《物联网工程导论》课件第四章

目录4.24.34.54.1射频识别概述RFID组成及工作原理RFID识别与定位原理

RFID分类及应用4.4RFID的安全性4.1射频识别概述4.1射频识别概述

射频识别（RFID）又称电子标签、无线射频识别、感应卡、非接触卡、电子条码等。

它是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。由于RFID承载的是电子式信息，其数据内容可由密码保护，内容不易被伪造及变造。

基本思想：RFID利用无线电频率信号，通过空间交变磁场或电磁场的耦合实现无接触信息传递，对带有信息数据的载体进行读写，并自动输入计算机对所传递的信息进行识别的。4.1射频识别概述

RFID技术在人们的工作、生活中应用广泛，如第二代身份证、门禁卡、公交卡等。与其他的自动识别技术（如条码技术、智能卡技术、语音识别技术、生物识别技术）相比，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，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。4.2RFID组成及工作原理4.2.1RFID系统组成RFID系统是由电子标签、读写器和中间件及应用系统构成。

工作原理：阅读器发射一个特定频率的无线电波信号通过天线发送给电子标签，电子标签进入RFID系统后，接收到阅读器发出的信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（对于无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（对于有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至计算机系统进行数据处理。4.2.1RFID系统组成RFID读写器

读写器又称阅读器，是用来读取电子标签信息的设备，通常配有天线装置；电子标签由天线及芯片组成，每个标签都有一个全球唯一的ID号码。工作过程：一般先由读写器发射一个特定的询问信号，当电子标签感应到这个信号后给出应答信号。读写器接收到应答信号后对其处理，然后将处理后的信息返回给外部主机。4.2.1RFID系统组成主要任务：控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。

阅读器可以是可读可写地装置，它是RFID系统信息控制和处理中心。读写器一般由射频信号发射单元、高频接收单元和控制单元组成，还有附加的接口（RS-232、USB）。4.2.1RFID系统组成电子标签电子标签又称为应答器，是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。电子标签内部结构如下图所示:

4.2.1RFID系统组成电子标签内部存储着物品的各类信息，一般安装在要识别的物品上，其内部的信息可以由读写器通过射频信号的无线传输进行读取和写入，目前常见的电子标签外形如下图所示。4.2.1RFID系统组成

RFID标签是射频识别系统的数据载体，存储着被识别物品的相关信息。根据供电方式的不同，可以分为无源标签和有源标签。射频识别系统中的读写器和电子标签均配备天线。天线用于产生磁通量，而磁通量是用于向无源标签提供能量并在读写器和标签之间传送信息的。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行的信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或无线局域网（WLAN）等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。4.2.1RFID系统组成RFID中间件

RFID中间件系统结构包括阅读器接口、处理模块、应用程序接口三部分。

阅读器接口负责前端和相关硬件的沟通接口；处理模块包括系统与数据标准处理模块；应用程序接口负责后端与其他应用软件的沟通接口及使用者自定义的功能模块。在实际应用中，计算机端的应用系统还包含有数据库、存储和管理RFID系统中的数据。同时，根据不同的应用需求提供不同的功能或相应接口。中间件位于操作系统和应用系统之间，为应用系统的开发提供最大的方便和灵活性。4.2.2RFID工作频率与应用场景

RFID读写器的工作频率有低频、高频和超高频，不同频段的读写器有不同的特性。其中读卡器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源读卡器在不同工作频率的特性以及主要应用。目前RFID使用的频率跨越低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波（MW）等多个频段。相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下（读写距离较短，在1m左右）、高频13.56MHz（读写距离在10m左右）、超高频860M~930MHz（用于远距离识别和快速移动的物体）、微波2.4G与5.8G。4.2.2RFID工作频率与应用场景（1）低频电子标签低频电子标签一般工作频率从120KHz到134KHz，典型工作频率有：125kHz、134kHz。

其工作原理主要是通过电感耦合方式与阅读器进行通信，阅读距离一般小于1m。

低频标签的芯片具有省电、廉价的特点，工作频率段不受无线电频率管制约束，可以穿透水、有机物和木材等，适合近距离、低速、数据量较少的应用场景。主要应用场景包括：畜牧业动物的管理系统、汽车防盗和无钥匙开门系统的应用、马拉松赛跑系统的应用、自动停车场收费和车辆管理系统、自动加油系统的应用、酒店门锁系统的应用、门禁和安全管理系统等。4.2.2RFID工作频率与应用场景（2）中高频电子标签其工作方式同低频标签一样，也通过电感耦合方式进行。高频标签一般做成卡片状，用于电子车票、电子身份证等。适用于较高的数据传输率。

该频率的读卡器不再需要线圈进行绕制，可以通过蚀刻印刷的方式制作天线。通过读卡器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离读卡器对天线电压进行振幅调制。

4.2.2RFID工作频率与应用场景

主要特性：工作频率为13.56MHz，波长为22cm；该频率的波长除了金属材料外可以穿过大多数的材料，材料不同读取距离不同。该频率的磁场在不同的区域变化较大，但是能够产生相对均匀的读写区域。该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签，可以把某些数据信息写入标签中。该频段数据传输速率比低频要快，价格适中。

主要应用场景包括：图书档案管理系统、瓦斯钢瓶的管理、服装生产线和物流系统、酒店门锁的管理、大型会议人员通道系统、物流与供应链管理解决方案、医药物流与供应链管理、智能货架的管理等。4.2.2RFID工作频率与应用场景（3）超高频超高频系统工作频率为860MHz到960MHz之间，通过电场来传输能量，该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。他是通过电容耦合的方式进行实现。主要特性：全球在该频段的定义不一致。该频段的波长为30cm左右；该频段的电波不能通过很多材料，特别是水和金属，灰尘和雾霾等悬浮颗粒也有影响。相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标签不需要和金属保持距离，有较好的读取距离，有很高的数据传输速率，在短时间内可以读取大量的电子标签。主要应用场景：物流与供应链管理解决方案、生产线自动化的管理、航空包裹的管理、集装箱的管理、铁路包裹的管理、后勤管理系统等的应用。4.3RFID识别与定位原理4.3.1RFID识别与定位原理RFID工作原理

RFID阅读器及电子标签之间的通讯方式可以分成电感耦合方式和反向散射耦合方式两种。

电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，它依据的是电磁感应定律。

反向散射耦合则利用雷达中发射的电磁波遇到目标后反射而携带回目标信息原理实现信息传递，

一般低频的RFID大都采用第一种方式，而较高频RFID大多采用第二种方式。4.3.1RFID识别与定位原理

（1）电感耦合方式电感耦合的电路如图所示。无源电子标签一般工作在这种方式，图中的Vs是射频振荡器，即射频辐射源。阅读器的天线就是电感L1，电感L1和电容C1组成的谐振电路谐振于Vs的工作频率上，此时，电感线圈中i的电流最大，高频电流i产生的磁场H穿过线圈，并有一部分磁力线穿过电子标签的电感线圈L2，通过感应在L2上产生电压V2，将V2整流给大电容C3充电，即可产生电子标签工作所需的直流电压。4.3.1RFID识别与定位原理

电感线圈L1和L2也可视为变压器的初级或次级线圈，但它们之间的耦合很弱，主要用于小电流电路，电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统，识别作用距离小于1米。4.3.1RFID识别与定位原理（2）反向散射耦合方式反向散射耦合方式的理论依据为雷达原理。

在雷达系统中，发射的电磁波在空中遇到物体时，其能量的而一部分被目标所吸收，而另一部分被散射到各个方向。在散射的能量中又有一小部分被发射的天线所接收，通过对接收的回波信号分析，就可以得到有关反射目标的有关信息。

目标反射电磁波的效率通常随频率的升高而增强，所以,反向散射耦合方式一般适合于特高频、超高频和微波工作频段。4.3.1RFID识别与定位原理

下图为反向散射耦合方式的电路。

无论是哪种耦合方式，空中的无线传输都是通过天线的发送和接收完成的，在发送时，天线向空中介质辐射电磁能量P1，而接收时，天线从周围介质中检测出电磁波，获取能量P2，因此，天线产生的信号的方向性是关键属性。4.3.1RFID识别与定位原理RFID应用支撑软件除了标签和阅读器上运行的软件外，介于阅读器与具体应用之间的中间件也是其中的一个重要组成部分。

该中间件为具体应用提供一系列计算功能，在电子产品编码规范中被称为Savant。Savant定义了阅读器和应用两个接口，其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行过滤、汇集和计算，减少从阅读器传往企业应用的数据量。4.3.2RFID定位原理多变测距法定位

基本原理：基于多个固定的阅读器去读取目标RFID标签的特征信息，采用多边测距的方法来确定该标签的位置。该方法利用3个或3个以上固定部署的阅读器来读取目标标签的信息，记录每个阅读器接收信号的强度，可以得到各个阅读器和目标标签的距离，从而容易计算出标签的所在位置。4.3.2RFID定位原理近邻法定位

近邻法的方法是引入参考标签。在室内的多个固定位置分别部署阅读器和参考标签，可以通过比对参考标签和目标标签的接收信号强度，来推算目标标签的位置。这种方法的定位效果比较依赖标签摆放的位置和方向，一般需要标签都按照同样方向摆放。4.3.2RFID定位原理信号强度法定位信号强度法类似于WiFi的定位技术。在已知阅读器位置的情况下，能收到信号的标签必然处于相应阅读器的有限感知范围内，根据收到的信号强度可以完成对标签的粗略定位。4.4RFID分类及应用4.4RFID分类及应用RFID分类RFID按照能源的供给方式分为无源电子标签、有源电子标签、半无源电子标签三种。无源RFID标签本身不带电池，需要外界提供能量才能工作，阅读器在发出电磁波的同时，将部分电磁能量转化为供电子标签工作的能量，所以无源标签又称为被动式标签。无源电子标签产生电能的装置是天线和线圈，只有当天线和线圈进入RFID阅读器的工作区域，天线才能接收到特定的电磁波，线圈才会产生感应电流。无源电子标签电能较弱，数据传输距离和信号强度受到限制。但由于被动式标签结构简单、经济实用，因而获得广泛的应用。4.4RFID分类及应用有源标签通常由内置电池供电，它利用自身的射频能量主动地向读写器发送数据信号，因而又称为主动式标签。

有源标签的工作电源完全由内部电池供给。主动式标签在阅读器没有询问时，进入休眠状态或低功耗状态，当阅读器询问时，电子标签被唤醒并发送数据，这样可以减少电池消耗，也可减少电磁辐射噪声。优点：有源电子标签工作因其电能充足，信号传输距离较远，一般在30米以上，适用于远距离读写的应用场合。缺点：有源电子标签成本要更高一些，且随着标签内电池的消耗，数据传输距离变短，可能会影响系统的工作。4.4RFID分类及应用半无源标签内装有电池，但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少。

半无源标签未进入工作状态时一直处于休眠状态，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无源标签一样源自阅读器。4.4RFID分类及应用按照供电方式、载波频率、调制方式、作用距离、芯片类别的不同，可以对RFID标签从不同角度做出分类。分类依据类别应用场合供电方式无源标签无源标签内没有电池，主要利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电实现标签供电，工作距离相对较短，但寿命长，对工作环境要求不高。有源标签有源标签本身有电源供电，作用距离远，但标签体积较大、成本较高，寿命有限，不适合在恶劣环境下工作。载波频率低频标签低频射频标签的频率主要包括125kHz和134kHz两种，主要用于短距离、低成本的应用，如门禁控制、校园卡、货物跟踪等。中频标签中频射频标签的频率主要为13.56MHz，主要用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。高频标签高频射频标签频率包括433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz等，可应用于需要较长的读写距离和较高读写速度的场合，在火车监控、高速公路收费等系统中有广泛应用，价格相对较高。4.4RFID分类及应用作用距离密耦合标签作用距离最小，一般小于1cm。近耦合标签作用距离一般小于15cm。疏耦合标签作用距离约1m左右。远距离标签作用距离可从1m~10m，甚至更远。芯片类别只读标签只读不写，在产品生产时就将信息存储进去，不能再做更改，价钱比读写标签便宜，适用于普通商品。读写标签有读写功能，可以在现有信息的基础上对信息做改动，比只读标签贵很多，适用于价值比较高的商品。CPU标签内置微控制器，可编程。

调制方式主动式标签主动式射频标签用自身的射频能量主动将数据发送给阅读器。射频标签发射的信号仅穿过障碍物一次，主要用于有障碍物的应用，传送距离可达30m。被动式标签被动式射频标签利用阅读器的载波来调制自己的信号，采用调制散射方式发送信息给阅读器。由于阅读器可以确保只激活一定范围之内的射频卡，被动式标签主要适用于门禁或交通等读写距离较近的应用。4.4RFID分类及应用ISO/IEC的RFID体系RFID领域的ISO标准由ISO主导和联合IEC共同制定，包括RFID通用技术标准和与RFID应用技术标准两部分。RFID通用技术标准主要针对不同应用领域中涉及的共同要求和属性。如下表所示。RFID通用标准分项内涵表述涉及标准数据内容标准规定数据在标签、阅读器（阅读器）到主机（中间件或应用程序）各个环节的表现形式。ISO/IEC15961ISO/IEC15962ISO/IEC24753ISO/IEC15963空中接口通信协议规范阅读器和电子标签之间的信息交互，确保不同厂家生产设备之间的互联互通。包括一组协议，分别规范了参考结构和标准化参数定义、中频125~134kHz、高频段13.56MHz、微波频段2.45GHz、超高频段860~960MHz以及超高频段433.92MHz的相应协议。ISO/IEC18000-1ISO/IEC18000-2ISO/IEC18000-3ISO/IEC18000-4ISO/IEC18000-6ISO/IEC18000-74.4RFID分类及应用测试标准规范设备（标签、阅读器）的性能测试方法，包括性能参数和检测方法。规范设备（标签、阅读器）的一致性测试方法，包括不同厂商设备实现互联互通互操作必须的技术内容。ISO/IEC18046ISO/IEC18047实时定位系统实时定位系统（RTLS）可以改善供应链透明性。RFID短距离定位、GPS定位、手机定位与无线通信技术共同实现物品位置的全程跟踪监视。需要制定和实时定位系统有关的标准。ISO/IEC24730-1ISO/IEC24730-2ISO/IEC24730-3软件系统基本架构提供RFID应用系统的框架，规范数据安全和多种接口，便于RFID系统之间的信息共享，从而令应用程序不再关心不同类型设备之间的差异，方便应用程序的设计和开发。ISO/IEC24791-1ISO/IEC24791-2ISO/IEC24791-3ISO/IEC24791-4ISO/IEC24791-5ISO/IEC24791-64.4RFID分类及应用RFID应用技术标准RFID应用技术标准则是在通用技术标准的基础上，根据各个行业自身特点制定，主要针对行业应用领域涉及的共同要求和属性。如下表所示。RFID应用技术标准分项内涵表述涉及标准货运集装箱系列标准与RFID相关的集装箱标准，包括集装箱标识系统（包括集装箱尺寸、类型等数据的编码系统，相应标记方法，操作标记和集装箱标记的物理展示），基于微波应答器的集装箱自动识别标准，以及集装箱电子密封标准。ISO6346ISO10374ISO18185物流供应链系列标准与RFID相关的物流供应链系列标准，包括应用要求、货运集装箱、装载单元、运输单元、产品包装、单品五级物流单元共六个应用标准。ISO17358ISO17363ISO17364ISO17365ISO17366ISO17367动物管理系列标准与RFID相关的动物管理标准，规范了编码结构、技术准则、高级标签共三个应用标准。ISO11784ISO11785ISO142234.5RFID的安全性4.5RFID的安全性

从安全性考虑RFID工作系统具有着保密性、真实性、完整性和可用性，要求如下