第二章物联网识别技术-RFID技术

物联网识别技术

—RFID技术第二章学习要点RFID基础知识RFID标准国内外情况RFID应用目录2.5RFID技术的应用2.4RFID技术的标准2.3RFID技术的产品2.2RFID技术的工作原理2.1RFID技术概述2.1.1RFID技术的定义RFID概念：无线射频识别技术RFID(RadioFrequencyIDentification)是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对被识别物体的自动识别。

典型的RFID系统主要包括三个部分：阅读器(reader)，标签(tag)和中间件（应用软件）阅读器由天线、射频收发模块和控制单元构成。其中控制模块通常包含放大器、解码和纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电源电路等。标签一般包含天线、调制器、编码器以及存储器等单元。中间件是位于平台(硬件和操作系统)和应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议2.1.2RFID技术的背景时间RFID技术发展1941-1950年雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。1951-1960年早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。196l-1970年RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。1971-1980年RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。1981-1990年RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始出现。1991-2000年RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用。2001-今标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低。RFID技术是物联网中的标识技术，是初级的感知技术，用于身份代表及身份识别。要实现物联网，首先要将物理世界那些不具有智能的种种“物”与互联网联接起来。1999年AutoID中心提出的第一个物联网设想，RFID就被选中成为实现感知层的技术。在这个物联网雏形中，每件商品贴上一个RFID标签，内含该商品的唯一代码。2.1.3RFID技术与物联网的关系在互联网与商品的联接终端，有一个RFID阅读器。当商品靠近阅读器时，将标签中的商品代码读出。直到2010年，几乎所有在零售业、物流、服饰以及药品业等领域建立的物联网都秉承了上述AutoID中心建立的雏形物联网。目前采用RFID感知层的物联网已经实现了“人-人”通信与“人-物”通信，但要实现“物-物”通信与互动还需要经历一段艰难、漫长的道路。今后的发展无疑是进一步增加RFID标签的智能，使联网的“物”达到足够的智能水平。RFID物联网仍然是未来10年中物联网的主流。2.2.1RFID技术的基本工作原理RFID系统组成-系统至少应包括以下三个部分，一是阅读器（或称读头，解读器，读出装置，扫描器，通信器、读写器等）(reader,tra-nsceiver)，二是电子标签(或称射频卡、应答器、标签、智能标签等)(tag,transponder)，三是应用系统。另外还应包括天线(antenna,coil)，主机等。RFID工作原理1948年哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了RFID技术的理论基础。发生在阅读器和标签之间的射频信号的耦合类型有两种。1）电感耦合: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2）电磁反向散射耦合:雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时带回目标信息，依据的是电磁

波的空间传播规律。15射频识别技术在工作频率13.56MHz和小于135kHz时，基于电感耦合方式（能量及信息传递以电感耦合方式实现），在更高频段基于雷达探测目标的反向散射耦合方式（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。电感耦合方式的基础是电感电容（LC）。谐振回路及电感线圈产生的交变磁场，它是射频卡工作的基本原理。基于雷达探测目标的反向散射耦合方式的基础是电磁波传播和反射的形成，它用于微波电子标签。实现射频能量和信息传递的电路称为射频前端电路，简称为射频前端。17阅读器天线电路在阅读器中，串联谐振回路具有电路简单、成本低，激励可采用低内阻的恒压源，谐振时可获得最大的回路电流等特点，被广泛采用。19串联谐振回路R1是电感线圈L损耗的等效电阻，RS是信号源的内阻，RL是负载电阻，回路总电阻值R=R1+RS+RL。20串联谐振回路回路电流

阻抗相角21串联谐振回路串联回路的谐振条件22串联谐振回路具有如下特性：（1）谐振时，回路电抗X=0，阻抗Z=R为最小值，且为纯阻（2）谐振时，回路电流最大，即，且与同相（3）电感与电容两端电压的模值相等，且等于外加电压的Q倍23串联谐振回路回路的品质因数

通常，回路的Q值可达数十到近百，谐振时电感线圈和电容器两端电压可比信号源电压大数十到百倍，在选择电路器件时，必须考虑器件的耐压问题，24谐振曲线取其模值谐振曲线25串联谐振回路的谐振曲线26通频带谐振回路的通频带通常用半功率点的两个边界频率之间的间隔表示，半功率的电流比Im/I0m为0.707通频带

27电感线圈的交变磁场安培定理指出，电流流过一个导体时，在此导体的周围会产生一个磁场。28电感线圈的交变磁场在电感耦合的RFID系统中，阅读器天线电路的电感常采用短圆柱形线圈结构。29电感线圈的交变磁场磁感应强度B和距离r的关系r<<a时r>>a时30应答器的天线电路：Microchip公司的13.56MHz应答器（无源射频卡）MCRF355和MCRF360芯片的天线电路31e5550芯片的天线电路工作频率为125kHz，电感线圈和电容器为外接。32并联谐振回路串联谐振回路适用于恒压源，即信号源内阻很小的情况。如果信号源的内阻大，应采用并联谐振回路。在研究并联谐振回路时，采用恒流源（信号源内阻很大）分析比较方便。34串并联阻抗等效互换35阅读器和应答器之间的电感耦合法拉第定理指出，一个时变磁场通过一个闭合导体回路时，在其上会产生感应电压，并在回路中产生电流。当应答器进入阅读器产生的交变磁场时，应答器的电感线圈上就会产生感应电压，当距离足够近，应答器天线电路所截获的能量可以供应答器芯片正常工作时，阅读器和应答器才能进入信息交互阶段。应答器线圈感应电压的计算38应答器谐振回路端电压的计算应答器天线电路的等效电路39应答器谐振回路端电压的计算40应答器直流电源电压的产生应答器直流电源电压的产生41整流与滤波采用MOS管的全波整流电路42负载调制应答器向阅读器的信息传送时采用43互感耦合回路的等效阻抗关系44电阻负载调制开关S用于控制负载调制电阻Rmod的接入与否，开关S的通断由二进制数据编码信号控制。45电阻负载调制二进制数据编码信号用于控制开关S。当二进制数据编码信号为“1”时，设开关S闭合，则此时应答器负载电阻为RL和Rmod并联；而二进制数据编码信号为“0”时，开关S断开，应答器负载电阻为RL。应答器的负载电阻值有两个对应值，即RL（S

断开时）和RL与Rmod的并联值RL//Rmod（S闭合时）。46电阻负载调制次级回路等效电路中的端电压47电阻负载调制数据信息传递的原理（a）是应答器上控制开关S的二进制数据

编码信号，（b）是应答器电感线圈上的电压波形，（c）是阅读器电感线圈上的电压波形，（d）是对阅读器电感线圈上的电压解调

后的波形。49电容负载调制电容负载调制是用附加的电容器Cmod代替调制电阻Rmod50电容负载调制电容负载调制时初、次级回路的等效电路51功率放大电路功率放大电路位于RFID系统的阅读器中，用于向应答器提供能量。采用谐振功率放大器：分为A类（或称甲类）、B类（或称乙类）、C类（或称丙类）三类工作状况。在电感耦合RFID系统的阅读器中，常采用B、D和E类放大器52B类功率放大器采用两个特性相同的功率管接成推挽电路，它使一管在正半周导通，另一管在负半周导通，而后在负载上将它们的集电极电流波形合成，就可获得完整的正弦波。53用于125kHz阅读器的B类放大器L3，C4和C5组成滤波网络，该带通滤波器的中心频率。55功率传输等效电路从阻抗匹配的条件下负载可获得最大功率考虑，则应满足：56D类功率放大器D类谐振式功率放大器有电压开关型、电流开关型等电路形式5759功率放大器效率电流基波幅值负载电阻RL上的输出功率60在L1C1谐振回路的设计上应注意下述问题L1C1谐振回路应准确调谐于激励信号的基波频率上为保护功率放大管，可在其集电极C和发射极E间并接一个保护二极管谐振回路中的负载RL在电感耦合方式的RFID系统中很容易理解为应答器反射电阻Rf1和电感线圈损耗电阻R1之和61电流开关型D类功率放大器64电压开关型Vs电流开关型在电压开关型电路中，两管是与电源电压Vcc串联的。电流开关型电路中，两管与电源电压Vcc并联电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦半波，集电极与发射极间电压为方波，负载流过的电流是正弦波。电流开关型电路中，两管集电极电流是方波，集电极和发射极间电压是正弦半波，负载两端电压是正弦波。在电流开关型电路中，电流是方波，电压开关型电路中，两管集电极电流是正弦半波66传输线变压器耦合功率放大器具有两种方式：一种按传输线方式来工作，另一种是按照变压器方式工作。671:1传输线变压器应用68传输线变压器信号端呈现的输入阻抗传输线的特性阻抗69v1和v2为晶体管VT1和VT2的集电极电压，很显然在输入开关信号激励下，两管集电极电压为方波，且电压反相。两管集电极电流为正弦半波，各电流的方向如箭头所指。70E类功率放大器单管工作于开关状态，谐波成分主要为二次谐波。它选取适当的负载网络参数，以使它的瞬态响应最佳。当开关导通（或断开）的瞬间，只有当器件的电压（或电流）将为零后，才能导通（或断开）。71E类功率放大器E类功率放大器基本电路72E类功率放大器等效电路图7374设计一个E类功率放大器，工作频率为1MHz，输出到负载RL=50Ω上的功率Po=5W，电源电压VCC=24V。75电磁兼容:电子产品的电磁兼容性（EMC）包含两方面,一是电磁干扰（EMI），二是抗电磁干扰的能力（EMS）。在13.56MHz频率，FCC的15.225节的规定为:载波频率范围:13.56MHz±7kHz；基波频率的场强:10mV/m，测量距离为30m；谐波功率:基波功率的-50.45dB

76具有EMC滤波电路的13.56MHz阅读器的E类功率放大器电路77电感线圈的设计经验计算式:

薄长方导体的电感量:

单层螺管形线圈7879应答器（射频卡）常用的电感线圈的结构和外形

RFID频率分类及具体参数参数低频（LF）高频（HF）超高频（UHF）微波（MW）频率125~134KHz13.56MHz433MHz,860~960MHz2.45GHz,5.8GHz技术特点穿透及绕射能力强（能穿透水及绕射金属物质）；但速度慢、距离近性价比适中，适用于绝大多数环境；但抗冲突能力差速度快、作用距离远；但穿透能力弱（不能穿透水，被金属物质全反射），且全球标准不统一一般为有源系统，作用距离远；但抗干扰力差作用距离<10cm1~20cm3~8m>10m典型应用门禁、防盗系统等智能卡，电子票务等自动控制、仓储管理、物流跟踪等道路收费数据传输协议与方式：常用的数据调制解调方式A、幅度调制键控(ASK)；

B、频移键控(FSK)；C、相移键控(PSK)常用的数据编码方式：A、反向不归零码(NRZ)B、曼彻斯特编码(Manchester)2.2.2RFID技术的数据传输协议和安全性D、单极性归零编码(UnipolarRZ)E、差动双相编码(DBP)F、米勒编码(Miller)G、差动编码H、脉冲宽度编码(PulseWidthModulation,PWM)I、脉冲位置编码(PulsePositionModulation,PPM)数据安全性根据实际情况考虑是否选择具有密码功能的系统相互对称的鉴别：加密密钥和解密密钥一样-建立在国际标准ISO9798-2“三通相互鉴别”的础上。-读写器和标签在通信中互相检测另一方的密码利用导出密钥的鉴别：-所有属于同一应用的标签都是用相同的密钥K来保护。-每个标签采用不同的密钥来保护加密的数据传输攻击者的类型试图窃听数据（被动攻击）试图修改数据（主动攻击）传输数据（明文）可以在传输前使用密钥和加密算法（密码术）变换为秘密数据（密文），防止被攻击

2.3RFID技术的产品2.3.1阅读器在RFID系统主要构成部分之一主要功能与标签之间通信与数据管理系统通信在读写区内实现多标签同时识读，具备防碰撞功能能够校验读写过程中的错误信息对有源标签，能够标识电池信息，如电量等软件部分控制软件（controller）导入软件（bootloader）解码器（decoder）硬件部分控制系统接收器发送器阅读器的基本构成固定式阅读器：将射频控制器和高频接口封装在一个固定的外壳中，完全集成射频识别的功能阅读器的分类手持机（handheldreader,HR）:便携式阅读器的简称，是适合于用户手持使用的一类射频电子标签读写设备，常用在动物识别、巡检、付款扫描、测试等情况中发卡器（cardissuer或registrationreader）也称读卡器、发卡机、发卡管理机等主要用来对射频卡进行具体内容的操作，包括建立档案、消费纠错、挂失、补卡、信息修正等通常与计算机放在一起。阅读器的发展趋势模块化将不同协议继承在一个读头模块上兼容读取多频段及多种协议的标签，如EPC，ISO18000-6等多天线接口相位控制技术多种通信数据接口小型化，便携化，嵌入化-与其他多种自动识别技术集成，如与条码集成、智能信道分配、扩频技术、码分多址技术。标签（tag,transponder)：也称电子标签，射频卡，射频卷标，应答器，智能标签或感应标签主要功用:在于接收到阅读器(reader)的命令后，将本身所存储的编码(code)回传给阅读器。2.3.2标签电路成本低，性能可靠，十分方便于大规模生产标签的分类：根据不同的功能分：只读；单次写入多次读取；多次读写。根据有无电源分：被动式；半主动式；主动式被动式(passive)标签:本身没有电源，其电源是来自阅读器，由阅读器发射频率使感应标签产生能量而将数据回传给阅读器。体积比较小拥有相当长的使用年限感应的距离较短主动式(active)标签:有内建电池，用于与阅读器通信有较长的感应距离价格较高体积较大使用年限较短。根据频率的高低低频率高频率超高频率低频率低频率(lowfrequency)标签使用100~500KHz频带通信，以125KHz为主，穿透能力好，感应距离较短，读取速度较慢。高频率高频率(highfrequency)标签使用10~15MHz频带，以13.56MHz为主，感应距离略长，读取速度较低频快。超高频率超高频(ultrahighfrequency/microwave)标签使用860~960MHz的超高频以及2.4GHz~6GHz的微波段，感应距离最长，速度也最快，穿透性差。射频识别系统的各种区别特征技术特性分类工作方式全双工系统/半双工系统/时序系统数据量大于1bit/1bit标签可否编程阅读器/编程器数据载体EEPROM/FRAM/SRAM状态模式状态机/微处理器能量供应有源系统/无源系统（电池供电/频率场供电）频率范围低频/中高频/超高频/微波数据传输方式次谐/波反向散射（负载调制）/其他标签应答频率n,1/n倍/1:1/多样化作用距离更远无线可读写性能更加完善适合高速移动物品识别快速多标签读/写功能一致性更好强场强下的自保护功能更完善标签的发展趋势智能性更强，更完善的加密特性带有传感器功能的标签带有其他附属功能的标签体积更小成本更低2.3.3中间件中间件是位于平台(硬件和操作系统)和应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议。中间件应具备的特点：满足大量应用的需要；运行于多种硬件和OS平台；支持分布计算，提供跨网络、硬件和OS平台的透明性的应用或服务的交互支持标准的协议；支持标准的接口中间件的功能及实现原理RFID标签和应用程序之间的中介提供一组通用的应用程序接口（API）接受应用系统的请求对指定的阅读器发起操作命令RFID中间件的系统架构以应用程序为中心（applicationcentric）以架构为中心（infrastructurecentric）RFID中间件具有的特征独立于架构（insulationinfrastructure）、数据流（dataflow）处理流（processflow）标准（standard）中间件的发展趋势与阅读器管理系统融合能够支持多标准标签和多厂商阅读器普通商品化面向服务目前，RFID还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面随着全球物流行业RFID大规模应用的开始，RFID标准的统一已经得到业界的广泛认同已经发布或者是正在制定中的标准主要是与数据采集相关。2.4RFID技术的标准标签与读写器之间的空中接口(airinterface）读写器与计算机之间的数据交换协议RFID标签与读写器的性能和一致性测试规范RFID标签的数据内容编码标准五大标准组织EPCGlobal；ISO；AIM；UID；IP-X2.4.1ISO标准体系制定机构国际标准化组织（ISO）国际电工委员会（IEC）国际电信联盟（ITU）空中接口通信协议标准：RFID标签和读写器之间的信号形式、编解码规范、多标签碰撞协议，以及命令格式等内容覆盖了RFID应用的常用频段，如125~134.2kHz、13.56MHz、433MHz、860~960MHz、2.45GHz、5.8GHz等数据内容标准ISO/IEC15961:应用层中的数据协议ISO/IEC15962:数据的编码、压缩、存储格式，以及将电子标签中的数据转化为可利用的应用程序的方法ISO/IEC15963:RFID唯一标识的编码体系，该体系兼容ISO/IEC7816-6、ISO/TS14816、EAN/UCC编码、INCITS256等ISO/IEC18046:RFID设备的性能检测方法：对标签性能参数、速度、标签阵列、方向、单标签检测及多标签检测等标签性能检测方法。对读取距离、读取率、单标签和多标签读取等读写器性能检测方法IS0/IEC18047组成性能测试和一致性测试标准名称频率对应协议ISO/IEC18047-2125kHz~134kHzISO18000-2ISO/IEC18047-313.56MHzISO18000-3ISO/IEC18047-42.45GHzISO18000-4ISO/IEC18047-6860~960MHzISO18000-6ISO/IEC18047-7433MHzISO18000-7实时定位系统实时定位系统（RealTimeLocatingSystems，RTLS）是应用于单品管理中大范围或小范围定位的空中接口标准。ISO/IEC24730-12006《RTLS应用编程接口API》描述了RTLS服务的访问方法使客户应用程序可以方便地访问RTLS系统ISO/IEC24730-22006《RTLS-2.4GHz空中接口通信协议》查询精度在3m左右ISO/IEC24730-5《RTLS-2.4GHz线性调频扩展频谱（CSS）空中接口通信协议》ISO/IEC24730-6《RTLS-超宽带空中接口通信协议》2.4.2EPCGlobal标准体系EPCglobal

网络提供对全球供应链上贸易单元即时、准确、自动的识别和跟踪。系统成员终端成员系统服务商。提供的服务分配、维护和注册EPC管理者代码对用户进行EPC技术和EPC网络相关内容的教育和培训参与EPC商业应用案例实施和EPCglobal网络标准的制定参与EPCglobal网络、网络组成、研究开发和软件系统等的规范制定和实施。引领EPC研究方向认证和测试；与其他用户共同进行试点和测试。EPCglobal的RFID标准体系框架：硬件；软件；数据标准及由EPCglobal运营的网络共享服务标准等多个方面的内容UbiquitousID（泛在ID）在“某地”或“某物”上装上世界上独一无二的泛在识别码“uCode”通过计算机的自动识别，将现实世界与虚拟空间紧密连接在一起的技术简称“UID”，日本推出。2.4.3UbiquitousID标准体系始于20世纪80年代中期的实时嵌入式系统eTronT-Engine是其中核心的体系架构体系架构泛在识别码（uCode）信息系统服务器泛在通信器uCode解析服务器uCode128bit340×1036编码空间可以以128bit为单元进一步扩展至256bit、384bit或512bit2005年11月，中国标准化协会完成了两份报告《我国RFID标准体系框架报告》《我国RFID标准体系表》2.4.4我国标准体系专题组业务领域总体组规划总体目标和工作计划，统筹负责RFID标准的制定工作；协调推进各专题组的各项工作标签与读写器组负责制定标签与读写器物理特性、电特性及实验方法等标准频率与通信组负责提出我国RFID频率需求、制定RFID通信协议标准及相应的检测方法数据格式组负责制定基础标准、术语、产品编码、网络架构等标准信息安全组负责制定RFID相关的信息安全标准应用组负责制定RFID相关应用标准知识产权组制定RFID标准知识产权政策、起草知识产权法律文件，提供知识产权咨询服务2.5.1智能工业采用计算机技术模拟人在制造过程中和

产品使用过程中的智力活动包括:生产过程控制生产环境监测2.5RFID技术的应用制造供应链跟踪产品全生命周期监测促进安全生产和节能减排，智能生产线

标签可向制造过程和零配件供应过程的自动控制装置提供数部件的历程路径都可以全程记录下来并实现追溯跟踪质量检验证明也可以记录在RFID系统上。工业化生产集约高效可持续发展高度的技术规范高效益的集约化规模经营例如：实时采集温室内温度、土壤温度、

2.5.2智能农业CO2浓度、湿度信号以及光照、叶面湿度、露点温度等环境参数，对大棚温湿度进行远程控制养殖动物识别：每只动物有一个耳标（RFID标签）上的号码中央管理系统的数据库里记录动物全部记录用于动物的识别和跟踪，用于动物疫情监控货物从供应者向需求