物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

及其應(yīng)用

南京郵電大學(xué)

教授、博士生導(dǎo)師張順頤

2021，3，27

9/11/20231物聯(lián)網(wǎng)及其開展幾十年來互聯(lián)網(wǎng)獲得了極大的開展，已經(jīng)成為人類社會(huì)和人類生活不可或缺的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；互聯(lián)網(wǎng)下一個(gè)開展方向，除了擴(kuò)大覆蓋、提高速度、加大容量、增加網(wǎng)民〔包括地址〕無線接入等，向物聯(lián)網(wǎng)開展也是一個(gè)重要的動(dòng)向；我們可以通過互聯(lián)網(wǎng)了解世界〔各地發(fā)生的事情〕在物聯(lián)網(wǎng)普及以后，我們就可以感知世界上發(fā)生的事情；物聯(lián)網(wǎng)大體上就是技術(shù)界以往所說的傳感網(wǎng)；其根本架構(gòu)應(yīng)該是互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為主體，加上可以感知客觀事物的有線、無線接入的傳感器網(wǎng)絡(luò)；9/11/20232什么是傳感網(wǎng)〔物聯(lián)網(wǎng)〕？物聯(lián)網(wǎng)，根本上就是我們以前稱為傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。IBM在前年提出，美國總統(tǒng)奧巴馬上臺(tái)以后，為了解決經(jīng)濟(jì)危機(jī)，接過這一事物，提出“智慧地球〞的概念；溫家寶總理2021，8視察江蘇無錫時(shí)，提出把“智慧中國〞的中心建在無錫。江蘇省委和省政府非常重視。正在全力貫徹落實(shí)。近日，傾向于把物聯(lián)網(wǎng)稱為傳感網(wǎng)。傳感器網(wǎng)、傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、因特網(wǎng)：關(guān)聯(lián)和區(qū)別；9/11/20233什么是傳感網(wǎng)〔物聯(lián)網(wǎng)〕？傳感器網(wǎng)：把各種傳感器連接起來的網(wǎng)絡(luò)，這種連接可以是無線，也可以是有線；目前學(xué)界對(duì)于傳感器網(wǎng)、傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)尚無一個(gè)明確的定義；可以認(rèn)為，傳感網(wǎng)強(qiáng)調(diào)以感知為目的，物聯(lián)網(wǎng)傾向于傳感器的連接為特征；但是兩者都是以互聯(lián)網(wǎng)為根底的。但是對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)、因特網(wǎng)那么有科學(xué)的定義；INTERNET；因特網(wǎng)Internet；互聯(lián)網(wǎng)9/11/20234什么是物聯(lián)網(wǎng)？傳感網(wǎng)是以感知為目的，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)突出的特征是通過傳感器等方式獲得物理世界的多種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳送與交互，采用智能計(jì)算技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分析與處理，從而提升對(duì)物質(zhì)世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該有更標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵，例如物聯(lián)網(wǎng)也包括網(wǎng)絡(luò)控制為目的，而傳感網(wǎng)更強(qiáng)調(diào)以感知為目的；9/11/20235什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)將各種信息傳感設(shè)備、控制設(shè)備，例如射頻識(shí)別裝置〔RFID〕、紅外感應(yīng)裝置、全球定位系統(tǒng)〔GPS〕、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成一個(gè)不僅僅是人在使用，也可以把各種其它信息〔不僅僅是文字、語言、數(shù)字、圖像〕通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳遞、處理、存儲(chǔ)、檢測等。以提高人類社會(huì)的信息化、自動(dòng)化水平。物聯(lián)網(wǎng)的用途廣泛，普及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府政務(wù)、公共平安、平安家居、智能消防、工業(yè)檢測、病老護(hù)理、個(gè)人健康等多個(gè)領(lǐng)域。業(yè)界普遍認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。9/11/20236什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)的要素，首先是要把物體連接到網(wǎng)上；其次是要把這個(gè)物體的信息傳到互聯(lián)網(wǎng)上；物聯(lián)網(wǎng)的工作，就是獲取信息、傳送信息、處理信息、存儲(chǔ)信息、顯示信息；美國的研究機(jī)構(gòu)Forrester預(yù)測，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)價(jià)值和規(guī)模，要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍，將會(huì)形成下一個(gè)萬億元級(jí)別的產(chǎn)業(yè)；9/11/20237傳感網(wǎng)與無線通信傳感網(wǎng)中使用的幾種通信技術(shù)：1、移動(dòng)通信：2G、3G、B3G、LTE；2、無線局域網(wǎng)：WiFi：無線局域網(wǎng)，802.11，校園網(wǎng)；WiMAX：無線城域網(wǎng)，802.16，已成為3G標(biāo)準(zhǔn)3、超寬帶UWB：特征是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。工作頻率，低功耗，如射頻標(biāo)簽RFID〔RadioFrequencyIdentification也稱電子標(biāo)簽、無線電頻率識(shí)別〕。9/11/20238傳感網(wǎng)與無線通信4、ZigBee：低功耗、近距離的無線組網(wǎng)通信技術(shù)；〔s〕;5、NFC〔近場通信〕，雙向RFID，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的近距離通信〔20cm，比蘭牙短，但是不需要加密〕；6、蘭牙〔Bluetooth〕、紅外〔IiRD〕；9/11/20239傳感器的種類信息〔例如RFID中的各種讀卡器〕溫度、溫限壓力測力、壓力、重力；液位、水位測量、流體、流量電機(jī)保護(hù)光敏荷重、稱重傳感器閘門開度〔高度〕9/11/202310傳感器的種類氣體、氣味、口臭、室內(nèi)空氣、風(fēng)速濕度灰塵紅外漏電、電導(dǎo)PH值9/11/202311傳感器的種類酒精AQS環(huán)境控制鹵素濃度生物傳感器熱學(xué)量位置、安防光纖光柵指紋、觸摸9/11/202312傳感器的種類磁阻傾角視覺、圖像壓電、靜電、電流、電壓加速度霍爾位置微波9/11/202313物聯(lián)網(wǎng)的工作模式物聯(lián)網(wǎng)的工作模式較多，但是目前主要分為射頻識(shí)別〔射頻標(biāo)簽〕RFID和ZigBee，因?yàn)閲H標(biāo)準(zhǔn)化組織目前主要在這兩種應(yīng)用中制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)；射頻識(shí)別〔射頻標(biāo)簽〕RFID主要是應(yīng)用讀卡器和應(yīng)答器之間的信息傳輸完成工作；ZigBee那么主要是工作于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；9/11/202314RFID射頻識(shí)別是無線電頻率識(shí)別的簡稱，即通過無線電波進(jìn)行識(shí)別。RFID系統(tǒng)中，識(shí)別信息存放在電子數(shù)據(jù)載體中，電子數(shù)據(jù)載體稱為應(yīng)答器。應(yīng)答器中存放的識(shí)別信息由閱讀器讀出。閱讀器不僅可以讀出存放的信息，而且可以對(duì)其進(jìn)行寫入，讀寫過程是通過雙方之間的無線通信來實(shí)現(xiàn)的。9/11/202315RFID應(yīng)答器〔射頻卡或標(biāo)簽〕射頻卡

9/11/202316RFID應(yīng)答器〔射頻卡或標(biāo)簽〕標(biāo)簽9/11/202317RFID閱讀器〔讀寫器或基站〕9/11/202318RFIDRFID的根本原理框圖射頻卡或電子標(biāo)簽讀寫器或基站9/11/202319RFID的工作頻率RFID的工作頻率可劃分為：1、LF：低頻30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高頻3－30MHz，工作頻率為13.56MHz;3、UHF：特高頻300MHz－3GHz，工作頻率：433MHz，866－960MHz，2.45GHz；4、SHF：超高頻3－30GHz，工作頻率：5.8GHz、24GHz；0f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G工作頻率分布圖

LF1MHFUHF1G1K9/11/202320電感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式電感耦合

閱讀器應(yīng)答器電感耦合方式的電路結(jié)構(gòu)信息9/11/202321電感耦合方式RFID的工作原理1、閱讀器為有源工作，應(yīng)答器無源工作；2、L1、C1；L2、C2均工作在射頻源VS的諧振頻率；3、閱讀器L2的磁場變化產(chǎn)生電壓整流后供閱讀器使用；4、閱讀器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)部的二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號(hào)控制開關(guān)S，使得負(fù)載電阻R2被接通或者斷開，通過耦合使L1產(chǎn)生變化的電壓，經(jīng)調(diào)制、解碼即可；5、閱讀器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，是通過數(shù)字調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)的，多采用ASK〔幅頻監(jiān)控〕的方式；9/11/202322電感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式負(fù)載調(diào)制

負(fù)載調(diào)制的原理示意圖9/11/202323反向散射耦合RFID工作方式目標(biāo)的反向散射耦合RIFD工作方式反向散射耦合電源電路用于吸收耦合的功率；9/11/202324反向散射方式RFID的工作原理聲外表波〔SurfaceAcousticWave，SAW〕器件是以壓電效應(yīng)和與外表彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)。9/11/202325反向散射方式RFID的工作原理聲外表波應(yīng)答器以壓電效應(yīng)和防止彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)，加以體積小、重量輕、工作頻率高、相對(duì)帶寬較高，并且可采用與集成電路芯片工藝相同的平面加工工藝，制造簡單，工藝的一致性好，靈活性高；9/11/202326反向散射方式RFID的工作原理換能器的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波。它利用壓電襯底在電場作用下的膨脹和收縮效應(yīng)。指狀電極上的電位差形成電場。射頻信號(hào)一起雅典襯底的振動(dòng)，從而沿其外表產(chǎn)生聲波，經(jīng)反射返回?fù)Q能器在轉(zhuǎn)換成射頻脈沖的序列的電信號(hào)，經(jīng)偶極子天線回傳至閱讀器；9/11/202327RFID諧波檢測法的工作原理：基于反向散射耦合方式，它可用于電子防盜系統(tǒng)諧波法原理

9/11/202328RFID射頻識(shí)別的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)架1、最簡單的應(yīng)用系統(tǒng)只有單個(gè)閱讀器，它一次對(duì)一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行操作，如公交汽車上的票務(wù)操作。2、較復(fù)雜的應(yīng)用需要一個(gè)閱讀器可同時(shí)對(duì)多個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行操作，即要具有防碰撞〔亦稱防沖突〕的能力。3、更復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)要解決閱讀器的高層處理問題，包括多閱讀器的網(wǎng)絡(luò)連接。9/11/202329RFID應(yīng)答器的主要性能參數(shù)工作頻率讀/寫能力編碼調(diào)制方式數(shù)據(jù)傳輸速率信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量工作距離多應(yīng)答器識(shí)讀能力〔亦稱防碰撞或防沖突能力〕平安性能〔密鑰、認(rèn)證〕等。9/11/202330RFID無源、半無源與有源應(yīng)答器無源應(yīng)答器：不附有電池，從閱讀器發(fā)出射頻能量中提取工作所需的電能。采用電感耦合方式的應(yīng)答器多為無源應(yīng)答器。半無源應(yīng)答器：內(nèi)裝有電池，起輔助作用，對(duì)維持?jǐn)?shù)據(jù)的電路供電或?qū)?yīng)答器芯片工作所需的電壓作輔助支持，用于傳輸通信的射頻能量源自閱讀器。有源應(yīng)答器：工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時(shí)內(nèi)部電池能量也局部地轉(zhuǎn)換為應(yīng)答器與閱讀器通信所需的射頻能量。9/11/202331RFID應(yīng)答器電路的根本結(jié)構(gòu)9/11/202332RFID閱讀器的功能1、以射頻方式向應(yīng)答器傳輸能量；2、從應(yīng)答器中讀出數(shù)據(jù)或向應(yīng)答器寫入數(shù)據(jù)；3、完成對(duì)讀取數(shù)據(jù)的信息處理并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用操作；4、假設(shè)有需要，應(yīng)能和高層處理交互信息。9/11/202333RFID閱讀器的電路組成

9/11/202334RFID天線天線的目標(biāo)是取得最大的能量傳輸效果。RFID系統(tǒng)所用的天線類型主要有偶極子天線、微帶貼片天線、線圈天線等。在應(yīng)答器中，天線和應(yīng)答器芯片封裝在一起。9/11/202335RFID相關(guān)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)：包括條形碼、接觸式IC卡、生物特征識(shí)別、光學(xué)字符識(shí)別〔OCR〕以及射頻識(shí)別〔RFID〕等。條形碼〔BarCode〕技術(shù)：最早產(chǎn)生在20世紀(jì)20年代，由一組規(guī)那么排列的條和空、相應(yīng)的數(shù)字組成。其它......9/11/202336RFIDRFID的應(yīng)用RFID應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，且每種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，都會(huì)形成一個(gè)龐大的市場，因此可以說射頻識(shí)別是一個(gè)重要的新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。目前，RFID在票務(wù)系統(tǒng)〔城市公交車、高速公路收費(fèi)、門票等〕、收費(fèi)卡、城市交通管理、安檢門禁、物流、家政、食品平安追溯、藥品、礦井生產(chǎn)平安、防盜、防偽、證件、集裝箱識(shí)別、動(dòng)物追蹤、運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)、生產(chǎn)自動(dòng)化、商業(yè)供給鏈等眾多領(lǐng)域獲得廣泛重視和應(yīng)用。9/11/202337RFIDRFID的應(yīng)用第二代身份證9/11/202338RFIDRFID技術(shù)被認(rèn)為是近30年來10大最具生命力的技術(shù)之一，它正朝著無所不在的方向快速開展。9/11/202339“有了無線識(shí)別〔RFID〕技術(shù)，還需要管家嗎？〞——胡錦濤2006-04-18美國西雅圖微軟“未來之家〞9/11/202340RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的作用確保協(xié)同工作的進(jìn)行，規(guī)模經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)，工作實(shí)施的平安性以及其他許多方面RFID標(biāo)準(zhǔn)化的主要目的在于通過制定、發(fā)布和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，解決編碼、通信、空中接口和數(shù)據(jù)共享等問題，最大程度的促進(jìn)RFID技術(shù)及相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)采用過早，有可能會(huì)制約技術(shù)的開展和進(jìn)步；采用過晚，可能會(huì)限制技術(shù)的應(yīng)用范圍。9/11/202341RFID標(biāo)準(zhǔn)涉及的內(nèi)容RFID標(biāo)準(zhǔn)涉及的主要內(nèi)容包括技術(shù)〔接口和通信技術(shù)，如空中接口、防碰撞方法、中間件技術(shù)、通信協(xié)議〕一致性〔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼格式及內(nèi)存分配〕電池輔助及與傳感器的融合應(yīng)用〔如不停車收費(fèi)系統(tǒng)、身份識(shí)別、動(dòng)物識(shí)別、物流、追蹤、門禁等，應(yīng)用往往涉及有關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)〕9/11/202342RFID標(biāo)準(zhǔn)的分類國際標(biāo)準(zhǔn)：由ISO〔國際標(biāo)準(zhǔn)化組織〕IEC〔國際電工委員會(huì)〕負(fù)責(zé)制定；國家標(biāo)準(zhǔn)：由工業(yè)與信息化部與國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)負(fù)責(zé)制定；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：有國際、國家的行業(yè)組織制定，例如國際物品編碼協(xié)會(huì)〔EAN〕與美國統(tǒng)一代碼委員會(huì)〔UCC〕制定的用于物體識(shí)別的EPC標(biāo)準(zhǔn)；此外，還有涉及道德、倫理、健康、數(shù)據(jù)平安、隱私等的標(biāo)準(zhǔn)；9/11/202343RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC〔國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會(huì)〕制定的RFID標(biāo)準(zhǔn)概況技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC10536、ISO/IEC14443、ISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC15424、ISO/IEC15418、ISO/IEC15434等性能標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC18046、ISO/IEC18047、ISO/IEC10373-6等應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC10374、ISO/IEC18185、ISO/IEC11784等9/11/202344ISO/IEC制定的RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC10536：密耦合CICC非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)〔緊靠〕ISO/IEC14443：近耦合PICC非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)<10cmISO/IEC15693：疏耦合VICC非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)約50cmISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)〔基于物品管理RFID的空中接口參數(shù)〕ISO/IEC18000－1：空中接口一般參數(shù)ISO/IEC18000－2：低于135KHz頻率一般空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－3：13.56MHz頻率下的空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－4：2.45GHz頻率下的空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－6：860－930MHz的空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－7：433MHz頻率下的空中接口參數(shù)9/11/202345ISO/IEC制定的RFID數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC15424：數(shù)據(jù)載體/特征標(biāo)識(shí)符ISO/IEC15424：EAN、UCC應(yīng)用標(biāo)識(shí)符及ASCMH10〔ANSI標(biāo)準(zhǔn)〕數(shù)據(jù)表示符ISO/IEC15424：大容量ADC媒體用的傳送語法ISO/IEC15424：物品管理的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)ISO/IEC15424：數(shù)據(jù)協(xié)議：應(yīng)用接口ISO/IEC15424：數(shù)據(jù)編碼規(guī)那么與邏輯存儲(chǔ)功能協(xié)議ISO/IEC15424：射頻標(biāo)簽〔應(yīng)答器〕的唯一標(biāo)識(shí)9/11/202346ISO/IEC制定的RFID性能標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18046：RFID設(shè)備性能測試方法ISO/IEC18047：有源和無源的RFID設(shè)備一致性測試方法ISO/IEC10373－6：按ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)對(duì)非接觸式IC卡進(jìn)行參數(shù)的方法9/11/202347ISO/IEC制定的RFID應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC10374：貨運(yùn)集裝箱識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18185：貨運(yùn)集裝箱密封標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC11784：動(dòng)物RFID的代碼結(jié)構(gòu)ISO/IEC11785：動(dòng)物RFID的技術(shù)準(zhǔn)那么ISO/IEC14223：動(dòng)物追蹤的直接識(shí)別數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC17363和17364：一系列物流容器〔如貨盤、貨箱、紙盒等〕識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)9/11/202348RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)和RFID技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)無線通信管理頻譜分布、功率、電磁兼容等內(nèi)容人類健康的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)國際非電離輻射保護(hù)委員會(huì)〔ICNIRP〕所提出的標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)平安的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)濟(jì)合作與開展組織〔OECD〕隱私問題目前，很多用于物品識(shí)別的應(yīng)答器〔電子標(biāo)簽〕都能支持KILL命令9/11/202349RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介非接觸式IC卡三種非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)卡的類型閱讀器作用距離ISO/IEC10536密耦合（CICC）CCD緊靠ISO/IEC14443近耦合（PICC）PCD<10cmISO/IEC15693疏耦合（VICC）VCD約50cm9/11/202350RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介動(dòng)物識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC11784規(guī)定動(dòng)物識(shí)別的代碼結(jié)構(gòu)ISO/IEC11785規(guī)定相關(guān)的技術(shù)準(zhǔn)那么ISO/IEC14223為讀取動(dòng)物應(yīng)答器內(nèi)的特殊數(shù)字提供了協(xié)議，這些數(shù)字被存儲(chǔ)在集中所有動(dòng)物數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)庫內(nèi)9/11/202351RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介物品識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000：空中接口的重要標(biāo)準(zhǔn)，無線頻段〔頻率〕有6個(gè)，即低于135kHz，13.56MHz，433MHz，860~960MHz，2.45GHz和5.8GHz。作用距離從數(shù)厘米至十多米不等ISO/IEC18001：給出了應(yīng)答器的外形要求ISO/IEC10374：微波應(yīng)答器的集裝箱識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率范圍為850~950MHz以及2.4~2.5GHz，應(yīng)答器的靈敏度以最大電場強(qiáng)度150mV/m定義，最大可閱讀距離為13m9/11/202352RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443近耦合非接觸式IC卡的國際標(biāo)準(zhǔn)用于身份證和各種智能卡、存儲(chǔ)卡ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)由四局部組成，即ISO/IEC14443-1/2/3/4ISO/IEC14443-2射頻能量9/11/202353RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介ISO/IEC14443-4傳輸協(xié)議TYPEA型PICC激活過程RATSATSPPS〔協(xié)議和參數(shù)選擇〕請(qǐng)求9/11/2023546RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介PCD激活TYPEA型PICC9/11/202355RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC15693疏耦合射頻卡〔VICC〕的國際標(biāo)準(zhǔn)物理特性〔機(jī)械特性，物理尺寸，抗紫外線、X射線和電磁射線能力，彎曲和扭曲性能〕空中接口與初始化防碰撞和傳輸協(xié)議命令擴(kuò)展平安特性9/11/202356RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC15693空中接口和初始化VCD到VICC的通信9/11/202357RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC15693空中接口和初始化副載波：單副載波時(shí)，副載波的頻率423.75kHz；在使用雙副載波時(shí)，頻率484.28kHz數(shù)據(jù)速率位表示和編碼：采用曼徹斯特碼編碼方式

VICC到VCD的通信9/11/202358RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)SOFEOF9/11/202359RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議唯一標(biāo)識(shí)符〔UID〕：由制造商永久地設(shè)定應(yīng)用族標(biāo)識(shí)符〔AFI〕：由VCD鎖定的應(yīng)用類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式標(biāo)識(shí)符〔DSFID〕：指出了數(shù)據(jù)在VICC內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)CRC：初始值為FFHVICC內(nèi)存結(jié)構(gòu)：可尋址塊達(dá)256個(gè)，塊大小可至256位，最大內(nèi)存容量可達(dá)64kb〔8kB〕。塊平安狀態(tài)：由VICC作為對(duì)VCD請(qǐng)求的響應(yīng)參數(shù)返回9/11/202360RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)VICC狀態(tài)斷電〔Power-Off〕、就緒〔Ready〕、靜默〔Quiet〕、選擇〔Selected〕4種狀態(tài)9/11/202361RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)防碰撞時(shí)隙數(shù)為16的典型防碰撞處理過程

9/11/202362RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)防碰撞VCD發(fā)送目錄命令的請(qǐng)求幀，時(shí)隙數(shù)設(shè)置為16。VICC1在時(shí)隙0返回應(yīng)答，因只有這一個(gè)VICC應(yīng)答，故不存在碰撞，它的UID被VCD接收存儲(chǔ)。VCD發(fā)送EOF，指示下一個(gè)時(shí)隙開始。在時(shí)隙1，VICC2和VICC3進(jìn)行應(yīng)答，發(fā)生了碰撞。VCD檢測到碰撞，并記錄該時(shí)隙發(fā)生了碰撞。VCD再發(fā)送EOF，進(jìn)入時(shí)隙2。9/11/202363RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)在時(shí)隙2，無VICC應(yīng)答，VCD未檢測到VICC的應(yīng)答的SOF，因此VCD通過發(fā)送EOF，進(jìn)入時(shí)隙3。在時(shí)隙3，VICC4和VICC5應(yīng)答，產(chǎn)生了碰撞。VCD決定發(fā)送尋址請(qǐng)求〔例如讀塊請(qǐng)求〕給VICC1〔VICC1的UID已被UCD正確接收〕。所有VICC都檢測到對(duì)VICC1請(qǐng)求的SOF，它們都處理這個(gè)請(qǐng)求，但只有UID匹配的VICC1才返回應(yīng)答，其他的VICC那么退出防碰撞序列。所有VICC準(zhǔn)備接收下一個(gè)請(qǐng)求。如果又是一個(gè)目錄命令的請(qǐng)求，那么又從時(shí)隙0開始按上面步序執(zhí)行。9/11/202364RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-6標(biāo)準(zhǔn)定義了閱讀器和應(yīng)答器之間的物理接口、協(xié)議、命令及防碰撞機(jī)制。標(biāo)準(zhǔn)包含兩種通信模式：TYPEA和TEPEB。TYPEA模式：數(shù)據(jù)編碼幀格式調(diào)制

9/11/202365RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)編碼幀格式前同步碼、標(biāo)志、參數(shù)、數(shù)據(jù)、CRC9/11/202366RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制命令及狀態(tài)轉(zhuǎn)換INITROUND命令NEXTSLOT命令：確認(rèn)已被識(shí)別的應(yīng)答器；指示所有處于循環(huán)激活狀態(tài)的應(yīng)答器對(duì)它們的時(shí)隙計(jì)數(shù)器加1并進(jìn)入下一個(gè)時(shí)隙NEWROUND命令：指示在循環(huán)準(zhǔn)備和循環(huán)激活狀態(tài)的應(yīng)答器進(jìn)入循環(huán)激活狀態(tài)，復(fù)位它們的時(shí)隙計(jì)數(shù)器為1，進(jìn)入新的循環(huán)；指示在選擇狀態(tài)的應(yīng)答器變遷到靜默狀態(tài)，在靜默和就緒狀態(tài)的應(yīng)答器仍維持它的狀態(tài)9/11/202367RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)CLOSESLOT命令：STANDBYROUND命令：確認(rèn)來自一個(gè)應(yīng)答器的有效應(yīng)答，并指示該應(yīng)答器進(jìn)入選擇狀態(tài)，閱讀器可以發(fā)送選擇標(biāo)志為1的讀寫命令等對(duì)此應(yīng)答器進(jìn)行操作；指示所有處于循環(huán)激活狀態(tài)的應(yīng)答器進(jìn)入循環(huán)準(zhǔn)備狀態(tài)，等待NEXTSLOT，NEWSLOT或CLOSESLOT命令的到來，重新進(jìn)入循環(huán)激活狀態(tài)進(jìn)入新的循環(huán)9/11/202368RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制命令及狀態(tài)轉(zhuǎn)換SELECT〔bySUID〕命令：無論應(yīng)答器原先處于場內(nèi)哪個(gè)狀態(tài)〔不含離場狀態(tài)〕，接收到該命令且SUID匹配時(shí)進(jìn)入選擇狀態(tài)，并發(fā)回應(yīng)答幀；SUID不匹配的應(yīng)答器不發(fā)回應(yīng)答幀，當(dāng)它處于循環(huán)激活狀態(tài)時(shí)變遷到循環(huán)準(zhǔn)備狀態(tài)，處于選擇狀態(tài)時(shí)變遷到靜默狀態(tài)，處于就緒、靜默或循環(huán)準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)保持狀態(tài)不變READBLOCKS命令：GETSYSTEMINFORMATION命令：獲取應(yīng)答器的有關(guān)系統(tǒng)信息9/11/202369RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)TYPEA的防碰撞過程1、啟動(dòng)防碰撞過程：閱讀器發(fā)出INITROUND命令啟動(dòng)防碰撞過程，在命令中給出循環(huán)空間大小2、參與防碰撞過程的應(yīng)答器對(duì)命令的處理9/11/202370RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)3、閱讀器發(fā)出INITROUND命令后出現(xiàn)的三種可能情況閱讀器在一個(gè)時(shí)隙中沒有檢測到應(yīng)答幀時(shí)，它發(fā)出CLOSESLOT命令。閱讀器檢測到碰撞或錯(cuò)誤的CRC時(shí)，在確認(rèn)無應(yīng)答器仍在傳輸應(yīng)答的情況下，發(fā)出CLOSESLOT命令。閱讀器接收到一個(gè)應(yīng)答器無過失的應(yīng)答幀時(shí)，它發(fā)送NEXTSLOT命令，命令中包括該應(yīng)答器的簽名，對(duì)此已被識(shí)別的應(yīng)答器進(jìn)行確認(rèn)，使它進(jìn)入靜默狀態(tài)以便循環(huán)的繼續(xù)9/11/202371RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)4、接收到CLOSESLOT命令或NEXTSLOT而簽名不匹配的參與循環(huán)的應(yīng)答器將自己的時(shí)隙計(jì)數(shù)器加1并和所選擇的隨機(jī)數(shù)比較以決定該時(shí)隙是否發(fā)回應(yīng)答幀，并根據(jù)本次循環(huán)時(shí)的時(shí)隙延遲標(biāo)志決定發(fā)回應(yīng)答幀的時(shí)延9/11/202372RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)TYPEA的防碰撞過程5、閱讀器按第〔3〕步中的三種情況處理，直至該循環(huán)結(jié)束〔到達(dá)了循環(huán)空間預(yù)置值〕6、一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，如果在INITROUND命令或CLOSESLOT命令中重復(fù)循環(huán)標(biāo)志位置為1，那么自動(dòng)開始一個(gè)新的循環(huán)。如果重復(fù)循環(huán)標(biāo)志位為0，閱讀器可以決定用新的INITROUND命令或NEWROUND命令繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)以完成防碰撞過程7、在一次循環(huán)中，閱讀器可以通過發(fā)送STANDBYROUND命令來確認(rèn)簽名匹配的應(yīng)答器的有效應(yīng)答，并指示該應(yīng)答器進(jìn)入選擇狀態(tài)，同時(shí)讓簽名不匹配的應(yīng)答器進(jìn)入循環(huán)準(zhǔn)備狀態(tài)，以便在后續(xù)命令來到時(shí)將循環(huán)繼續(xù)。9/11/202373RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)TYPEB〔與TYPEA相類比〕物理接口命令和應(yīng)答的幀格式數(shù)據(jù)元素應(yīng)答器的存儲(chǔ)器應(yīng)答器的狀態(tài)命令強(qiáng)制和推薦的命令防碰撞算法9/11/202374RFID

的ISO

IEC標(biāo)準(zhǔn)TYPEBTYPEB防碰撞流程9/11/202375RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-7標(biāo)準(zhǔn)物理層使用窄帶UHF頻段。載波頻率為433.92MHz±20ppm采用FSK調(diào)制方式，頻率偏移為±35kHz，邏輯0的頻率為fc〔載波頻率〕－35kHz，邏輯1的頻率為fc＋35kHz。數(shù)據(jù)位采用曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)速率為27.7kbps閱讀器和應(yīng)答器之間的通信采用主從方式數(shù)據(jù)鏈路層9/11/202376RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層前同步碼：包含20個(gè)周期為60μs的脈沖，高電平30μs，低電平30μs數(shù)據(jù)字節(jié)：包括8個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位，采用曼徹斯特編碼，位持續(xù)時(shí)間為36μs，字節(jié)周期〔含停止位〕為324μs。CRC碼：多項(xiàng)式為x16+x12+x5+1包結(jié)束符9/11/202377RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)命令格式閱讀器命令格式

域命令前綴命令類型擁有者ID應(yīng)答器ID閱讀器ID命令編碼參數(shù)CRC位長字節(jié)（31H）1字節(jié)3字節(jié)4字節(jié)2字節(jié)1字節(jié)N字節(jié)2字節(jié)9/11/202378RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答格式對(duì)播送命令應(yīng)答的信息格式對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)命令應(yīng)答的信息格式域應(yīng)答器狀態(tài)信息長度IntID應(yīng)答器ID擁有者ID用戶ID數(shù)據(jù)CRC位長2字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)4字節(jié)3字節(jié)0~16字節(jié)0~N字節(jié)2字節(jié)域應(yīng)答器狀態(tài)信息長度IntID應(yīng)答器ID命令編碼參數(shù)CRC位長2字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)4字節(jié)1字節(jié)N字節(jié)2字節(jié)9/11/202379什么是ZigBee？傳感網(wǎng)絡(luò)通信的幾個(gè)階段和模式：自動(dòng)控制：電腦＋智能器件；傳感網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)＋傳感器；ZigBee：網(wǎng)絡(luò)＋傳感器＋通信協(xié)議，是一種無線個(gè)域網(wǎng)〔LR-WPAN〕；由于無線通信組網(wǎng)技術(shù)使用的設(shè)備種類繁多，各種設(shè)備的技術(shù)參數(shù)并不相同，所以無線通信組網(wǎng)會(huì)經(jīng)常遇到麻煩。但是由于ZigBee制定了相應(yīng)的協(xié)議，所以化解了這一困難。9/11/202380什么是ZigBee？多信道的無線通信裝置＋微控制器，集成在芯片上封裝。具體就是8位微處理器與射頻收發(fā)模塊封裝，接上電阻、電容、晶振，加上A/D、D/A、I/O接口和控制電路。也有把這些器件都封裝在一起的。再加上相應(yīng)的無線通信〔協(xié)議?！澈烷_發(fā)的應(yīng)用軟件?？梢?，這實(shí)際上是一種智能控制節(jié)點(diǎn)，也就是無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。也有人將其稱為“無線單片機(jī)〞。ZigBee技術(shù)誕生剛剛4、5年，ZigBee聯(lián)盟是2002年成立的其標(biāo)準(zhǔn)ZigBee1.0是2004年公布的。目前這一技術(shù)開展很快。9/11/202381什么是ZigBee？技術(shù)特點(diǎn)：工作頻率：2.4GHz為主要頻段〔16格250kbps信道〕，也可以在915MHz〔10個(gè)40kbps信道〕，868MHz〔1個(gè)20kbps信道〕；更重要的是，這幾個(gè)頻段都是不需要注冊(cè)、批準(zhǔn)的，稱為免許可通信頻段；低速率：幾十Kbps；近距離：幾米－幾十米，最大可以到達(dá)1－3Km，如果需要加大通信和控制距離，可以采用多跳的方式接力；微功耗：速率低、數(shù)據(jù)量小，所以信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短，多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，所以極其節(jié)能。一般一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用一節(jié)電池可以工作0.5－2年甚至更長；低復(fù)雜度：ZigBee的協(xié)議棧比WiFi、蘭牙簡單，對(duì)于通信的控制要求也不高，通常采用8位單片機(jī)即可。低價(jià)格：一般在幾十元甚至更低；9/11/202382什么是ZigBee？短延時(shí)：ZigBee從休眠狀態(tài)激活，或者活動(dòng)設(shè)備的信道接入時(shí)延一般在15，設(shè)備搜索的時(shí)延在30ms。所有也適合于工業(yè)控制和無線控制技術(shù)；組網(wǎng)靈活：通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成星狀、樹狀、網(wǎng)狀等各種類型的網(wǎng)絡(luò)，非常靈活，同時(shí)允許設(shè)備的參加、退出，并且改變網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)；采用載波偵聽/沖突檢測CSMA/CA、握手傳輸，所以數(shù)據(jù)的傳輸可靠；9/11/202383什么是ZigBee？大容量：ZigBee可以有三種工作方式，即個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以包含256個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括一個(gè)主控設(shè)備，其余是附屬設(shè)備。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，那么可以支持64000個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還可以相互連接，所以適合大面積的傳感器網(wǎng)絡(luò)；適于網(wǎng)絡(luò)的自配置：ZigBee可以采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，絕對(duì)數(shù)北可以隨時(shí)參加和退出，適于自配置、自組織的網(wǎng)絡(luò)9/11/202384什么是ZigBee？平安模式：提供循環(huán)冗余〔CRC〕的數(shù)據(jù)包完整性校驗(yàn)，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，通過三級(jí)平安處理：第一級(jí)：無平安方式；第二級(jí)：設(shè)備可以使用接入控制列表〔ACL〕防止非法設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，本級(jí)不加密；第三級(jí)：在數(shù)據(jù)傳輸中采用AES－128的對(duì)稱密碼來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷，防止攻擊者假冒合法設(shè)備；9/11/202385什么是ZigBee？由于物聯(lián)網(wǎng)的開展，可能使ZigBee得到極廣泛的應(yīng)用，如家庭、辦公室、公共場所等地方。ZigBee是得到國際標(biāo)準(zhǔn)化組織成認(rèn)和標(biāo)準(zhǔn)的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)或者傳感網(wǎng)的重要應(yīng)用。9/11/202386ZigBee的應(yīng)用智能家居：可以把各種家用電器及其遙控器，甚至照明、通信設(shè)備、門禁、游戲玩具，都可以組成家庭的智能中心，并且實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)；智能交通：在街道、高速公路、建筑物等地布置大量的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備，可以加強(qiáng)汽車與外界的聯(lián)系更加緊密，國家智能化；智能建筑：建筑內(nèi)的人員管理、溫度控制、能源管理〔節(jié)能〕、防火、信息交互等；醫(yī)院應(yīng)用：搜集病人的各種信息和檢查的結(jié)果，配有ZigBee的擔(dān)架，可以直接控制電梯的門；9/11/202387ZigBee的協(xié)議架構(gòu)－802.15協(xié)議簇LR-WPAN：無線個(gè)域網(wǎng)，屬于低速無線個(gè)域網(wǎng)，協(xié)議屬802.15：：中速無線個(gè)域網(wǎng)，蘭牙；：高速無線個(gè)域網(wǎng)，超寬帶，〔UWB〕：低速無線個(gè)域網(wǎng)，LR-WPAN，主要為電源能力受限、吞吐量要求不高、無線應(yīng)用提供低本錢的連接；9/11/202388ZigBee的協(xié)議架構(gòu)－802.15協(xié)議簇共27個(gè)信道：2450MHz16g個(gè),915MHz10個(gè)，868MHz1個(gè)；支持250kbps、40kbps、20kbps三種速率；支出星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；分配16位短地址或16位擴(kuò)展地址；支持時(shí)隙保證機(jī)制，通過預(yù)留保證時(shí)隙〔GTS〕提供無競爭媒體訪問，或?qū)崿F(xiàn)CSMA/CA以防止競爭；確認(rèn)握手保證傳輸?shù)目煽啃?；低功耗，可以能量檢測；有鏈路質(zhì)量指標(biāo)；9/11/202389ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹稹稹稹瘛瘛瘛瘛瘛馪AN協(xié)調(diào)器○●○PAN協(xié)調(diào)器LR-WPAN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜喕δ茉O(shè)備RFD全功能設(shè)備FFD●星狀拓?fù)潼c(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/11/202390ZigBee的簇樹網(wǎng)絡(luò)－多個(gè)鄰近簇連接成網(wǎng)●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●○○○○○○PAN協(xié)調(diào)器CID1CID2CID3CID4CID5簇首設(shè)備ZigBee的簇樹網(wǎng)絡(luò)9/11/202391ZigBee協(xié)議架構(gòu)ZigBee協(xié)議包括：：物理層協(xié)議；媒體訪問控制層：MAC；ZigBee聯(lián)盟：網(wǎng)絡(luò)層〔NWK〕應(yīng)用