彭力-物聯(lián)網(wǎng)概論-第2課 RFID

1、1本書內(nèi)容框架一、緒論（1、10）二、射頻識別技術(shù)（2）三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（6）四、無線單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)（4、5）五、無線通信系統(tǒng)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)（3、8）六、短距離無線通信技術(shù)（7）七、智能信息處理技術(shù)（9）八、本課程考試2第二課、 RFID技術(shù)江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院吳治海Email: Phoneddress:C4232011-9-13本節(jié)課主要內(nèi)容提綱RFID組成RFID特點(diǎn)RFID分類RFID工作原理RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)RFID安全問題1.RFID組成n完整的自動識別計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)： 自動識別系統(tǒng)（采集和存儲） 應(yīng)用軟件系統(tǒng)（應(yīng)用處理） 應(yīng)用接口系統(tǒng)（通信接

2、口、格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳遞）n自動識別技術(shù)：應(yīng)用一定的識別裝置，通過被識別物品和識別裝置之間的接觸活動，自動地獲取被識別物品的相關(guān)信息，并提供給后臺的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)來完成后續(xù)處理的一種技術(shù)。（高度自動化的信息采集技術(shù)）n現(xiàn)有的自動識別技術(shù)：條碼技術(shù)、光學(xué)字符識別技術(shù)、卡識別技術(shù)、生物識別技術(shù)、聲音識別技術(shù)、圖像識別技術(shù)、射頻識別技術(shù)等1.RFID組成 RFID射頻識別技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作時無需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個射頻標(biāo)簽，操作快捷方便。 利用無線電波進(jìn)行雙向通信，適于實(shí)現(xiàn)自動化且不易損

3、壞，射頻卡不怕油漬、灰塵污染等，短距離的射頻標(biāo)簽可以在這樣的環(huán)境中替代條碼，長距離的產(chǎn)品多用于交通中，距離可達(dá)幾十米。1.RFID組成 n標(biāo)簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象。也稱卡片。n閱讀器(Reader)：讀取(有時還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式。包括天線（Antenna）n應(yīng)用軟件系統(tǒng)。1.RFID組成 閱讀器RFID系統(tǒng)的閱讀器由射頻模塊和基帶模塊兩個主要部分組成。n射頻模塊射頻模塊的兩個任務(wù)：n將閱讀器與發(fā)往射頻標(biāo)簽的命令調(diào)制到射頻信號（閱讀器/射頻標(biāo)簽的射頻工作頻率）上,經(jīng)由天線發(fā)送出去。發(fā)送出去的射頻信號

4、經(jīng)過空間傳送到射頻標(biāo)簽上，射頻標(biāo)簽對照射到其上的射頻信號作出響應(yīng)，形成返回閱讀器天線的反射回波信號。1.將射頻標(biāo)簽返回到閱讀器的回波信號進(jìn)行必要的加工處理，并從中解調(diào)提取出射頻標(biāo)簽回送的數(shù)據(jù)。1.RFID組成n基帶模塊基帶模塊的兩個任務(wù)：n將閱讀器智能單元（CPU或MPU)發(fā)出的命令進(jìn)行加工（編碼），便于調(diào)制到射頻信號（閱讀器/射頻標(biāo)簽的射頻工作頻率）上。n對經(jīng)過射頻模塊解調(diào)處理的標(biāo)簽回送數(shù)據(jù)信號進(jìn)行必要的處理（解碼），并將處理后的結(jié)果送入閱讀器智能單元。閱讀器應(yīng)具有如下功能： 與標(biāo)簽通信(天線、空間信道）； 與計(jì)算機(jī)通信（應(yīng)用程序接口，API)。1.RFID組成射頻標(biāo)簽射頻標(biāo)簽相當(dāng)于條碼技術(shù)

5、中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔?。與條碼不同的是標(biāo)簽必須能夠自動或在外力的作用下，把存儲的信息主動發(fā)射出去。1.RFID組成RFID系統(tǒng)的射頻標(biāo)簽由芯片芯片（ICIC）和天線天線兩個 主要部分構(gòu)成。n通過天線，芯片接收和傳輸信號；標(biāo)簽通過天線獲得能量，并由芯片控制接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。n芯片由模擬射頻接口、數(shù)據(jù)控制和EEPROM( Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦可編程序只讀存儲器）三個模塊組成。n模擬射頻接口模塊為芯片提供穩(wěn)定電壓，并將獲得的數(shù)據(jù)解調(diào)后供數(shù)據(jù)模塊處理，同時將數(shù)據(jù)調(diào)制后返回給閱讀器。1.RFID

6、組成射頻標(biāo)簽具有如下功能功能：具有一定容量的存儲器，用以存儲被識別對象的信息。在一定的工作環(huán)境及技術(shù)條件下標(biāo)簽數(shù)據(jù)可讀寫。具有確定的使用期限，使用期限內(nèi)無需維修。維持對識別對象的識別及相關(guān)信息的完整。數(shù)據(jù)信息編碼后，工作時可傳輸給閱讀器?？删幊?，且一旦編程后，永久性數(shù)據(jù)不能再修改。對于有源標(biāo)簽，通過閱讀器能顯示出電池的工作情況。1.RFID組成射頻識別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)。射頻識別技術(shù)的基本原理是電磁理論，即利用無線電波對記錄媒體進(jìn)行讀寫。射頻識別技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不局限于視線、識別距離比光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)，射頻識別卡具有讀寫能力、可攜帶大量數(shù)據(jù)、難以偽造。 2.RFID特點(diǎn) n

7、射頻識別技術(shù)和條形碼技術(shù)相似，目的都是快速準(zhǔn)確地確認(rèn)追蹤目標(biāo)物體。n射頻識別技術(shù)和條形碼技術(shù)的區(qū)別：射頻標(biāo)簽特有的辨識器不能被復(fù)制，標(biāo)簽的作用不僅僅局限于視野之內(nèi)，因?yàn)樾畔⑹怯蔁o線電波傳輸，而條形碼必須在視野之內(nèi)。由于條形碼成本較低，有完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，已在全球廣泛使用，而射頻技術(shù)由于成本相對較高，只被局限在有限的市場上使用，但它具有廣闊的前景。2.RFID特點(diǎn) 射頻識別技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)利用無線電波進(jìn)行雙向通信的一種自動識別技術(shù)，完成識別工作時無需人工干預(yù)，適于實(shí)現(xiàn)自動化且不易損壞，可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個射頻卡，操作快捷方便。

8、射頻卡不怕油漬、灰塵污染等，短距離的射頻卡可以在這樣的環(huán)境中替代條碼，長距離的產(chǎn)品多用于交通中，距離可達(dá)幾十米。2.RFID特點(diǎn) n非接觸非接觸：讀取距離由數(shù)公分到數(shù)公尺 n可遮蓋可遮蓋：即使有遮蔽物(金屬、液體除外)也可辨識 n輕薄短小輕薄短?。嚎啥鄻踊馁N付于對象人/物 n環(huán)境時間性環(huán)境時間性：耐污、耐振、耐撞撃、長期性 n個體識別個體識別：芯片單體上有個體標(biāo)識符串，可個別管理物品 n自動讀取自動讀取：無需人工介入即可讀取 n可抹寫可抹寫：數(shù)據(jù)可重復(fù)抹寫 n移動讀寫移動讀寫：移動中也可讀取、寫入 n同時多筆讀取同時多筆讀?。嚎赏瑫r讀取多筆標(biāo)簽2.RFID特點(diǎn) n條碼技術(shù) - 成本最低、采用

9、紙制材料，較易磨損，且數(shù)據(jù)量小。n磁卡技術(shù) - 磁卡數(shù)據(jù)可讀寫、可改造數(shù)據(jù)、成本低廉，易被偽造。nIC卡識別技術(shù) - 有獨(dú)立的運(yùn)算和儲存能力，數(shù)據(jù)安全性好，價格稍高。nRFID技術(shù) -具有非接觸式識讀能力、能同時識別多個物品。2.RFID特點(diǎn) 比 較 因素四 種 技術(shù)信息載體信息量讀/寫性讀取方式安全性智能化抗干擾性壽命成本條碼技術(shù)紙、塑料、金屬表面小只讀激光束掃描差無智能差較短最低磁卡技術(shù)磁性介質(zhì)一般讀/寫電磁轉(zhuǎn)換一般無智能較差短低IC卡技術(shù)EEPROM大讀/寫電擦除、寫入好智能好長較高RFID技術(shù)EEPROM大讀/寫無線通信好智能很好最長較高四種識別技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較四種識別技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)比較

10、2.RFID特點(diǎn) 3.RFID分類n分類一(根據(jù)標(biāo)簽?zāi)芰浚姵兀┕┙o方式分類)： 無源系統(tǒng)無源標(biāo)簽（被動標(biāo)簽，passive Tag)：標(biāo)簽內(nèi)沒有內(nèi)裝電池，在閱讀器的閱讀范圍之外時，標(biāo)簽處于無源狀態(tài)，在閱讀器的閱讀范圍之內(nèi)時，標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電能。 半無源系統(tǒng)半無源標(biāo)簽(Semi-passive Tag)：標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，但電池僅對標(biāo)簽內(nèi)要求供電維持?jǐn)?shù)據(jù)的電路或芯片工作所需的電壓作輔助支持，標(biāo)簽電路本身耗點(diǎn)很少。標(biāo)簽未進(jìn)入工作狀態(tài)前，一直處于休眠狀態(tài)，相當(dāng)于無源標(biāo)簽，標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的閱讀范圍時，受到閱讀器發(fā)出的射頻能量的激勵，進(jìn)入工作狀態(tài)時，用于傳輸通信的射頻能量與

11、無源標(biāo)簽一樣來自閱讀器。 有源系統(tǒng)有源標(biāo)簽（主動標(biāo)簽，Active Tag) ：標(biāo)簽的工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時標(biāo)簽電池的能量供應(yīng)也部分轉(zhuǎn)化為標(biāo)簽與閱讀器通信所需的射頻能量。有源標(biāo)簽n隨著技術(shù)發(fā)展，目前有源RFID標(biāo)簽逐步采用無線單片機(jī)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有持久性，信息傳播穿透性強(qiáng)，存儲信息容量大、種類多等特點(diǎn)。n有源電子標(biāo)簽最重要特點(diǎn)是電子標(biāo)簽工作的能量由電池提供，而不是像無源電子標(biāo)簽系統(tǒng)感應(yīng)閱讀器的能量。 20有源標(biāo)簽閱讀器21 有源標(biāo)簽閱讀器的主要任務(wù)是完成有源標(biāo)簽的讀取，存儲和通訊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)和服務(wù)器。 有源標(biāo)簽閱讀器主要由微控制器，相關(guān)軟件，包括實(shí)時操作系統(tǒng)，高頻電路，天線和通訊接口

12、等部分組成。有源標(biāo)簽閱讀器系統(tǒng)22有源RFID系統(tǒng)演示23有源RFID系統(tǒng)演示24有源RFID系統(tǒng)演示253.RFID分類n分類二（ 根據(jù)讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段分類）： 廣播發(fā)射式：實(shí)現(xiàn)起來最簡單，標(biāo)簽采用有源方式工作，并實(shí)時將其存儲的標(biāo)識信息向外廣播，閱讀器相當(dāng)于一個只收不發(fā)的接收機(jī)。缺點(diǎn)：標(biāo)簽要不停地向外發(fā)射信息，既費(fèi)電又對環(huán)境造成電磁污染，而且系統(tǒng)不具備安全保密性。 倍頻式：實(shí)現(xiàn)起來有一定困難，閱讀器發(fā)出射頻查詢信號，標(biāo)簽返回的信號載頻為閱讀器發(fā)出射頻的倍頻。缺點(diǎn)：對于無源標(biāo)簽，標(biāo)簽將接收的閱讀器射頻能量轉(zhuǎn)化為倍頻回波載頻時，能量轉(zhuǎn)換效率低，工作需要占用兩個工作頻點(diǎn)，不易獲得應(yīng)用許可

13、。 反射調(diào)制式：實(shí)現(xiàn)要解決同頻收發(fā)問題，閱讀器發(fā)出微波查詢信號，標(biāo)簽（無源）將部分接收到的微波查詢能量信號整流為直流電供標(biāo)簽內(nèi)的電路工作，另一部分微波能量信號被標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)信息調(diào)制后反射回閱讀器，閱讀器收到反射回的幅度調(diào)制信號后，從中解出標(biāo)簽所保存的標(biāo)識性數(shù)據(jù)信息。缺點(diǎn)：閱讀器發(fā)出的微波信號與接收反射回的幅度調(diào)制信號是同時進(jìn)行的，反射回的信號強(qiáng)度較發(fā)射信號要弱得多，因此技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難點(diǎn)在于同頻接收。3.RFID分類n分類三（ 根據(jù)標(biāo)簽內(nèi)保存的信息注入的方式分類）： 集成電路固化式：標(biāo)簽內(nèi)的信息一般在集成電路生產(chǎn)時即以ROM(只讀存儲，Read-Only-Memory)的工藝模式注入，其保存

14、的信息是一成不變的。 現(xiàn)場有線改寫式：標(biāo)簽保存的信息寫入其內(nèi)部的E2存儲區(qū)中，改寫時需要專用的編程器或?qū)懭肫鳎膶戇^程必須為其供電。 現(xiàn)場無線改寫式：一般適用于有源標(biāo)簽，具有特定的改寫指令，標(biāo)簽內(nèi)保存的信息也位于其內(nèi)部的E2存儲區(qū)。 3.RFID分類n分類四（ 根據(jù)標(biāo)簽存儲器類型分類）： 只讀型：存儲器出場時已經(jīng)寫入固定數(shù)據(jù)，用戶不得修改。 讀寫型：存儲器允許用戶進(jìn)行多次擦寫，方便數(shù)據(jù)更新。 一次可寫型：存儲器允許用戶寫入一次數(shù)據(jù)，但寫入后不得再修改。 3.RFID分類n分類五（ 根據(jù)工作頻率分類）： 低頻（LF)：一般其工作頻率400MHz，典型的工作頻段有915MHz、2450MHz、58

15、00MHz等。系統(tǒng)在這些頻段上也有眾多的國際標(biāo)準(zhǔn)予以支持，其基本特點(diǎn)是：標(biāo)簽及閱讀器成本較高、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)(可達(dá)幾米至十幾米)，適應(yīng)物體高速運(yùn)動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及標(biāo)簽天線均有較強(qiáng)的方向性。 超高頻和微波頻段(UHF)：其典型工作頻率為：433.92MHz，862(902)928MHz，2.45GHz，5.8GHz。標(biāo)簽可分為有源標(biāo)簽與無源標(biāo)簽兩類。工作時，標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場的遠(yuǎn)區(qū)場內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標(biāo)簽提供射頻能量，將有源標(biāo)簽喚醒。相應(yīng)的射頻識別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1m，典型情況為47m，最大可達(dá)1

16、0m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束范圍內(nèi)的標(biāo)簽可被讀/寫。 高頻電子標(biāo)簽原理n 電子標(biāo)簽與閱讀器（讀卡器）之間通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合、在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。n 發(fā)生在閱讀器（讀卡器）和高頻電子標(biāo)簽RFID之間的射頻信號的耦合主要采用電感耦合。這是依據(jù)變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。n 電感耦合的原理是：在兩電感線圈在同一介質(zhì)中，相互的電磁場通過該介質(zhì)傳導(dǎo)到對方，形成耦合。n 變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。30高頻電子標(biāo)簽原理n 最常見的電感耦合，

17、就如變壓器。即將一個波動的電流或電壓在一個線圈（稱為初級線圈）內(nèi)產(chǎn)上磁場，在同一個磁場中的另外一組或幾組線圈（稱為次級線圈）上就會產(chǎn)生相應(yīng)比例的磁場（與初級線圈和次級線圈的匝數(shù)有關(guān)）。變壓器是就是電感線圈耦合的經(jīng)典杰作。n 電感耦合方式一般適合于高、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：125kHz、225kHz和13.56MHz。識別作用距離小于1m，典型作用距離為1020CM。n RFID標(biāo)簽與閱讀器（讀卡器）之間的耦合通過天線完成，這里的天線通?？梢岳斫鉃殡姴▊鞑サ奶炀€，有時也指電感耦合的天線。 31閱讀器高頻RFID閱讀器原理33高頻RFID閱讀器原理34高頻RFID演示35

18、高頻RFID演示36高頻RFID演示374.RFID工作原理工作原理n閱讀器天線發(fā)出無線電波閱讀器天線發(fā)出無線電波 n標(biāo)簽的天線感應(yīng)此電波，其中的芯片因此接標(biāo)簽的天線感應(yīng)此電波，其中的芯片因此接受到讀取器所傳出的數(shù)據(jù)受到讀取器所傳出的數(shù)據(jù)( (指令指令) )，標(biāo)簽的芯，標(biāo)簽的芯片便將儲存于本身的數(shù)據(jù)再通過無線電波傳片便將儲存于本身的數(shù)據(jù)再通過無線電波傳回閱讀器回閱讀器 標(biāo)簽與閱讀器之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過空氣介質(zhì)以無線電波的形式進(jìn)行的。 閱讀器將無線電載波信號經(jīng)過發(fā)射天線向外發(fā)射。 當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線的工作區(qū)時，射頻標(biāo)簽被激活后即將自身信息代碼經(jīng)天線發(fā)射出去。 系統(tǒng)的接收天線接收到射頻標(biāo)簽發(fā)出

19、的載波信號，經(jīng)天線的調(diào)節(jié)器傳給閱讀器。閱讀器對接到的信號進(jìn)行解調(diào)解碼，送后臺電腦控制器。 計(jì)算機(jī)控制器根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該射頻標(biāo)簽的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按計(jì)算機(jī)的指令動作。 通過計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)將各個監(jiān)控點(diǎn)連接起來，構(gòu)成總控信息平臺，根據(jù)不同的項(xiàng)目設(shè)計(jì)不同的軟件來完成要達(dá)到的功能。4.RFID工作原理工作原理UHF電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)原理nUHF EPC Gen2電子標(biāo)簽具有數(shù)據(jù)存貯量大、數(shù)據(jù)傳輸速率快、工作頻率寬、多標(biāo)簽識讀特征等參數(shù)特征之外，還具有4個內(nèi)部存儲器分區(qū)，分別是：保留存儲器，EPC存儲器，TID存儲器和用戶定義存儲器。nEP

20、C存儲器包括了CRC校驗(yàn)碼，協(xié)議規(guī)范控制，EPC全球編碼等重要信息。TID存儲器包括了 ISO15693 分類信息，標(biāo)簽方式定義，制造廠家信息，例如串行號碼等。保留存儲器包括了密碼，銷毀標(biāo)簽密碼等信息。40UHF電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)原理41UHF閱讀器設(shè)計(jì)42UHF-RFID工作原理n 閱讀器通過天線，發(fā)射信號到標(biāo)簽（TAG），可以采用ASK調(diào)制，脈沖間隔編碼（Pulse Interval Encoding），通訊速率26.7到128 KBIT/S。43UHF-RFID工作原理n 在高頻范圍的標(biāo)簽收到閱讀器發(fā)出的高頻載波信號，標(biāo)簽天線接收到特定的電磁波，線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，在經(jīng)過整流電路時，激活電路上的微型開關(guān)，給標(biāo)簽供電。標(biāo)簽上的電子線路，將根據(jù)閱讀器發(fā)出信息，通過ASK或者PSK 耦合方式進(jìn)行調(diào)制，F(xiàn)M0等編碼方式，向閱讀器反饋相關(guān)信息。44UHF-RFID工作原理n UHF-RFID閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通訊及是采用電磁反向散射耦合方式完成。電磁反向散射耦合方式很像雷達(dá)工作的原理，如下圖所示。45UHF-RFID工作原理46UHF-RFID工作原理n 閱讀器就像手電筒，標(biāo)簽就像一個鏡子，標(biāo)簽發(fā)射最大，就是邏輯“1”。標(biāo)簽反射最小，就是邏輯“0”。n 在高頻范圍的標(biāo)簽收到閱讀器發(fā)出的高頻載波信號。標(biāo)簽天線接收到特定的電磁波，線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，在