《物联网技术与应用》课件-4. RFID技术

物联网技术与应用4.1RFID技术概述知识目标掌握RFID的概念、特点；了解RFID技术的发展历史与趋势。能力目标明确RFID技术在物联网中的作用。思政目标培养学生的爱国主义情怀和较高的政治素质。物联网技术与应用02RFID与物联网的关系03RFID技术的发展01RFID技术的概念与特点物联网技术与应用目录Part01RFID技术的概念与特点物联网技术与应用RFID技术，即射频识别技术，是一种利用射频信号和空间耦合方式，实现无接触的信息传输，并通过所传输的信息自动识别物理对象的无线通信技术。RFID技术无须人工干预，可以识别高速运动的物体，可以同时识别多个目标对象，可以实现数据远程读取，还可以工作于各种恶劣环境。俗称电子标签(E-Tag)。从RFID概念中我们可以看到：RFID技术实现的基础是利用电磁能量实现自动识别与数据采集，而电磁能量是自然界存在的一种能量形式。获取和使用都非常方便。另外，RFID是一种无线通信技术，利用无线电波进行双向通信，来识别目标并读写相关数据，无需识别系统与目标之间建立机械或光学接触。通俗点概括，就是条码扫描进阶成了无线感应。RFID的特点非接触读取距离由数公分到数公尺自动读取无需人工干预可遮盖有遮蔽物（除金属、液体）也可识别轻薄短小可多样化地贴附于对象人/物个体识别芯片单体上有个体标识符串，可个别管理物品RFID的特点环境时间性耐污、耐振、耐撞、长期性移动读写移动中也可读取、写入同时多笔读取可同时读取多笔标签可抹写数据可重复抹写比如标签成本较高，不能随意扔掉等等。但是制约射频识别系统发展的主要问题是不兼容的标准。导致不同的应用、行业采用不同的频率和协议标准，这种混乱和割据的状况制约了整个行业的发展。这也成为了目前RFID技术发展需要面临和解决的问题。而标准化必将刺激射频识别技术的快速发展和广泛应用。RFID技术的一些缺点Part02RFID与物联网的关系物联网技术与应用

RFID技术与互联网、移动通讯等技术相结合，可以实现全球范围内物体的跟踪与信息的共享，从而给物体赋予智能，实现人与物体以及物体与物体的沟通和对话，最终构成连通万物的物联网。RFID技术是物联网的基石。RFID是物联网系统感知层一种重要的信息采集技术RFID技术将物联网的触角伸到了物体之上。在物联网环境中，RFID将“智能”嵌入到物理对象当中，让再简单的物理对象也能“开口说话”01在物联网环境中，RFID让物理对象在无源环境下实现“被动智能”，为“物与物相联”提供根本保障04在物联网环境中，RFID以类似于互联网中计算节点的“IP地址”的方式，让物理对象被唯一地识别02在物联网环境中，RFID提供了一种低成本的通信方式来实现节点间的有效沟通03

RFID与物联网Part03RFID技术的发展物联网技术与应用RFID的发展目前，RFID技术应用己经处于全面推广的阶段。特别是对于IT业而言，RFID技术被视为IT业的下一个“金矿”。RFID的发展现状欧盟统计办公室的统计数据表明，2010年，欧盟有3%的公司应用RFID技术，应用分布在身份证件和门禁控制、供应链和库存跟踪、汽车收费、防盗、生产控制、资产管理。我国在RFID技术的研究方面也发展很快，市场培育已初步开花结果。比较典型的是在中国铁路车号自动识别系统建设中，推出了完全拥有自主知识产权的远距离自动识别系统。RFID的发展现状中国智慧中国力量中国制造课堂小结在物联网中物品能够彼此进行“交流”，其实质就是利用RFID技术等自动识别技术，实现对全球范围内物品的跟踪与信息共享。相比条码识别、生物识别等其他自动识别技术，RFID无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预，即可完成信息输入与处理，具有操作方便快捷，可识别高速运动物体等特点，应用领域更加广泛。RFID技术是一种自动识别技术，它利用射频信号实现无接触信息传递，从而达到自动识别物理对象的目的。物联网技术与应用4.2RFID的组成知识目标掌握RFID的系统组成结构。能力目标理解阅读器和标签的具体功能。学会设计简单射频识别系统。思政目标激励学生努力创新、奋发向上，提升实践应用素养。物联网技术与应用02阅读器03标签01RFID系统组成物联网技术与应用目录Part01RFID系统组成物联网技术与应用RFID系统由五个组件构成，包括：传送器、接收器、微处理器、天线、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)，所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件。阅读器（Reader）读取（有时还可以写入）标签信息的设备，包括天线（Antenna）RFID组成标签（Tag）由耦合元件及芯片组成，附着在物体上标识目标物品，每个标签具有唯一的电子编码。Part02阅读器物联网技术与应用工作模式一般是主动向标签询问标识信息，又被称为询问器（Interrogator）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APIRFID阅读器组成部分：逻辑控制模块射频模块天线射频模块（高频接口）控制处理模块天线射频能量、信号调制、信号解调身份验证控制通信数据加密解密实现接口规范执行防碰撞算法发射能量信息接收标签信息将发送给电子标签的信号调制到阅读器载频信号上，形成已调制的发射信号，经天线发射出去由射频振荡器产生射频能量，射频能量一部分用于阅读器，另一部分通过天线发送给电子标签，为其提供能量；将电子标签返回给阅读器的回波信号解调，提取出电子标签发送的信号，并将电子标签信号进行放大处理。010203射频模块功能阅读器的逻辑控制模块是整个阅读器工作的控制中心，一般由微处理器、时钟电路、应用接口以及电源组成。阅读器在工作时由逻辑控制模块发出指令，射频接口模块按照指令做出相应操作。逻辑控制模块可以接收射频模块传输的信号，译码后获得电子标签内信息，或将要写入标签的信息编码后传递给射频模块，完成写标签操作；还可以通过标准接口将标签内容和其他的信息传递给外部设备逻辑控制模块作用是发射电磁能量以激活电子标签，并向电子标签发出指令，同时也要接收来自电子标签的信息。阅读器可以连接一个或多个天线。RFID系统的工作频率从低频到微波，这使得天线与标签芯片之间的匹配问题变得很复杂。阅读器天线阅读器没有一个确定的形式，根据数据管理系统的功能、读写器的使用环境和设备制造商的生产习惯，读写器具有各种各样的结构和外观形式。有时为了方便，阅读器和天线以及智能终端设备会集成在一起形成可移动的手持式阅读器。Part03标签物联网技术与应用射频标签相当于条码技术中的条码符号，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作用下，把存储的信息主动发射出去。电子标签也称应答器，是RFID系统的数据载体，由芯片（IC）和天线两个主要部分构成。标签芯片是电子标签的核心部分，它的功能包括标签信息存贮、标签接收信号的处理和标签发射信号的处理；天线是电子标签发射和接收无线信号的装置。天线芯片对接收和发送的信息进行处理对天线收到的信号进行解调、解码等，并对标签需要发送的信号进行编码和调制，以及执行防碰撞算法和存储数据等无线信号的收发装置接收阅读器发射的射频信号将芯片数据发送给阅读器决定了标签的尺寸天线是一种专门设计用来耦合、辐射电磁能量的导体结构。常见电子标签天线：线圈型天线微带贴片型天线偶极子天线标签芯片一般包括射频前端/模拟前端和数字电路等模块。对射频信号进行整流和调制解调对数字信号进行编码/解码以及防碰撞协议处理；对存储器进行读写获得最初信号确保稳定的电压供应通信过程：标签进入RFID阅读器扫描场后，接收到阅读器发出的射频信号，主动发送某一频率的信号（主动式标签），或凭借感应电流获得的能量发送存储在芯片中的电子编码（被动式标签）将电子标签天线输入的射频信号整流为标签工作的直流能量提供时钟信号（1）只读标签存储器（2）一次写入只读标签存储器（3）可读写实现反射调制为了满足不同的应用需求，电子标签的结构形式多种多样。课堂小结阅读器通过封装在其内部的射频模块和控制处理模块，完成对信号的加密、编码、调制、解调、解码、解密以及通信控制等功能；标签借助其内部的模拟射频接口和数字电路模块进行信号的编码、调制、解调、解码等处理，二者通过其内置天线完成能量与数据信号的发送和接收工作。RFID系统的基本组成包括阅读器和标签两个部分。物联网技术与应用4.3RFID的工作原理知识目标掌握RFID的系统工作流程及信号传输方式。能力目标具备区分RFID系统信号传输方式适用场景的能力。思政目标培养、提升学生理论应用和实践创新素养。物联网技术与应用02耦合方式01RFID系统工作流程物联网技术与应用目录Part01RFID系统工作流程物联网技术与应用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，它获得能量被激活，并将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；阅读器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，并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。Part02耦合方式物联网技术与应用阅读器与标签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。阅读器和电子标签之间射频信号的传输主要有2种方式：

电感耦合方式

电磁反向散射方式变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律电感耦合（近场方式）适用于中、低频工作的近场射频识别系统识别距离<1米，典型作用距离为10~20厘米。典型工作频率：125KHz225KHz和13.56MHz两个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。最常见的电感耦合就如变压器，由一个波动的电压在一个线圈（称为一次绕组）内产生磁场，在同一个磁场中的另外一组或几组线圈（称为二次绕组）上，就会感应出相应比例的电压（与一次绕组和二次绕组的匝数有关）。电感耦合方式一般适用于高低频工作的近距离RFID。电感耦合的原理由于阅读器产生的磁场强度受到电磁兼容性能有关标准的限制，所以系统的工作距离较近。阅读器向标签的数据传输可以采用多种数字调制方式，通常为辐移键控（ASK）。电感耦合方式的标签几乎都是无源的，其能量是从阅读器所发送的电波中获取的。雷达模型，发射出去的电磁波遇到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电磁反向散射耦合（远场方式）适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。识别距离>1米，典型作用距离3~10米。典型工作频率：433MHz915MHz2.45GHz5.8GHz阅读器和标签之间采用电磁波进行信息的传输。电磁反向散射耦合的原理芯片用自身的标识号对标签芯片阻抗进行变换，当标签天线和芯片之间的阻抗匹配不好时，则几乎全部反射信号。这样，反射信号就出现了振幅的变化。类似于反射信号进行幅度调制处理。阅读器通过接收此反射信号，判断该标签的标识号进行识别。阅读器发出未经调制的电磁波，位于远场的标签天线接收到电磁波信号并产生感应电压，标签内部电路将其电压进行整流、放大，激活标签芯片。课堂小结RFID操作中的一个关键技术，是通过天线进行耦合。天线的耦合主要分为电感耦合和电磁反向散射耦合。电感耦合方式的标签几乎都是无源的，其能量是从读写器所发送的电波中获取的，且工作距离比较近，作用距离为10~20cm。电磁反向散射耦合依据的是电磁波的空间传播规律，工作距离可达3~10m。阅读器发射一特定频率的无线电波能量给标签，用来驱动标签电路将内部的数据送出，然后，阅读器便依序接收并解读数据，送给应用程序做相应的处理。物联网技术与应用4.4RFID的分类与应用知识目标掌握RFID的概念、特点；熟悉各种RFID系统分类方式。能力目标对各类标签加以区分的能力和选择系统应用场景的能力。思政目标培养学生面向应用分析问题和解决问题的素质。物联网技术与应用02根据标签供电方式分类03根据数据调制方式分类04根据工作频率分类01RFID系统分类方式物联网技术与应用目录Part01RFID系统分类方式物联网技术与应用RFID系统又很多不同的分类方式RFID技术表面波（SAW）RFID芯片（IC）RFID供电方式有源系统无源系统半有源系统数据调试方式主动式系统被动式系统半主动式系统系统工作频率低频系统高频系统超高频系统微波系统混频系统可读写性能只读系统一次写入多次读出系统读写系统工作时许读写器先讲系统标签先讲系统其他RFID（WLAN）等Part02根据标签供电方式分类物联网技术与应用主要是依据射频标签工作所需能量的供给方式。有源—标签内部有电池提供电源，主动发射信号。

电池供电识别距离远可达几百米无源—不含有电池，利用阅读器发射的电磁波进行耦合来为自己提供能量。体积小成本低但识别距离短半有源—标签带有电池，但是电池只起到对标签内部电路供电的作用，标签本身并不发射信号。电池辅助供电识别距离较远根据标签的供电方式分类Part03根据数据调制方式分类物联网技术与应用通常，无源系统为被动式，有源系统为主动式，半有源系统为半主动式。主动式标签使用自身的射频能量主动发送数据给阅读器；被动式使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读器的载波来调制自己的信号；12半主动式电池支援式反向散射调试系统。有电源，只对标签内部数字电路供电。标签不通过自身能量主动发送数据，只有被阅读器的能量场激活，才通过反向散射调制方式传输自身数据。3Part04根据工作频率分类物联网技术与应用低频—(LowFrequency，LF)——30～300kHz(ISO14223)常见工作频率：125kHz、134.2kHz，无源，电感耦合方式，<1m主要优势：不受无线电频率管制和约束，可穿透水、有机组织和木材等；非常适合近距离、低速率、数据量较少的识别应用。典型应用：畜牧业管理系统、汽车防盗系统、无钥匙开门系统、马拉松赛跑系统、自动停车收费系统、车辆管理系统、自动加油系统、酒店门锁系统、门禁和安全管理系统、货物跟踪系统、动物识别系统、容器识别系统工具识别系统、电子门锁防盗（带有内置标签的汽车钥匙）系统等。阅读器发送无线信号时所使用的频率被称为RFID系统的工作频率。高频-(HighFrequency,HF)——3~30MHz(ISO15693,ISO14443)常见高频工作频率为：13.56MHz，无源，电感耦合方式，>1m主要优势：可通过腐蚀印制方式制作天线。省电、廉价、工作频率不受无线电频率管制和约束，可穿透水、有机组织和木材等；方便制作成卡状，主要用于需要传送大量数据的场合。典型应用：图书管理系统。瓦斯钢瓶管理系统，服装生产线系统，物流管理系统三表预收费系统酒店门锁系统大型会议人员通道系统固定资产管理系统医药物流系统智能货架系统电子车票系统身份证系统电子闭锁防盗系统（电子遥控门锁控制器）等。超高频-(UntraHighFrequency,UHF)——300～968MHZ(ISO18000)常见的工作频率为：869.5MHz、915.3MHz，无源，电容耦合方式，10m主要特点：传送数据速度快，传送数据量大，读写距离远，但耗能，穿透力差，作业区域不能有太多干扰，主要用于需要较长的读写距离和较高的读写速度的场合。典型应用：供应链管理系统、生产线自动化管理系统、航空包裹管理系统、集装箱管理系统、铁路包裹管理系统、后勤管理系统、铁路车辆识别系统、集装箱识别系统、公路车辆识别系统、高速公路自动收费系统、自动公路系统等。微波-(MicroWave,MW)_——使用频段在1GHz以上常见工作频率：2.45GHz及5.8GHz,无源/有源，电磁耦合方式，4~6m主要优势：读写天线一般为定向天线，数据存储容量一般限定在2k以内，主要用于标志物品并且为非接触式的识别过程。典型应用：移动车辆识别、电子身份证、仓储物流、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等系统。02只读系统（标签内部只有只读存储器（ROM））读写系统一次性写入多次读出系统读写器先讲系统（ReaderTalkFirst，RTF）标签先讲系统（TagTalkFirst，TTF）标签的可读写性能标签与阅读器简单工作时序01课堂小结供电方式有源无源半有源数据调制方式主动被动半主动工作频率低频（LF）高频（HF）超高频（UHF）微波（MW）物联网技术与应用4.5智能建造中RFID技术的应用知识目标熟悉RFID应用系统的设计及其相关应用。能力目标掌握RFID技术应用系统分析、设计能力。思政目标培养学生初步具备选择适合技术，确定设计目标和技术方案的职业素养。物联网技术与应用02应用案例——施工人员安全帽考勤系统01RFID在智能建造领域的应用物联网技术与应用目录Part01RFID在智能建造领域的应用物联网技术与应用在AGV送料车下方安装RFID读写器，在送料车上放置托盘、料架、料箱等货物进行运输，由RFID读写器识别轨道节点上的RFID地标来选择站点进行送料。在物料循环运送路线上的轨道节点处安装写有站点编码的RFID地标，车间操作人员在点料端呼叫所需物料，中央调度系统调度对应AGV开始运送物料。（1）AGV送料车AGV行驶途中，车身下方RFID读写器主动识别RFID地标中存储的位置信息后反馈给PLC控制器（控制系统模块），PLC接收编码数据并处理信息后，控制AGV送料车按送料路线选择正确站点停靠。（1）AGV送料车物料送达站点后AGV送料车可根据指令进行下一站点的物料运送，所有送料指令完成后，送料车按设定路线返回起点完成空车回收。其他类型AGV应用中，也可通过自动识别行驶路线上的RFID地标，实现AGV在正确站点停靠。（1）AGV送料车应用RFID技术针对装配式预制混凝土构件、混凝土试块等制作过程数据可追溯管理。（2）预制混凝土构件生产追溯系统生产工厂根据生产计划将预制件的相关数据写入至RFID标签中，RFID标签用扎带绑在钢筋笼上后浇灌水泥，可通过RFID手持机确认该预制件电子身份绑定成功。（2）预制混凝土构件生产追溯系统预制件的质量检查贯穿整个生产、装配环节，可通过RFID手持机快速识别并记录该预制件的批次、蒸养记录、成型日期、脱模检查、装配记录等数据。需质量追溯时，通过RFID手持机可准确获取对应预制件的全部生产、装配数据。（2）预制混凝土构件生产追溯系统RFID技术在预制构件中的创新性应用主要体现在运输阶段、现场施工阶段以及运营维护阶段（3）装配式建筑全寿命周期管理预制构件在工厂制造完成后，向其植入特制的含有与之相关的各种信息的RFID标签，目的是为了方便对预制构件在运输、存储、吊装、运营维护过程中进行管理，保证每个构件在生产、运输、吊装运营维护等过程中的信息准确无误。（3）装配式建筑全寿命周期管理现场施工阶段，RFID技术随时追踪和监控预制构件的储存和吊装，以施工现场的无线网络为媒介及时的传递相关信息，同时把RFID与建筑信息模型相结合，保证信息完整，加速信息传递，减少了工作人员在录入信息时潜在的错误，可实现零失误。（3）装配式建筑全寿命周期管理运营维护管理过程中，建筑物使用情况、