第4讲(RFID识别技术)

第4讲(RFID识别技术)第一页，共73页。RFID技术的发展史1940-1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。1950-1960年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。1960-1970年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。1970-1980年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的射频识别应用。1980-1990年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。1990-2000年：射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。2000年后：标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，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，规模应用行业扩大。第二页，共73页。RFID技术介绍无线射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，简称RFID）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，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷方便。。

RFID技术已经成为21世纪全球自动识别技术发展的主要方向。。第三页，共73页。RFID系统组成应用RFID技术组成的自动识别系统称为RFID系统。RFID系统主要由三部分组成： （1）、电子标签(Tag)：由IC芯片及一些耦合元件组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。 （2）、阅读器（Reader，也叫读写器）：读取电子标签信息的设备。许多阅读器还带有附加的接口RS232或RS485等与外部计算机(上位机主系统)连接，进行数据交换。 （3）、计算机：进行数据管理。第四页，共73页。RFID组成印刷天线(线圈)IC晶片读取器天线RFID晶片电脑第五页，共73页。RFID系统工作原理框图第六页，共73页。RFID系统的工作原理阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活.电子标签将自身唯一识别码等信息通过卡内置发送天线发送出去。系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理；主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动作。第七页，共73页。RFID技术的优势快速扫描（读写器可同时读取多个标签）体积小、形状多样化抗污染能力和耐久性（防水、防磁、耐高温等）可重复使用穿透性和无屏障阅读（读取距离大）数据的记忆容量大、存储信息可更改安全性（标签上的数据可以加密）第八页，共73页。RFID技术的分类RFID系统的常见工作频率有低频125kHz、134.2kHz，中频13.56MHz，高频860MHz～930MHz、2.45GHz、5.8GHz等。低频系统特点是电子标签内保存的数据量较少，阅读距离较短，电子标签外形多样，阅读天线方向性不强等。主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、煤气表、水表等；中频系统则用于需传送大量数据的应用系统；高频系统的特点是电子标签及阅读器成本均较高，标签内保存的数据量较大，阅读距离较远（可达十几米），适应物体高速运动，性能好。阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性，但其天线宽波束方向较窄且价格较高，主要用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，多在火车监控、高速公路收费等系统中应用第九页，共73页。RFID技术的分类根据电子标签的有源和无源又可分为有源的和无源的。有源电子标签使用卡内电流的能量、识别距离较长，可达十几米，但是它的寿命有限（3～10年），且价格较高无源电子标签不含电池，它接收到阅读器（读出装置）发出的微波信号后，利用阅读器发射的电磁波提供能量，一般可做到免维护、重量轻、体积小、寿命长、较便宜，但它的发射距离受限制，一般是几十厘米，且需要阅读器的发射功率大。第十页，共73页。RFID典型应用RFID牛耳签RFID信用卡RFID定位RFID超市结算第十一页，共73页。读写器技术读写器的基本功能是触发作为数据载体的电子标签，与电子标签建立通信联系，并在应用软件和电子标签之间传输数据。这种通信的一系列任务包括通信的建立、防冲撞和身份验证，均由读写器进行处理。射频系统的读写器必须通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别，可以说，天线所形成的电磁场范围就是射频系统的可读区范围。任一RFID系统至少包含一根天线以发射和接受RF信号，有些RFID系统是由一根天线同时完成发射和接收的；而另一些RFID系统则由一根天线来完成发射而另一根天线来接收，所采用的天线的形式及数量应由具体应用而定。第十二页，共73页。标签技术RFID标签是存储有约定格式的电子数据可以通过无线电波与读写器进行通信又可称为问答器,被用以回应识别资料给读写器(Transponder)第十三页，共73页。标签的组成RFID标签主要由以下三部分组成：RFID晶片包含逻辑控制单元、存储部分和收发器进行解码、解秘和错误检查等运算功能天线用于接收读写器发送数据或传出本身的识别信息供电主动式：由标签内部所带电源供电被動式：由读写器发出的无线电波提供第十四页，共73页。电子标签的组成标签IC晶片天线收发器存储器逻辑控制单元第十五页，共73页。标签的通信原理标签的通信原理可分为以下二种：电磁感应（低频和高频）当电流通过通过读写器的天线时，会在天线周围产生磁场，此时RFID标签一旦进入该磁场就会因为磁场的改变而在标签上产生感应电流,成为标签的电力来源微波存取（超高频和微波）此类读写器的天线成正负两极状,当电流通过时会产生电波,使得远方的标签天线因为共振而产生电力第十六页，共73页。标签的通信原理与操作流程标签的操作流程（以被动式标签为例）：标签上的天线接受到读写器传送过来的电波后交给收发器收发器将无线电波转换为数位电流,以提供标签的电力来源。标签获得电力后,逻辑控制单元的处理接受到的数据处理完毕后,逻辑控制单元会将结果通过收发器和天线传回远端的读写器第十七页，共73页。标签的分类分类标准：电力来源被动式、半被动式、主动式使用频率低频、高频、超高频、微波存取方式只读、一次写多次读、可读写第十八页，共73页。标签的分类依照标签的电力来源可分为三类：被动式标签

(PassiveTag)内部没有电池,电力由读写器发送的电波提供优点是体积小、价格便宜、寿命长缺点是读取距离短缺點是讀取距離較短主要用于动物标签、智能卡、物流管理第十九页，共73页。标签的分类半被动式标签

(Semi-PassiveTag)带有电池,但是电池电力提供周围环境,不用于读写器的通讯，所以必须依靠读写器提供的电磁波进行通讯优点是读取距离比被动式标签长、抗干扰能力更强主要用于环境温度或震动检测等情况第二十页，共73页。标签的分类主動式標籤(ActiveTag)标签附有电池，会主动检测周围有无读写器发送的信号,并主动提供本身的数据给读写器优点是电力充足,因此识别距离远,内部存储容量大缺点是体积大、价格贵、寿命短使用壽命較短主要用于军事、医疗或工业上第二十一页，共73页。标签的分类依据频率的高低,可分为四类：低频

(LowFrequency)使用的频段在100~500KHz之间以125KHz、135KHz最为常见优点:不容易受干扰,当标签靠近金属或液体物品时,还能够发射信号缺点：读写距离短、无法同时识别多个标签主要用于门禁系统、动物标签等第二十二页，共73页。标签的分类高频

(HighFrequency)使用频段在10~15MHz之间以13.56MHz最常见优点：读取距离较长、读取速度较快，而且可以同时识别多个标签主要应用于图书馆管理、产品管理、智能卡等第二十三页，共73页。标签的分类超高频

(UltraHighFrequency)使用频段在433~950MHz之间以433MHz、868~950MHz最为常见优点：读取距离较远、传输速度较快、可同时读取大量标签缺点：在金属和液体的物体上读取效率不好主要用于铁路监控、库存管理第二十四页，共73页。标签的分类微波(Microwave)使用频段在1GHz以上其中以2.45GHz及5.8GHz最为常见特性与超高频类似，对于环境的敏感性高；主要用于行李追踪、物品管理、供应链管理等第二十五页，共73页。标签的使用频率比较

低频(LF)高频(HF)超高频(UHF)微波(Microwave)频率100~500KHz10~15MHz433~950MHz1GHz以上常見频段125KHz135KHz13.56MHz433MHz868~950MHz2.45GHz5.8GHz系统形态被动式被动/主动式被动/主动式被动/主动式全球接受频率是是部分部分通信距离50cm以內1.5M以內3~10m3~10m传输功率72dBμA/m42dBμA/m10mW~4W4W成熟度成熟成熟新技术开发中读取方式电磁感应電磁感應微波共振微波共振第二十六页，共73页。低频(LF)高频(HF)超高频(UHF)微波(Microwave)价格低中高高环境影响X金属潮湿潮湿传输速率低高较高最高存储量(Bytes)64~1K256~512K64~51216~64ISO对应标准ISO18000-2TwoType被动式ISO18000-3TwoMode被动式ISO18000-6TwoType被动/半主动式ISO18000-4TwoMode被动式/半主动式应用门禁系统动物识别防盗智能卡图书馆管理商品管理铁路监控库存管理道路收費系統第二十七页，共73页。各国UHF频段国家UHF频段中国922~928MHz欧盟869.4~869.65MHz美加902~928MHz澳洲918~926MHz日本905~956MHz韩国910~914MHz第二十八页，共73页。标签的类型卡片型应用于电子票证、会员证、储值卡、门禁考勤以及不停车收费塑料扣用于定位功能或用在巡检点上面，巡检人员只需要以手持式读写器扫描腕带型此类标签可防水并储值，多用于游乐圆、游泳池、健身俱乐部的人员进出，或是马拉松参赛证钥匙环通常于门禁考勤，以判別人員身份並配合电磁锁以便管制人员进出第二十九页，共73页。标签的类型試管型用于实验室管理和药品管理电子标签用于物流管理、图书馆管理、防伪应用货柜电子锁用于货柜管理，防止货柜遭破坏或掉包货品事件发生；也用於油罐车和囚车上，使运送过程更安全智慧型标签

(SmartLabel)标签同时具有条码(Barcode)和RFID的功能第三十页，共73页。标签的种类鈕扣型试管型钥匙型卡片型表带型纽扣型电子标签第三十一页，共73页。标签的选择因素标签大小和形状标签的不同应用场合以不同的形状大小表现，所以必须先考量有沒有足够的空间可以使用。耐久度因为标签所处的环境可能比较恶劣，需要抵抗非一般的温度或强酸碱的能力，因此要考虑在封装过程中做特別的处理。可被重复使用有些标签成本较高所以必須重复使用，而有些标签成本低，可随物品被销售而丢弃。可读性标签识别难以100%的正确率，因此有时候需要在标签表面上标示相关信息或印上条码以增加可读性。第三十二页，共73页。标签的选择通信标准和协议目前各家制造RFID标签的厂商所支持的标准都不太一样，因此在选择标签时，要考慮工作流程中所采用的读写器能不能与之相容。储存需求通常标签上存储空间越大其成本会越高，在決定要采用存储空间时候，必须根据存储的数据量而定。目前符合Gen-2标准的标签有64位和96位的选择。标签的效能标签的效能评价方式有多种，在选择标签时候要根据需要进行选择。主要选择参数有通讯距离、传输速率、每秒可读取标签的数量、标签的正确读取率以及标签运动中可被正确读取的速度。第三十三页，共73页。标签的选择天线天线的角度会影响被读取时候的正确率，必须注意标签与读写器之间是否形成正交而造成无法读取通信距离不同频率的标签其通信距离也有所不同，在決定标签之前要先实际测试此标签类有沒有符合应用系統的需求，因为有時读取距离也会受到环境的干扰。干扰影响RFID的射频信号很容易被周围的电波、磁场等干扰，必须考虑标签应用环境有无水分与金属等干扰因素存在，以免造成读写器与标签之间通讯困难。成本第三十四页，共73页。标签的选择安全需求根据标签是否存储敏感信息，为避免敏感信息被非授权的读写器阅读，必须采用加密的方式将真实信息隐藏。存取需求在选择何种存取方式的标签前，必须平谷应用环境和未来系统的发展,避免增加困扰。功能性标签可以提供追踪、定位、防伪等功能，功能越多所带来的成本也越高，在选择标签時也必须考虑到功能性的需求。第三十五页，共73页。标签的成本RFID标签的制造成本包含了以下三部分，且三者约各占1/3的成本：晶片天线封装第三十六页，共73页。读写器概念RFID读写器又称为询问器(Interrogator)，利用无线电波的存取方式，读取或写入RFID标签上的信息有写入功能的读写器又称为写入器(Writer)同時具备读取与写入功能的读取器又称为读写器(Reader/Writer)第三十七页，共73页。读写器组成读写器由以下部分組成：收发器(Transceiver)由发送器(Transmitter)和接收器(Receiver)组成发送器负责发送送读写器的信号与标签，然后再通过读写器的天线接收标签的回应；而接收器则负责將接收到的信号传送给微处理器处理微处理器將接收器传来來的信号进行解码和错误检查存储器储存读写器的配置参数和读取到的标签资料第三十八页，共73页。读写器的组成输入输出单元根据外部事件将读写器打开或关闭控制器允许使用者或软件控制读写器的功能通信接口提供读写器与外部的互动；例如：传输数据或是接受和回应命令电源供应提供所有读写器元件的电力来源第三十九页，共73页。读写器的组成微处理器电源收发器存储器读写器第四十页，共73页。读写器的操作流程读写器的操作流程如下：收发器发送读写器的信号给标签标签收到信号之后回传识别信号读写器通过天线接收标签的回应后传给收发器收发器將接收到的信号传送给微处理器微处理器进行解码和错误检查完成之後再通过读写器的通信接口将数据传后端处理系统处理第四十一页，共73页。读写器的类型按照与计算机系统连接方式序列读写器(SerialReader)例如：电脑上的RS-232或RS-485网络型读写器(NetworkReader)读写器透過有线或是无线网络与电脑连接接，读写器就等同于连接上网络第四十二页，共73页。读写器的分类固定式读写器(StationaryReader)车载式读写器(MountedReader)手持式读写器(HandheldReader)第四十三页，共73页。读写器的分类手持式读写器智慧型书架输送带读写器叉车式读写器门型读写器具读写器功能的手机第四十四页，共73页。读写器的制造成本目前受限于硬件设备，读写器的成本依然居高不下，厂商纷纷投入研究期望开发出低成本的读写器以下是读写器的指标：需具备其他功能，如读取条码的功能性能，如读取效能电力持续性天线的设计第四十五页，共73页。读写器选择时考虑问题管理问题当读写器到一定数量时，要考虑传输速度与管理等问题频率每种读写器可读写标签的频率都不一样，选购时候必须注意频率匹配问题性能同時读取标签的数目读取标签的传输速度第四十六页，共73页。读写器选择时考虑问题控制功能每种读写器可调整的性能都不一样有些科技调整读取速度、读取周期、甚至是天线的型式，提供顾客有弹性的需求。成本购买读写器所需的成本除了读写器本身的价格之外，还包括了安装、整合、维护、维修、培训和升级成本，因此在选择读写器成本时，必须将所有的成本都考虑。第四十七页，共73页。读写器选择时考虑问题环境有时候读写器应用环境比较特殊，必须有抵抗恶劣环境的能力。例：有些读写器需设置于水面之下，故需防水。连接方式读写器与后端系统的连接方式不同会带来不同的特性和限制。RS232与网口等第四十八页，共73页。读写器选择时考虑问题空间需求依照读写器的使用环境而有不同的存储空间需求，有些能够设置读写器的存储空间较小。升级能力当新功能或是新标准出现时候，读写器必须升级使用。有些读写器需要更换硬件部分，需要大量的人力去实际更换。也有些读写器具有软件升级的功能，可以不需要更换硬件设备，通过网络进行软件升级，如此一來可以大量減少人力。第四十九页，共73页。读写器选择时考虑问题天线天线设置的位置与角度会影响读写器选择时考虑问题读取标签的正确率，必须将读写器选择时考虑问题將的可读区覆盖至标签可能通过的通道标准协议不同标签厂商所采用的协议可能不同,如应用场合需要读取不同协议的标签，则必须具备该协议的读取功能，所以在选择读写器选择时考虑问题时需注意该读写器选择时考虑问题读写器可以处理协议的能力第五十页，共73页。RFID中间件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一组通用的应用程序接口（ApplicationProgramInterface，API），即能连到RFID读写器，读取RFID标签数据。通过RFID中间件，即使存储RFID标签情报的数据库软件或后端应用程序增加或改由其它软件取代，或者读写RFID读写器种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处理，省去多对多连接的维护复杂性问题。第五十一页，共73页。RFID中间件的分类以应用程序为中心（ApplicationCentric）.设计概念是通过RFIDReader厂商提供的API，以HotCode方式直接编写特定Reader读取数据的Adapter，并传送至后端系统的应用程序或数据库，从而达成与后端系统或服务串接的目的。以架构为中心（InfrastructureCentric）.随着企业应用系统的复杂度增高，企业无法负荷以HotCode方式为每个应用程序编写Adapter，同时面对对象标准化等问题，企业可以考虑采用厂商所提供标准规格的RFID中间件。通过这种方式，即使存储RFID标签数据的数据库软件改由其它软件代替，或读写RFID标签的RFIDReader种类增加等情况发生时，应用端不做修改也能使用。第五十二页，共73页。主要RFID中间件产品微软公司的BizTalkRFID.微软BizTalkRFID为RFID应用的推广提供了一个功能强大的平台。它提供基于XML标准和WebServices的开放式接口，方便软硬件合作伙伴在本平台上进行开发、应用、集成。它含有RFID器件设备的标准接入协议及管理工具——DSPI（设备提供程序应用接口）。DSPI是微软和全球四十家RFID硬件合作伙伴制定的一套标准接口。所有支持DSPI的各种设备（RFID、条码、IC卡等）在MicrosoftWindow可即插即用。第五十三页，共73页。主要RFID中间件产品Sybase公司的RFIDAnywhere2.1RFIDAnywhere2.1可以支持新一代固定式或者手持式RFID器件。该软件可以为开发商提供全套RFID读写器的性能，外加动态支持新一代标签如Gen2、简化的通用输出输入管理（GPIO），以及在读写器密布场合对读写器进行同步管理。RFIDAnywhere是一种软件平台，特点是可以提供可扩充的应用环境，用户可以自行开发和管理各种分散的RFID解决方案。第五十四页，共73页。IBM公司的IBMWebSphereIBM的RFID中间件分为：IBMWebSphereRFIDDeviceInfrastructure和IBMWebSphereRFIDPremisesSever两个部分。DeviceInfrastructure主要适配各种RFID读写器，处理来自RFID读写器的数据，因为读写器厂家很多，支持的协议也不尽相同。FilterAgent负责过滤不需要的数据，并且定制过滤规则；可发送数据到PremisesServer，通过MicroBroker的消息传送功能将数据进行后续处理。IBMWebSphereRFIDPremisesServer将RFID事件与企业的商业模型，以及应用程序进行映像，提取应用程序关心的RFID事件和数据。由于IBMWebSphereRFIDPremisesServer运行在标准J2EE环境下，该产品可动态配置网络拓扑结构，管理工具可以动态配置网络中RFID读写器，并且可以重新启动EdgeController。第五十五页，共73页。同方的ezRFIDezRFID是同方ezONE（易众）业务基础平台的重要组成部分，而ezONE业务基础平台是同方打造的具有自主知识产权的统一应用平台。基于J2EE/XML/Portlet/WFMC等开放技术，ezONE提供的整合框架和丰富的构件及开发工具，使行业信息化只需专注于业务目标，缩短了项目周期，降低了系统开发的复杂度。第五十六页，共73页。其它RFID中间件产品还有Oracle公司的OracleSensorEdgeServer，BEA公司的WebLogicRFID产品系列等，国内的青岛海尔、上海科识、深圳立格等。其中青岛海尔正在基于江苏瑞福RFS2300系列的产品，升级开发RFID中间件，而之前基于Alien的中间件已完成。第五十七页，共73页。标准问题目前国际上提出RFID标准的主要组织EPCglobal标准化国际组织

(InternationalOrganizationforStandardization;ISO)UbiquitousID(uID)目前国际上提出RFID标准的其他组织中国自动识别和行动技术协会

(AssociationforAutomaticIdentificationandMobility;AIM)美国国家标准学会

(AmericanNationalStandardsInstitute;ANSI)美国企业工业行动集团

(AutomotiveIndustryActionGroup;AIAG)第五十八页，共73页。EPCglobal产品电子码

(ElectronicProductCode;EPC)1999年麻省理工学院

(MassachusettsInstituteofTechnology)成立Auto-ID中心(Auto-IDCenter)发展产品电子码与相关的技术用于全球供应链中，以进行产品的识别与追踪2003年同意编码协会

(UniformCodeCouncil;UCC)与欧洲商品条码协会

(EuropeanArticleNumber;EAN)所成立的非赢利组织接替Auto-ID中心的工作，负责产品电子码的研发与管理，目标是将产品电子码发展成为全球通用标准产品电子码的注册管理与维护产品电子码的编码及网络EPCglobal系统是一种基于EAN/UCC编码的系统采用的公司：Wal-Mart、強生Johnson&Johnson、(P&G)、(Tesco)等第五十九页，共73页。已发布的EPCglobal标准EPCglobal标准版本功用概述EPCTagDataStandard(TDS)Standard1.3.11.31.1,Rev.1.27不同编码系统下，如何编码成产品电子码标签资料EPCTagDataTranslation(TDT)1.0一个读写器如何就读取的标签数据转成机器可读

(Machine-readable)的资料格式Class1Generation2UHFAirInterfaceProtocolStandard"Gen2"1.1.01.0.9以超高频为空中通信介质，RFID标签如何与读写器进行通交换资料ReaderProtocol(RP)Standard1.1读写器如何与中间件软件的通信协定LowLevelReaderProtocol(LLRP)Standard1.0.11.0第二代的EPCglobal读写器协议，提供读写器与中间件软件之间更为完整的通信协议第六十页，共73页。ISO标准动物识别标准：ISO11784、ISO11785和ISO14223非接触式智能卡标准：ISO10536、ISO14443和ISO15693单品管理(Item

Management)标准：ISO18000、ISO24710其他相关的标准第六十一页，共73页。单品管理标准ISO18000：属于单品管理标准，主要应用于供应链的管理物流系统RFID技术的首项国际标准RFID标签与读写器间的通信标准范围广，包含六部分，涵盖了不同的频段如：Part3涵盖13.56MHZ，Part6涵盖UHF涵盖所有频段标签，应用范围广如：只读、可读写、一写多读第六十二页，共73页。标准总览ISO标准使用频率波长应用ISO18000-2135KHz以下LF门禁卡、动物追踪ISO11784/5135KHz以下LF畜牧或宠物的管理ISO14443A/B13.56MHzHF运输票卡ISO1569313.56MHzHF门禁卡ISO18000-313.56MHzHF物流、行李运输识别ISO18000-7433MHzUHF货柜ISO18000-6860-960MHz922-928MHz(台灣)UHF全球供应链管理ISO18000-42.45GHzUHF实时定位系統、高速公路收费系统第六十三页，共73页。EPC与ISO的比较

频率标准小于135KHz13.56MHz900MHz2.45GHzEPCglobalISO11784/5ISO14443ISO15693ISO18000第六十四页，共73页。其他推动标准的组织uID中国AIM

GlobalANSIAIAGIPICO第六十五页，共73页。uID由日本UbiquitousIDCenter(uID中心)所提出的编码体系稱為UniqueUbiquitousIdentificationCode(ucode)主要日本RFID标准研究与应用的组织是T-引擎论坛

(T-EngineForum)，成员主要是日本的厂商，如NEC、日立、东芝等，其下属的uID中心于2002年成立，以东京大学阪村健教授率领的TRON与日本的厂商如日立制造所、NEC、大日本印刷等共同成立Ucode的最大优势是能包容现有编码体系的原编码设计，可以相容多种编码，包括JapaneseArticleNumbercode;(JANcode)、通用产品代码（UniversalProductCod;UPC）、国际标准书号書號（InternationalStandardBookNumber;ISBN）、IPv6地址、甚至是电话号码标签数据长度为128bits，按照需求可扩展至2