《物聯(lián)網技術與應用》課件-4. RFID技術

物聯(lián)網技術與應用4.1RFID技術概述知識目標掌握RFID的概念、特點；了解RFID技術的發(fā)展歷史與趨勢。能力目標明確RFID技術在物聯(lián)網中的作用。思政目標培養(yǎng)學生的愛國主義情懷和較高的政治素質。物聯(lián)網技術與應用02RFID與物聯(lián)網的關系03RFID技術的發(fā)展01RFID技術的概念與特點物聯(lián)網技術與應用目錄Part01RFID技術的概念與特點物聯(lián)網技術與應用RFID技術，即射頻識別技術，是一種利用射頻信號和空間耦合方式，實現(xiàn)無接觸的信息傳輸，并通過所傳輸的信息自動識別物理對象的無線通信技術。RFID技術無須人工干預，可以識別高速運動的物體，可以同時識別多個目標對象，可以實現(xiàn)數據遠程讀取，還可以工作于各種惡劣環(huán)境。俗稱電子標簽(E-Tag)。從RFID概念中我們可以看到：RFID技術實現(xiàn)的基礎是利用電磁能量實現(xiàn)自動識別與數據采集，而電磁能量是自然界存在的一種能量形式。獲取和使用都非常方便。另外，RFID是一種無線通信技術，利用無線電波進行雙向通信，來識別目標并讀寫相關數據，無需識別系統(tǒng)與目標之間建立機械或光學接觸。通俗點概括，就是條碼掃描進階成了無線感應。RFID的特點非接觸讀取距離由數公分到數公尺自動讀取無需人工干預可遮蓋有遮蔽物（除金屬、液體）也可識別輕薄短小可多樣化地貼附于對象人/物個體識別芯片單體上有個體標識符串，可個別管理物品RFID的特點環(huán)境時間性耐污、耐振、耐撞、長期性移動讀寫移動中也可讀取、寫入同時多筆讀取可同時讀取多筆標簽可抹寫數據可重復抹寫比如標簽成本較高，不能隨意扔掉等等。但是制約射頻識別系統(tǒng)發(fā)展的主要問題是不兼容的標準。導致不同的應用、行業(yè)采用不同的頻率和協(xié)議標準，這種混亂和割據的狀況制約了整個行業(yè)的發(fā)展。這也成為了目前RFID技術發(fā)展需要面臨和解決的問題。而標準化必將刺激射頻識別技術的快速發(fā)展和廣泛應用。RFID技術的一些缺點Part02RFID與物聯(lián)網的關系物聯(lián)網技術與應用

RFID技術與互聯(lián)網、移動通訊等技術相結合，可以實現(xiàn)全球范圍內物體的跟蹤與信息的共享，從而給物體賦予智能，實現(xiàn)人與物體以及物體與物體的溝通和對話，最終構成連通萬物的物聯(lián)網。RFID技術是物聯(lián)網的基石。RFID是物聯(lián)網系統(tǒng)感知層一種重要的信息采集技術RFID技術將物聯(lián)網的觸角伸到了物體之上。在物聯(lián)網環(huán)境中，RFID將“智能”嵌入到物理對象當中，讓再簡單的物理對象也能“開口說話”01在物聯(lián)網環(huán)境中，RFID讓物理對象在無源環(huán)境下實現(xiàn)“被動智能”，為“物與物相聯(lián)”提供根本保障04在物聯(lián)網環(huán)境中，RFID以類似于互聯(lián)網中計算節(jié)點的“IP地址”的方式，讓物理對象被唯一地識別02在物聯(lián)網環(huán)境中，RFID提供了一種低成本的通信方式來實現(xiàn)節(jié)點間的有效溝通03

RFID與物聯(lián)網Part03RFID技術的發(fā)展物聯(lián)網技術與應用RFID的發(fā)展目前，RFID技術應用己經處于全面推廣的階段。特別是對于IT業(yè)而言，RFID技術被視為IT業(yè)的下一個“金礦”。RFID的發(fā)展現(xiàn)狀歐盟統(tǒng)計辦公室的統(tǒng)計數據表明，2010年，歐盟有3%的公司應用RFID技術，應用分布在身份證件和門禁控制、供應鏈和庫存跟蹤、汽車收費、防盜、生產控制、資產管理。我國在RFID技術的研究方面也發(fā)展很快，市場培育已初步開花結果。比較典型的是在中國鐵路車號自動識別系統(tǒng)建設中，推出了完全擁有自主知識產權的遠距離自動識別系統(tǒng)。RFID的發(fā)展現(xiàn)狀中國智慧中國力量中國制造課堂小結在物聯(lián)網中物品能夠彼此進行“交流”，其實質就是利用RFID技術等自動識別技術，實現(xiàn)對全球范圍內物品的跟蹤與信息共享。相比條碼識別、生物識別等其他自動識別技術，RFID無需直接接觸、無需光學可視、無需人工干預，即可完成信息輸入與處理，具有操作方便快捷，可識別高速運動物體等特點，應用領域更加廣泛。RFID技術是一種自動識別技術，它利用射頻信號實現(xiàn)無接觸信息傳遞，從而達到自動識別物理對象的目的。物聯(lián)網技術與應用4.2RFID的組成知識目標掌握RFID的系統(tǒng)組成結構。能力目標理解閱讀器和標簽的具體功能。學會設計簡單射頻識別系統(tǒng)。思政目標激勵學生努力創(chuàng)新、奮發(fā)向上，提升實踐應用素養(yǎng)。物聯(lián)網技術與應用02閱讀器03標簽01RFID系統(tǒng)組成物聯(lián)網技術與應用目錄Part01RFID系統(tǒng)組成物聯(lián)網技術與應用RFID系統(tǒng)由五個組件構成，包括：傳送器、接收器、微處理器、天線、標簽。傳送器、接收器和微處理器通常都被封裝在一起，又統(tǒng)稱為閱讀器(Reader)，所以工業(yè)界經常將RFID系統(tǒng)分為為閱讀器、天線和標簽三大組件。閱讀器（Reader）讀取（有時還可以寫入）標簽信息的設備，包括天線（Antenna）RFID組成標簽（Tag）由耦合元件及芯片組成，附著在物體上標識目標物品，每個標簽具有唯一的電子編碼。Part02閱讀器物聯(lián)網技術與應用工作模式一般是主動向標簽詢問標識信息，又被稱為詢問器（Interrogator）功能：與標簽通信

天線、空間信道與計算機通信

應用程序接口APIRFID閱讀器組成部分：邏輯控制模塊射頻模塊天線射頻模塊（高頻接口）控制處理模塊天線射頻能量、信號調制、信號解調身份驗證控制通信數據加密解密實現(xiàn)接口規(guī)范執(zhí)行防碰撞算法發(fā)射能量信息接收標簽信息將發(fā)送給電子標簽的信號調制到閱讀器載頻信號上，形成已調制的發(fā)射信號，經天線發(fā)射出去由射頻振蕩器產生射頻能量，射頻能量一部分用于閱讀器，另一部分通過天線發(fā)送給電子標簽，為其提供能量；將電子標簽返回給閱讀器的回波信號解調，提取出電子標簽發(fā)送的信號，并將電子標簽信號進行放大處理。010203射頻模塊功能閱讀器的邏輯控制模塊是整個閱讀器工作的控制中心，一般由微處理器、時鐘電路、應用接口以及電源組成。閱讀器在工作時由邏輯控制模塊發(fā)出指令，射頻接口模塊按照指令做出相應操作。邏輯控制模塊可以接收射頻模塊傳輸的信號，譯碼后獲得電子標簽內信息，或將要寫入標簽的信息編碼后傳遞給射頻模塊，完成寫標簽操作；還可以通過標準接口將標簽內容和其他的信息傳遞給外部設備邏輯控制模塊作用是發(fā)射電磁能量以激活電子標簽，并向電子標簽發(fā)出指令，同時也要接收來自電子標簽的信息。閱讀器可以連接一個或多個天線。RFID系統(tǒng)的工作頻率從低頻到微波，這使得天線與標簽芯片之間的匹配問題變得很復雜。閱讀器天線閱讀器沒有一個確定的形式，根據數據管理系統(tǒng)的功能、讀寫器的使用環(huán)境和設備制造商的生產習慣，讀寫器具有各種各樣的結構和外觀形式。有時為了方便，閱讀器和天線以及智能終端設備會集成在一起形成可移動的手持式閱讀器。Part03標簽物聯(lián)網技術與應用射頻標簽相當于條碼技術中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸的信息。與條碼不同的是，標簽必須能夠自動或在外力作用下，把存儲的信息主動發(fā)射出去。電子標簽也稱應答器，是RFID系統(tǒng)的數據載體，由芯片（IC）和天線兩個主要部分構成。標簽芯片是電子標簽的核心部分，它的功能包括標簽信息存貯、標簽接收信號的處理和標簽發(fā)射信號的處理；天線是電子標簽發(fā)射和接收無線信號的裝置。天線芯片對接收和發(fā)送的信息進行處理對天線收到的信號進行解調、解碼等，并對標簽需要發(fā)送的信號進行編碼和調制，以及執(zhí)行防碰撞算法和存儲數據等無線信號的收發(fā)裝置接收閱讀器發(fā)射的射頻信號將芯片數據發(fā)送給閱讀器決定了標簽的尺寸天線是一種專門設計用來耦合、輻射電磁能量的導體結構。常見電子標簽天線：線圈型天線微帶貼片型天線偶極子天線標簽芯片一般包括射頻前端/模擬前端和數字電路等模塊。對射頻信號進行整流和調制解調對數字信號進行編碼/解碼以及防碰撞協(xié)議處理；對存儲器進行讀寫獲得最初信號確保穩(wěn)定的電壓供應通信過程：標簽進入RFID閱讀器掃描場后，接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號，主動發(fā)送某一頻率的信號（主動式標簽），或憑借感應電流獲得的能量發(fā)送存儲在芯片中的電子編碼（被動式標簽）將電子標簽天線輸入的射頻信號整流為標簽工作的直流能量提供時鐘信號（1）只讀標簽存儲器（2）一次寫入只讀標簽存儲器（3）可讀寫實現(xiàn)反射調制為了滿足不同的應用需求，電子標簽的結構形式多種多樣。課堂小結閱讀器通過封裝在其內部的射頻模塊和控制處理模塊，完成對信號的加密、編碼、調制、解調、解碼、解密以及通信控制等功能；標簽借助其內部的模擬射頻接口和數字電路模塊進行信號的編碼、調制、解調、解碼等處理，二者通過其內置天線完成能量與數據信號的發(fā)送和接收工作。RFID系統(tǒng)的基本組成包括閱讀器和標簽兩個部分。物聯(lián)網技術與應用4.3RFID的工作原理知識目標掌握RFID的系統(tǒng)工作流程及信號傳輸方式。能力目標具備區(qū)分RFID系統(tǒng)信號傳輸方式適用場景的能力。思政目標培養(yǎng)、提升學生理論應用和實踐創(chuàng)新素養(yǎng)。物聯(lián)網技術與應用02耦合方式01RFID系統(tǒng)工作流程物聯(lián)網技術與應用目錄Part01RFID系統(tǒng)工作流程物聯(lián)網技術與應用閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號；當電子標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產生感應電流，它獲得能量被激活，并將自身編碼等信息通過卡內置發(fā)送天線發(fā)送出去；閱讀器天線接收到從電子標簽發(fā)送來的載波信號，經天線調節(jié)器傳送到閱讀器，并對接收的信號進行解調和解碼，然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理；主系統(tǒng)根據邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作。Part02耦合方式物聯(lián)網技術與應用閱讀器與標簽之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間（無接觸）耦合，在耦合通道內，根據時序關系，實現(xiàn)能量的傳遞、數據的交換。閱讀器和電子標簽之間射頻信號的傳輸主要有2種方式：

電感耦合方式

電磁反向散射方式變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據的是電磁感應定律電感耦合（近場方式）適用于中、低頻工作的近場射頻識別系統(tǒng)識別距離<1米，典型作用距離為10~20厘米。典型工作頻率：125KHz225KHz和13.56MHz兩個電感線圈在同一介質中，相互的電磁場通過該介質傳導到對方，形成耦合。最常見的電感耦合就如變壓器，由一個波動的電壓在一個線圈（稱為一次繞組）內產生磁場，在同一個磁場中的另外一組或幾組線圈（稱為二次繞組）上，就會感應出相應比例的電壓（與一次繞組和二次繞組的匝數有關）。電感耦合方式一般適用于高低頻工作的近距離RFID。電感耦合的原理由于閱讀器產生的磁場強度受到電磁兼容性能有關標準的限制，所以系統(tǒng)的工作距離較近。閱讀器向標簽的數據傳輸可以采用多種數字調制方式，通常為輻移鍵控（ASK）。電感耦合方式的標簽幾乎都是無源的，其能量是從閱讀器所發(fā)送的電波中獲取的。雷達模型，發(fā)射出去的電磁波遇到目標后反射，同時攜帶回目標信息，依據的是電磁波的空間傳播規(guī)律。電磁反向散射耦合（遠場方式）適用于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)。識別距離>1米，典型作用距離3~10米。典型工作頻率：433MHz915MHz2.45GHz5.8GHz閱讀器和標簽之間采用電磁波進行信息的傳輸。電磁反向散射耦合的原理芯片用自身的標識號對標簽芯片阻抗進行變換，當標簽天線和芯片之間的阻抗匹配不好時，則幾乎全部反射信號。這樣，反射信號就出現(xiàn)了振幅的變化。類似于反射信號進行幅度調制處理。閱讀器通過接收此反射信號，判斷該標簽的標識號進行識別。閱讀器發(fā)出未經調制的電磁波，位于遠場的標簽天線接收到電磁波信號并產生感應電壓，標簽內部電路將其電壓進行整流、放大，激活標簽芯片。課堂小結RFID操作中的一個關鍵技術，是通過天線進行耦合。天線的耦合主要分為電感耦合和電磁反向散射耦合。電感耦合方式的標簽幾乎都是無源的，其能量是從讀寫器所發(fā)送的電波中獲取的，且工作距離比較近，作用距離為10~20cm。電磁反向散射耦合依據的是電磁波的空間傳播規(guī)律，工作距離可達3~10m。閱讀器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給標簽，用來驅動標簽電路將內部的數據送出，然后，閱讀器便依序接收并解讀數據，送給應用程序做相應的處理。物聯(lián)網技術與應用4.4RFID的分類與應用知識目標掌握RFID的概念、特點；熟悉各種RFID系統(tǒng)分類方式。能力目標對各類標簽加以區(qū)分的能力和選擇系統(tǒng)應用場景的能力。思政目標培養(yǎng)學生面向應用分析問題和解決問題的素質。物聯(lián)網技術與應用02根據標簽供電方式分類03根據數據調制方式分類04根據工作頻率分類01RFID系統(tǒng)分類方式物聯(lián)網技術與應用目錄Part01RFID系統(tǒng)分類方式物聯(lián)網技術與應用RFID系統(tǒng)又很多不同的分類方式RFID技術表面波（SAW）RFID芯片（IC）RFID供電方式有源系統(tǒng)無源系統(tǒng)半有源系統(tǒng)數據調試方式主動式系統(tǒng)被動式系統(tǒng)半主動式系統(tǒng)系統(tǒng)工作頻率低頻系統(tǒng)高頻系統(tǒng)超高頻系統(tǒng)微波系統(tǒng)混頻系統(tǒng)可讀寫性能只讀系統(tǒng)一次寫入多次讀出系統(tǒng)讀寫系統(tǒng)工作時許讀寫器先講系統(tǒng)標簽先講系統(tǒng)其他RFID（WLAN）等Part02根據標簽供電方式分類物聯(lián)網技術與應用主要是依據射頻標簽工作所需能量的供給方式。有源—標簽內部有電池提供電源，主動發(fā)射信號。

電池供電識別距離遠可達幾百米無源—不含有電池，利用閱讀器發(fā)射的電磁波進行耦合來為自己提供能量。體積小成本低但識別距離短半有源—標簽帶有電池，但是電池只起到對標簽內部電路供電的作用，標簽本身并不發(fā)射信號。電池輔助供電識別距離較遠根據標簽的供電方式分類Part03根據數據調制方式分類物聯(lián)網技術與應用通常，無源系統(tǒng)為被動式，有源系統(tǒng)為主動式，半有源系統(tǒng)為半主動式。主動式標簽使用自身的射頻能量主動發(fā)送數據給閱讀器；被動式使用調制散射方式發(fā)射數據，它必須利用閱讀器的載波來調制自己的信號；12半主動式電池支援式反向散射調試系統(tǒng)。有電源，只對標簽內部數字電路供電。標簽不通過自身能量主動發(fā)送數據，只有被閱讀器的能量場激活，才通過反向散射調制方式傳輸自身數據。3Part04根據工作頻率分類物聯(lián)網技術與應用低頻—(LowFrequency，LF)——30～300kHz(ISO14223)常見工作頻率：125kHz、134.2kHz，無源，電感耦合方式，<1m主要優(yōu)勢：不受無線電頻率管制和約束，可穿透水、有機組織和木材等；非常適合近距離、低速率、數據量較少的識別應用。典型應用：畜牧業(yè)管理系統(tǒng)、汽車防盜系統(tǒng)、無鑰匙開門系統(tǒng)、馬拉松賽跑系統(tǒng)、自動停車收費系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、自動加油系統(tǒng)、酒店門鎖系統(tǒng)、門禁和安全管理系統(tǒng)、貨物跟蹤系統(tǒng)、動物識別系統(tǒng)、容器識別系統(tǒng)工具識別系統(tǒng)、電子門鎖防盜（帶有內置標簽的汽車鑰匙）系統(tǒng)等。閱讀器發(fā)送無線信號時所使用的頻率被稱為RFID系統(tǒng)的工作頻率。高頻-(HighFrequency,HF)——3~30MHz(ISO15693,ISO14443)常見高頻工作頻率為：13.56MHz，無源，電感耦合方式，>1m主要優(yōu)勢：可通過腐蝕印制方式制作天線。省電、廉價、工作頻率不受無線電頻率管制和約束，可穿透水、有機組織和木材等；方便制作成卡狀，主要用于需要傳送大量數據的場合。典型應用：圖書管理系統(tǒng)。瓦斯鋼瓶管理系統(tǒng)，服裝生產線系統(tǒng)，物流管理系統(tǒng)三表預收費系統(tǒng)酒店門鎖系統(tǒng)大型會議人員通道系統(tǒng)固定資產管理系統(tǒng)醫(yī)藥物流系統(tǒng)智能貨架系統(tǒng)電子車票系統(tǒng)身份證系統(tǒng)電子閉鎖防盜系統(tǒng)（電子遙控門鎖控制器）等。超高頻-(UntraHighFrequency,UHF)——300～968MHZ(ISO18000)常見的工作頻率為：869.5MHz、915.3MHz，無源，電容耦合方式，10m主要特點：傳送數據速度快，傳送數據量大，讀寫距離遠，但耗能，穿透力差，作業(yè)區(qū)域不能有太多干擾，主要用于需要較長的讀寫距離和較高的讀寫速度的場合。典型應用：供應鏈管理系統(tǒng)、生產線自動化管理系統(tǒng)、航空包裹管理系統(tǒng)、集裝箱管理系統(tǒng)、鐵路包裹管理系統(tǒng)、后勤管理系統(tǒng)、鐵路車輛識別系統(tǒng)、集裝箱識別系統(tǒng)、公路車輛識別系統(tǒng)、高速公路自動收費系統(tǒng)、自動公路系統(tǒng)等。微波-(MicroWave,MW)_——使用頻段在1GHz以上常見工作頻率：2.45GHz及5.8GHz,無源/有源，電磁耦合方式，4~6m主要優(yōu)勢：讀寫天線一般為定向天線，數據存儲容量一般限定在2k以內，主要用于標志物品并且為非接觸式的識別過程。典型應用：移動車輛識別、電子身份證、倉儲物流、電子閉鎖防盜（電子遙控門鎖控制器）等系統(tǒng)。02只讀系統(tǒng)（標簽內部只有只讀存儲器（ROM））讀寫系統(tǒng)一次性寫入多次讀出系統(tǒng)讀寫器先講系統(tǒng)（ReaderTalkFirst，RTF）標簽先講系統(tǒng)（TagTalkFirst，TTF）標簽的可讀寫性能標簽與閱讀器簡單工作時序01課堂小結供電方式有源無源半有源數據調制方式主動被動半主動工作頻率低頻（LF）高頻（HF）超高頻（UHF）微波（MW）物聯(lián)網技術與應用4.5智能建造中RFID技術的應用知識目標熟悉RFID應用系統(tǒng)的設計及其相關應用。能力目標掌握RFID技術應用系統(tǒng)分析、設計能力。思政目標培養(yǎng)學生初步具備選擇適合技術，確定設計目標和技術方案的職業(yè)素養(yǎng)。物聯(lián)網技術與應用02應用案例——施工人員安全帽考勤系統(tǒng)01RFID在智能建造領域的應用物聯(lián)網技術與應用目錄Part01RFID在智能建造領域的應用物聯(lián)網技術與應用在AGV送料車下方安裝RFID讀寫器，在送料車上放置托盤、料架、料箱等貨物進行運輸，由RFID讀寫器識別軌道節(jié)點上的RFID地標來選擇站點進行送料。在物料循環(huán)運送路線上的軌道節(jié)點處安裝寫有站點編碼的RFID地標，車間操作人員在點料端呼叫所需物料，中央調度系統(tǒng)調度對應AGV開始運送物料。（1）AGV送料車AGV行駛途中，車身下方RFID讀寫器主動識別RFID地標中存儲的位置信息后反饋給PLC控制器（控制系統(tǒng)模塊），PLC接收編碼數據并處理信息后，控制AGV送料車按送料路線選擇正確站點?？俊＃?）AGV送料車物料送達站點后AGV送料車可根據指令進行下一站點的物料運送，所有送料指令完成后，送料車按設定路線返回起點完成空車回收。其他類型AGV應用中，也可通過自動識別行駛路線上的RFID地標，實現(xiàn)AGV在正確站點?？?。（1）AGV送料車應用RFID技術針對裝配式預制混凝土構件、混凝土試塊等制作過程數據可追溯管理。（2）預制混凝土構件生產追溯系統(tǒng)生產工廠根據生產計劃將預制件的相關數據寫入至RFID標簽中，RFID標簽用扎帶綁在鋼筋籠上后澆灌水泥，可通過RFID手持機確認該預制件電子身份綁定成功。（2）預制混凝土構件生產追溯系統(tǒng)預制件的質量檢查貫穿整個生產、裝配環(huán)節(jié)，可通過RFID手持機快速識別并記錄該預制件的批次、蒸養(yǎng)記錄、成型日期、脫模檢查、裝配記錄等數據。需質量追溯時，通過RFID手持機可準確獲取對應預制件的全部生產、裝配數據。（2）預制混凝土構件生產追溯系統(tǒng)RFID技術在預制構件中的創(chuàng)新性應用主要體現(xiàn)在運輸階段、現(xiàn)場施工階段以及運營維護階段（3）裝配式建筑全壽命周期管理預制構件在工廠制造完成后，向其植入特制的含有與之相關的各種信息的RFID標簽，目的是為了方便對預制構件在運輸、存儲、吊裝、運營維護過程中進行管理，保證每個構件在生產、運輸、吊裝運營維護等過程中的信息準確無誤。（3）裝配式建筑全壽命周期管理現(xiàn)場施工階段，RFID技術隨時追蹤和監(jiān)控預制構件的儲存和吊裝，以施工現(xiàn)場的無線網絡為媒介及時的傳遞相關信息，同時把RFID與建筑信息模型相結合，保證信息完整，加速信息傳遞，減少了工作人員在錄入信息時潛在的錯誤，可實現(xiàn)零失誤。（3）裝配式建筑全壽命周期管理運營維護管理過程中，建筑物使用情況、