CH射頻識別技術(shù)【更新】

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)李世明副教授/碩士生導(dǎo)師網(wǎng)絡(luò)信息工程教研室Telmail:HSDLSM@163.COMQQ:43242567計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院第4章 射頻識別技術(shù)4.1 自動識別技術(shù)4.2 RFID的工作原理與系統(tǒng)基本部件4.3 RFID系統(tǒng)的安全問題4.4 射頻技術(shù)的應(yīng)用4.5 本章小結(jié)4.6 課后習(xí)題學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)時分配：理論8學(xué)時；重點內(nèi)容：自動識別技術(shù)RFID系統(tǒng)組成與特征RFID工作原理RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)RFID系統(tǒng)的安全問題第4章 射頻識別技術(shù)自動識別技術(shù)產(chǎn)生于20世紀40年代左右，并在70年代開始逐步發(fā)展，近十年得到迅速發(fā)展自動識別技術(shù)是指根據(jù)現(xiàn)實數(shù)據(jù)，利用計算機系統(tǒng)，進行信息化數(shù)據(jù)自動采集和識讀，在實際應(yīng)用中為使用者提供相關(guān)工作的決策信息或自動化裝置等技術(shù)系統(tǒng)的控制信息。是一門以計算機和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)技術(shù)。第4章 射頻識別技術(shù)作為當(dāng)前信息技術(shù)的一個重要分支，自動識別技術(shù)為各個應(yīng)用行業(yè)提供自動識別與數(shù)據(jù)采集技術(shù)為主的信息化產(chǎn)品與服務(wù)，很大程度提高了供應(yīng)鏈的應(yīng)用效率，推動我國信息化建設(shè)，具有廣闊的發(fā)展前景。4.1 自動識別技術(shù)自動識別技術(shù)是指利用一定的自動識別裝置對現(xiàn)實數(shù)據(jù)進行信息化數(shù)據(jù)自動采集和識讀來自動獲取被識別物品的相關(guān)信息，并由后臺計算機處理系統(tǒng)完成相關(guān)后續(xù)處理的一種技術(shù)。在實際應(yīng)用中，自動識別技術(shù)為使用者提供相關(guān)工作的決策信息或自動化裝置等技術(shù)系統(tǒng)的控制信息。4.1 自動識別技術(shù)自動識別技術(shù)以計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)，以信息數(shù)據(jù)自動識讀、自動輸入計算機為重要方法和手段；因此，自動識別技術(shù)的實質(zhì)就是一種高度自動化的信息或數(shù)據(jù)采集技術(shù)，是一門綜合多個學(xué)科的科學(xué)技術(shù)。4.1.1 概述自動識別技術(shù)是一門獨立學(xué)科，擁有龐大的家族體系，主要包含條形碼技術(shù)、磁卡技術(shù)、光學(xué)與圖像識別技術(shù)、射頻識別技術(shù)、語音識別技術(shù)以及生物特征識別技術(shù)等。不同識別技術(shù)具有自己的特征和適用領(lǐng)域，總體發(fā)展呈現(xiàn)多種識別技術(shù)的集成化應(yīng)用，領(lǐng)域不斷拓展，并向縱深方向發(fā)展。4.1.1 概述1．條形碼技術(shù)以條碼為主要表現(xiàn)形式條碼是一組規(guī)則排列的“條”、“空”以及相應(yīng)的數(shù)字，用以表示一定的字符、數(shù)字及符號組成的信息?！皸l”指對光線反射率較低的部分“空”指對光線反射率較高的部分“條”和“空”有各種組合，以構(gòu)成不同的圖形符號4.1.1 概述1．條形碼技術(shù)條碼根據(jù)維數(shù)可分為一維條碼、二維條碼等條碼一旦被破壞后便不能再使用4.1.1 概述1．條形碼技術(shù)一維條碼不斷向二維和三維條碼方向發(fā)展。二維條碼是在水平和垂直兩維空間存儲信息，具有信息容量大、編碼范圍廣、式多樣、尺寸小、糾錯能力強等優(yōu)勢。二維條碼分為兩類：由矩陣代碼和點代碼組成，相關(guān)數(shù)據(jù)是以二維空間的形態(tài)編碼；包含重疊或多行條碼符號，相關(guān)數(shù)據(jù)以成串的數(shù)據(jù)行顯示。4.1.1 概述2．磁卡技術(shù)以磁卡為主要表現(xiàn)形式應(yīng)用了物理學(xué)和磁力學(xué)的基本原理薄薄的由定向排列的鐵磁性氧化粒子組成的材料，用樹脂粘合在一起并涂到諸如紙或塑料這類的非磁性基片上4.1.1 概述2．磁卡技術(shù)磁卡通過事先在卡片中編碼記錄一定的信息，在使用過程中當(dāng)磁卡通過讀卡器的磁頭時，讀取或?qū)懭攵M制編碼信息，其最大的優(yōu)勢是寫數(shù)據(jù)功能3．光學(xué)與圖像識別通過掃描機、攝像機等將印刷品的圖像信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的文本信息，應(yīng)用于辦公室自動化中的文本輸入、郵件自動處理和相關(guān)領(lǐng)域中的自動獲取文本過程等。4.1.1 概述4．射頻識別技術(shù)射頻識別技術(shù)是一種非接觸自動識別技術(shù)，融合無限射頻技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)以及軟件中間件等技術(shù)，非人工干預(yù)進行大量數(shù)據(jù)自動化快速識別、實現(xiàn)處理和信息交互?；趦?yōu)異特性，RFID應(yīng)用廣泛，主要包括物流跟蹤、車輛的自動識別、智能交通系統(tǒng)、生產(chǎn)線自動化及過程控制、動物監(jiān)測與管理、圖書館應(yīng)用等。4.1.1 概述5．語音識別技術(shù)也叫聲音識別技術(shù)將人類語音轉(zhuǎn)化成電信號，再將電信號輸入到具有特定含義和規(guī)范的編碼模式中，從而轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)據(jù)形式，以啟動組織文件、發(fā)出聲音等行為主要應(yīng)用在汽車行業(yè)的制造和檢查任務(wù)、物流倉儲和配送的物品跟蹤、運輸業(yè)的收貨裝車作業(yè)等領(lǐng)域。4.1.1 概述5．語音識別技術(shù)以分批式和實時式兩種形式收集信息。圖4-3IPone電話使用的語音識別技術(shù)4.1.1 概述6．生物特征識別技術(shù)生物識別技術(shù)是指通過計算機對人類自身生理或行為特征進行身份認定，作為身份識別和認證手段主要應(yīng)用在金融證券、海關(guān)、教育等領(lǐng)域?；谌梭w特征不可復(fù)制性的特性，將捕捉到的生物特征與識別系統(tǒng)中的生物特征資料進行匹配，進行身份識別和認證。4.1.1 概述自動識別技術(shù)優(yōu)點缺點條形碼輸入速度快、價格低、可非接觸式識讀、設(shè)備種類多數(shù)據(jù)不可更改、不可用眼直接閱讀、條碼不能重復(fù)使用、受環(huán)境影響大磁卡輸入速度快、數(shù)據(jù)密度高、可更改數(shù)據(jù)不可用眼直接閱讀、不能非接觸式識讀光學(xué)與圖像識別可用眼直接識讀、可掃描輸入速度低、接觸式識讀、數(shù)據(jù)格式有限、設(shè)備價格高射頻識別速度快、可非接觸式識讀、抗環(huán)境能力強、可更改數(shù)據(jù)、可用眼直接識讀設(shè)備價格高、標(biāo)準(zhǔn)尚未達成一致語音識別非接觸式識讀、用聲音代替手技術(shù)不夠成熟、未得到普遍推廣生物特征識別安全性和準(zhǔn)確性高設(shè)備價格高、技術(shù)有待推廣和成熟表4-1六種自動識別技術(shù)優(yōu)缺點比較表4.1.2 射頻識別技術(shù)無線射頻識別技術(shù)（RadioFrequencyIdentification，簡稱RFID）是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號或空間耦合（電感或電磁耦合）的傳輸特性，實現(xiàn)對物體或商品的自動識別。具有抗干擾能力強、信息量大、非視覺范圍讀寫和壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于物流、供應(yīng)鏈、動物和車輛識別、門禁系統(tǒng)、圖書管理、自動收費和生產(chǎn)制造等領(lǐng)域。年代發(fā)展歷程1941-1950年雷達的改進和應(yīng)用催生了RFID技術(shù)，1948年奠定了RFID技術(shù)的理論基礎(chǔ)。1951-1960年為RFID技術(shù)的早期探索階段，主要進行實驗室研究，其相關(guān)理論和技術(shù)尚不成熟。1961-1970年RFID技術(shù)的理論得到了發(fā)展，開始了一些應(yīng)用領(lǐng)域的嘗試。1971-1980年RFID技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)處于快速發(fā)展時期，并出現(xiàn)了一些早期的RFID應(yīng)用。1981-1991年RFID技術(shù)及產(chǎn)品進入商業(yè)應(yīng)用階段，各種規(guī)模應(yīng)用開始出現(xiàn)。1991-2000年RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問題日趨得到重視，RFID產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用，RFID產(chǎn)品逐漸成為人們生活中的必不可少的一部分。2001-至今RFID標(biāo)準(zhǔn)化問題日趨為人們所重視，RFID產(chǎn)品種類更加豐富。有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽及半無源標(biāo)簽均得到了發(fā)展，標(biāo)簽成本不斷降低，行業(yè)的應(yīng)用規(guī)模不斷擴大，促使RFID技術(shù)的理論得到了豐富和完善。特別是世界頭號零售商沃爾瑪宣布大范圍使用RFID和美國軍方宣布軍需物品均使用RFID來進行識別和跟蹤，極大地推動了RFID技術(shù)的研究與應(yīng)用。4.1.2 射頻識別技術(shù)RFID技術(shù)是直接繼承了雷達的概念，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的自動識別技術(shù)無需人工干預(yù)，適用于自動化系統(tǒng)，具有以下特點：識別精度高，可快速準(zhǔn)確的識別物體。采用無線電射頻，可以繞開障礙物，并透過外部材料讀取數(shù)據(jù)，可工作于惡劣的環(huán)境中?？梢酝瑫r對多個物體進行識讀。儲存的信息量大且信息可加密保存，是一般條形碼存貯信息量的幾十倍，甚至上百倍。4.1.2 射頻識別技術(shù)1．技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)RFID系統(tǒng)的互聯(lián)和兼容問題-RFID的標(biāo)準(zhǔn)化RFID的標(biāo)準(zhǔn)化包括標(biāo)識編碼規(guī)范、操作協(xié)議及應(yīng)用系統(tǒng)接口規(guī)范等多個部分。標(biāo)識編碼規(guī)范包括標(biāo)識長度、編碼方法等；操作協(xié)議包括空中接口、命令集合、操作流程等規(guī)范當(dāng)前主要的RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有歐美的EPC標(biāo)準(zhǔn)、日本的UID（UbiquitousID）標(biāo)準(zhǔn)和ISO18000系列標(biāo)準(zhǔn)。4.1.2 射頻識別技術(shù)2．標(biāo)簽成本限制RFID技術(shù)商業(yè)應(yīng)用能否取得成功的關(guān)鍵RFID標(biāo)簽主要由IC芯片、天線和封裝等幾部分構(gòu)成隨著集成電路技術(shù)的進步和應(yīng)用規(guī)模擴大，RFID標(biāo)簽的成本將不斷降低4.1.2 射頻識別技術(shù)3．關(guān)鍵技術(shù)RFID關(guān)鍵技術(shù)的研究主要集中在頻率選擇、天線技術(shù)、低功耗技術(shù)、封裝技術(shù)、定位與跟蹤、防碰撞與安全技術(shù)等。（1）頻率選擇工作頻率的選擇是RFID技術(shù)中的一個關(guān)鍵問題。當(dāng)前RFID工作頻率跨越多個頻段，不同頻段具有各自優(yōu)缺點，它既影響標(biāo)簽的性能和尺寸大小，還影響標(biāo)簽與讀寫器的價格。4.1.2 射頻識別技術(shù)3．關(guān)鍵技術(shù)（2）天線技術(shù)RFID標(biāo)簽通常需要貼在不同類型、不同形狀的物體表面，甚至需要嵌入到物體內(nèi)部。標(biāo)簽和讀寫器天線還分別承擔(dān)接收和發(fā)射能量的作用。如何有效發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，對天線的設(shè)計都提出了嚴格的要求。4.1.2 射頻識別技術(shù)3．關(guān)鍵技術(shù)（3）低功耗技術(shù)無論是有源方式還是無源方式工作的RFID模塊，一個最基本的要求是具備低功耗的特點，以提高卡片的壽命、擴大應(yīng)用場合和提高標(biāo)簽的識別距離。在實際的應(yīng)用中，降低功耗，同保證一定的有效通信距離是同等重要的。因此標(biāo)簽內(nèi)的芯片一般都采用非常苛刻的低功耗工藝和高效節(jié)能技術(shù)。例如，在電路設(shè)計中采用“休眠模式”的設(shè)計技術(shù)，在硬件中采用SMIC0.18μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計實現(xiàn)存儲器和全CMOS結(jié)構(gòu)的電流受限型環(huán)形振蕩器等。4.1.2 射頻識別技術(shù)3．關(guān)鍵技術(shù)（4）封裝技術(shù)由于RFID標(biāo)簽中需要安裝天線、芯片和其它特殊部件，為確保標(biāo)簽的大小、厚度、柔韌性和高溫高壓工藝中芯片電路的安全性，需要特殊的封裝技術(shù)和專門設(shè)備。標(biāo)簽的封裝不但不受標(biāo)準(zhǔn)形狀和尺寸的限制，而且其構(gòu)成也是千差萬別，甚至需要根據(jù)各種不同要求進行特殊的設(shè)計。4.1.2 射頻識別技術(shù)3．關(guān)鍵技術(shù)（5）定位與跟蹤技術(shù)RFID技術(shù)的發(fā)展為空間定位與跟蹤服務(wù)提供了一種新的解決方案。RFID定位與跟蹤系統(tǒng)主要利用標(biāo)簽對物體的惟一標(biāo)識特性，依據(jù)讀寫器與標(biāo)簽之間射頻信號的強度來測量物品的空間位置，主要應(yīng)用于GPS系統(tǒng)難以應(yīng)用的室內(nèi)定位領(lǐng)域。典型的RFID定位與跟蹤系統(tǒng)包括MITOxygen項目開發(fā)的Cricket系統(tǒng)、密歇根州立大學(xué)的LANDMARC系統(tǒng)、微軟公司的RADAR系統(tǒng)。該技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于在礦井內(nèi)對人員的定位和跟蹤上4.1.2 射頻識別技術(shù)3．關(guān)鍵技術(shù)（6）防沖撞技術(shù)隨著有源標(biāo)簽的出現(xiàn)和RFID技術(shù)在高速移動物體中的應(yīng)用，迫切需要讀寫器在有限時間內(nèi)高效快速的識別大量標(biāo)簽。防碰撞算法分為讀寫器和標(biāo)簽防碰撞算法兩種，其中標(biāo)簽防碰撞算法就是要解決在讀寫器有效通信范圍內(nèi)，多個標(biāo)簽同時與讀寫器進行通信的問題。在高頻（HF）頻段，標(biāo)簽的防碰撞算法一般采用ALOHA及相關(guān)算法。在超高頻（UHF）頻段，主要采用二進制搜索算法來避免碰撞。4.1.2 射頻識別技術(shù)3．關(guān)鍵技術(shù)（6）防沖撞技術(shù)常用的防碰撞算法識別時間較長，不能滿足對高速運動標(biāo)簽的識別要求。而大多新算法雖然識別時間較短，但對標(biāo)簽設(shè)計要求較高，如需要增加隨機數(shù)產(chǎn)生器、記位器或延遲器等，很難滿足系統(tǒng)設(shè)計的低成本要求。因此在保持一定復(fù)雜度和成本的條件下，最大限度的減少搜索時間，提高識別效率，是防碰撞算法研究的方向和趨勢。4.1.2 射頻識別技術(shù)3．關(guān)鍵技術(shù)（7）安全技術(shù)隨著RFID技術(shù)的發(fā)展和其在軍事、安全和金融領(lǐng)域中的應(yīng)用，RFID相關(guān)安全技術(shù)對于保護信息安全和用戶隱私變得更加重要。密碼分析學(xué)的不斷發(fā)展和形形色色的“黑客”出現(xiàn)使得基于傳統(tǒng)安全技術(shù)的RFID系統(tǒng)正受到日益嚴重的威脅。由于RFID設(shè)備的特殊性，例如有限的計算能力、有限的存儲空間和電源供給等問題，為RFID系統(tǒng)的安全設(shè)計提出了特殊的要求。因此在全世界范圍內(nèi)，設(shè)計安全、高效、低成本的RFID安全協(xié)議仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的研究課題。4.2RFID的工作原理與系統(tǒng)基本部件RFID技術(shù)通過讀寫器將目標(biāo)物上射頻標(biāo)簽發(fā)出的射頻信號進行自動識別，獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)，不需人工接觸、不需光學(xué)可視即可完成信息的輸入和處理，其操作簡單快捷，廣泛適用于工業(yè)、商業(yè)、金融、教育及安全等各種領(lǐng)域。4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征RFID在自動識別標(biāo)識物體過程中，利用射頻信號空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體所攜帶信息的自動化提取和識別。電感耦合指依據(jù)電磁感應(yīng)規(guī)律，基于變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合；電磁耦合指依據(jù)電磁波空間傳播規(guī)律，基于雷達原理模型，通過發(fā)射的電磁波碰到目標(biāo)后反射同時帶回目標(biāo)信息。法拉第電磁感應(yīng)定律實驗4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征系統(tǒng)的硬件基本組成是相同的，一般由射頻標(biāo)簽、讀寫器和后臺服務(wù)系統(tǒng)三部分構(gòu)成射頻標(biāo)簽由天線及芯片組成，每個芯片都含有惟一的識別碼，粘貼在待識別物體的表面讀寫器是可非接觸地讀取和寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備，它通過網(wǎng)絡(luò)與其他計算機系統(tǒng)進行通信，可設(shè)計為手持式或固定式；4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲和管理，它包含了所有電子標(biāo)簽的信息，并對標(biāo)簽進行讀寫控制。通常認為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與讀寫器之間的通信是安全的，而讀寫器與標(biāo)簽之間的通信是不安全的。4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征圖4-5RFID系統(tǒng)基本組成RFID標(biāo)簽工作原理4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征1．射頻標(biāo)簽RFID標(biāo)簽是一種集成電路產(chǎn)品。相對CPU復(fù)雜的設(shè)計而言，RFID標(biāo)簽設(shè)計比較簡單，一般由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專用芯片（僅包含數(shù)千個邏輯門電路）組成。標(biāo)簽放置在要識別的物體上，是射頻識別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，由耦合元件以及微電子芯片（包含調(diào)制器、編碼發(fā)生器、時鐘及存儲器）組成標(biāo)簽用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔ⅰ?.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征射頻標(biāo)簽可從不同角度進行分類。根據(jù)標(biāo)簽的能量來源可分為有源標(biāo)簽、半有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽；根據(jù)標(biāo)簽的信號調(diào)制方式可分為主動式標(biāo)簽、被動式標(biāo)簽和半被動式標(biāo)簽；根據(jù)標(biāo)簽的可讀寫性可分為只讀標(biāo)簽、讀寫標(biāo)簽和一次寫入多次讀出標(biāo)簽等。用來衡量射頻標(biāo)簽的技術(shù)參數(shù)比較多，包括能量需求、工作頻率、計算能力、封裝形式、內(nèi)存、數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)安全性等等。按封裝材料分類紙質(zhì)封裝RFID標(biāo)簽塑料封裝RFID標(biāo)簽玻璃封裝RFID標(biāo)簽按標(biāo)簽封裝的形狀分類標(biāo)簽分類技術(shù)參數(shù)體現(xiàn)形式能量標(biāo)簽用于通信和執(zhí)行計算的能量可以來自內(nèi)部也可以由外部提供。有源標(biāo)簽功能強大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，但使用壽命較短。無源標(biāo)簽利用耦合的讀寫器發(fā)射的電磁場能量作為自身的工作能量，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小，壽命可以非常長，可以制成各種薄片或掛扣卡，成本較低，但發(fā)射距離受限制。工作頻率工作頻率與識別距離是緊密相關(guān)的，通常把RFID系統(tǒng)的工作頻率定義為讀寫器識別標(biāo)簽時發(fā)送射頻信號所使用的頻率。RFID系統(tǒng)讀寫器發(fā)送的頻率基本上劃歸4個頻段：低頻（30~300KHz）、高頻（3~30MHz）、超高頻（300MHz~3GHz）和微波（2.5GHz以上）。存儲容量存儲容量與標(biāo)簽成本緊密相關(guān)。低成本RFID標(biāo)簽存儲空間極其有限，最便宜的Tag只有64~128bit的ROM，僅僅能容納一個唯一標(biāo)識符。有源讀寫Tag的存儲容量從8~64KB不等，無源讀寫Tag的存儲容量一般不超過1KB。計算能力有些標(biāo)簽沒有計算能力，只用于遠程訪問的存儲容量。另外一些標(biāo)簽設(shè)計功能簡單，相對來說價格便宜，可以執(zhí)行邏輯XOR和AND操作。功能更加強大的標(biāo)簽擁有具有集成對稱加密或者Hash功能的能力。最完善的RFID標(biāo)簽允許進行非對稱加密，但不能歸入低成本標(biāo)簽。數(shù)據(jù)傳輸速率要滿足對快速移動的多目標(biāo)進行識別，要求系統(tǒng)讀取和更新標(biāo)簽的時間越來越短。數(shù)據(jù)傳輸速率是標(biāo)簽很重要的技術(shù)特征之一，分為只讀速率、無源讀取速率和有源讀取速率。傳輸速率隨實際應(yīng)用產(chǎn)品種類的不同而不同。封裝形式通常天線占據(jù)了射頻標(biāo)簽的絕大部分空間，天線尺寸決定著使用頻率和通信距離，所以封裝形式主要取決于標(biāo)簽天線的形狀。根據(jù)不同應(yīng)用的需要，電子標(biāo)簽可封裝成線形、卡片形、盤形、玻璃管形、鑰匙扣形、釘子形、手表形等多種形式。4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征2．讀寫器讀寫器（閱讀器，掃描器，Reader）讀寫器是用來讀或讀/寫標(biāo)簽信息的裝置?；緲?gòu)成分為軟件和硬件兩部分，硬件包含射頻模塊、控制模塊（讀寫模塊）、耦合單元（天線）。讀寫器是RFID系統(tǒng)構(gòu)成的主要部件之一。由于標(biāo)簽的非接觸性質(zhì)，必須借助于位于應(yīng)用系統(tǒng)與標(biāo)簽之間的讀寫器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫功能。4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征2．讀寫器天線是讀寫器發(fā)射和接收射頻載波信號的裝置，讀寫器的作用距離大小取決于發(fā)射功率。讀寫器可接收標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)或向標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)，并能通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計算機網(wǎng)絡(luò)進行通信。讀寫器也具有各種各樣的結(jié)構(gòu)與外觀形式。根據(jù)天線與讀寫模塊的分離與否可分為分離式讀寫器和集成式讀寫器；根據(jù)應(yīng)用場合可分為固定式讀寫器、手持式讀寫器模塊、工業(yè)讀寫器、讀卡器等。4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征2．讀寫器五糧液酒的小型超高頻電子標(biāo)簽防偽檢查4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征讀寫器的主要特征包括協(xié)議和頻率的抽象、適應(yīng)性、易于擴展、易于維護等。通常讀寫器應(yīng)具有以下功能：（1）與標(biāo)簽通信的功能通過標(biāo)準(zhǔn)接口與后端服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接，并提供讀寫器的識別碼、讀寫器識讀標(biāo)簽的日期和時間、讀寫器讀出的標(biāo)簽信息等相關(guān)信息，以實現(xiàn)多讀寫器在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的運行。4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征讀寫器的主要特征包括協(xié)議和頻率的抽象、適應(yīng)性、易于擴展、易于維護等。通常讀寫器應(yīng)具有以下功能：（2）具備防碰撞功能可在讀寫區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)多個標(biāo)簽同時識讀、適用于不同活動狀態(tài)標(biāo)簽的識讀、能校驗讀寫過程中的錯誤信息、對于有源標(biāo)簽，能讀出標(biāo)簽電池的相關(guān)信息等。4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征3．后臺服務(wù)系統(tǒng)后臺服務(wù)系統(tǒng)主要由RFID中間件、RFID應(yīng)用軟件和后臺數(shù)據(jù)庫組成，這三者間的關(guān)系如圖4-8所示，圖4-8后臺服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征3．后臺服務(wù)系統(tǒng)（1）RFID中間件RFID中間件作用于RFID讀寫器和RFID應(yīng)用軟件之間，大部分的RFID中間件都包括三大部分，4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征（2）RFID應(yīng)用軟件RFID應(yīng)用軟件由控制模塊和功能模塊組成，由不同的行業(yè)根據(jù)自己的需求而開發(fā)的。其中控制模塊控制讀寫器對標(biāo)簽進行讀寫；功能模塊將讀寫器讀取的信息進行統(tǒng)計、計算等，如門禁管理、自動收費等。4.2.1 RFID系統(tǒng)組成及特征（3）后臺數(shù)據(jù)庫后臺數(shù)據(jù)庫主要是用來存儲RFID系統(tǒng)所有標(biāo)簽的信息，還有讀寫器和其他的一些信息，完成讀寫器對標(biāo)簽認證過程中信息的比對，并給應(yīng)用系統(tǒng)傳遞相應(yīng)的動作信息。4.2.2 RFID工作原理基本工作原理是讀寫器與標(biāo)簽之間通過無線信號建立雙方通信通道，讀寫器通過天線發(fā)出電磁信號，電磁信號攜帶了讀寫器向標(biāo)簽的查詢指令。當(dāng)標(biāo)簽處于讀寫器工作范圍時，標(biāo)簽將從電磁信號中獲得指令數(shù)據(jù)和能量，并根據(jù)指令將標(biāo)簽標(biāo)識和數(shù)據(jù)以電磁信號的形式發(fā)送給讀寫器，或根據(jù)讀寫器的指令改寫存儲在RFID標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。4.2.2 RFID工作原理讀寫器可接收RFID標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)或向標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)，并能通過標(biāo)準(zhǔn)接口與后臺服務(wù)器通信網(wǎng)絡(luò)進行對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。根據(jù)標(biāo)簽?zāi)芰揩@取方式，RFID系統(tǒng)工作方式可分為：電感耦合方式和電磁反向散射耦合方式。4.2.2 RFID工作原理工作方式采用模型參考定律使用場合工作頻率識別距離電感耦合變壓器模型通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律適用于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)125kHz、225kHz和13.56MHz識別作用距離小于lm，典型作用距離為10~電磁反向散射藕合雷達原理模型發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時返回目標(biāo)消息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律適用于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz識別距離大于lm，典型作用距離為3~RFID系統(tǒng)工作方式4.2.3 RFID系統(tǒng)的分類按采用的頻率不同可分為四大類:低頻系統(tǒng)中高頻系統(tǒng)超高頻微波系統(tǒng)，頻段描述作用距離穿透能力125~134KHz低頻（LF）能穿透大部分物體13.553~13.567MHz高頻（HF）1~勉強穿透金屬和液體400~1000MHz超高頻（UHF）3~穿透能力較弱2.54GHz微波（Microwave）穿透能力較弱4.2.3 RFID系統(tǒng)的分類按能量供應(yīng)可分為有源系統(tǒng)標(biāo)簽通常有內(nèi)裝電池，具有較遠的工作距離無源系統(tǒng)標(biāo)簽自己沒有電源，其工作能量從讀寫器發(fā)出的射頻波束中獲?。挥性措娮?。4.2.3 RFID系統(tǒng)的分類從標(biāo)簽內(nèi)保存信息的注入方式可分為集成電路固化式現(xiàn)場有線改寫式現(xiàn)場無線改寫式根據(jù)讀寫電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的技術(shù)手段可分為廣播發(fā)射式倍頻式反射調(diào)制式4.2.3 RFID系統(tǒng)的分類根據(jù)系統(tǒng)的基本工作方式全雙工系統(tǒng)半雙工系統(tǒng)時序系統(tǒng)。4.2.4 RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)RFID還未形成統(tǒng)一的全球化標(biāo)準(zhǔn)對于RFID標(biāo)準(zhǔn)競爭的核心主要體現(xiàn)在RFID標(biāo)簽中數(shù)據(jù)編碼這一領(lǐng)域，如ISO系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品電子碼（ElectronicProductCode，EPC）標(biāo)準(zhǔn)（由歐美Auto-ID中心研發(fā)）UID（UbiquitousIDCenter）標(biāo)準(zhǔn)（由日本泛在中心研發(fā)）等。4.2.4 RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EPC標(biāo)準(zhǔn)由EPCGlobal標(biāo)準(zhǔn)組織制定該標(biāo)準(zhǔn)組織是由美國統(tǒng)一代碼協(xié)會（UCC）和國際物品編碼協(xié)會（EAN）于2003年9月共同組建而成，是一所非營利性RFID標(biāo)準(zhǔn)研究機構(gòu)，在全球擁有上百家成員，得到了零售業(yè)巨頭沃爾瑪、制造業(yè)巨頭強生及寶潔等大型跨國公司的支持。EPCGlobal的目標(biāo)是建立一套全球中立的、開放的、透明的RFID標(biāo)準(zhǔn)，以促進符合標(biāo)準(zhǔn)的低成本RFID技術(shù)在供應(yīng)鏈的應(yīng)用。4.2.4 RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EPC編碼組成體系是EPC系統(tǒng)的核心與關(guān)鍵目前，EPC代碼有64位、96位和256位三種，為了使標(biāo)簽成本盡可能降低，一般采用96位。EPC編碼是由四個部分組成的一串?dāng)?shù)字，依次為版本號、域名管理者、對象分類和序列號，可以為物理世界的每個對象提供惟一標(biāo)識。4.2.4 RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EPC標(biāo)簽是電子產(chǎn)品代碼的信息載體，根據(jù)功能將標(biāo)簽分為5類，目前所開展的EPC測試使用的是Class1和Class2標(biāo)簽。EPCGlobal推出一項叫做1類、2代（C1G2）的標(biāo)準(zhǔn)，是RFID標(biāo)簽的一項新的開發(fā)型、全球性的標(biāo)準(zhǔn)，于2006年6月通過ISO認定。4.3 RFID系統(tǒng)的安全問題4.3.1 RFID系統(tǒng)的安全隱患1．標(biāo)簽本身的訪問缺陷RFID技術(shù)要得到廣泛應(yīng)用，其標(biāo)簽成本在不久的將來期望控制在0.05美元左右。低成本RFID標(biāo)簽的存儲空間和處理能力極其有限，最便宜的標(biāo)簽只有64～128bit的ROM，僅僅只能容納一個唯一標(biāo)識符，其本身很難具備足以保證安全的能力，非法用戶可以利用合法的讀寫器或自制的讀寫器直接與標(biāo)簽通信，獲取標(biāo)簽內(nèi)所存的數(shù)據(jù)，標(biāo)簽還面臨被破解、復(fù)制、偽造和篡改的風(fēng)險。4.3 RFID系統(tǒng)的安全問題4.3.1 RFID系統(tǒng)的安全隱患2．通信鏈路上的安全隱患通信鏈路上的安全威脅主要來自兩個方面：一是讀寫器與標(biāo)簽之間的通信漏洞給系統(tǒng)造成潛在安全威脅；二是讀寫器與后端服務(wù)器之間的通信借助于標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，其存在的安全問題與互聯(lián)網(wǎng)是相同的。盡管與計算機網(wǎng)絡(luò)的安全問題類似，但RFID的安全問題要嚴峻得多。4.3 RFID系統(tǒng)的安全問題4.3.1 RFID系統(tǒng)的安全隱患3．讀寫器內(nèi)部的安全風(fēng)險在讀寫器中，除了中間件完成數(shù)據(jù)篩選、時間過濾和管理外，只能提供用戶業(yè)務(wù)接口，而不能提供能夠讓用戶自行提升安全性能的接口。另外，RFID系統(tǒng)當(dāng)初的設(shè)計思想是——系統(tǒng)對應(yīng)用是完全開放的，所以RFID系統(tǒng)本身就包含了比計算機網(wǎng)絡(luò)更多的不安全節(jié)點，這是RFID系統(tǒng)出現(xiàn)安全隱患的根本原因。4.3 RFID系統(tǒng)的安全問題4.3.1 RFID系統(tǒng)的安全隱患3．讀寫器內(nèi)部的安全風(fēng)險圖4-10RFID系統(tǒng)中安全隱患4.3.2 RFID系統(tǒng)面臨的安全攻擊1．主動攻擊種類通過物理手段去除RFID標(biāo)簽中，芯片封裝，使用微探針獲取敏感訊號，進行攻擊。通過軟件，通過掃描RFID標(biāo)簽和響應(yīng)讀寫器的探詢，尋求安全協(xié)議、加密算法以及它們實現(xiàn)的弱點，進而刪除RFID標(biāo)簽內(nèi)容或篡改可重寫RFID標(biāo)簽內(nèi)容的攻擊。通過干擾廣播、阻塞信道或其它手段，產(chǎn)生異常的應(yīng)用環(huán)境，使合法處理器產(chǎn)生故障，拒絕服務(wù)的攻擊等。4.3.2 RFID系統(tǒng)面臨的安全攻擊2．被動攻擊種類通過采用竊聽技術(shù)，分析微處理器正常工作過程中產(chǎn)生的各種電磁特征，來獲得RFID標(biāo)簽和讀寫器之間或其它RFID通信設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)；通過讀寫器等竊聽設(shè)備，跟蹤商品流通動態(tài)等。4.3.2 RFID系統(tǒng)面臨的安全攻擊主動攻擊是影響RFID應(yīng)用系統(tǒng)正常使用的重要安全因素，它通過物理或軟件方法篡改標(biāo)簽內(nèi)容，以及通過刪除標(biāo)簽內(nèi)容及干擾廣播、阻塞信道等方法來擾亂合法處理器的正常工作。盡管被動攻擊不改變RFID標(biāo)簽中的內(nèi)容，也不影響RFID應(yīng)用系統(tǒng)的正常工作，但它是獲取RFID信息、個人隱私和物品流通信息的重要手段，也是RFID系統(tǒng)應(yīng)用的重要安全隱患。4.3.2 RFID系統(tǒng)面臨的安全攻擊典型的安全攻擊行為主要有：（1）非法訪問：攻擊者采用未授權(quán)的讀寫器，并使用這個讀寫器來獲取某商品的標(biāo)簽上的信息。（2）跟蹤：攻擊者利用測試儀器向標(biāo)簽發(fā)射簡易的命令，探測標(biāo)簽反射的通信信息，利用探測到的信號對附著標(biāo)簽的物品進行跟蹤監(jiān)視。（3）竊聽：RFID系統(tǒng)在通信的過程中，攻擊者藏匿在附近對前向信道的信息進行探測，或者是在讀寫器和標(biāo)簽之間架設(shè)一個探測器，通過竊聽它們之間的通信來獲得標(biāo)簽上的信息。4.3.2 RFID系統(tǒng)面臨的安全攻擊典型的安全攻擊行為主要有：（4）偽造：偽造也稱欺騙，攻擊者使用竊聽到的標(biāo)簽發(fā)射的信號，仿制能夠發(fā)射相同信號的標(biāo)簽，并使用偽造的標(biāo)簽來標(biāo)識偽造的商品，從而達到自己的非法目的。（5）數(shù)據(jù)演繹：攻擊者利用某種手段獲得了某一個標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)，然后希望使用演繹的方法從這一信息推測出其它標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)，以至于掌握整個RFID系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。4.3.2 RFID系統(tǒng)面臨的安全攻擊典型的安全攻擊行為主要有：（6）重放攻擊：該攻擊也稱回放攻擊或重傳攻擊，攻擊者用特定的中轉(zhuǎn)裝置截獲合法RFID標(biāo)簽與讀寫器之間的通信信息，然后再加以重發(fā)，使讀寫器當(dāng)其為合法的身份，從而達到自己非法的目的。（7）DOS攻擊：該攻擊是使服務(wù)器或讀寫器一方工作失常，從而破壞系統(tǒng)的正常讀寫功能。。4.3.3 RFID系統(tǒng)的安全需求一般而言，我們假定讀寫器與后臺數(shù)據(jù)庫的通信信道是安全的，而讀寫器與Tag之間的通信信道則是不安全的。一個比較完善的低成本RFID系統(tǒng)，必須能夠抵抗監(jiān)聽、主動攻擊、跟蹤及拒絕服務(wù)等各種攻擊，具備機密性、完整性、可用性、真實性和隱私性等基本特征。4.3.3 RFID系統(tǒng)的安全需求1．機密性一個完備的RFID安全方案必須能夠保證電子標(biāo)簽中所包含的信息僅能被授權(quán)讀寫器訪問。2．完整性在RFID系統(tǒng)中，通常使用消息認證碼來進行數(shù)據(jù)完整性的檢驗，它使用的是一種帶有共享密鑰的散列算法，即將共享密鑰和待檢驗的消息連接在一起進行散列運算，對數(shù)據(jù)的任何細微改動都會對消息認證碼的值產(chǎn)生較大影響。4.3.3 RFID系統(tǒng)的安全需求3．可用性RFID系統(tǒng)的安全解決方案所提供的各種服務(wù)要求能夠被授權(quán)用戶所使用，并能夠有效防止非法攻擊者企圖中斷RFID系統(tǒng)服務(wù)的惡意攻擊。同時，一個合理的安全方。4．真實性攻擊者可以偽造電子標(biāo)簽，也可通過某種方式隱藏標(biāo)簽，使讀寫器無法發(fā)現(xiàn)該標(biāo)簽，從而成功地實施物品轉(zhuǎn)移。讀寫器只有通過身份認證才能確信消息是否是從正確的電子標(biāo)簽處發(fā)送過來的。4.3.3 RFID系統(tǒng)的安全需求5．隱私性一個安全的RFID系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠保護使用者的隱私或相關(guān)經(jīng)濟實體的商業(yè)利益。同個人攜帶物品的商標(biāo)可能泄漏個人身份一樣，個人攜帶物品的RFID標(biāo)簽也可能會泄漏個人身份，通過讀寫器能夠跟蹤攜帶系列不安全RFID標(biāo)簽的個人，并將這些信息進行綜合和分析，從而獲取使用者個人喜好和行蹤等隱私信息。4.4 射頻技術(shù)的應(yīng)用目前定義RFID產(chǎn)品的工作頻率有低頻、高頻和超高頻的頻率范圍內(nèi)的符合不同標(biāo)準(zhǔn)的不同的產(chǎn)品，而且不同頻段的RFID產(chǎn)品會有不同的特性。其中感應(yīng)器有無源和有源兩種方式，下面詳細介紹無源的感應(yīng)器在不同工作頻率產(chǎn)品的特性以及主要的應(yīng)用。4.4.1 各頻段產(chǎn)品特征及應(yīng)用1．低頻（工作頻率125KHz~135KHz）該頻率主要是通過電感耦合的方式進行工作，也就是在讀寫器線圈和感應(yīng)器線圈間存在著變壓器耦合作用。通過讀寫器交變場的作用在感應(yīng)器天線中感應(yīng)的電壓被整流，可作供電電壓使用。磁場區(qū)域能夠很好的被定義，但是場強下降的太快。4.4.1 各頻段產(chǎn)品特征及應(yīng)用1．低頻（工作頻率125KHz~135KHz）特性：（1）工作在低頻的感應(yīng)器的一般工作頻率從120KHz到134KHz，TI的工作頻率為134.2KHz。該頻段的波長大約為2500m.（2）除了金屬材料影響外，一般低頻能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離。（3）工作在低頻的讀寫器在全球沒有任何特殊的許可限制。4.4.1 各頻段產(chǎn)品特征及應(yīng)用1．低頻（工作頻率125KHz~135KHz）特性：（4）低頻產(chǎn)品有不同的封裝形式。好的封裝形式就是價格太貴，但是有10年以上的使用壽命。（5）雖然該頻率的磁場區(qū)域下降很快，但是能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫區(qū)域。（6）相對于其他頻段的RFID產(chǎn)品，該頻段數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢。（7）感應(yīng)器的價格相對與其他頻段來說要貴4.4.1 各頻段產(chǎn)品特征及應(yīng)用1．低頻（工作頻率125KHz~135KHz）（1）ISO11784RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用－編碼結(jié)構(gòu)。（2）ISO11785RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用－技術(shù)理論。（3）ISO14223-1RFID畜牧業(yè)的應(yīng)用－空氣接口。（4）ISO14223-2