彭力-物联网概论-第2课 RFID

1、1本书内容框架一、绪论（1、10）二、射频识别技术（2）三、无线传感器网络技术（6）四、无线单片机技术和传感器技术（4、5）五、无线通信系统和远程通信技术（3、8）六、短距离无线通信技术（7）七、智能信息处理技术（9）八、本课程考试2第二课、 RFID技术江南大学物联网工程学院吴治海Email: Phoneddress:C4232011-9-13本节课主要内容提纲RFID组成RFID特点RFID分类RFID工作原理RFID技术标准RFID安全问题1.RFID组成n完整的自动识别计算机管理系统： 自动识别系统（采集和存储） 应用软件系统（应用处理） 应用接口系统（通信接

2、口、格式转换、数据传递）n自动识别技术：应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接触活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成后续处理的一种技术。（高度自动化的信息采集技术）n现有的自动识别技术：条码技术、光学字符识别技术、卡识别技术、生物识别技术、声音识别技术、图像识别技术、射频识别技术等1.RFID组成 RFID射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作时无需人工干预，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频标签，操作快捷方便。 利用无线电波进行双向通信，适于实现自动化且不易损

3、坏，射频卡不怕油渍、灰尘污染等，短距离的射频标签可以在这样的环境中替代条码，长距离的产品多用于交通中，距离可达几十米。1.RFID组成 n标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。也称卡片。n阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。包括天线（Antenna）n应用软件系统。1.RFID组成 阅读器RFID系统的阅读器由射频模块和基带模块两个主要部分组成。n射频模块射频模块的两个任务：n将阅读器与发往射频标签的命令调制到射频信号（阅读器/射频标签的射频工作频率）上,经由天线发送出去。发送出去的射频信号

4、经过空间传送到射频标签上，射频标签对照射到其上的射频信号作出响应，形成返回阅读器天线的反射回波信号。1.将射频标签返回到阅读器的回波信号进行必要的加工处理，并从中解调提取出射频标签回送的数据。1.RFID组成n基带模块基带模块的两个任务：n将阅读器智能单元（CPU或MPU)发出的命令进行加工（编码），便于调制到射频信号（阅读器/射频标签的射频工作频率）上。n对经过射频模块解调处理的标签回送数据信号进行必要的处理（解码），并将处理后的结果送入阅读器智能单元。阅读器应具有如下功能： 与标签通信(天线、空间信道）； 与计算机通信（应用程序接口，API)。1.RFID组成射频标签射频标签相当于条码技术

5、中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息。与条码不同的是标签必须能够自动或在外力的作用下，把存储的信息主动发射出去。1.RFID组成RFID系统的射频标签由芯片芯片（ICIC）和天线天线两个 主要部分构成。n通过天线，芯片接收和传输信号；标签通过天线获得能量，并由芯片控制接收和发送数据。n芯片由模拟射频接口、数据控制和EEPROM( Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程序只读存储器）三个模块组成。n模拟射频接口模块为芯片提供稳定电压，并将获得的数据解调后供数据模块处理，同时将数据调制后返回给阅读器。1.RFID

6、组成射频标签具有如下功能功能：具有一定容量的存储器，用以存储被识别对象的信息。在一定的工作环境及技术条件下标签数据可读写。具有确定的使用期限，使用期限内无需维修。维持对识别对象的识别及相关信息的完整。数据信息编码后，工作时可传输给阅读器。可编程，且一旦编程后，永久性数据不能再修改。对于有源标签，通过阅读器能显示出电池的工作情况。1.RFID组成射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。射频识别技术的基本原理是电磁理论，即利用无线电波对记录媒体进行读写。射频识别技术的优点是不局限于视线、识别距离比光学系统远，射频识别卡具有读写能力、可携带大量数据、难以伪造。 2.RFID特点 n

7、射频识别技术和条形码技术相似，目的都是快速准确地确认追踪目标物体。n射频识别技术和条形码技术的区别：射频标签特有的辨识器不能被复制，标签的作用不仅仅局限于视野之内，因为信息是由无线电波传输，而条形码必须在视野之内。由于条形码成本较低，有完善的标准体系，已在全球广泛使用，而射频技术由于成本相对较高，只被局限在有限的市场上使用，但它具有广阔的前景。2.RFID特点 射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术通过射频信号自动识别目标对象来获取相关数据利用无线电波进行双向通信的一种自动识别技术，完成识别工作时无需人工干预，适于实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频卡，操作快捷方便。

8、射频卡不怕油渍、灰尘污染等，短距离的射频卡可以在这样的环境中替代条码，长距离的产品多用于交通中，距离可达几十米。2.RFID特点 n非接触非接触：读取距离由数公分到数公尺 n可遮盖可遮盖：即使有遮蔽物(金属、液体除外)也可辨识 n轻薄短小轻薄短小：可多样化的贴付于对象人/物 n环境时间性环境时间性：耐污、耐振、耐撞撃、长期性 n个体识别个体识别：芯片单体上有个体标识符串，可个别管理物品 n自动读取自动读取：无需人工介入即可读取 n可抹写可抹写：数据可重复抹写 n移动读写移动读写：移动中也可读取、写入 n同时多笔读取同时多笔读取：可同时读取多笔标签2.RFID特点 n条码技术 - 成本最低、采用

9、纸制材料，较易磨损，且数据量小。n磁卡技术 - 磁卡数据可读写、可改造数据、成本低廉，易被伪造。nIC卡识别技术 - 有独立的运算和储存能力，数据安全性好，价格稍高。nRFID技术 -具有非接触式识读能力、能同时识别多个物品。2.RFID特点 比 较 因素四 种 技术信息载体信息量读/写性读取方式安全性智能化抗干扰性寿命成本条码技术纸、塑料、金属表面小只读激光束扫描差无智能差较短最低磁卡技术磁性介质一般读/写电磁转换一般无智能较差短低IC卡技术EEPROM大读/写电擦除、写入好智能好长较高RFID技术EEPROM大读/写无线通信好智能很好最长较高四种识别技术的优缺点比较四种识别技术的优缺点比较

10、2.RFID特点 3.RFID分类n分类一(根据标签能量（电池）供给方式分类)： 无源系统无源标签（被动标签，passive Tag)：标签内没有内装电池，在阅读器的阅读范围之外时，标签处于无源状态，在阅读器的阅读范围之内时，标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。 半无源系统半无源标签(Semi-passive Tag)：标签内装有电池，但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗点很少。标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签进入阅读器的阅读范围时，受到阅读器发出的射频能量的激励，进入工作状态时，用于传输通信的射频能量与

11、无源标签一样来自阅读器。 有源系统有源标签（主动标签，Active Tag) ：标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分转化为标签与阅读器通信所需的射频能量。有源标签n随着技术发展，目前有源RFID标签逐步采用无线单片机来进行设计，具有持久性，信息传播穿透性强，存储信息容量大、种类多等特点。n有源电子标签最重要特点是电子标签工作的能量由电池提供，而不是像无源电子标签系统感应阅读器的能量。 20有源标签阅读器21 有源标签阅读器的主要任务是完成有源标签的读取，存储和通讯传输到上位机和服务器。 有源标签阅读器主要由微控制器，相关软件，包括实时操作系统，高频电路，天线和通讯接口

12、等部分组成。有源标签阅读器系统22有源RFID系统演示23有源RFID系统演示24有源RFID系统演示253.RFID分类n分类二（ 根据读取标签数据的技术实现手段分类）： 广播发射式：实现起来最简单，标签采用有源方式工作，并实时将其存储的标识信息向外广播，阅读器相当于一个只收不发的接收机。缺点：标签要不停地向外发射信息，既费电又对环境造成电磁污染，而且系统不具备安全保密性。 倍频式：实现起来有一定困难，阅读器发出射频查询信号，标签返回的信号载频为阅读器发出射频的倍频。缺点：对于无源标签，标签将接收的阅读器射频能量转化为倍频回波载频时，能量转换效率低，工作需要占用两个工作频点，不易获得应用许可

13、。 反射调制式：实现要解决同频收发问题，阅读器发出微波查询信号，标签（无源）将部分接收到的微波查询能量信号整流为直流电供标签内的电路工作，另一部分微波能量信号被标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器，阅读器收到反射回的幅度调制信号后，从中解出标签所保存的标识性数据信息。缺点：阅读器发出的微波信号与接收反射回的幅度调制信号是同时进行的，反射回的信号强度较发射信号要弱得多，因此技术实现上的难点在于同频接收。3.RFID分类n分类三（ 根据标签内保存的信息注入的方式分类）： 集成电路固化式：标签内的信息一般在集成电路生产时即以ROM(只读存储，Read-Only-Memory)的工艺模式注入，其保存

14、的信息是一成不变的。 现场有线改写式：标签保存的信息写入其内部的E2存储区中，改写时需要专用的编程器或写入器，改写过程必须为其供电。 现场无线改写式：一般适用于有源标签，具有特定的改写指令，标签内保存的信息也位于其内部的E2存储区。 3.RFID分类n分类四（ 根据标签存储器类型分类）： 只读型：存储器出场时已经写入固定数据，用户不得修改。 读写型：存储器允许用户进行多次擦写，方便数据更新。 一次可写型：存储器允许用户写入一次数据，但写入后不得再修改。 3.RFID分类n分类五（ 根据工作频率分类）： 低频（LF)：一般其工作频率400MHz，典型的工作频段有915MHz、2450MHz、58

15、00MHz等。系统在这些频段上也有众多的国际标准予以支持，其基本特点是：标签及阅读器成本较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远(可达几米至十几米)，适应物体高速运动性能好，外形一般为卡状，阅读天线及标签天线均有较强的方向性。 超高频和微波频段(UHF)：其典型工作频率为：433.92MHz，862(902)928MHz，2.45GHz，5.8GHz。标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为47m，最大可达1

16、0m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的标签可被读/写。 高频电子标签原理n 电子标签与阅读器（读卡器）之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。n 发生在阅读器（读卡器）和高频电子标签RFID之间的射频信号的耦合主要采用电感耦合。这是依据变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。n 电感耦合的原理是：在两电感线圈在同一介质中，相互的电磁场通过该介质传导到对方，形成耦合。n 变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。30高频电子标签原理n 最常见的电感耦合，

17、就如变压器。即将一个波动的电流或电压在一个线圈（称为初级线圈）内产上磁场，在同一个磁场中的另外一组或几组线圈（称为次级线圈）上就会产生相应比例的磁场（与初级线圈和次级线圈的匝数有关）。变压器是就是电感线圈耦合的经典杰作。n 电感耦合方式一般适合于高、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13.56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为1020CM。n RFID标签与阅读器（读卡器）之间的耦合通过天线完成，这里的天线通常可以理解为电波传播的天线，有时也指电感耦合的天线。 31阅读器高频RFID阅读器原理33高频RFID阅读器原理34高频RFID演示35

18、高频RFID演示36高频RFID演示374.RFID工作原理工作原理n阅读器天线发出无线电波阅读器天线发出无线电波 n标签的天线感应此电波，其中的芯片因此接标签的天线感应此电波，其中的芯片因此接受到读取器所传出的数据受到读取器所传出的数据( (指令指令) )，标签的芯，标签的芯片便将储存于本身的数据再通过无线电波传片便将储存于本身的数据再通过无线电波传回阅读器回阅读器 标签与阅读器之间的数据传输是通过空气介质以无线电波的形式进行的。 阅读器将无线电载波信号经过发射天线向外发射。 当射频标签进入发射天线的工作区时，射频标签被激活后即将自身信息代码经天线发射出去。 系统的接收天线接收到射频标签发出

19、的载波信号，经天线的调节器传给阅读器。阅读器对接到的信号进行解调解码，送后台电脑控制器。 计算机控制器根据逻辑运算判断该射频标签的合法性，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。 执行机构按计算机的指令动作。 通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，根据不同的项目设计不同的软件来完成要达到的功能。4.RFID工作原理工作原理UHF电子标签结构原理nUHF EPC Gen2电子标签具有数据存贮量大、数据传输速率快、工作频率宽、多标签识读特征等参数特征之外，还具有4个内部存储器分区，分别是：保留存储器，EPC存储器，TID存储器和用户定义存储器。nEP

20、C存储器包括了CRC校验码，协议规范控制，EPC全球编码等重要信息。TID存储器包括了 ISO15693 分类信息，标签方式定义，制造厂家信息，例如串行号码等。保留存储器包括了密码，销毁标签密码等信息。40UHF电子标签结构原理41UHF阅读器设计42UHF-RFID工作原理n 阅读器通过天线，发射信号到标签（TAG），可以采用ASK调制，脉冲间隔编码（Pulse Interval Encoding），通讯速率26.7到128 KBIT/S。43UHF-RFID工作原理n 在高频范围的标签收到阅读器发出的高频载波信号，标签天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，在经过整流电路时，激活电路上的微型开关，给标签供电。标签上的电子线路，将根据阅读器发出信息，通过ASK或者PSK 耦合方式进行调制，FM0等编码方式，向阅读器反馈相关信息。44UHF-RFID工作原理n UHF-RFID阅读器及电子标签之间的通讯及是采用电磁反向散射耦合方式完成。电磁反向散射耦合方式很像雷达工作的原理，如下图所示。45UHF-RFID工作原理46UHF-RFID工作原理n 阅读器就像手电筒，标签就像一个镜子，标签发射最大，就是逻辑“1”。标签反射最小，就是逻辑“0”。n 在高频范围的标签收到阅读器发出的高频载波信号。标签天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，在