFID系统的特点,3.1.2RFID技术原理与分类,常用的自动识别技术比较,（1）按信号频段无线电频率是决定RFID系统主要性能和应用可行性的主要因素。低频（9135kHz)：缺点，识别距离只有几厘米，该频段信号能穿透动物体内的高湿环境，因此被用于动物识别。,4）RFID系统分类,3.1.3RFID系统基本工作原理,4）RFID系统分类,3.1.2RFID技术原理与分类,（1）按信号频段中频（13.56MHz)：开放频段，识读距离最远至11.5m，写入距离最远也可达1m。标签大部分是无源，依靠读写器供给能源频段的RFID系统得到许多RFID制造商的支持。,3.1.2RFID技术原理与分类,（1）按信号频段高频（300MHz1.2GHz)：标签和读写器在空气中的有效通信距离最远，信号不能穿透金属和湿气，但是数据传输速率更快，可同时读取多个标签。但此频段在各国均被分配为移动通信专用频段，很容易引起国家之间的频段碰撞。,3.1.2RFID技术原理与分类,（2）按电子标签分类按标签获得能量方式被动标签：通过读写器发射的无线电信号产生感应磁场而获得能量,识别范围为几厘米到10m主动标签：通过内置的电池驱动，识读距离可达1200m半主动标签：需要读写器的射频能量唤醒标签工作。,3.1.3RFID系统基本工作原理,3.1.2RFID技术原理与分类,（2）按电子标签分类按应用方式1）粘贴式一旦贴上就不能粘上2）可拆卸式标签则可以重复使用3）内置式被设计成物体永久部分，用于长期监控4）流动式可以随身携带,如RFID卡、ATM卡,3.1.2RFID技术原理与分类,1）RFID电子标签的功能与特性2）RFID电子标签的基本组成3）RFID电子标签的分类,3.1.3RFID电子标签,功能a）具有一定的存储容量，可以存储被识别物品的相关信息；b）在一定工作环境及技术条件下，电子标签存储的数据能够被读出或写入；c）维持对识别物品的识别及相关信息的完整；数据信息编码后，及时传输给读写器；,3.1.3RFID电子标签,1）RFID电子标签的功能与特性,3.1.3RFID电子标签,功能d)可写入，并且在写入以后，永久性数据不能修改；e)具有确定的使用期限，使用期限内不需维修；f)对于有源标签，通过读写器能够显示电池的工作状况。,3.1.3RFID电子标签,1）RFID电子标签的功能与特性,3.1.3RFID电子标签,1）RFID电子标签的功能与特性,特性a）存储物体数据信息b）对物体进行唯一标识c）被读写器识别和读写d）具有较长的使用寿命,3.1.3RFID电子标签,1）RFID电子标签的功能与特性,3.1.3RFID电子标签,从功能上，RFID电子标签一般由天线、射频模块、控制模块、存储器、电池（可选）等组成，如图所示。,2）RFID电子标签的基本组成,3.1.3RFID电子标签,按供电方式,3.1.3RFID电子标签,3）RFID电子标签的分类,3.1.3RFID电子标签,3）RFID电子标签的分类,按载波频率分,3.1.3RFID电子标签,3）RFID电子标签的分类,3.1.3RFID电子标签,3）RFID电子标签的分类,按标签内是否含有电池分,3.1.3RFID电子标签,3）RFID电子标签的分类,3.1.3RFID电子标签,3）RFID电子标签的分类,按作用距离分,3.1.3RFID电子标签,3）RFID电子标签的分类,按标签的读写功能分,3.1.3RFID电子标签,3）RFID电子标签的分类,按标签的读写功能分,按封装形式分信用卡标签线形标签纸状标签玻璃管标签圆形标签异形标签,3）RFID电子标签的分类,3.1.3RFID电子标签,1）RFID读写器的基本组成2）RFID读写器的功能特性与工作方式3）RFID读写器的分类,3.1.4RFID读写器,RFID读写器的基本组成包括射频模块、天线、读写模块以及其他一些基本功能单元。,3.1.4RFID读写器,1）RFID读写器的基本组成,读写器详细结构图,3.1.4RFID读写器,RFID读写器的功能特性读写器的基本任务是触发作为数据载体的RFID电子标签，与这个电子标签建立通信联系，并且在中央信息系统和一个非接触的数据载体之间传输数据。这种非接触通信的过程中涉及的一系列任务:通信的建立、防止碰撞、身份验证,3.1.4RFID读写器,2）RFID读写器功能特性和工作方式,3.1.4RFID读写器,2）RFID读写器功能特性和工作方式,3.1.4RFID读写器,2）RFID读写器的工作方式,a）读写器先发言（ReaderTalksFirst，RTF）在一般状态下，RFID电子标签处于“等待”或称为“休眠”的工作状态。当RFID读写器发出射频信号，而RFID电子标签进入到读写器的工作范围时，电子标签能够检测到一定的射频信号，便从“休眠”状态转到“接收”状态，接收读写器发送的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读写器。,3.1.4RFID读写器,2）RFID读写器的工作方式,3.1.4RFID读写器,b)标签先发言（TagTalksFirst，TTF）进入读写器的能量场获取工作能量后就主动发送自身电子编码和储存的数据信息。,2）RFID读写器的工作方式,3.1.4RFID读写器,按双工方式分类：全双工和半双工按通信方式来分类：RTF和TTF按应用模式来分类：固定式读写器、便携式读写器、一体式读写器和模块式读写器。选择适当的RFID读写器：根据应用环境的不同，考虑RFID读写器的工作频率、输出功率、输出端口、读写器结构形式、匹配天线等技术参数。,3.1.4RFID读写器,3）RFID读写器的分类,3.1.4RFID读写器,3）RFID读写器的分类,未来的RFID读写器将会有以下特点：多功能、小型化、便携式、嵌入式、模块化、成本更低、智能多天线端口、具有多种数据接口、多制式、多频段兼容等。,3.1.4RFID读写器,3）RFID读写器的分类,RFID技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。在北美、欧洲、亚太地区及非洲南部，RFID技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。在国内还没有形成RFID的大规模应用，只有少数单位在试点应用RFID，随着物联网的发展，我国将逐渐推进RFID的大规模应用。,3.1.5RFID的应用,RFID技术在交通领域的应用,电子不停车收费系统（ElectronicTollCollection，ETC）是目前世界上较为先进的收费系统，是RFID技术在智能交通领域的应用之一。,3.1.5RFID的应用,电子不停车收费系统ETC示意图,3.1.5RFID的应用,美国E-Zpass电子不停车收费系统,3.1.5RFID的应用,美国最著名的ETC是E-Zpass系统，每车收费耗时不到两秒，其收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍，在德国、日本、意大利都被广泛推广，其中意大利30%的收费站安装使用了不停车收费设备，该收费方式每分钟平均可处理30辆车。在美国，电子不停车收费方式不但让快速路、高速公路入口因人工缴费导致的拥堵环节，而且还成为美国回收公路投资和养护费用的高效率手段。,3.1.5RFID的应用,RFID技术在交通领域的应用,RFID在国内交通领域的其它应用包括:1）全国各地数千个停车场RFID收费系统2）国内最大的铁路机车车号识别系统（遍及全国18个铁路局、7万多公里铁路线）3）北京市城市汽车环保检测RFID环保信息卡系统（涉及车辆总容量达300万辆）.,3.1.5RFID的应用,RFID技术在交通领域的应用,物流是RFID的应用领域之一,如果将RFID技术与物流紧密联系,有望在几年之内取代条形码扫描技术,并将给物流管理带来革命性的变化。RFID技术是有效解决物流管理上各项业务动作数据的输入、输出、业务