《物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論》課件第四章

目錄4.24.34.54.1射頻識別概述RFID組成及工作原理RFID識別與定位原理

RFID分類及應(yīng)用4.4RFID的安全性4.1射頻識別概述4.1射頻識別概述

射頻識別（RFID）又稱電子標簽、無線射頻識別、感應(yīng)卡、非接觸卡、電子條碼等。

它是通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。由于RFID承載的是電子式信息，其數(shù)據(jù)內(nèi)容可由密碼保護，內(nèi)容不易被偽造及變造。

基本思想：RFID利用無線電頻率信號，通過空間交變磁場或電磁場的耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞，對帶有信息數(shù)據(jù)的載體進行讀寫，并自動輸入計算機對所傳遞的信息進行識別的。4.1射頻識別概述

RFID技術(shù)在人們的工作、生活中應(yīng)用廣泛，如第二代身份證、門禁卡、公交卡等。與其他的自動識別技術(shù)（如條碼技術(shù)、智能卡技術(shù)、語音識別技術(shù)、生物識別技術(shù)）相比，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對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。4.2RFID組成及工作原理4.2.1RFID系統(tǒng)組成RFID系統(tǒng)是由電子標簽、讀寫器和中間件及應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成。

工作原理：閱讀器發(fā)射一個特定頻率的無線電波信號通過天線發(fā)送給電子標簽，電子標簽進入RFID系統(tǒng)后，接收到閱讀器發(fā)出的信號，憑借感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（對于無源標簽或被動標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（對于有源標簽或主動標簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至計算機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。4.2.1RFID系統(tǒng)組成RFID讀寫器

讀寫器又稱閱讀器，是用來讀取電子標簽信息的設(shè)備，通常配有天線裝置；電子標簽由天線及芯片組成，每個標簽都有一個全球唯一的ID號碼。工作過程：一般先由讀寫器發(fā)射一個特定的詢問信號，當電子標簽感應(yīng)到這個信號后給出應(yīng)答信號。讀寫器接收到應(yīng)答信號后對其處理，然后將處理后的信息返回給外部主機。4.2.1RFID系統(tǒng)組成主要任務(wù)：控制射頻模塊向標簽發(fā)射讀取信號，并接收標簽的應(yīng)答，對標簽的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標簽上其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C以供處理。

閱讀器可以是可讀可寫地裝置，它是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。讀寫器一般由射頻信號發(fā)射單元、高頻接收單元和控制單元組成，還有附加的接口（RS-232、USB）。4.2.1RFID系統(tǒng)組成電子標簽電子標簽又稱為應(yīng)答器，是RFID系統(tǒng)的信息載體，目前應(yīng)答器大多是由耦合原件（線圈、微帶天線等）和微芯片組成無源單元。電子標簽內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示:

4.2.1RFID系統(tǒng)組成電子標簽內(nèi)部存儲著物品的各類信息，一般安裝在要識別的物品上，其內(nèi)部的信息可以由讀寫器通過射頻信號的無線傳輸進行讀取和寫入，目前常見的電子標簽外形如下圖所示。4.2.1RFID系統(tǒng)組成

RFID標簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，存儲著被識別物品的相關(guān)信息。根據(jù)供電方式的不同，可以分為無源標簽和有源標簽。射頻識別系統(tǒng)中的讀寫器和電子標簽均配備天線。天線用于產(chǎn)生磁通量，而磁通量是用于向無源標簽提供能量并在讀寫器和標簽之間傳送信息的。閱讀器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進行的信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應(yīng)答器提供能量和時序。在實際應(yīng)用中，可進一步通過Ethernet或無線局域網(wǎng)（WLAN）等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。4.2.1RFID系統(tǒng)組成RFID中間件

RFID中間件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括閱讀器接口、處理模塊、應(yīng)用程序接口三部分。

閱讀器接口負責前端和相關(guān)硬件的溝通接口；處理模塊包括系統(tǒng)與數(shù)據(jù)標準處理模塊；應(yīng)用程序接口負責后端與其他應(yīng)用軟件的溝通接口及使用者自定義的功能模塊。在實際應(yīng)用中，計算機端的應(yīng)用系統(tǒng)還包含有數(shù)據(jù)庫、存儲和管理RFID系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)不同的應(yīng)用需求提供不同的功能或相應(yīng)接口。中間件位于操作系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)之間，為應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)提供最大的方便和靈活性。4.2.2RFID工作頻率與應(yīng)用場景

RFID讀寫器的工作頻率有低頻、高頻和超高頻，不同頻段的讀寫器有不同的特性。其中讀卡器有無源和有源兩種方式，下面詳細介紹無源讀卡器在不同工作頻率的特性以及主要應(yīng)用。目前RFID使用的頻率跨越低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）、微波（MW）等多個頻段。相對應(yīng)的代表性頻率分別為：低頻135KHz以下（讀寫距離較短，在1m左右）、高頻13.56MHz（讀寫距離在10m左右）、超高頻860M~930MHz（用于遠距離識別和快速移動的物體）、微波2.4G與5.8G。4.2.2RFID工作頻率與應(yīng)用場景（1）低頻電子標簽低頻電子標簽一般工作頻率從120KHz到134KHz，典型工作頻率有：125kHz、134kHz。

其工作原理主要是通過電感耦合方式與閱讀器進行通信，閱讀距離一般小于1m。

低頻標簽的芯片具有省電、廉價的特點，工作頻率段不受無線電頻率管制約束，可以穿透水、有機物和木材等，適合近距離、低速、數(shù)據(jù)量較少的應(yīng)用場景。主要應(yīng)用場景包括：畜牧業(yè)動物的管理系統(tǒng)、汽車防盜和無鑰匙開門系統(tǒng)的應(yīng)用、馬拉松賽跑系統(tǒng)的應(yīng)用、自動停車場收費和車輛管理系統(tǒng)、自動加油系統(tǒng)的應(yīng)用、酒店門鎖系統(tǒng)的應(yīng)用、門禁和安全管理系統(tǒng)等。4.2.2RFID工作頻率與應(yīng)用場景（2）中高頻電子標簽其工作方式同低頻標簽一樣，也通過電感耦合方式進行。高頻標簽一般做成卡片狀，用于電子車票、電子身份證等。適用于較高的數(shù)據(jù)傳輸率。

該頻率的讀卡器不再需要線圈進行繞制，可以通過蝕刻印刷的方式制作天線。通過讀卡器上的負載電阻的接通和斷開促使讀寫器天線上的電壓發(fā)生變化，實現(xiàn)用遠距離讀卡器對天線電壓進行振幅調(diào)制。

4.2.2RFID工作頻率與應(yīng)用場景

主要特性：工作頻率為13.56MHz，波長為22cm；該頻率的波長除了金屬材料外可以穿過大多數(shù)的材料，材料不同讀取距離不同。該頻率的磁場在不同的區(qū)域變化較大，但是能夠產(chǎn)生相對均勻的讀寫區(qū)域。該系統(tǒng)具有防沖撞特性，可以同時讀取多個電子標簽，可以把某些數(shù)據(jù)信息寫入標簽中。該頻段數(shù)據(jù)傳輸速率比低頻要快，價格適中。

主要應(yīng)用場景包括：圖書檔案管理系統(tǒng)、瓦斯鋼瓶的管理、服裝生產(chǎn)線和物流系統(tǒng)、酒店門鎖的管理、大型會議人員通道系統(tǒng)、物流與供應(yīng)鏈管理解決方案、醫(yī)藥物流與供應(yīng)鏈管理、智能貨架的管理等。4.2.2RFID工作頻率與應(yīng)用場景（3）超高頻超高頻系統(tǒng)工作頻率為860MHz到960MHz之間，通過電場來傳輸能量，該頻段讀取距離比較遠，無源可達10m左右。他是通過電容耦合的方式進行實現(xiàn)。主要特性：全球在該頻段的定義不一致。該頻段的波長為30cm左右；該頻段的電波不能通過很多材料，特別是水和金屬，灰塵和霧霾等懸浮顆粒也有影響。相對于高頻的電子標簽來說，該頻段的電子標簽不需要和金屬保持距離，有較好的讀取距離，有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在短時間內(nèi)可以讀取大量的電子標簽。主要應(yīng)用場景：物流與供應(yīng)鏈管理解決方案、生產(chǎn)線自動化的管理、航空包裹的管理、集裝箱的管理、鐵路包裹的管理、后勤管理系統(tǒng)等的應(yīng)用。4.3RFID識別與定位原理4.3.1RFID識別與定位原理RFID工作原理

RFID閱讀器及電子標簽之間的通訊方式可以分成電感耦合方式和反向散射耦合方式兩種。

電感耦合通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，它依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。

反向散射耦合則利用雷達中發(fā)射的電磁波遇到目標后反射而攜帶回目標信息原理實現(xiàn)信息傳遞，

一般低頻的RFID大都采用第一種方式，而較高頻RFID大多采用第二種方式。4.3.1RFID識別與定位原理

（1）電感耦合方式電感耦合的電路如圖所示。無源電子標簽一般工作在這種方式，圖中的Vs是射頻振蕩器，即射頻輻射源。閱讀器的天線就是電感L1，電感L1和電容C1組成的諧振電路諧振于Vs的工作頻率上，此時，電感線圈中i的電流最大，高頻電流i產(chǎn)生的磁場H穿過線圈，并有一部分磁力線穿過電子標簽的電感線圈L2，通過感應(yīng)在L2上產(chǎn)生電壓V2，將V2整流給大電容C3充電，即可產(chǎn)生電子標簽工作所需的直流電壓。4.3.1RFID識別與定位原理

電感線圈L1和L2也可視為變壓器的初級或次級線圈，但它們之間的耦合很弱，主要用于小電流電路，電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)，識別作用距離小于1米。4.3.1RFID識別與定位原理（2）反向散射耦合方式反向散射耦合方式的理論依據(jù)為雷達原理。

在雷達系統(tǒng)中，發(fā)射的電磁波在空中遇到物體時，其能量的而一部分被目標所吸收，而另一部分被散射到各個方向。在散射的能量中又有一小部分被發(fā)射的天線所接收，通過對接收的回波信號分析，就可以得到有關(guān)反射目標的有關(guān)信息。

目標反射電磁波的效率通常隨頻率的升高而增強，所以,反向散射耦合方式一般適合于特高頻、超高頻和微波工作頻段。4.3.1RFID識別與定位原理

下圖為反向散射耦合方式的電路。

無論是哪種耦合方式，空中的無線傳輸都是通過天線的發(fā)送和接收完成的，在發(fā)送時，天線向空中介質(zhì)輻射電磁能量P1，而接收時，天線從周圍介質(zhì)中檢測出電磁波，獲取能量P2，因此，天線產(chǎn)生的信號的方向性是關(guān)鍵屬性。4.3.1RFID識別與定位原理RFID應(yīng)用支撐軟件除了標簽和閱讀器上運行的軟件外，介于閱讀器與具體應(yīng)用之間的中間件也是其中的一個重要組成部分。

該中間件為具體應(yīng)用提供一系列計算功能，在電子產(chǎn)品編碼規(guī)范中被稱為Savant。Savant定義了閱讀器和應(yīng)用兩個接口，其主要任務(wù)是對閱讀器讀取的標簽數(shù)據(jù)進行過濾、匯集和計算，減少從閱讀器傳往企業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)量。4.3.2RFID定位原理多變測距法定位

基本原理：基于多個固定的閱讀器去讀取目標RFID標簽的特征信息，采用多邊測距的方法來確定該標簽的位置。該方法利用3個或3個以上固定部署的閱讀器來讀取目標標簽的信息，記錄每個閱讀器接收信號的強度，可以得到各個閱讀器和目標標簽的距離，從而容易計算出標簽的所在位置。4.3.2RFID定位原理近鄰法定位

近鄰法的方法是引入?yún)⒖紭撕?。在室?nèi)的多個固定位置分別部署閱讀器和參考標簽，可以通過比對參考標簽和目標標簽的接收信號強度，來推算目標標簽的位置。這種方法的定位效果比較依賴標簽擺放的位置和方向，一般需要標簽都按照同樣方向擺放。4.3.2RFID定位原理信號強度法定位信號強度法類似于WiFi的定位技術(shù)。在已知閱讀器位置的情況下，能收到信號的標簽必然處于相應(yīng)閱讀器的有限感知范圍內(nèi)，根據(jù)收到的信號強度可以完成對標簽的粗略定位。4.4RFID分類及應(yīng)用4.4RFID分類及應(yīng)用RFID分類RFID按照能源的供給方式分為無源電子標簽、有源電子標簽、半無源電子標簽三種。無源RFID標簽本身不帶電池，需要外界提供能量才能工作，閱讀器在發(fā)出電磁波的同時，將部分電磁能量轉(zhuǎn)化為供電子標簽工作的能量，所以無源標簽又稱為被動式標簽。無源電子標簽產(chǎn)生電能的裝置是天線和線圈，只有當天線和線圈進入RFID閱讀器的工作區(qū)域，天線才能接收到特定的電磁波，線圈才會產(chǎn)生感應(yīng)電流。無源電子標簽電能較弱，數(shù)據(jù)傳輸距離和信號強度受到限制。但由于被動式標簽結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用，因而獲得廣泛的應(yīng)用。4.4RFID分類及應(yīng)用有源標簽通常由內(nèi)置電池供電，它利用自身的射頻能量主動地向讀寫器發(fā)送數(shù)據(jù)信號，因而又稱為主動式標簽。

有源標簽的工作電源完全由內(nèi)部電池供給。主動式標簽在閱讀器沒有詢問時，進入休眠狀態(tài)或低功耗狀態(tài)，當閱讀器詢問時，電子標簽被喚醒并發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣可以減少電池消耗，也可減少電磁輻射噪聲。優(yōu)點：有源電子標簽工作因其電能充足，信號傳輸距離較遠，一般在30米以上，適用于遠距離讀寫的應(yīng)用場合。缺點：有源電子標簽成本要更高一些，且隨著標簽內(nèi)電池的消耗，數(shù)據(jù)傳輸距離變短，可能會影響系統(tǒng)的工作。4.4RFID分類及應(yīng)用半無源標簽內(nèi)裝有電池，但電池僅對標簽內(nèi)要求供電維持數(shù)據(jù)的電路或標簽芯片工作所需的電壓作輔助支持，標簽電路本身耗電很少。

半無源標簽未進入工作狀態(tài)時一直處于休眠狀態(tài)，相當于無源標簽。標簽進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，進入工作狀態(tài)時，用于傳輸通信的射頻能量與無源標簽一樣源自閱讀器。4.4RFID分類及應(yīng)用按照供電方式、載波頻率、調(diào)制方式、作用距離、芯片類別的不同，可以對RFID標簽從不同角度做出分類。分類依據(jù)類別應(yīng)用場合供電方式無源標簽無源標簽內(nèi)沒有電池，主要利用波束供電技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電實現(xiàn)標簽供電，工作距離相對較短，但壽命長，對工作環(huán)境要求不高。有源標簽有源標簽本身有電源供電，作用距離遠，但標簽體積較大、成本較高，壽命有限，不適合在惡劣環(huán)境下工作。載波頻率低頻標簽低頻射頻標簽的頻率主要包括125kHz和134kHz兩種，主要用于短距離、低成本的應(yīng)用，如門禁控制、校園卡、貨物跟蹤等。中頻標簽中頻射頻標簽的頻率主要為13.56MHz，主要用于門禁控制和需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)。高頻標簽高頻射頻標簽頻率包括433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等，可應(yīng)用于需要較長的讀寫距離和較高讀寫速度的場合，在火車監(jiān)控、高速公路收費等系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用，價格相對較高。4.4RFID分類及應(yīng)用作用距離密耦合標簽作用距離最小，一般小于1cm。近耦合標簽作用距離一般小于15cm。疏耦合標簽作用距離約1m左右。遠距離標簽作用距離可從1m~10m，甚至更遠。芯片類別只讀標簽只讀不寫，在產(chǎn)品生產(chǎn)時就將信息存儲進去，不能再做更改，價錢比讀寫標簽便宜，適用于普通商品。讀寫標簽有讀寫功能，可以在現(xiàn)有信息的基礎(chǔ)上對信息做改動，比只讀標簽貴很多，適用于價值比較高的商品。CPU標簽內(nèi)置微控制器，可編程。

調(diào)制方式主動式標簽主動式射頻標簽用自身的射頻能量主動將數(shù)據(jù)發(fā)送給閱讀器。射頻標簽發(fā)射的信號僅穿過障礙物一次，主要用于有障礙物的應(yīng)用，傳送距離可達30m。被動式標簽被動式射頻標簽利用閱讀器的載波來調(diào)制自己的信號，采用調(diào)制散射方式發(fā)送信息給閱讀器。由于閱讀器可以確保只激活一定范圍之內(nèi)的射頻卡，被動式標簽主要適用于門禁或交通等讀寫距離較近的應(yīng)用。4.4RFID分類及應(yīng)用ISO/IEC的RFID體系RFID領(lǐng)域的ISO標準由ISO主導(dǎo)和聯(lián)合IEC共同制定，包括RFID通用技術(shù)標準和與RFID應(yīng)用技術(shù)標準兩部分。RFID通用技術(shù)標準主要針對不同應(yīng)用領(lǐng)域中涉及的共同要求和屬性。如下表所示。RFID通用標準分項內(nèi)涵表述涉及標準數(shù)據(jù)內(nèi)容標準規(guī)定數(shù)據(jù)在標簽、閱讀器（閱讀器）到主機（中間件或應(yīng)用程序）各個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)形式。ISO/IEC15961ISO/IEC15962ISO/IEC24753ISO/IEC15963空中接口通信協(xié)議規(guī)范閱讀器和電子標簽之間的信息交互，確保不同廠家生產(chǎn)設(shè)備之間的互聯(lián)互通。包括一組協(xié)議，分別規(guī)范了參考結(jié)構(gòu)和標準化參數(shù)定義、中頻125~134kHz、高頻段13.56MHz、微波頻段2.45GHz、超高頻段860~960MHz以及超高頻段433.92MHz的相應(yīng)協(xié)議。ISO/IEC18000-1ISO/IEC18000-2ISO/IEC18000-3ISO/IEC18000-4ISO/IEC18000-6ISO/IEC18000-74.4RFID分類及應(yīng)用測試標準規(guī)范設(shè)備（標簽、閱讀器）的性能測試方法，包括性能參數(shù)和檢測方法。規(guī)范設(shè)備（標簽、閱讀器）的一致性測試方法，包括不同廠商設(shè)備實現(xiàn)互聯(lián)互通互操作必須的技術(shù)內(nèi)容。ISO/IEC18046ISO/IEC18047實時定位系統(tǒng)實時定位系統(tǒng)（RTLS）可以改善供應(yīng)鏈透明性。RFID短距離定位、GPS定位、手機定位與無線通信技術(shù)共同實現(xiàn)物品位置的全程跟蹤監(jiān)視。需要制定和實時定位系統(tǒng)有關(guān)的標準。ISO/IEC24730-1ISO/IEC24730-2ISO/IEC24730-3軟件系統(tǒng)基本架構(gòu)提供RFID應(yīng)用系統(tǒng)的框架，規(guī)范數(shù)據(jù)安全和多種接口，便于RFID系統(tǒng)之間的信息共享，從而令應(yīng)用程序不再關(guān)心不同類型設(shè)備之間的差異，方便應(yīng)用程序的設(shè)計和開發(fā)。ISO/IEC24791-1ISO/IEC24791-2ISO/IEC24791-3ISO/IEC24791-4ISO/IEC24791-5ISO/IEC24791-64.4RFID分類及應(yīng)用RFID應(yīng)用技術(shù)標準RFID應(yīng)用技術(shù)標準則是在通用技術(shù)標準的基礎(chǔ)上，根據(jù)各個行業(yè)自身特點制定，主要針對行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域涉及的共同要求和屬性。如下表所示。RFID應(yīng)用技術(shù)標準分項內(nèi)涵表述涉及標準貨運集裝箱系列標準與RFID相關(guān)的集裝箱標準，包括集裝箱標識系統(tǒng)（包括集裝箱尺寸、類型等數(shù)據(jù)的編碼系統(tǒng)，相應(yīng)標記方法，操作標記和集裝箱標記的物理展示），基于微波應(yīng)答器的集裝箱自動識別標準，以及集裝箱電子密封標準。ISO6346ISO10374ISO18185物流供應(yīng)鏈系列標準與RFID相關(guān)的物流供應(yīng)鏈系列標準，包括應(yīng)用要求、貨運集裝箱、裝載單元、運輸單元、產(chǎn)品包裝、單品五級物流單元共六個應(yīng)用標準。ISO17358ISO17363ISO17364ISO17365ISO17366ISO17367動物管理系列標準與RFID相關(guān)的動物管理標準，規(guī)范了編碼結(jié)構(gòu)、技術(shù)準則、高級標簽共三個應(yīng)用標準。ISO11784ISO11785ISO142234.5RFID的安全性4.5RFID的安全性

從安全性考慮RFID工作系統(tǒng)具有著保密性、真實性、完整性和可用性，要求如下