第四章物联网RFID系统概论

1、第四章 物联网RFID系统概论 射频识别射频识别（RFIDRFID）技术是一种非接触式的自动识）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，物品能够彼传递，从而达到识别的目的。在物联网中，物品能够彼此进行此进行“交流交流”，其实质就是利用射频自动识别（，其实质就是利用射频自动识别（RFIDRFID）技术。技术。RFIDRFID技术与互联网、通信等技术相结合，可实现技术与互联网、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。全球范围内的物品跟踪与信息共享。主要内容n4.1

2、 自动识别技术简介n4.2 射频识别系统组成n4.3 RFID系统的分类n4.4 RFID系统使用的频率n4.5 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。n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。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

3、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

4、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：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：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n生物特征识别技术 生物

5、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、虹语音识别、指纹识别、人脸识别、虹膜识别膜识别等。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

6、，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n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，通过射频识别系统的识别信息存储在电子载体（标签

7、）之中，通过无线电波实现非接触的识别过程。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。 一种典型的物联网一种典型的物联网RFIDRFID结构如图所示，其中最主要的部分包括结构如图所示，其中最主要的部分包括电子标签和读写器。电子标签和读写器。4.1 自动识别技术简介n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Los Alamos科学实验室将RFID技术推广到民用领域。 21世纪，R

8、FID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n射频识别的优势 在在RFIDRFID实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，其中保实际应用中，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。存着约定格式的电子数据。RFIDRF

9、ID系统显示出了比条形码更大的优势：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 RFID系统基本都是由读写器和电子标

10、签组成，通常还包含上层的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）。管理系统（或称为系统高层）。 AntennaReaders & Printers etcMiddleware“Edge Server”Business ApplicationsTags, Bar Codes etc标签标签(Tag)(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；体上标识目标对象；天线天线(Antenna)(Antenna)：在：在标签和读取器间传递标签和读取器间传递射

11、频信号。射频信号。阅读器阅读器(Reader)(Reader)：读取：读取( (有时还可以写入有时还可以写入) )标标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。签信息的设备，可设计为手持式或固定式。典型的阅读器包含有高频模块典型的阅读器包含有高频模块( (发送器和接收发送器和接收器器) )、控制单元、振荡电路以及阅读器天线几、控制单元、振荡电路以及阅读器天线几部分。部分。 RFID的应用系统架构13RFID系统工作原理 1、电子标签、电子标签 RFID系统构件系统构件标签标签 电子标签（电子标签（Electronic Tag）也称也称应答器或智能标签（）也称也称应答器或智能标签（Smart Lab

12、el），是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。电），是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成。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。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。 2、读写器、读写器 读写器组成示意图读写器组成示意图 读写器是一个捕捉和处理读写器是一个捕捉和处理RFID标签数据的设备，它可以是单独的个体，标签数据的设备，它可以是单独的个体，也可以嵌入到其他系统之中。读写器也是构成也可以嵌入到其他系统之中。读写器也是构成RFID系统的重要部件之一，系统的重要部件之一，由于它能够将数据写到由于它能够将数据写到RFID标签

13、中，因此称为读写器。标签中，因此称为读写器。读写器的硬件部分通常由读写器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存收发机、微处理器、存储器、外部传感器储器、外部传感器/执行执行器，报警器的输入器，报警器的输入/输出输出接口、通信接口及电源接口、通信接口及电源等部件组成。等部件组成。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。4.3 RFID系统的分类Many ways RFID系统分类系统特征系统分类工作方式全双工系统

14、半双工系统时序系统数据量1位系统多位系统可否编程可编程系统不可编程系统数据载体IC系统表面波系统运行情况状态机系统微处理器系统能量供应有源系统无源系统工作频率低频系统中高频系统微波系统数据传输电感耦合系统电磁反向散射耦合系统信息注入方式集成电路固化式现场有线改写式读取信息手段广播发射式系统倍频式系统反向调制式作用距离密耦合系统遥耦合系统远距离系统系统特征低档系统中档系统高档系统按工作方式划分n全双工系统n在全双工系统中，数据在阅读器和电子标签之间的双向传输是同时进行的，并且从阅读器到电子标签的能量传输是连续的，与传输的方向无关。n半双工系统n在半双工系统中，从阅读器到电子标签的数据传输和电子标

15、签到阅读器的数据传输是交替进行的，并且从阅读器到电子标签的能量传输是连续的，与传输的方向无关。n时序系统n在时序系统中，从电子标签到阅读器的数据传输是在电子标签的能量供应间歇时进行的，而从阅读器到电子标签的能量传输总是在限定的时间间隔内进行。因此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。按照RFID系统的数据量划分n1位系统n1位系统的数据量为1位。n该系统中阅读器能够发出两种状态的信号“在阅读范围内有电子标签”和“在阅读范围内没有电子标签”。n其主要应用在百货商场和商店中的商品防盗系统中。n多位系统n多位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。n按照读取

16、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。3反射调制式射频识别系统 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

17、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。4.4 RFID系统使用的频率n根据电子标签和读写器之间传递信息所使用的频率，根据电子标签和读写器之间传递信息所使用的频率，RFIDRFID系统常系统常见的工作频率分四种：低频（见的工作频率分四种：低频（LFLF）、高频（）、高频（HFHF）、超高频（）、超高频

18、（UHFUHF）与微波，各个频率所使用的电子标签也各不相同。与微波，各个频率所使用的电子标签也各不相同。 低频低频：3030300300kHzkHz 高频高频：3 33030MHzMHz 超高频超高频：300300MHzMHz1 1GHzGHz 微波微波：2.452.45GHzGHz以上以上 射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重是其最重要的特点之一。射频标签的工作频率不仅要的特点之一。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，还决定着射频标作原理（电感耦合还是电磁耦

19、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签及读写器实现的难易程度和设备的成本。1 1）低频）低频 (Low Frequency)(Low Frequency)使用的频段在使用的频段在3030300KHz300KHz之间，以之间，以125KHz125KHz、135KHz135KHz最为常见。最为常见。低频低频RFIDRFID标签读取距离一般标签读取距离一般短于短于1010cmcm，读取距离跟标签大小成，读取距离跟标签大小成正比。低频正比。低频RFIDRFID标签一般在出厂时就初始化好了不可更改的编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

20、撞功能。码。一些低频标签也加入了写入和防碰撞功能。优点：优点：信号穿透性好信号穿透性好，抗金属和液体干扰能力强，不易受干扰，当标，抗金属和液体干扰能力强，不易受干扰，当标签靠近金属或是液体的物品时，还能够发射有效发射讯号。价签靠近金属或是液体的物品时，还能够发射有效发射讯号。价格很低，成本低廉。工作频率不受无线电频率管制约束格很低，成本低廉。工作频率不受无线电频率管制约束。 缺点：缺点：标签存贮标签存贮数据量较少数据量较少，读取距离短读取距离短、无法同时辨识多个标签。、无法同时辨识多个标签。一般为只读性，一般为只读性，安全性不高安全性不高，很容易复制完全相同的，很容易复制完全相同的IDID号。

21、号。应用范围应用范围：低频标签主要应用在动物追踪与识别、门禁管理、动物芯片、低频标签主要应用在动物追踪与识别、门禁管理、动物芯片、汽车防盗器和其他封闭式追踪系统中。汽车防盗器和其他封闭式追踪系统中。2 2）高频）高频 (High Frequency)(High Frequency)高频工作频率为高频工作频率为3MHz3MHz30MHz30MHz，常见高频工作频率有，常见高频工作频率有6.75MHz6.75MHz、13.56MHz13.56MHz和和27.125MHz27.125MHz。其读取距离大多在。其读取距离大多在1 1m m以内。以内。优点：优点： 高频高频RFIDRFID标签感应距离较

22、长、读取速度较快，而且可以同时标签感应距离较长、读取速度较快，而且可以同时间辨识多个标签。间辨识多个标签。缺点：缺点： 抗噪音干扰性较差，易受干扰。抗噪音干扰性较差，易受干扰。应用范围：应用范围： 高频高频RFIDRFID标签是标签是RFIDRFID应用中最广泛的，如证、卡、票领域应用中最广泛的，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（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、智能货架等品追踪、门禁管理、图书馆、医药产业、智能货架等双频标签双频标签 在双频系统中，在双频系统中，发送数据和接收数据采用不同的工作频率。双发送

23、数据和接收数据采用不同的工作频率。双频标签接收到来自读写器的激活信号后，发出唯一的加密识别无线频标签接收到来自读写器的激活信号后，发出唯一的加密识别无线信号。信号。 读写器不断地产生低读写器不断地产生低频编码电磁信号，经过高频编码电磁信号，经过高频调制后由天线发送出去，频调制后由天线发送出去，用来激活进入有效范围的用来激活进入有效范围的双频标签；同时读写器将双频标签；同时读写器将接收天线接收的来自双频接收天线接收的来自双频标签的高频载波信号放大，标签的高频载波信号放大，再解调出有效的数字信号，再解调出有效的数字信号，并将信号传给下一级系统。并将信号传给下一级系统。 采用双频技术的射频识别系统同

24、时具有低频和高频系统各自的采用双频技术的射频识别系统同时具有低频和高频系统各自的优点，同时具有较强的穿透能力、较远的识别距离以及高速的识别优点，同时具有较强的穿透能力、较远的识别距离以及高速的识别能力。无源双频标签可以制造得很小，被广泛应用于人员管理、运能力。无源双频标签可以制造得很小，被广泛应用于人员管理、运动计时、动物识别、有干扰的环境（如金属物识别）等场合。动计时、动物识别、有干扰的环境（如金属物识别）等场合。3 3）超高频）超高频 (Ultra High Frequency)(Ultra High Frequency)使用频段在使用频段在433433950MHz950MHz之间，以之间

25、，以433MHz433MHz、860860960MHz960MHz最为常最为常见。在中国一般以见。在中国一般以915MHz915MHz为主。读写距离远，一般是为主。读写距离远，一般是3 35m5m，最远可达最远可达15m15m。优点：优点： RFIDRFID标签读取距离较远、传输速率较快、具备防碰撞性能，标签读取距离较远、传输速率较快、具备防碰撞性能，并且具有锁定与消除标签的功能。天线可用蚀刻或印刷方式并且具有锁定与消除标签的功能。天线可用蚀刻或印刷方式制造。制造。缺点：缺点： 在金属和液体的物品上读取率不佳在金属和液体的物品上读取率不佳。应用范围：应用范围： 主要应用于以箱或者托盘为单位的追

26、踪管理、行李追踪、资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。产管理和防盗等场合。从应用的趋势来看，现代物流业、商品零售业会广泛应用从应用的趋势来看，现代物流业、商品零售业会广泛应用RFIDRFID技术，为什么技术，为什么UHFUHF频段的频段的RFIDRFID技术会成为全球热点技术会成为全球热点? ?主要主要有以下几个需考虑的因素有以下几个需考虑的因素基于RFID的技术特点和潜在的应用空间，国际相关无线电管理机构已经开始进行频率规划工作，并制定了相应的管理政策。我国我国860960MHz频段频率规划和指配情况频段频率规划和指配情况 我国的无线电管理机构正积极开展

27、我国的无线电管理机构正积极开展RFID的频率规划和指配工作，并启的频率规划和指配工作，并启动了相关技术研究工作。我国所从事的频率规划工作的指导原则应是：动了相关技术研究工作。我国所从事的频率规划工作的指导原则应是：(1)必须确保现有业务的正常运行，必须确保现有业务的正常运行，在专用频段、公众移动通信、集群通信频在专用频段、公众移动通信、集群通信频段不能安排此项业务；段不能安排此项业务；(2) 在电磁兼容分析和实验的基础上制订出在电磁兼容分析和实验的基础上制订出RFID工作频带、发射功率、带外工作频带、发射功率、带外发射、杂散发射等指标，必要时要制订配套的相关台站管理规定发射、杂散发射等指标，必要时要制订配套的相关台站管理规定；(3)制订设备的无线技术指标时，要考虑满足制订设备的无线技术指标时，要考虑满足RFID业务在中国