物联网导论第2章-自动识别技术与RFIDv11

1、第2章 自动识别技术与RFID内容提要要感知识别别技术融融合物理理世界和和信息世世界，是是物联网网区别于于其他网网络最独独特的部部分。本篇从自动识别别技术与与RFID开始，逐逐一介绍绍多样化化的信息息生成方方式。内容回顾顾第1章介绍了了物联网网的基本本概念，核心技技术，主主要特点点和应用用前景。把物联联网分为为感知识识别层、网络构构建层、管理服服务层和和综合应应用层四四层。本章介绍绍自动识别别技术和RFID，重点讨讨论RFID组成，分类等，并简简要介绍绍防止RFID标签冲突突算法。2.1自动识别别技术2.2RFID的历史和和现状2.3RFID技术分析析2.4RFID标签冲突突*2.5RFID和

2、物联网网自动识别别技术是是模式识识别理论论的典型型应用，选取不不同的特特征产生生了多样样的自动动识别技技术。本章内容容光符号识识别&语音识别别光学字符符识别（Optical CharacterRecognition，OCR），是模模式识别别（Pattern Recognition，PR）的一种种技术，目的是是要使计计算机知知道它到到底看到到了什么么，尤其其是文字字资料。OCR技术能使使设备通过光学学机制识识别字符符。语音识别别研究如何何采用数字信号号处理技术自动提取取及决定定语言信号号中最基基本有意意义的信息，同时也也包括利利用音律特征征等个人特征征识别说话人。自动识别别技术举举例光符号识识别

3、语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码语音识别别框架：典型的的模式识识别系统统构词规则同音字判决语法语义背景知识预处理声学参数分析测度估计失真测度语音库判决专家知识库训练识别结果反混叠失真滤波器预加重器端点检测噪声滤波器欧氏距离似然比测度语音信号输入虹膜识别别：合适适的生物物特征虹膜识别别是当前应应用最方方便精确确的生物物识别技技术，虹虹膜的高高度独特特性和稳稳定性是是其用于于身份鉴鉴别的基基础。虹膜识别别的特点点：生物活性性:虹膜处在在巩膜的的保护下下，生物物活性强强。非接触性性:从无需用用户接触触设备,对人身没没有侵犯犯。唯一性:形态完全全相同虹虹膜的可可能性低低于其他他组织。稳定性:

4、虹膜定型型后终身身不变，一般疾疾病不会会对虹膜膜组织造造成损伤伤。防伪性:不可能在在对视觉觉无严重重影响的的情况下下用外科科手术改改变虹膜膜特征。自动识别别技术举举例光符号识识别语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码指纹识别别技术从实用角度度看，指纹识别别是优于其其他生物物识别技技术的身身份鉴别别方法。因为指指纹具有有各不相相同、终终生基本本不变的的特点，且目前前的指纹纹识别系系统已达达到操作作方便、准确可可靠、价价格适中中的阶段段，正逐逐步应用用于民用用市场。指纹识别别的处理理流程：通过特殊殊的光电电转换设设备和计计算机图图像处理理技术，对活体体指纹进进行采集集、分析析和比对对，可以以迅

5、速、准确地地鉴别出出个人身身份。系系统一般般主要包包括对指指纹图像像采集、指纹图图像处理理、特征征提取、特征值值的比对对与匹配配等过程程。自动识别别技术举举例光符号识识别语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码指纹特征征有哪些些（总体体特征）？纹型：三种基本纹型包括：环型、弓型和螺旋型纹数：模式区内指纹纹路的数量。模式区：指纹上包含总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的三角点：位于从核心点开始的第一个分叉点或断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、转折点、或者指向这些奇异点。指纹特征征有哪些些（局部部特征）？终结点（Ending）：一条纹纹路在此此终结。分叉点（Bifurca

6、tion)：一条纹纹路在此此分开成成为两条条或更多多的纹路路。分歧点（RidgeDivergence）：两条平平行的纹纹路在此此分开。孤立点（DotorIsland）:一条特别别短的纹纹路，以以至成为为一点。环点（Enclosure）:一条纹路路分开成成为两条条之后，立即有有合并成成为一条条，这样样形成的的一个小小环称为为环点。短纹（ShortRidge）:一端较短短但不至至于成为为一点的的纹路。IC卡技术IC卡（Integrated CircuitCard），即“集成电电路卡”在日常常生活中中已随处处可见。实际上上是一种种数据存存储系统统，如有有必要还还可附加加计算能能力。一个标准准的IC卡

7、应用系系统通常常包括：IC卡、IC卡接口设设备（IC卡读写器器）、PC，较大的的系统还还包括通信网络络和主计算机机等，如图图所示。自动识别别技术举举例光符号识识别语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码IC卡：基本本组成IC卡：由持卡卡人掌管管，记录录持卡人人特征代代码、文文件资料料的便携携式信息息载体。接口设备备：即IC卡读写器器，是卡卡与PC信息交换换的桥梁梁，且常常是IC卡的能量量来源。核心为为可靠的的工业控控制单片片机，如如Intel的51系列等。PC：系统的的核心，完成信信息处理理、报表表生成输输出和指指令发放放、系统统监控管管理以及及卡的发发行与挂挂失、黑黑名单的的建立等等。网络

8、与计计算机：通常用用于金融融服务等等较大的的系统。自动识别别技术举举例光符号识识别语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码IC卡：分类类自动识别别技术举举例光符号识识别语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码IC卡：按芯芯片分类类（1）存储器卡。存储器卡卡内嵌入的芯片为存储器芯片，这些芯片多为通用E2PROM（或Flash Memory）；无安全逻辑，可对片内信息不受限制地任意存取；卡片制造中也很少采取安全保护措施；不完全符合或支持ISO/IEC 7816国际标准，而多采用两线串行通信协议（I2C总线协议）或3线串行通信协议。存储器卡功能简单，没有（或很少有）安全保护逻辑，但价格低廉，开发

9、使用简便，存储容量增长迅猛，因此多用于某些内部信息无须保密或不允许加密（如急救卡）的场合。特点： I2C总线IC卡：按芯芯片分类类（2）逻辑加密卡。逻辑加密卡由非易失性存储器和硬件加密逻辑构成，一般是专门为IC卡设计的芯片，具有安全控制逻辑，安全性能较好；同时采用ROM、PROM、E2PROM等存储技术；从芯片制造到交货，均采取较好的安全保护措施，如运输密码TC（Transport Card）的取用；支持ISO/IEC 7816国际标准。逻辑加密卡有一定的安全保证，多用于有一定安全要求的场合，如保险卡、加油卡、驾驶卡、借书卡、IC卡电话和小额电子钱包等。特点： IC卡：按芯芯片分类类（3）CP

10、U卡。CPU卡也称智能卡。CPU卡的硬件构成包括CPU、存储器（含RAM、ROM、E2PROM等）、卡与读写终端通信的I/O接口及加密运算协处理器CAU，ROM中则存放有COS（Chip Operation System，片内操作系统）。计算能力高，存储容量大，应用灵活，适应性较强。安全防伪能力强。不仅可验证卡和持卡人的合法性，且可鉴别读写终端，已成为一卡多用及对数据安全保密性特别敏感场合的最佳选择，如手机SIM卡等。真正意义上的“智能卡”。特点： CPU卡：按交交换界面面分类接触式IC卡 接触式IC卡的多个金属触点为卡芯片与外界的信息传输媒介，成本低，实施相对简便；非接触式IC卡则不用触点，

11、而是借助无线收发传送信息，因此在前者难以胜任的交通运输等诸多场合有较多应用。非接触式IC卡CPU卡：按应应用领域域分类根据应用用领域的的不同可可将智能能卡分为为金融卡和和非金融融卡（即即银行卡卡和非银银行卡）。金融卡卡又分为为信用卡卡和现金金卡。前前者用于于消费支支付时，可按预预先设定定额度透透支资金金，后者者可用做做电子钱钱包和电电子存折折，但不不得透支支。而非非金融卡卡的涉及及范围极极广，实实质上囊囊括了金金融卡之之外的所所有领域域，如门门禁卡、组织代代码卡、医疗卡卡、保险险卡、IC卡身份证证、电子子标签等等。CPU卡：按数数据传输输形式分分类 根据与外界数据传输形式的不同可将智能卡分为串

12、行通信卡和并行通信卡。串行通信卡即为目前最常用的卡，也是目前国际标准中所规定的接口方式。 采用串行方式与外界交换信息，卡芯片引脚较少，易于封装和接口。但随着芯片存储容量的增大，引发了两个问题：一是芯片面积急剧增长，给卡的封装带来困难；二是读写时间过长，读写1 MB的容量需要12分钟。 并行通信卡由于采用并行通信，故无此二弊，但国际标准中尚无此类接口标准。例如某种P型IC卡的引脚数多达32个，不仅速度极快，而且容量增大。与串行通信卡一样，它也有存储型、逻辑加密型和CPU型，并已在纳税申报等系统中得以应用。 条形码技技术自动识别别技术举举例光符号识识别语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码条码

13、技术术是在计算算机应用用发展过过程中，为消除数据据录入的的“瓶颈颈”问题题而产生的的，可以以说是最“古老老”的自动识识别技术术。条形码是是由一组组规则排排列的条、空以及对应应的字符符组成的的标记。当使用用专门的的条形码码识别设设备如手手持式条条码扫描描器扫描描这些条条码时，条码中中包含的的信息就就转化为为计算机机可识别别的数据据。目前市场场上常见见的是一维条形形码，信息量量约几十十位数据据和字符符；二维条形形码相对复杂杂，但信信息量可可达几千千字符。条形码技技术：一一维条形形码自动识别别技术举举例光符号识识别语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码一维条码码是由一组组规则排排列的条条、空以以

14、及对应应的字符符组成的的标记。普通的的一维条条码在使使用过程程中仅作作为识别别信息，它的意意义是通通过在计计算机系系统的数数据库中中提取相相应的信信息而实实现的。一个完整整的条码码的组成成次序依依次为：静区（前）、起始符符、数据据符、（中间分分割符，主要用用于EAN码）、(校验符)、终止符符、静区区（后）。一维条形形码：几几个基本本概念模块：构成条码码的基本本单位是是模块，模块是是指条码码中最窄窄的条或或空，模模块的宽宽度通常常以mm或mil（千分之之一英寸寸）为单单位。构构成条码码的一个个条或空空称为一一个单元元，一个个单元包包含的模模块数是是由编码码方式决决定的，有些码码制中，如EAN码，

15、所有有单元由由一个或或多个模模块组成成；而另另一些码码制，如如39码中，所所有单元元只有两两种宽度度，即宽宽单元和和窄单元元，其中中的窄单单元即为为一个模模块。密度（Density）：条码的密密度指单单位长度度的条码码所表示示的字符符个数。模块尺尺寸越小小，密度度越大，所以密密度值通通常以模模块尺寸寸的值来来表示（如5mil）。通常常7.5mil以下的条条码称为为高密度度条码，15mil以上的条条码称为为低密度度条码。宽窄比：对于只有有两种宽宽度单元元的码制制，宽单单元与窄窄单元的的比值称称为宽窄窄比，一一般为2-3左右（常常用的有有2：1，3：1）。宽窄窄比较大大时，阅阅读设备备更容易易分辨

16、宽宽单元和和窄单元元，因此此比较容容易阅读读。一维条形形码：几几个基本本概念（续）对比度（PCS）：条码符号号的光学学指标，PSC值越大则则条码的的光学特特性越好好PCS=（RL-RD）/RL100%（RL：条的反反射率RD：空的反反射率）条码长度度:从条码起起始符前前缘到终终止符后后缘的长长度条码密度度:单位长度度的条码码所表示示的字符符个数双向条码码：条码的的两段都都可以作作为扫描描起点的的。中间分隔隔符：在条码码符号中中，位于于两个相相邻的条条码符号号之间且且不代表表任何信信息的空空。连续性条条码：在条码码字符中中，两个个相邻的的条码字字符之间间没有中中间分隔隔符的条条码。非连续性性条码

17、：在条码码字符中中，两个个相邻的的条码字字符之间间存在中中间分隔隔符的条条码。一维条形形码：译译码原理理激光扫描描仪通过过一个激激光二极极管发出出一束光光线，照照射到一一个旋转转的棱镜镜或来回回摆动的的镜子上上，反射射后的光光线穿过过阅读窗窗照射到到条码表表面，光光线经过过条或空空的反射射后返回回阅读器器，由一一个镜子子进行采采集、聚聚焦，通通过光电电转换器器转换成成电信号号，该信信号将通通过扫描描期或终终端上的的译码软软件进行行译码。一维条形形码：典典型一维维条形码码制比较较条形码技技术：二二维条形形码自动识别别技术举举例光符号识识别语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码二维码利用某种种

18、特定的的几何图图形按一一定规律律在平面面（二维维方向上上）分布布的黑白白相间的的图形记记录数据据符号信信息的；在代码码编制上上巧妙地地利用构构成计算算机内部部逻辑基基础的“0”、“1”比特流的的概念，使用若若干个与与二进制制相对应应的几何何形体来来表示文文字数值值信息，通过图图象输入入设备或或光电扫扫描设备备自动识识读以实实现信息息自动处处理。二维码具具有条码码技术的的一些共共性：每每种码制制有其特特定的字字符集；每个字字符占有有一定的的宽度；具有一一定的校校验功能能等。同同时还具具有对不不同行的的信息自自动识别别功能、及处理理图形旋旋转变化化等特点点。条形码技技术：二二维条形形码自动识别别技

19、术举举例光符号识识别语音识别别虹膜识别别指纹识别别IC卡条形码目前，世世界上应应用最多多的二维维条码符符号有AztecCode、PDF147、DataMatrix、QRCode、Code16K等。Code 16KDataMatrixPDF147Aztec CodeQR Code一维条形形码与二二维条形形码的比比较一维条形形码特点点：可直接显显示内容容为英文文、数字字、简单单符号；贮存数据据不多，主要依依靠计算算机中的的关联数数据库：保密性能能不高；损污后可可读性差差。二维条形形码特点点：可直接显显示英文文、中文文、数字字、符号号、图型型；贮存数据据量大，可存放放1K字符，可可用扫描描仪直接接读

20、取内内容，无无需另接接数据库库；保密性高高（可加加密），安全级别别最高时时，损污污50%仍可读取取完整信信息。2.1自动识别别技术2.2RFID的历史和和现状2.3RFID技术分析析2.4RFID标签冲突突*2.5RFID和物联网网RFID对于计算算机自动动识别技技术而言言是一场场革命，极大地地提高了了信息处处理效率率和准确确度。本章内容容2.2RFID的历史与与现状RFID是射频识别别技术（RadioFrequencyIdentification）的英文文缩写,利用射频信号号通过空间耦合合（交变磁场场或电磁场）实现无接触信信息传递递并通过所所传递的的信息达达到识别目的。它是上世世纪90年代兴

21、起起的自动动识别技技术，首首先在欧欧洲市场场上得以以使用，随后在在世界范范围内普普及。RFID较其它技技术明显显的优点是电子标标签和阅阅读器无需接触触便可完成成识别。射频识识别技术术改变了了条形码码依靠有形的一维或或二维几几何图案案来提供供信息的的方式，通过芯片片来提供存储储在其中的的数量巨巨大的无形信息。2.2RFID的历史与与现状2.2RFID的历史与与现状目前RFID技术应用用己经处处于全面推广广的阶段。特别是是对于IT业而言，RFID技术被视视为IT业的下一一个“金金矿”。各大软软硬件厂厂商包括括IBM、Motorola、Philips、TI、Microsoft、Oracle、Sun、

22、BEA、SAP等在内的的各家企企业都对对RFID技术及其其应用表表现出了了浓厚的的兴趣，相继投投入大量量研发经经费，推推出了各各自的软软件或硬硬件产品品及系统统应用解解决方案案。在应用领领域，以以Wal-Mart，UPS，Gillette等为代表表的众多多企业已已经开始始全面使使用RFID技术对业业务系统统进行改改造，以以提高企企业的工工作效率率、管理理水平并并为客户户提供各各种增值值服务。2.1自动识别别技术2.2RFID的历史和和现状2.3RFID技术分析析2.4RFID标签冲突突*2.5RFID和物联网网RFID系统的基基本组成成是什么么？有哪哪些重要要参数？本章内容容2.3RFID技术

23、分析析RFID系统由五个组组件构成成，包括括：传送器、接收器、微处理器器、天线、标签。传送器器、接收收器和微微处理器器通常都都被封装装在一起起，又统统称为阅读器(Reader)，所以工工业界经经常将RFID系统分为为为阅读器、天线和标签三大组件件，这三三大组件件一般都都可由不不同的生生厂商生生产。2.3RFID技术分析析：阅读读器阅读器是RFID系统最重重要也是是最复杂杂的一个个组件。因其工工作模式式一般是是主动向向标签询询问标识识信息，所以有有时又被被称为询询问器（Interrogator）。下图图显示不不同类型型的阅读读器。阅阅读器可可以通过过标准网网口、RS232串口或USB接口同主主机

24、相连连，通过过天线同同RFID标签通信信。有时时为了方方便，阅阅读器和和天线以以及智能能终端设设备会集集成在一一起形成成可移动动的手持持式阅读读器。2.3RFID技术分析析：天线线天线同阅读器器相连，用于在在标签和和阅读器器之间传传递射频频信号。阅读器器可以连连接一个个或多个个天线，但每次次使用时时只能激激活一个个天线。RFID系统的工工作频率率从低频频到微波波，这使使得天线线与标签签芯片之之间的匹配问题变得得很复杂杂。2.3RFID技术分析析：标签签标签（Tag）是由耦合合元件、芯片及及微型天天线组成成，每个个标签内内部存有有唯一的的电子编编码，附附着在物物体上，用来标标识目标标对象。标签进

25、进入RFID阅读器扫扫描场以以后，接接收到阅阅读器发发出的射射频信号号，凭借借感应电电流获得得的能量量发送出出存储在在芯片中中的电子子编码（被动式式标签），或者者主动发发送某一一频率的的信号（主动式式标签）。电可擦可可编程只只读存储储器（EEPROM）：一般般射频识识别系统统主要采采用EEPROM方式。这这种方式式的缺点点是写入入过程中中的功耗耗消耗很很大，使使用寿命命一般为为100,000次铁电随机机存取存存储器（FRAM）:与EEPROM相比，FRAM的写入功功耗消耗耗减小100倍，写入入时间甚甚至缩短短1000倍。FRAM属于非易易失类存存储器。然而，FRAM由于生产产方面的的问题至至今

26、未获获得广泛泛应用。静态随机机存取存存储器（SRAM）:SRAM能快速写写入数据据，适用用于微波波系统，但SRAM需要辅助助电池不不间断供供电，才才能保存存数据。标签：存存储方式式被动式标标签（Passive Tag）：因内部部没有电电源设备备又被称称为无源源标签。被动式式标签内内部的集集成电路路通过接接收由阅阅读器发发出的电电磁波进进行驱动动，向阅阅读器发发送数据据。主动标签签（ActiveTag）:因标签内内部携带带电源又又被称为为有源标标签。电电源设备备和与其其相关的的电路决决定了主主动式标标签要比比被动式式标签体体积大、价格昂昂贵。但但主动标标签通信信距离更更远，可可达上百百米远。半主

27、动标标签（Semi-activeTag）:这种标签签兼有被被动标签签和主动动标签的的所有优优点，内内部携带带电池，能够为为标签内内部计算算提供电电源。这这种标签签可以携携带传感感器，可可用于检检测环境境参数，如温度度、湿度度、是否否移动等等。然而而和主动动式标签签不同是是它们的的通信并并不需要要电池提提供能量量，而是是像被动动式标签签一样通通过阅读读器发射射的电磁磁波获取取通信能能量。标签分类类体积小且且形状多多样：RFID标签在读读取上并并不受尺尺寸大小小与形状状限制，不需要要为了读读取精度度而配合合纸张的的固定尺尺寸和印印刷品质质。耐环境性性：纸张容易易被污染染而影响响识别。但RFID对水

28、、油油等物质质却有极极强的抗抗污性。另外，即使在在黑暗的的环境中中，RFID标签也能能够被读读取。可重复使使用：标签具有有读写功功能，电电子数据据可被反反复覆盖盖，因此此可以被被回收而而重复使使用。穿透性强强：标签在在被纸张张、木材材和塑料料等非金金属或非非透明的的材质包包裹的情情况下也也可以进进行穿透透性通讯讯。数据安全全性：标签内内的数据据通过循循环冗余余校验的的方法来来保证标标签发送送的数据据准确性性。RFID标签与条条形码相相比的优优点？2.3RFID技术分析析：频率率RFID频率是RFID系统的一一个很重重要的参参数指标标，它决决定了工工作原理理、通信信距离、设备成成本、天天线形状状

29、和应用用领域等等因素。RFID典型的工工作频率率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照照工作频频率的不不同，RFID系统集中中在低频、高频和超高频三个区域域低频（LF）范围为为30kHz-300kHz，RFID典型低频频工作频频率有125kHz和133kHz两个，该该频段的的波长大大约为2500m。低频标标签一般般都为无无源标签签，其工工作能量量通过电感耦合合的方式从从阅读器器耦合线线圈的辐辐射场中中获得，通信范范围一般般小于1米。除金金属材料料影响外外，低频频信号一一般能够够穿过任任意材料料的

30、物品品而不降降低它的的读取距距离。高频（HF）范围为为3 MHz-30MHz，RFID典型工作作频率为为13.56MHz,该频率的的波长大大概为22米，通信信距离一一般也小小于1米。该频频率的标标签不再再需要线线圈绕制制，可以以通过腐腐蚀活着着印刷的的方式制制作标签签内的天天线，采采用电感耦合合的方式从从阅读器器辐射场场获取能能量。RFID频率超高频（UHF）范围为为300MHz-3GHz，3GHz以上为微微波范围围。采用用超高频频和微波波的RFID系统一般般统称为为超高频频RFID系统，典典型的工工作频率率为：433MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，频率波波长大概概

31、在30厘米左右右。严格格意义上上，2.45GHz和5.8GHz属于微波波范围。 超高高频标签签可以是是有源标标签与无无源标签签两种，通过电磁耦合合方式同阅阅读器通通信。通通信距离离一般大大于1米，典型型情况为为4-6米，最大大可超过过10米。RFID频率（续续）2.1自动识别别技术2.2RFID的历史和和现状2.3RFID技术分析析2.4RFID标签冲突突*2.5RFID和物联网网多个标签签同时处处于阅读读器识别别范围之之内或多多个标签签同时向向阅读器器发送标标志信号号时，将将发生标标签信号号冲突。本章内容容2.4RFID标签冲突突标签信号号冲突：随着阅阅读器通通信距离离的增加加其识别别区域的

32、的面积也也逐渐增增大，这这常常会会引发多多个标签签同时处处于阅读读器的识识别范围围之内。但由于于阅读器器与所有有标签共共用一个个无线通通道，当当两个以以上的标标签同一一时刻向向阅读器器发送标标识信号号时，信信号将产产生叠加加而导致致阅读器器不能正正常解析析标签发发送的信信号。这这个问题题通常被被称为标标签信号号冲突问问题（或或碰撞问问题），解决冲冲突问题题的方法法被称为为防冲突突算法（或防碰碰撞算法法，反冲冲突算法法）。现有的基于时分分多址防冲突算算法可以以分为基于ALOHA机制的算法和和基于二进进制树两种类型型，而这这两种类类型又包包括若干干种变体体。纯ALOHA防冲突算算法算法简单单，易于于实现，但信道道利用率率仅为18.4%，性能非非常不理理想。