物联网设备和标识

第3章物联网设备与标识

嵌入式系统3.1传感器3.2RFID

3.3第1页3.1嵌入式系统3.1.1嵌入式系统概念3.1.2嵌入式系统发展及应用3.1.3嵌入式系统组成第2页嵌入式系统被描述为：以应用为中心，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功效、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性需要计算机系统。它由嵌入式硬件和嵌入式软件两部分组成。嵌入式操作系统位于硬件和应用软件之间，为上层应用提供基础服务，是嵌入式系统关键和灵魂。第3页3.1.1嵌入式系统概念

依据IEEE定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行装置”。这主要是从应用上加以定义，从中能够看出嵌入式系统是软件和硬件综合体。第4页不过上述定义并不能充分表达出嵌入式系统精华，当前国内一个普遍被认同定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功效、可靠性、成本、体积、功耗严格要求专用计算机系统。第5页

简单地说，嵌入式系统集系统应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS工作方式，含有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，尤其适合于要求实时和多任务体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作“器件”。我们可从以下几方面来了解上述嵌入式系统定义。第6页（1）嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用，嵌入式系统是与应用紧密结合，它含有很强专用性，必须结合实际系统需求进行合理裁剪利用。嵌入式系统和详细应用有机地结合在一起，它升级换代也是和详细产品同时进行，所以嵌入式系统产品一旦进入市场，含有较长生命周期。第7页（2）嵌入式系统是将先进计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业详细应用相结合后产物。这一点就决定了它必定是一个技术密集、资金密集、高度分散、不停创新知识集成系统。第8页（3）嵌入式系统必须依据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统功效、可靠性、成本、体积等要求。为了提升执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中软件普通都固化在存放器芯片或单片机本身中，而不是存放于磁盘等载体中。第9页

（4）嵌入式系统本身不具备自主开发能力，设计完成以后用户通常也是不能对其中程序功效进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。实际上，凡是与产品结合在一起含有嵌入式特点控制系统都能够叫嵌入式系统。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热门含有操作系统嵌入式系统。

第10页3.1.2嵌入式系统发展及应用嵌入式系统出现至今已经有30多年历史了，嵌入式技术也历经了几个发展阶段。进入20世纪90年代后，以计算机和软件为关键数字化技术取得了迅猛发展，不但广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。纵观嵌入式技术发展，大致经历了以下4个阶段。第11页

（1）第一阶段是以单芯片为关键可编程控制器形式系统，同时含有与监测、伺服、指示设备相配合功效。这种系统普通没有操作系统支持，经过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统主要特点是：系统结构和功效都相对单一；处理效率较低；存放容量较小；几乎没有用户接口。第12页（2）第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为关键嵌入式系统。这一阶段系统主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统含有一定兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。第13页

（3）第三阶段是以嵌入式操作系统为标志嵌入式系统。这一阶段系统主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不一样类型微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，而且含有高度模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功效；含有大量应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。第14页

（4）第四阶段是以基于Internet为标志嵌入式系统，这是一个正在快速发展阶段。当前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但伴随Internet发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益亲密，嵌入式设备与Internet结合代表着嵌入式技术真正未来，也为物联网发展奠定了基础。第15页

早期嵌入式系统只是为了实现一些特定功效，使用一个循环控制程序对外界请求进行处理。不可否定，这对于简单系统而言是足够，不过当我们系统变得日渐复杂庞大时候，假如要增添一项功效时候，很可能不得不重新进行系统设计，这无疑会增加开发成本和系统复杂度。使用这种方式开发规模较大、功效复杂嵌入式系统是不可想象。

第16页20世纪80年代早期嵌入式操作系统出现使得快速便捷地开发规模较大嵌入式系统成为现实，自这一时期开始就出现了各种各样商用嵌入式操作系统，从而形成了当前各种形式商用嵌入式操作系统百家争鸣局面。基于嵌入式操作系统之上系统才能够真正符合嵌入式系统定义中软件可裁剪、功效可扩展、高可靠性等特征。第17页后PC时代是一个真实阶段，而且是一个能够预测时代。嵌入式系统就是与这一时代紧密相关产物，它将拉近人与计算机距离，形成一个人机友好工作与生活环境。嵌入式系统在应用数量上远远超出了各种通用计算机系统第18页嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业详细应用相结合后产物，这一点就决定了它必定是一个技术密集、资金密集、高度分散、不停创新知识集成系统。第19页

纵观嵌入式系统发展过程，能够看出嵌入式系统由简单无操作系统循环控制程序向含有强大功效基于操作系统方向发展，从独立系统向基于网络系统发展。在近期物联网发展中，智能传感器芯片技术和嵌入式软件技术是两个重点发展方向，这与嵌入式系统发展更是息息相关，面向应用SoC芯片和嵌入式软件是未来嵌入式系统发展重点。第20页

简单讲，物联网是物与物、人与物之间信息传递与控制，能够了解为以嵌入式系统为基础智能终端网络化。有些人认为，物联网就是基于互联网嵌入式系统。从另一个角度也能够说，物联网产生是嵌入式系统高速发展必定产物，更多嵌入式智能终端产品有了联网需求，催生了物联网这个概念。第21页当前嵌入式系统已经在物联网中开始应用，比如MSP430单片机上开发实现无线抄表模块、基于ARM/Linux开发平台和各种家庭传感单元实现物联网智能家居系统。未来物联网应用层次愈加丰富和复杂，物联网将成为嵌入式系统新应用领域，嵌入式系统将成为基础性物联网设备。第22页3.1.3嵌入式系统组成

嵌入式系统是计算机软件和硬件综合体，可涵盖机械或从属装置，所以嵌入式系统能够笼统地分为硬件和软件两部分。从系统结构上分，嵌入式系统构架能够分成4个部分：处理器、存放器、输入输出（I/O）和软件，如图3-1所表示。第23页图3-1嵌入式系统组成第24页

嵌入式系统硬件部分包含处理器/微处理器、存放器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于普通计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量存放介质，而大多使用EPROM、EEPROM或闪存（FlashMemory）作为存放介质。第25页

嵌入式系统软件部分包含操作系统和应用软件。应用软件决定了系统运作和行为；而操作系统控制着应用软件与系统硬件交互。多数嵌入式设备应用软件和操作系统都是紧密结合，这也是嵌入式系统和通用PC系统主要区分之一。下面分别介绍嵌入式处理器与嵌入式操作系统。第26页1．嵌入式处理器嵌入式系统由软件和硬件两个部分组成，从硬件角度来说，嵌入式处理器是嵌入式硬件中最关键部分。第27页嵌入式处理器与通用型处理器最大不一样是嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计系统中，它通常都含有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把通用处理器中许多由板卡完成任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于扁平化，增强了设备可移动性能，和网络耦合也越来越紧密。第28页区分嵌入式处理器一个主要指标就是“位数”，即处理器处理二进制数据宽度。全世界嵌入式处理器品种总量已经超出1000种，除了按位数来划分外，当前业界相关嵌入式处理器分类主要有：嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）、嵌入式微处理器（MPU）、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统（SoC）几类。第29页

嵌入式微控制器经典代表是单片机，单片机将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器普通以某一个微处理器内核为关键，芯片内部集成ROM/EPROM/EEPROM、RAM、总线、定时/计数器、WatchDog、I/O、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM等各种必要功效和外设。（1）嵌入式微控制器第30页微控制器是当前嵌入式系统工业主流之一。嵌入式微控制器当前品种和数量最多，比较有代表性包含8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有如支持USB接口MCU8XC930/931、C540、C541，支持CAN-Bus等众多专用MCU和兼容系列。第31页嵌入式微处理器是由通用计算机中CPU演变而来。它特征是含有32位或以上位宽，含有较高性能，当然其价格也对应较高。但与计算机处理器不一样是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关功效硬件，去除其它冗余功效部分，这么就以最低功耗和资源实现嵌入式应用特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器含有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。（2）嵌入式微处理器（MicroprocessorUnit，MPU）

第32页当前主要嵌入式微处理器类型有以下几个。①ARM/StrongARM②MIPS③68K/ColdFire④PowerPC第33页

DSP处理器是专门用于信号处理方面处理器，对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行数字信号处理（DigitalSignalProcessing，DSP）算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面数字信号处理算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现过渡到采取嵌入式DSP处理器来实现。

（3）嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）

第34页片上系统（SoC）最大优点是实现软硬件无缝结合，操作系统代码模块能够直接嵌入处处理器芯片上。各种通用处理器内核将作为SoC设计企业标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一个标准器件，用标准VHDL等语言描述，存放在器件库中。

（4）嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）第35页2．嵌入式操作系统嵌入式操作系统是嵌入式系统中软件部分关键内容。其本质上也是一个操作系统，但又与普通操作系统有着一定差异。嵌入式操作系统普通都是依据客户需求来设计，以实现专业特定功效，普通来说，嵌入式操作系统功效是控制系统负载和监控应用程序。到当前为止，各种各样嵌入式操作系统可能有几百种，以下就简单列举最惯用几个。第36页（1）VxWorks嵌入式操作系统（2）

CLinux（3）红旗嵌入式Linux（4）RT-Linux（5）Symbian（6）WindowsCE（7）Palm第37页3.2传感器3.2.1传感器概述3.2.2传感器分类3.2.3传感器在物联网中应用第38页3.2.1传感器概述

国家标准《传感器通用术语》中定义传感器为：“能感受（或响应）要求被测量并按照一定规律转换成可用信号输出器件或装置”。作为一个检测装置，传感器能感受到各种物理量、化学量、生物量或状态量等被测量信息，并能将检测到信息按一定规律变换成为电信号或其它所需形式信息输出，以满足信息传输、处理、存放、显示、统计和控制等要求。第39页传感器组成主要组成部分敏感元件：直接感受被测量对象（普通为非电量），并输出与被测量对象成确定关系其它量（普通为电量）元件

转换元件：又称传感元件，普通情况下，它不直接感受被测量，而是将敏感元件输出量转换为电量输出信号调整与转换电路：把传感元件输出电信号转换为便于显示、统计、处理和控制有用电信号电路第40页传感器组成图以下：图3-2传感器组成传感器广泛应用于工业领域与国防领域。当前传感器正在向高精度、小型化、集成化、数字化、智能化方向发展，并伴随物联网发展和应用将受到深入重视。第41页（1）按工作原理分类，如表3-1所表示3.2.2传感器分类

变

换

原

理传感器举例变电阻电位器式、应变式、压阻式、光敏式、热敏式变磁阻电感式、差动变压器式、涡流式变电容电容式、湿敏式变谐振频率振动膜式变电荷压电式变电势霍尔式、感应式、热电偶式表3-1传感器按工作原理分类表第42页（2）按被测量对象分类，如表3-2所表示基本被测量派生被测量基本被测量派生被测量热工量温度，热量，比热，压力，压差，真空度，流量，流速，风速物理量粘度，温度，密度化学量

气体（液体）化学成份，浓度，盐度机械量位移，尺寸，形状，力，应力，力矩，振动，加速度，噪声，角度，表面粗糙度生物量心音，血压，体温，气流量，心电流，眼压，脑电波光学量光强、光通量传感器按被测量对象分类表

表3-2

第43页（3）其它分类方法按工作效应分类

按输出量分类

按能量关系分类

物理传感器

化学传感器

生物传感器

模拟式传感器数字式传感器能量转换型传感器

能量控制型传感器第44页1．电阻应变式传感器

电阻式传感器基本原理是将被测非电量转换成电阻值改变，再经过转换电路变成电量输出。将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时，会造成元件应力和应变改变，进而引发电阻应变片电阻改变。经典传感器工作原理介绍：第45页电阻应变片工作原理以下

：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生改变，这种现象称为金属电阻应变效应。金属丝电阻相对改变与轴向应变成正比关系，而且满足下式：是金属丝应变灵敏系数，理论上在1.8～3.6；

为金属丝轴向应变，式左边是电阻值相对改变。（2）应变片结构（1）应变效应第46页（2）应变片结构

1——敏感栅，它是应变片转换原件2——基底，是将传感器弹性体应变传递到敏感栅1中间介质3——盖片，用于保护敏感栅、引线形状和相对位置4——引线，由用来连接测量导线和粘结剂等组成。图3-3应变片结构

第47页2．热电式传感器

热电式传感器是一个将温度改变转换为电量改变装置。它利用敏感元件电参数随温度改变特征，对温度和与温度相关参量进行测量，是众多传感器中应用最广泛、发展最快传感器之一。第48页

依据热电式传感器所基于热电效应、热阻效应、热辐射、导磁率随温度改变特征等主要物理原理，按照工作原理将热电式传感器划分为热电偶、热敏电阻、PN结型测温传感器、辐射高温计等几个类型。热电式传感器分类第49页（1）热电偶图3-4热电偶工作原理图

第50页上述两种不一样导体组成回路称为热电偶，其中导体A、B为热电极，一个为工作端或热端（T）；另一个叫自由端或冷端（T0）。将导体两端分别置于不一样温度场中，在导体内部，因为热端自由电子含有较大动能，所以导体内部自由电子运动在总体上是由热端向冷端移动，这么在导体两端产生了一个由热端指向冷端静电场。该电场阻止电子从热端向冷端继续移动，直到抵达动态平衡，形成恒定电位差，称此电位差为温差电动势。当两接点温度不等（假设T>T0）时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流，这一现象称为热电效应。

第51页

热电偶是工业上最惯用温度检测元件之一。其优点是：测量精度高，因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质影响；测量范围广，惯用热电偶从−50℃至+1600℃均可测量，一些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金、铁、镍、铬），最高可达+2800℃（如钨、铼）；结构简单，使用方便。热电偶通常是由两种不一样金属丝组成，而且不受大小限制，外有保护套管，用起来非常方便。第52页（1）热敏电阻

热敏电阻是利用半导体电阻值随温度改变这一特征制成一个热敏元件。热敏电阻导电性能主要是由内部载流子（电子和空穴）密度和迁移率所决定，当温度升高时外层电子在热激发下，大量成为载流子，使载流子密度大大增加，活动能力加强，从而造成其阻值急剧下降

热敏电阻主要用作检测元件和电路元件。第53页3．光电式传感器光电式传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号装置。光电式传感器工作时，先将被测量改变转换成为光量改变，然后经过光电器件再把光量改变转换为对应电量改变，从而实现非电量测量。光电式传感器关键（敏感元件）是光电器件。第54页外光电效应:内光电效应:当光照射在物体上，物体电阻率发生改变，或产生光生电动势现象称为内光电效应（光导效应），它多发生于半导体内在光线作用下能使电子逸出物体表面现象，称为外光电效应。著名爱因斯坦光电效应方程就描述了这一物理现象第55页光电效应器件——光敏电阻

光敏电阻是一个利用光敏感材料内光电效应制成光电元件。它含有精度高、体积小、性能稳定、价格低等特点，被广泛应用在自动化技术中作为开关式光电信号传感器。

光敏电阻对光线十分敏感，它在无光照时，电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围光照时，它阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流快速增大。第56页光敏电阻原理结构图如，图3-5图3-5光敏电阻原理结构图第57页光电式传感器应用

光电式传感器一个应用是烟尘浊度监测仪。烟道里烟尘浊度是经过光在烟道里传输过程中改变大小来检测，假如烟道浊度增加，光源发出光被烟尘颗粒吸收和折射增加，抵达光检测器光降低，因而光检测器输出信号强弱便可反应烟道浊度改变。另外光电式传感器也应用于无触点式路灯控制电路、光电式转速传感器、光电式液位传感器等。第58页4．磁敏传感器磁敏传感器是对磁场参量敏感元器件或装置，含有把磁物理量转换成电信号功效。在磁敏传感器中，主要利用是霍尔效应和磁阻效应。第59页磁敏传感器主要分为三类：

霍尔元件(生产量最大)

磁敏电阻(应用范围很广泛)

磁敏二极管和三极管(快速发展起来新型半导体磁敏元件)第60页（1）霍尔元件

所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中载流子时，产生横向电位差物理现象。

霍尔效应本质是：固体材料中载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向电场，最终使载流子受到洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定电势差即霍尔电压。第61页沿Z方向加以磁场B沿X方向通以工作电流I则在Y方向产生出电动势VH这现象称为霍尔效应。VH称为霍尔电压。第62页将一载流导体置于外磁场中，其电阻会随磁场改变而改变，这种现象称磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻是基于磁阻效应磁敏元件。（2）磁敏电阻第63页磁场探测仪位移和角速度检测器安培计以及磁敏交流放大器磁敏电阻应用：第64页PN结型磁电转换元件在磁场强度改变下电流也发生改变输出信号大灵敏度高工作电流小体积小（3）磁敏二极管第65页PN结型磁电转换元件在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现显著改变。能够用来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量（4）磁敏三极管第66页5．压电式传感器利用一些物质压电效应制作当被测量物因为受力而产生改变时，传感器能够产生静电电荷或电压改变。第67页

一些介质，当沿着一定方向施加力，使之变形，内部产生极化现象，同时在表面上产生符号相反电荷；外力去掉，恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。

大多数晶体都含有压电效应，其中石英晶体是性能比很好材料（1）工作原理——压电效应第68页

压电式加速度传感器：它是利用一些物质如石英晶体压电效应，在加速度计受振动力作用时，加在压电元件上力也随之改变。当被测物振动频率远低于加速度计固有频率时，则力改变与被测加速度成正比

（2）压电式传感器应用第69页

压电式力传感器：它是利用压电元件直接实现力电转换传感器，在拉、压场所，通常较多采取双片或多片石英晶片作压电元件第70页6．光纤传感器与传统传感器相比，光纤传感器有着一系列独特优点它能够在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆化学腐蚀等恶劣条件下使用高灵敏度及低损耗第71页（1）工作原理第72页光源发出光经光导纤维进入光传感元件在光传感元件中受到周围环境场影响而发生改变光再进入光调制机构，由其将传感元件测量检测参数调制成幅度、相位、偏振等信息，这一过程也称为光电转换过程最终利用微处理器如频谱仪等进行信号处理。第73页（2）光纤传感器应用光纤传感器含有强抗干扰性，所以它应用范围很广，尤其适合用于恶劣环境•在石油化工系统、矿井、大型电厂等需要检测氧气、碳氢化合物、一氧化碳等气体场所•在环境监测、临床医学检测、食品安全检测等方面。第74页3.2.3传感器在物联网中应用物联网目标首先是检测和连接全部事物，其次才是确保全部这些事物都有智能。传感器正是实现物联网对事物感知和检测功效设备。第75页

在物联网经典应用中，有很多基于传感器技术例子•利用传感器、计算机以及当代无线通信等技术，对交通动态信息采集，从而实现对交通实时控制与指挥管理•经过布署传感器节点，实时对农作物进行检测和管理第76页第3章物联网设备与标识RFID技术原理与分类3.3.1RFID电子标签

3.3.2RFID读写器

3.3.3第77页3.3.1RFID技术原理与分类1.RFID系统组成2.

RFID系统基本工作原理3.RFID系统特点4.RFID系统分类第78页1.RFID系统组成

RFID系统是指利用RFID技术并集识别、传输、共享信息等功效于一体智能系统。

RFID读写器RFID系统RFID电子标签中央系统第79页RFID系统组成

图3-8RFID系统组成框图第80页RFID电子标签

RFID电子标签是RFID系统中必备一部分，标签中存放着被识别物体相关信息，通常被安置在被识别物体表面上。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，标签内物体信息将被读取或改写。第81页RFID电子标签RFID电子标签可分为有源标签和无源标签两类，经过标签中是否有电池来区分。RFID电子标签包含射频模块和控制模块两部分:

第82页RFID电子标签

(1)射频模块经过内置天线来完成与RFID读写器之间射频通信。(2)控制模块内有一个存放器，它存放着标签内全部信息，而且部分信息能够经过与RFID读写器间数据交换来进行实时修改。第83页RFID读写器

RFID读写器是RFID系统中间部分，它能够利用射频技术读取或者改写RFID电子标签中数据信息，而且能够把这些读出数据信息经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。

第84页RFID读写器

RFID读写器主要功效是读写RFID电子标签中物体信息，它主要包含射频模块和读写模块以及其它一些基本功效单元。RFID读写器经过射频模块发送射频信号，读写模块连接射频模块，把射频模块中得到数据信息进行读取或改写。

第85页RFID读写器RFID读写器还有其它硬件设备，包含电源和时钟等。电源用来给RFID读写器供电，而且经过电磁感应能够给无源RFID电子标签进行供电；时钟在进行射频通信时用于确定同时信息。第86页中央信息系统中央信息系统是对识别到信息进行管理、分析及传输计算机平台。它普通包含一个数据库，存放着全部RFID电子标签数据信息，用户能够经过中央信息系统查询相关RFID电子标签信息。

第87页中央信息系统

中央信息系统与RFID读写器相连，经过读写器对电子标签中数据信息读取或改写，数据库内数据信息也进行实时更新。中央信息系统普通和互联网或专网相连接，RFID电子标签中数据信息能够得到大范围共享，用户也能够实现远程操作功效。第88页2.

RFID系统基本工作原理1．RFID系统工作流程即RFID系统内三个部分依次连接起来，完成一次信息传输、交换及管理。

第89页1．RFID系统工作流程首先RFID读写器经过射频模块中天线将无线电载波信号发射出去，形成读写器一个有效识别范围，当RFID电子标签（无源标签）进入到这个识别范围时，第90页1．RFID系统工作流程

电子标签被激活，经过读写器天线发出电磁场提取工作能量，并经过电子标签内射频模块将标签中存放数据信息发射出去；第91页1．RFID系统工作流程

然后读写器天线接收到射频信号，射频模块对信号进行解调解码，经过中央信息系统或读写器本身判断其正当性后，针对不一样设定发出不一样指令，如读取信息或者改写信息；

第92页1．RFID系统工作流程

最终RFID读写器将经过读写模块处理后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

第93页2．RFID系统中三种事件类型在RFID系统中，一直以能量作为基础，经过一定时序方式来实现数据交换。在RFID系统工作信道中存在3种事件模型：以能量提供为基础事件模型、以时序方式实现数据交换事件模型、以数据交换为目标事件模型。

第94页（1）能量提供对于无源标签来说，RFID读写器向其提供工作能量。当电子标签进入读写器工作范围之内以后，读写器发出能量激活电子标签，电子标签经过整流方法将接收到能量转换并存放在电子标签中电容里，从而为电子标签提供工作能量；当电子标签离开读写器工作范围以后，电子标签因为没有取得读写器能量激活而处于休眠状态。

第95页（1）能量提供对于有源标签来说，有源标签普通不利用读写器发出射频能量，它在进入读写器工作范围后处于激活状态，和读写器发出电磁波相互作用，因而读写器能够以较小发射能量取得较远通信距离。第96页（2）时序时序指是RFID读写器和RFID电子标签工作次序。RFID系统是一个双向系统，读写器能够向电子标签发送命令与数据，电子标签也能够向读写器发送存放数据。对于这么双向系统来说，就需要确定一个工作次序，用来预防通信时产生冲突。

第97页（2）时序在RFID系统中，RFID读写器普通处于主动状态，即读写器发出问询后，电子标签给予回答，称这种方式为读写器先讲（RTF，ReaderTalksFirst）方式；第98页（2）时序另一个情况是RFID电子标签进入读写器工作范围以后，首先发送信息，读写器依据电子标签发送来信息，进行统计或者深入发出问询信息，这么与电子标签组成一次完整通信，来到达读写器对电子标签进行识别目标，这种情况叫作RFID电子标签先讲（TTF，TagTalksFirst）方式。第99页（2）时序当RFID读写器工作范围内存在多个RFID电子标签时，读写器能够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主要。普通情况下，RFID读写器处于主动状态，即采取RTF。

第100页（2）时序读写器首先发出一系列隔离指令，使得在读写器识读范围内多个电子标签逐一或逐批被隔离出去，最终只剩下一个处于活动状态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电子标签置为休眠状态。第101页（2）时序然后对刚才被隔离电子标签进行唤醒命令，激活全部被隔离标签，使得它们进入活动状态，再深入逐次隔离，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电子标签识别功效。第102页（2）时序RFID系统两种时序工作方式RTF和TTF各有优缺点，TTF方式因为不需要等候RFID读写器而主动发送数据，所以含有识别速度快等特点，适合用于需要高速识别场所；而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，可靠性能很好，适合用于一些主要数据识别场所。第103页（3）数据交换RFID系统最终要完成功效是对数据获取，这种在系统内数据交换有两个方面内容：RFID读写器向RFID电子标签方向数据传输和RFID电子标签向RFID读写器方向数据传输。

第104页（3）数据交换第一个方面是从读写器向电子标签方向数据传输。在RFID系统工作流程中，首先RFID读写器经过天线向外发射射频信号，形成一个读写器有效识别区域，然后读写器能够对在识别区域内RFID电子标签发送命令信息或者写入数据。这就是从读写器向电子标签方向数据传输包含内容。第105页（3）数据交换首先，考虑RFID读写器是否向RFID电子标签发送命令信息方面，能够分为两种情况：电子标签只接收能量激励和既接收能量激励又接收读写器命令信息。第106页（3）数据交换1.一些简单RFID系统中，RFID电子标签在其工作频带内射频能量激励下，成为激活状态，同时将标签中存放信息反射回去。这种RFID系统中电子标签只接收能量激励而不接收读写器命令信息，它普通不含有多标签识别能力，当前主要应用于铁路车号识别系统中。

第107页（3）数据交换2.在一些复杂RFID系统中，RFID读写器不但能够激活其工作范围内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对应动作。电子标签接收读写器命令信息有两个目标，即进行改写操作和实现多标签读取。第108页（3）数据交换其次，考虑RFID读写器是否对RFID电子标签进行改写方面，也能够分为两种情况：1.只读而不改写RFID系统2.另一些RFID系统第109页（3）数据交换

1.在只读而不改写RFID系统中RFID读写器在得到了RFID电子标签数据信息后，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。

第110页（3）数据交换

2.对于另一些RFID系统，RFID读写器在读取完RFID电子标签中数据信息后，读写器再把改写命令信息发送给电子标签，将电子标签中存放信息进行改写。第111页（3）数据交换

第二个方面是从电子标签向读写器方向数据传输。RFID电子标签工作目标是实现电子标签向RFID读写器方向数据传输。第112页（3）数据交换从电子标签向读写器方向数据传输工作方式包含以下两种：①电子标签激活以后，直接向读写器发送电子标签中存放数据信息；②电子标签激活以后，依据读写器命令信息，进入数据发送状态或者休眠状态。第113页3.

RFID系统特点RFID技术含有很多突出优点：（1）非接触操作，长距离识别（几厘米至几十米），所以完成识别工作时无须人工干预，应用便利。（2）无机械磨损，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣环境。第114页3.

RFID系统特点（3）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，另外，RFID电子标签愈加小型化。所以RFID应用范围愈加广泛。（4）可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签。第115页3.

RFID系统特点（5）数据记忆容量大。数据容量会伴随存放器容量发展而扩大，未来物品所需携带信息量越来越大，对扩充容量需求也增加，对此RFID不会受到限制。（6）读写器含有不直接对最终用户开放物理接口，确保其本身安全性。第116页3.

RFID系统特点（7）数据安全方面除电子标签密码保护外，数据部分能够用一些加宽算法实现安全性管理。（8）在部分安全性要求较高时场所，读写器与标签之间存在相互认证过程，实现安全通信和存放。第117页表3-2所表示为惯用自动识别技术比较

系

统

参

数

条

形

码语

音

识

别光

学

识

别生

物

测

量接触型IC卡射频识别RFID存放容量1～100Byte/1～100Byte/16～64KB16～64KB数据密度小高小高很高很高机器可读性好费时好费时好好个人可读性受限轻易轻易困难不可能不可能受污染影响严重/严重/可能无影响光遮影响失效/失效可能/无影响方向位置影响很小/很小/一个方向无影响磨损有条件/有条件/接触无影响购置费极少很高普通很高极少普通非允许篡改轻易可能轻易不可能不可能不可能阅读速度4s>5s3s>5s4s0.5s使用距离0～50cm0～50cm<1cm接触接触0～5m智能化无/无/有有读写性能可读可读可读可读可读写可读写多标签同时识别不能不能不能不能不能能第118页4.

RFID系统分类1.按信号频段

决定RFID系统主要性能和应用可行性主要原因，首先是所用无线电频率不一样

第119页

低频（9~135kHz)：缺点，识别距离只有几厘米，该频段信号能穿透动物体内高湿环境，所以被用于动用识别。

第120页

中频（13.56MHz)：开放频段，识读距离最远至1~1.5m，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RFID系统得到许多RFID制造商支持。

第121页

高频（300MHz~1.2GHz)：标签和读写器在空气中有效通信距离最远，信号不能穿透金属和湿气，不过数据传输速率更加快，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，很轻易引发国家之间频段碰撞。第122页2.按电子标签分类1.按标签取得能量方式可经过读写器发射无线电信号产生感应磁场而取得能量，也能够由内置电池驱动。前者称为被动标签，后者为主动标签。第123页2.按电子标签分类被动标签范围为几厘米到10m,而主动标签识读距离可达1~200m。但主动标签成本高，使用期限也受到电池制约。另外，还存在半主动标签，只需要读写器射频能量唤醒标签工作。第124页2.按电子标签分类2.按应用方式可分为粘贴式、可拆卸式、内置式和流动式（1）粘贴式一旦贴上就不能粘上（2）可拆卸式标签则能够重复使用（3）内置式被设计成物体永久部分，用于长久监控（4）流动式能够随身携带,如RFID卡、ATM卡第125页3.3.2RFID电子标签

1.RFID电子标签功效与特征2.

RFID电子标签基本组成3.RFID电子标签分类第126页1.

RFID电子标签功效和特征1.功效

1.含有一定存放容量，能够存放被识别物品相关信息；2.在一定工作环境及技术条件下，电子标签存放数据能够被读出或写入；3.维持对识别物品识别及相关信息完整；数据信息编码后，及时传输给读写器；第127页1.

RFID电子标签功效和特征1.功效4.可写入，而且在写入以后，永久性数据不能修改；5.含有确定使用期限，使用期限内不需维修；6.对于有源标签，经过读写器能够显示电池工作情况。第128页1.

RFID电子标签功效和特征2.特征

1.存放物体数据信息

2.对物体进行唯一标识

3.被读写器识别和读写

4.含有较长使用寿命第129页2.

RFID电子标签基本组成

从功效上，RFID电子标签普通由天线、射频模块、控制模块、存放器、电池（可选）等组成，如图3-9所表示。图3-9RFID电子标签组成图

第130页3.

RFID电子标签分类1.按供电方式可分为有源标签和无源标签。第131页3.

RFID电子标签分类2.按载波频率分为低频标签、中频标签和高频标签第132页3.

RFID电子标签分类3.按标签内是否含有电池可分为主动式标签和被动式标签。第133页3.

RFID电子标签分类4.按作用距离可分为密耦合标签、遥耦合标签和远距离标签第134页3.

RFID电子标签分类5.依据标签读写功效来划分可将RFID标签分为三类：只读标签、一次写屡次读标签和可读写标签。第135页3.

RFID电子标签分类第136页3.

RFID电子标签分类6.根依据封装形式不一样标签又能够分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签以及特殊用途异形标签等。第137页3.3.3RFID读写器1.RFID读写器基本组成2.RFID读写器功效特征与工作方式3.RFID读写器分类第138页1.

RFID读写器基本组成RFID读写器基本组成包含射频模块、天线、读写模块以及其它一些基本功效单元。其详细结构如图3-10和图3-11所表示。图3-10RFID读写器组成图第139页RFID读写器详细结构图图3-11RFID读写器详细结构第140页2.

RFID读写器功效特征和工作方式

1.RFID读写器功效特征读写器基本任务是触发作为数据载体RFID电子标签，与这个电子标签建立通信联络，而且在中央信息系统和一个非接触数据载体之间传输数据。第141页1.RFID读写器功效特征

这种非接触通信过程中包括一系列任务，如通信建立、预防碰撞和身份验证等都是在由RFID读写器来进行处理。第142页2.RFID读写器工作方式1.读写器先讲话（ReaderTalksFirst，RTF）在普通状态下，RFID电子标签处于“等候”或称为“休眠”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工作范围时，第143页电子标签能够检测到一定射频信号，便从“休眠”状态转到“接收”状态，接收读写器发送命令后，进行对应处理，并将结果返回读写器。这种只有接收到读写器特殊命令才发送数据电子标签被称为RTF方式。第144页2.RFID读写器工作方式2.标签先讲话（TagTalksFirst，TTF），为了预防通信冲突而设计工作方式。进入读写器能量场获取工作能量后就主动发送本身电子编码和储存数据信息RFID电子标签被称为TTF方式。

第145页TTF和RTF相比，TTF射频标签含有识别速度快特点，适合用于需要高速应用场所；另外，它在处理标签数量动态改变场所更为实用，在噪声环境中也更稳健。所以，TTF方式更适于工业环境追踪应用。第146页3.

RFID读写器分类1.按双工方式分类，RFID读写器能够分为全双工和半双工。2.按通信方式来分类，RFID读写器能够分为读写器先讲话RTF和标签先讲话TTF两类。第147页3.

RFID读写器分类3.依据不一样应用，RFID系统采取不一样通信方式。4.按应用模式来分类，可分为固定式读写器、便携式读写器、一体式读写器和模块式读写器。第148页3.

RFID读写器分类

依据应用环境不一样，必须考虑RFID读写器工作频率、输出功率、输出端口、读写器结构形式、匹配天线等技术参数选择适当RFID读写器。

第149页3.

RFID读写器分类未来RFID读写器将会有以下特点：多功效、小型化、便携式、嵌入式、模块化、成本更低、智能多天线端口、含有各种数据接口、多制式、多频段兼容等。第150页3.3.4RFID应用

第151页 RFID技术在国外发展非常快速，射频识别产品种类繁多。在北美、欧洲、亚太地域及非洲南部，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。第152页

在国内还没有形成RFID大规模应用，只有少数单位在试点应用RFID，伴随物联网发展，我国将逐步推进RFID大规模应用。第153页第154页第155页1．RFID技术在交通领域应用

电子不停车收费系统（ElectronicTollCollection，ETC）是当前世界上较为先进收费系统，是RFID技术在智能交通领域应用之一。第156页图3-12图电子不停车收费系统ETC示意图第157页RFID在国内交通领域其它应用包含: 1.全国各地数千个停车场RFID收费系统 2.国内最大铁路机车车号识别系统（遍布全国18个铁路局、7万多公里铁路线） 3.北京市城市汽车环境保护检测RFID环境保护信息卡系统（包括车辆总容量达300万辆） ...第158页第159页2．RFID技术在物流领域应用

物流是RFID应用领域之一,假如将RFID技术与物流紧密联络,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改变。 RFID技术是有效处理物流管理上各项业务动作数据输入、输出、业务过程控制与跟踪等难题以及降低犯错率一个新技术。第160页 在零售步骤方面RFID能够改进零售商库存管理，实现适时补货，有效跟踪运输与库存，提升效率，降低犯错。 RFID电子标签能够对一些含有时效性商品使用期限进行监控。 商店还能利用RFID系统在付款台实现自动扫描和计费，取代人工收款方式。第161页3．RFID技术在医疗领域应用

经过使用射频识别技术监控医疗器械，管理主要医药，加紧医疗处理速度，降低医疗事故率等。第162页第163页第164页4．RFID在其它领域应用

（1）电子票：使用射频识别标签实现非现金结算，处理现金交易既不方便也不安全问题。（2）生产、制造业生产制造流程管理：使用射频识别技术实现生产、制造企业生产流程控制、产品质量监控、工人生产任务和生产质量监控。第165页（3）军事：在军事物流、后勤保障等领域有了大量应用。（4）动物跟踪和管理：射频识别技术可用于动物跟踪与管理。（5）人员管理：人员管理与门禁管理相结合。第166页（6）资产追踪管理：将射频识别系统用于固定资产管理，能够有效地处理资产盘点、维修以及资产流向等相关信息管理。（7）防伪认证识别：主要应用于烟酒、证书、证件防伪认证识别。第167页第168页3.3.5RFI