RFID射频识别技术：第1章 概述

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1、本章内容1.1 物联网与RFID简介1.3 RFID的主要特点1.4 RFID的核心技术1.5RFID的历史与现状1.6 RFID的发展趋势1.7 总结1.2 自动识别技术1、什么是物联网、什么是物联网 物联网是在互联网的基础上，将用户端延伸和扩展到任何物联网是在互联网的基础上，将用户端延伸和扩展到任何物体，进行信息交换和通信的一种网络。物联网的英文名物体，进行信息交换和通信的一种网络。物联网的英文名称为称为The Internet of Things，由该名称可见，物联网就是由该名称可见，物联网就是“物与物相连的互联网物与物相连的互联网”。通过通过对物理世界信息化、网络对物理世界信息化、网络

2、化、将化、将传统上分离的物理世界与信息世界实现互联与传统上分离的物理世界与信息世界实现互联与整合。整合。物物联网的定义是，通过射频识别（联网的定义是，通过射频识别（RFID）、传感器、全球）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物体与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以把任何物体与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。1.1 物联网与RFID简介物联网(传感网)典型体系架构1.1 物联网RFID简介物联网典型体

3、系架构分层描述感知层是实现物联网全面的感知的核心能力是物联网中包括关键技术、标准化方面、产业化方面亟待突破的部分关键在于具备更精确、更全面的感知能力，并解决低功耗、小型化和低成本的问题广泛覆盖的移动通信网络是实现物联网的基础设施是物联网三层中标准化程度最高、产业化能力最强、最成熟的部分关键在于为物联网应用特征进行优化和改进，形成协同感知的网络提供丰富的基于物联网的应用，是物联网发展的根本目标将物联网技术与行业信息化需求相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集关键在于行业融合、信息资源的开发利用、低成本高质量的解决方案、信息安全的保障以及有效的商业模式的开发物联网应用层物联网网络层物联网感知层1.

4、1 物联网与RFID简介 群智感知计算群智感知计算：所有的物理对象都有可能被封装成一个个：所有的物理对象都有可能被封装成一个个能够自主感知与自主计算的设备，它们能够通过无线的媒能够自主感知与自主计算的设备，它们能够通过无线的媒介进行有效地互联和通信。通过分享各自的信息，这些海介进行有效地互联和通信。通过分享各自的信息，这些海量的物理对象能够协同起来实现复杂的感知与计算任务。量的物理对象能够协同起来实现复杂的感知与计算任务。物联网的计算模式中，任何一个物理对象都有可能成为一物联网的计算模式中，任何一个物理对象都有可能成为一个计算主体个计算主体。根本的出发点就是将。根本的出发点就是将智能智能嵌入到

5、物理对象中，嵌入到物理对象中，让物理对象让物理对象“开口说话开口说话”1.1 物联网与RFID简介 核心的支撑机制需求：核心的支撑机制需求：1.让物理对象被唯一标识，类似于互联网的让物理对象被唯一标识，类似于互联网的IP地址地址2.如何将如何将“智能智能”嵌入到每一个物理对象中，让最简单的物理对象嵌入到每一个物理对象中，让最简单的物理对象也能够开口说话也能够开口说话3.如何提供一种如何提供一种低成本的通信方式来实现低成本的通信方式来实现4.如何让物理对象在无源的环境下实现如何让物理对象在无源的环境下实现“被动智能被动智能”传统的智能传统的智能设备如传感器节点设备如传感器节点1.节点体积过节点体

6、积过大大2.需要电池供需要电池供能能3.成本过高成本过高 智能微尘的研究项目智能微尘的研究项目 1.1 物联网与RFID简介 物物联网核心支撑机制是联网核心支撑机制是RFID技术，技术，RFID技术与互联网、技术与互联网、移动通讯等技术相结合，可以实现全球范围内物体的跟踪移动通讯等技术相结合，可以实现全球范围内物体的跟踪与信息的共享，从而给物体赋予智能，实现人与物体以及与信息的共享，从而给物体赋予智能，实现人与物体以及物体与物体的沟通和对话，最终构成联通万事万物的物联物体与物体的沟通和对话，最终构成联通万事万物的物联网。网。1.1 物联网与RFID简介2、什么是射频识别、什么是射频识别RFID

7、 RFID的出现以其独有的特性、使得上诉要求得以满足。的出现以其独有的特性、使得上诉要求得以满足。射频识别射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是一种自动识别技术，它）是一种自动识别技术，它利用无线射频信号实现无接触信息传递，达到自动识别目标对象的目利用无线射频信号实现无接触信息传递，达到自动识别目标对象的目的。的。RFID技术无需人工干预，即可完成物品信息的采集和传输，被称技术无需人工干预，即可完成物品信息的采集和传输，被称为为21世纪十大重要技术之一。世纪十大重要技术之一。RFID系统：有两个基本器件，一个是阅读器、另一个是标签。其系统：有两个基

8、本器件，一个是阅读器、另一个是标签。其基本工作原理是阅读器以广播方式连续向周围发送携带能量的基准信基本工作原理是阅读器以广播方式连续向周围发送携带能量的基准信号，感应到能量的标签通过调制电路信号以反射的方式向阅读器返回号，感应到能量的标签通过调制电路信号以反射的方式向阅读器返回自身携带携带的数据，阅读器对接收到的数据进行解码，并传给主机自身携带携带的数据，阅读器对接收到的数据进行解码，并传给主机进行处理。进行处理。1.1 物联网与RFID简介1.1 物联网与RFID简介RFID系统的构成系统的构成1.1 物联网与RFID简介 电子标签（Electronic Tag）也称之为智能标签（Smart

9、 Tag），是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和阅读器进行通信。电子标签1.1 物联网与RFID简介 天线：用来接收阅读器发送来的信号，并把数据送回给阅读器。电压调节器：把阅读器发送来的射频信号转为直流电源，并经大电容存储能量，再经稳压电路以提供稳定的电源。调制器：将逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给阅读器。解调器：把载波去除以取出正确的调制信号。逻辑控制单元：用来译码阅读器发送来的信号，并依据其要求回送数据给阅读器。存储单元：包括电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Onl

10、y Memory,EEPROM）和只读存储器（Read-Only Memory,ROM），作为系统运行及存放识别数据的位置。1.1 物联网与RFID简介读取器组成 阅读器（Reader）又称阅读器，是利用射频技术读写电子标签信息的设备，在RFID系统中扮演着重要的角色，通常由天线、射频接口和逻辑控制单元三部分组成。1.1 物联网与RFID简介 RFID中间件扮演RFID标签和应用程序之间的中介角色，从应用程序端使用中间件所提供的应用程序接口，即能连到RFID读写器，读取RFID标签数据。RFID中间件1.1 物联网与RFID简介RFID中间件主要包括以下4个功能阅读器协调控制 终端用户可以通过

11、RFID中间件接口直接配置、监控以及发送指令给阅读器。数据过滤与处理 RFID中间件可以避免不同的阅读器读取同一电子标签的碰撞，确保了高于阅读器水平的数据准确性。数据路由与集成 RFID中间件可以与企业现有的ERP（企业资源计划）、CRM（客户关系管理）、WMS（仓储管理系统）等软件集成在一起，提供数据的路由与集成，同时中间件还可以保存数据，分批给各个应用提交数据。进程管理 在进程管理中，RFID中间件可根据客户定制的任务负责数据的监控与事件的触发。RFID应用系统 RFID应用系统可以集成到现有的物流系统、电子商务和电子政务平台中，与ERP、CRM和SCM等应用系统结合以提高各行业的生产效率

12、。1.1 物联网与RFID简介RFID系统工作流程 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号；当电子标签进入阅读器天线工作区域时，电子标签天线产生感应电流，电子标签获得能量被激活；电子标签将自身编码等信息通过内置天线发送出去；阅读器天线接收到从电子标签发送来的载波信号，并将其传送到阅读器；阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台应用系统进行相关处理；应用系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作。1.1 物联网与RFID简介 RFID系统能够提供有效的身份信息和地址信息，系统能够提供有效的身份信息和地址信息，是实现物是实现物联网的关

13、键技术。联网的关键技术。1.1 物联网与RFID简介3、物联网起源于射频识别领域物联网起源于射频识别领域 EPC系统与物联网系统与物联网 1999年，美国麻省理工学院（年，美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）首先提出了物联网的概念。）首先提出了物联网的概念。MIT最初的构想最初的构想是为全球所有物品都提供一个电子产品编码（是为全球所有物品都提供一个电子产品编码（Electronic Product Code，EPC），来实现对全球任何物理对象的唯一有效标识。），来实现对全球任何物理对象的唯一有效标识。物联网最初的思想来源于物联网

14、最初的思想来源于MIT的这一构想，的这一构想，MIT的这一构想就是的这一构想就是现在经常提到的物联网现在经常提到的物联网EPC系统。系统。1.1 物联网与RFID简介 EPC系统与射频识别系统与射频识别 EPC系统利用射频识别系统利用射频识别（RFID）技术追踪、管理物品。技术追踪、管理物品。在在EPC系统中，电子标签中系统中，电子标签中存储着电子产品存储着电子产品编码（编码（EPC码），码），电子电子标签标签与阅读器构成的射频识别系统自动采集与阅读器构成的射频识别系统自动采集EPC码，电子标签是码，电子标签是EPC码的物理载体。码的物理载体。2005年，世界最大的连锁超市美国沃尔玛宣布将使用

15、年，世界最大的连锁超市美国沃尔玛宣布将使用EPC系系统的统的RFID技术技术。EPC系统以射频识别技术作为一种物联网的实系统以射频识别技术作为一种物联网的实现模式，目标是构建全球的、开放的、物品标识的物联网。现模式，目标是构建全球的、开放的、物品标识的物联网。1.1 物联网与RFID简介1.2 自动识别技术人类识别最早的识别技术源于人类利用自身的感知系统对外界物理对象进行有效的识别，包括视觉、听觉、触觉以及味觉等。信息采集是通过人工手段录入的，需要投入大量的人力支持自动识别识别技术的本质在于利用被识别物理对象的一些具有辨识度的特征来对物理对象进行区分和识别。如何使用机器来代替人类进行自动识别。

16、成本太高识别度高 错误率小每个指纹具有多个特征点每个特征点57个特征十个手指可以产生至少4900个可独立测量特征稳定性速度快12秒完成匹配工作安全问题指纹容易遗留指纹复制越来越容易微型化智能化价格低1.2.1 指纹识别技术指纹识别技术利用指纹的唯一性和稳定性，通过将采集的指纹和预先采样的指纹进行对比，来验证用户身份。1.2.2 人脸识别技术人脸识别技术基于人的脸部特征，对输入的人脸图像进行特征分析，来完成身份鉴别。人脸图像采集人脸定位人脸识别预处理（区域特征分析算法）身份查找身份确认1.2.2 人脸识别技术n技术特点人脸识别技术不需要与设备直接接触，人脸图像信息可以主动获取。识别速度快、不易被

17、察觉周围环境、头发饰品、年龄增长影响识别率1.2.3 语音识别技术语音识别技术利用每个人发音的音调和音色的不同来辨别不同人的身份。特征提取模块统计声学模型发音词典语言模型解码器1.2.3 语音识别技术n技术特点使用方便、用户接受程度高声音设备造价低廉、不涉及用户隐私缺少国际标准规范，推广存在一定障碍1.2.4 一维码识别技术一维码是将线条与空白按照一定的编码规则组合起来，用以代表一定的信息。一维码只在水平方向表达信息，而在垂直方向则不表达任何信息，其保留一定的高度通常是为了便于阅读器的对准。存储的信息量少，时刻需要与数据库结合。条形码尺寸相对太大，空间利用率低。容错能力较差，破损后不能恢复信息

18、。条码识别是对红外光或可见光进行识别，由扫描器发出的红外光或可见光照射条码标记，深色的“条”吸收光，浅色的“空”将光反射回扫描器，扫描器将光反射信号转换成电子脉冲，再由译码器将电子脉冲转换成数据，最后传至后台。最流行的EAN-13码1.2.5 二维码识别技术二维码技术利用在二维平面上黑白相间的图形来记录数据，这些几何图形通过一定规律分布来表述特定的信息。二维码在横向和纵向两个维度均记录着数据定位点技术：二维码通常有三个定位点提供给读码机进行辨识，因为有这些定位点，所以二维码不管是从何种方向读取，都可以被辨识。容错机制：在没有辨识到全部的二维码、或者条码有污损时，也可以正确地还原二维码上的信息。

19、存储容量较大。可达32KB。信息密度高。可存储文字、声音、图片等信息。纠错能力强。二维码在50%污损的情况下，仍然可以识别。支持加密。具有多重防伪特性。但仍需要无障碍的近距离扫描QR Code码1.2.6 自动识别技术小结识别准确度识别准确度识别速度识别速度识别复杂度识别复杂度系统成本系统成本指纹识别技术高一般较复杂中人脸识别技术一般一般很复杂高语音识别技术一般一般很复杂高一维码高快速简单低二维码高快速简单低1.2.6 自动识别技术小结视网膜识别技术视网膜识别技术视网膜是一种极其固定的生物特征，不磨损、不老化、不受疾病影响，使用者无需和设备直接接触，视网膜识别通过分析视网膜上的血管图案来区分每

20、个人心跳识别技术心跳识别技术心跳的波形不同存在区分度，并且即便心跳加速，心跳波形的一些固有特征依然不会改变。心跳识别基于这一特征，通过特定仪器收集心跳的信号脉冲，甄别出每个人心跳固有的特征，以此来识别用户身份。RFID非接触式自动快速识别、精确高效识别、低成本低功耗、具备一定计算和存储能力，为物联网应用中“实现被动智能”、“全局唯一识别”、“低成本互联”等核心问题提供了有效的解决方案。1.3 RFID的主要特点非接触式的自动快速识别非接触式的自动快速识别RFID标签通过反向散射能量的方式来返回数据，有效通信范围可以达到6-10m。RFID系统使用有效的防冲突机制来读取标签，实现对大量标签的快速

21、识别。永久存储一定数量的数据永久存储一定数量的数据RFID标签内部自带有用户存储区，可以存储1KB-10KB的用户数据。进行简单的逻辑处理进行简单的逻辑处理RFID内部拥有数量非常有限的逻辑门，仅能进行简单的逻辑处理。但是RFID系统能能够借助标签上基本的逻辑处理能力实现一些有效的协议与算法，提升系统的运行效率与安全性能。1.3 RFID的主要特点反射信号强度受距离等因素影响明显反射信号强度受距离等因素影响明显由于RFID标签自身是无源设备，必须借助反向散射来调制反馈信号，因此，RFID标签反射信号的强度易受周围环境的影响，包括距离、阅读器功率、信号干扰、标签部署密度等。成本成本低廉、可以大量

22、部署低廉、可以大量部署RFID标签往往采用印刷电路进行大规模批量生产，因此，制造成本可以大幅度降低。目前一枚RFID标签的成本可以控制在10美分左右。1.4 RFID的核心技术RFID的制约因素标签资源及其受限计算能力存储空间通信带宽真实环境下的性能易受多种因素影响阅读器的发射功率能量吸收、路径损耗、多径效应标签的分布与部署信号干扰1.4 RFID的核心技术 实现低时延的高效识别 实现目标的可定位性 确保交互的可信性与安全性 为物理世界接入信息世界提供门户防冲突传输机制定位与移动行为感知安全认证与私密性保障信息存储、检索与挖掘1.4 RFID的核心技术充分利用反向散射的信号衰变规律来辅助定位及

23、移动行充分利用反向散射的信号衰变规律来辅助定位及移动行为感知为感知精确精确低精度：几米之内高精度：几厘米之内 防冲突机制防冲突机制无线通信：CSMA/CARFID环境：要求标签识别协议简单、高效高效的信息存高效的信息存储、检索与挖储、检索与挖掘掘安全认证与私安全认证与私密性保障密性保障轻量级的方式1.5 RFID的历史与现状1937-1940年，美国海军研究实验室开发了敌我识别协同，并成功应用于军事实践。1941-1960年，雷达技术产生，催生了RFID技术的理论思想。1961-1980年，随着技术理论的进步，RFID技术已被应用到交通运输、安全和医疗相关领域，产品研发处于快速发展时期1981

24、-1991年，商业化需求让RFID出现了各种大规模的应用。1991-2000年，RFID技术已被应用到人们生活的很多方面，其标准化问题也日趋得到重视。2001年至今，多国及组织制定了一系列相关标准，且产品得到了广泛应用。1.5 RFID的历史与现状RFID技术在美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区已经被广泛应用于工业化、智能交通、物流管理和零售业等领域。国外1.5 RFID的历史与现状2005年4月，国家科技部启动了863计划课题“无线射频关键技术研究与开发”我国RFID产业快速发展，但与先进国家相比仍有差距。RFID软件企业少 RFID技术应用以中低频为主 RFID标准未全面落实 RFID技术

25、安全稳定性能有待提升国内1.6 RFID的发展趋势能量获取方式传统电线输电：显然不再可行无线充电：尚未达到实用化的地步反向散射：续航时间无限制延长、节点体积小缺点：依赖阅读器、一对多的集中式通信方式1.6 RFID的发展趋势支持点对点通信：设计并实现创新的信道感知技术，使得RFID设备间能够在无源的情况下建立网络并实现点对点的通信，来支持多种分布式的应用。1.6 RFID的发展趋势与传感器结合：集成现有的微型传感器设备，与多模态的传感器结合，基于反向散射技术提供更丰富的应用模式。1.7 总结-RFID技术如何满足物联网的诉求 在物联网环境中，RFID将“智能”嵌入到物理对象中，让再简单的物理对象也能够“开口说活”。在物联网环境中，RFID以类似于互联网中计算节点的“IP地址”的方式，让物理对象能唯一地被识别。在物联网环境中，RFID提供了一种低成本的通信方式来实现节点间的有效沟通。在物联网环境中，RFID让物理对象在无源的环境下实现“被动智能”，为“物-物相连”提供根本保障。