1、射頻識別技術原理、協議及系統設計第一章 RFID概述本章內容1.1 物聯網與RFID簡介1.3 RFID的主要特點1.4 RFID的核心技術1.5RFID的歷史與現狀1.6 RFID的發展趨勢1.7 總結1.2 自動識別技術1、什么是物聯網物聯網是在互聯網的基礎上，將用戶端延伸和擴展到任何物體，進行信息交換和通信的一種網絡。物聯網的英文名稱為The Internet of Things，由該名稱可見，物聯網就是“物與物相連的互聯網”。通過對物理世界信息化、網絡化、將傳統上分離的物理世界與信息世界實現互聯與整合。物聯網的定義是，通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感

2、設備，按照約定的協議，把任何物體與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。1.1 物聯網與RFID簡介物聯網(傳感網)典型體系架構1.1 物聯網RFID簡介物聯網典型體系架構分層描述感知層是實現物聯網全面的感知的核心能力是物聯網中包括關鍵技術、標準化方面、產業化方面亟待突破的部分關鍵在于具備更精確、更全面的感知能力，并解決低功耗、小型化和低成本的問題廣泛覆蓋的移動通信網絡是實現物聯網的基礎設施是物聯網三層中標準化程度最高、產業化能力最強、最成熟的部分關鍵在于為物聯網應用特征進行優化和改進，形成協同感知的網絡提供豐富的基于物聯網的應用，是物聯網發展

3、的根本目標將物聯網技術與行業信息化需求相結合，實現廣泛智能化應用的解決方案集關鍵在于行業融合、信息資源的開發利用、低成本高質量的解決方案、信息安全的保障以及有效的商業模式的開發物聯網應用層物聯網網絡層物聯網感知層1.1 物聯網與RFID簡介群智感知計算 ：所有的物理對象都有可能被封裝成一個個能夠自主感知與自主計算的設備，它們能夠通過無線的媒介進行有效地互聯和通信。通過分享各自的信息，這些海量的物理對象能夠協同起來實現復雜的感知與計算任務。物聯網的計算模式中，任何一個物理對象都有可能成為一個計算主體。根本的出發點就是將智能嵌入到物理對象中，讓物理對象“開口說話”1.1 物聯網與RFID簡介核心的

4、支撐機制需求：讓物理對象被唯一標識，類似于互聯網的IP地址如何將“智能”嵌入到每一個物理對象中，讓最簡單的物理對象也能夠開口說話如何提供一種低成本的通信方式來實現如何讓物理對象在無源的環境下實現“被動智能”傳統的智能設備如傳感器節點節點體積過大需要電池供能成本過高 智能微塵的研究項目 1.1 物聯網與RFID簡介物聯網核心支撐機制是RFID技術，RFID技術與互聯網、移動通訊等技術相結合，可以實現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，實現人與物體以及物體與物體的溝通和對話，最終構成聯通萬事萬物的物聯網。1.1 物聯網與RFID簡介2、什么是射頻識別RFID RFID的出現以其獨

5、有的特性、使得上訴要求得以滿足。射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）是一種自動識別技術，它利用無線射頻信號實現無接觸信息傳遞，達到自動識別目標對象的目的。RFID技術無需人工干預，即可完成物品信息的采集和傳輸，被稱為21世紀十大重要技術之一。 RFID系統：有兩個基本器件，一個是閱讀器、另一個是標簽。其基本工作原理是閱讀器以廣播方式連續向周圍發送攜帶能量的基準信號，感應到能量的標簽通過調制電路信號以反射的方式向閱讀器返回自身攜帶攜帶的數據，閱讀器對接收到的數據進行解碼，并傳給主機進行處理。1.1 物聯網與RFID簡介1.1 物聯網與RFID簡介RF

6、ID系統的構成1.1 物聯網與RFID簡介電子標簽（Electronic Tag）也稱之為智能標簽（Smart Tag），是指由IC芯片和無線通信天線組成的超微型的小標簽，其內置的射頻天線用于和閱讀器進行通信。電子標簽1.1 物聯網與RFID簡介天線：用來接收閱讀器發送來的信號，并把數據送回給閱讀器。電壓調節器：把閱讀器發送來的射頻信號轉為直流電源，并經大電容存儲能量，再經穩壓電路以提供穩定的電源。調制器：將邏輯控制電路送出的數據經調制電路調制后加載到天線送給閱讀器。解調器：把載波去除以取出正確的調制信號。邏輯控制單元：用來譯碼閱讀器發送來的信號，并依據其要求回送數據給閱讀器。存儲單元：包括電

7、可擦可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM）和只讀存儲器（Read-Only Memory, ROM），作為系統運行及存放識別數據的位置。1.1 物聯網與RFID簡介讀取器組成閱讀器（Reader）又稱閱讀器，是利用射頻技術讀寫電子標簽信息的設備，在RFID系統中扮演著重要的角色，通常由天線、射頻接口和邏輯控制單元三部分組成。1.1 物聯網與RFID簡介RFID中間件扮演RFID標簽和應用程序之間的中介角色，從應用程序端使用中間件所提供的應用程序接口，即能連到RFID讀寫器，讀取RFID標簽數據。

8、RFID中間件1.1 物聯網與RFID簡介RFID中間件主要包括以下4個功能閱讀器協調控制終端用戶可以通過RFID中間件接口直接配置、監控以及發送指令給閱讀器。數據過濾與處理RFID中間件可以避免不同的閱讀器讀取同一電子標簽的碰撞，確保了高于閱讀器水平的數據準確性。數據路由與集成RFID中間件可以與企業現有的ERP（企業資源計劃）、CRM（客戶關系管理）、WMS（倉儲管理系統）等軟件集成在一起，提供數據的路由與集成，同時中間件還可以保存數據，分批給各個應用提交數據。進程管理在進程管理中，RFID中間件可根據客戶定制的任務負責數據的監控與事件的觸發。RFID應用系統RFID應用系統可以集成到現有

9、的物流系統、電子商務和電子政務平臺中，與ERP、CRM和SCM等應用系統結合以提高各行業的生產效率。1.1 物聯網與RFID簡介RFID系統工作流程閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號；當電子標簽進入閱讀器天線工作區域時，電子標簽天線產生感應電流，電子標簽獲得能量被激活；電子標簽將自身編碼等信息通過內置天線發送出去；閱讀器天線接收到從電子標簽發送來的載波信號，并將其傳送到閱讀器；閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺應用系統進行相關處理；應用系統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，發出指令信號控制執行機構的動作。1.1 物聯網與RFID簡介 RFID系統

10、能夠提供有效的身份信息和地址信息，是實現物聯網的關鍵技術。1.1 物聯網與RFID簡介3、 物聯網起源于射頻識別領域 EPC系統與物聯網 1999年，美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）首先提出了物聯網的概念。MIT最初的構想是為全球所有物品都提供一個電子產品編碼（Electronic Product Code，EPC），來實現對全球任何物理對象的唯一有效標識。物聯網最初的思想來源于MIT的這一構想，MIT的這一構想就是現在經常提到的物聯網EPC系統。1.1 物聯網與RFID簡介 EPC系統與射頻識別 EPC系統利用射頻識別（R

11、FID）技術追蹤、管理物品。在EPC系統中，電子標簽中存儲著電子產品編碼（EPC碼），電子標簽與閱讀器構成的射頻識別系統自動采集EPC碼，電子標簽是EPC碼的物理載體。 2005年，世界最大的連鎖超市美國沃爾瑪宣布將使用EPC系統的RFID技術。 EPC系統以射頻識別技術作為一種物聯網的實現模式，目標是構建全球的、開放的、物品標識的物聯網。 1.1 物聯網與RFID簡介1.2 自動識別技術人類識別最早的識別技術源于人類利用自身的感知系統對外界物理對象進行有效的識別，包括視覺、聽覺、觸覺以及味覺等。信息采集是通過人工手段錄入的，需要投入大量的人力支持自動識別識別技術的本質在于利用被識別物理對象的

12、一些具有辨識度的特征來對物理對象進行區分和識別。如何使用機器來代替人類進行自動識別。成本太高識別度高 錯誤率小每個指紋具有多個特征點每個特征點57個特征十個手指可以產生至少4900個可獨立測量特征穩定性速度快12秒完成匹配工作安全問題指紋容易遺留指紋復制越來越容易微型化智能化價格低1.2.1 指紋識別技術指紋識別技術利用指紋的唯一性和穩定性，通過將采集的指紋和預先采樣的指紋進行對比，來驗證用戶身份。1.2.2 人臉識別技術人臉識別技術基于人的臉部特征，對輸入的人臉圖像進行特征分析，來完成身份鑒別。人臉圖像采集人臉定位人臉識別預處理（區域特征分析算法）身份查找身份確認1.2.2 人臉識別技術技術

13、特點人臉識別技術不需要與設備直接接觸，人臉圖像信息可以主動獲取。識別速度快、不易被察覺周圍環境、頭發飾品、年齡增長影響識別率1.2.3 語音識別技術語音識別技術利用每個人發音的音調和音色的不同來辨別不同人的身份。特征提取模塊統計聲學模型發音詞典語言模型解碼器1.2.3 語音識別技術技術特點使用方便、用戶接受程度高聲音設備造價低廉、不涉及用戶隱私缺少國際標準規范，推廣存在一定障礙1.2.4 一維碼識別技術一維碼是將線條與空白按照一定的編碼規則組合起來，用以代表一定的信息。一維碼只在水平方向表達信息，而在垂直方向則不表達任何信息，其保留一定的高度通常是為了便于閱讀器的對準。存儲的信息量少，時刻需要

14、與數據庫結合。 條形碼尺寸相對太大，空間利用率低。容錯能力較差，破損后不能恢復信息。條碼識別是對紅外光或可見光進行識別，由掃描器發出的紅外光或可見光照射條碼標記，深色的“條”吸收光，淺色的“空”將光反射回掃描器，掃描器將光反射信號轉換成電子脈沖，再由譯碼器將電子脈沖轉換成數據，最后傳至后臺。最流行的EAN-13碼1.2.5 二維碼識別技術二維碼技術利用在二維平面上黑白相間的圖形來記錄數據，這些幾何圖形通過一定規律分布來表述特定的信息。二維碼在橫向和縱向兩個維度均記錄著數據定位點技術：二維碼通常有三個定位點提供給讀碼機進行辨識，因為有這些定位點，所以二維碼不管是從何種方向讀取，都可以被辨識。容錯

15、機制：在沒有辨識到全部的二維碼、或者條碼有污損時，也可以正確地還原二維碼上的信息。存儲容量較大。可達32KB。信息密度高。可存儲文字、聲音、圖片等信息。糾錯能力強。二維碼在50%污損的情況下，仍然可以識別。支持加密。具有多重防偽特性。 但仍需要無障礙的近距離掃描QR Code碼1.2.6 自動識別技術小結識別準確度識別速度識別復雜度系統成本指紋識別技術高一般較復雜中人臉識別技術一般一般很復雜高語音識別技術一般一般很復雜高一維碼高快速簡單低二維碼高快速簡單低1.2.6 自動識別技術小結視網膜識別技術視網膜是一種極其固定的生物特征，不磨損、不老化、不受疾病影響，使用者無需和設備直接接觸，視網膜識別

16、通過分析視網膜上的血管圖案來區分每個人心跳識別技術心跳的波形不同存在區分度，并且即便心跳加速，心跳波形的一些固有特征依然不會改變。心跳識別基于這一特征，通過特定儀器收集心跳的信號脈沖，甄別出每個人心跳固有的特征，以此來識別用戶身份。RFID非接觸式自動快速識別、精確高效識別、低成本低功耗、具備一定計算和存儲能力，為物聯網應用中“實現被動智能”、“全局唯一識別”、“低成本互聯”等核心問題提供了有效的解決方案。1.3 RFID的主要特點非接觸式的自動快速識別RFID標簽通過反向散射能量的方式來返回數據，有效通信范圍可以達到6-10m。RFID系統使用有效的防沖突機制來讀取標簽，實現對大量標簽的快速

17、識別。永久存儲一定數量的數據RFID標簽內部自帶有用戶存儲區，可以存儲1KB-10KB的用戶數據。進行簡單的邏輯處理RFID內部擁有數量非常有限的邏輯門，僅能進行簡單的邏輯處理。但是RFID系統能能夠借助標簽上基本的邏輯處理能力實現一些有效的協議與算法，提升系統的運行效率與安全性能。1.3 RFID的主要特點反射信號強度受距離等因素影響明顯由于RFID標簽自身是無源設備，必須借助反向散射來調制反饋信號，因此，RFID標簽反射信號的強度易受周圍環境的影響，包括距離、閱讀器功率、信號干擾、標簽部署密度等。成本低廉、可以大量部署RFID標簽往往采用印刷電路進行大規模批量生產，因此，制造成本可以大幅度

18、降低。目前一枚RFID標簽的成本可以控制在10美分左右。1.4 RFID的核心技術RFID的制約因素標簽資源及其受限計算能力存儲空間通信帶寬真實環境下的性能易受多種因素影響閱讀器的發射功率能量吸收、路徑損耗、多徑效應標簽的分布與部署信號干擾1.4 RFID的核心技術防沖突傳輸機制實現低時延的高效識別定位與移動行為感知實現目標的可定位性安全認證與私密性保障確保交互的可信性與安全性信息存儲、檢索與挖掘為物理世界接入信息世界提供門戶1.4 RFID的核心技術充分利用反向散射的信號衰變規律來輔助定位及移動行為感知精確低精度：幾米之內高精度：幾厘米之內 防沖突機制無線通信：CSMA/CARFID環境：要

19、求標簽識別協議簡單、高效高效的信息存儲、檢索與挖掘安全認證與私密性保障輕量級的方式1.5 RFID的歷史與現狀1937-1940年，美國海軍研究實驗室開發了敵我識別協同，并成功應用于軍事實踐。1941-1960年，雷達技術產生，催生了RFID技術的理論思想。1961-1980年，隨著技術理論的進步，RFID技術已被應用到交通運輸、安全和醫療相關領域，產品研發處于快速發展時期1981-1991年，商業化需求讓RFID出現了各種大規模的應用。1991-2000年，RFID技術已被應用到人們生活的很多方面，其標準化問題也日趨得到重視。2001年至今，多國及組織制定了一系列相關標準，且產品得到了廣泛應