物联网技术导论-第三章 RFID技术

物联网技术导论第三章RFID技术RFID网络与无线传感器网络RFID的关键技术RFID的分类及硬件组成第三章RFID技术RFID概述3.13.23.33.4•随着高科技的蓬勃发展，智能化管理已经走进了人们的社会生活，一些门禁卡、第二代身份证、公交卡、超市的物品标签等，这些卡片正在改变人们的生活方式。其实秘密就在这些卡片都使用了射频识别技术，可以说射频识别已成为人们日常生活中最简单的身份识别系统。RFID技术带来的经济效益已经开始呈现在世人面前。RFID是结合了无线电、芯片制造及计算机等学科的新技术。3.1RFID概述•据SanfordC.Bernstein公司的零售业分析师估计，通过采用RFID，沃尔玛每年可以节省83.5亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。•RFID有助于解决零售业两个最大的难题：商品断货和损耗（因盗窃和供应链被搅乱而损失的产品），而现在单是盗窃一项，沃尔玛一年的损失就差不多有20亿美元，如果一家合法企业的营业额能达到这个数字，就可以在美国1000家最大企业的排行榜中名列第694位。研究机构估计，这种RFID技术能够帮助把失窃和存货水平降低25%。3.1RFID概述奥运会上运用RFID•门票防伪•北京奥运会是第一届全面使用RFID技术来进行门票防伪的奥运会。本届奥运会的门票都加载了中国自行研发的、国内最小的RFID芯片。该芯片包含了购票人的关联信息，只要在验票机上一刷，就可以激活后台数据库，从而调出观众的个人信息，既方便了观众验票，又有效地防止了门票伪造。RFID3.1RFID概述1、什么是射频？射频是指可发射传播的电磁波，RadioFrequency简称RF射频。每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流，大于10000次的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。2、射频识别技术英文名称为RadioFrequencyIdentificationSystem，简称RFID。RFID射频识别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。RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。3.1RFID概述3.1.1RFID基本组成RFID的主要核心部件是读写器和电子标签，通过相距几厘米到几米距离内读写器发射的无线电波来读取电子标签内存储的信息，识别电子标签代表的物品、人和器具的身份。3.1RFID概述3.1.1RFID基本组成典型RFID系统组成示意图3.1RFID概述3.1.1RFID基本组成(1)电子标签(Tag)。由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。主要是由具有模拟、数字记忆功能的芯片，以及依不同频率、应用环境而设计的天线所组成。标签分为无源标签(PassiveTag)和有源标签(ActiveTag)两种，无源标签由感应到的电磁波反馈电能，有源标签需要电池供电，用来存储被识别对象的数据信息。也叫射频卡3.1RFID概述3.1.1RFID基本组成(2)读写器(Reader)。RFID阅读器(读写器)通过天线与RFID电子标签进行无线通信，主要是由无线电发送和接收模块、模\数控制模块、中央处理单元、以及读写天线组成。天线(Antenna)在标签和读写器间传递射频信号，一般情况下被安装在读写器内部。读写器有手持式或固定式两种，负责对标签进行识别、读取和写入等操作。3.1RFID概述3.1.1RFID基本组成(3)计算机系统。计算机系统作后台控制系统，通过有线或无线方式与读写器相连，获取电子标签内部信息，对读取的数据进行筛选和处理后进行后台控制。其中，通常将电子标签、读写器和天线三者称为前端数据采集系统。3.1RFID概述3.1.2RFID应用领域RFID技术最早起源于雷达技术的发展及应用，到21世纪初期，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。目前RFID技术的典型应用主要在：物流和供应管理环节、超市零售业、高速公路收费系统、生产的自动化及过程控制、智能门禁安保、电子票证、动物跟踪和管理等领域。证件管理•从2004年开始，采用了RFID技术的中国第二代居民身份证，在全国范围内开始换发，截至2008年，中国第二代身份证发行量已经达到9亿多张，是迄今为止全球最大的RFID应用项目。3.1RFID概述3.1.2RFID应用领域RFID电子门票•RFID技术作为电子门票在中国已经广泛地应用于大型演出、公园、展览馆等方面。2008年北京奥运会门票成功应用RFID技术。另外为奥运会、残奥会开、闭幕式实名制查验及人员管理，为奥运会赛事管理、安全提供了有力的保障。3.1RFID概述3.1.2RFID应用领域高速公路自动收费及交通管理•高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一。RFID技术应用在高速公路自动收费上能够充分体现了非接触识别的优势。让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费。同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题。3.1RFID概述3.1.2RFID应用领域门禁保安•门禁保安系统可采用射频卡，并且一卡可以多用，比如作工作证、出入证、停车卡、旅馆住宿卡甚至旅游护照等等，目的是帮助识别人员身份、安全管理、收费等，这样可以简化出入手续、提高工作效率。3.1RFID概述3.1.2RFID应用领域生产线自动化•用RFID技术在生产流水线上可以实现自动控制、监视，提高生产率，改进生产方式、节约了成本。如用于汽车装配流水线，德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频卡以尽可能大量地生产用户定制的汽车。3.1RFID概述3.1.2RFID应用领域防伪•将射频识别技术应用在防伪领域有它自身的技术优势。防伪技术本身成本低，但却很难伪造。射频卡的成本就相对便宜，而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂，使伪造者望而却步。射频卡本身具有内存，可以储存、修改与产品有关的数据、利于销售商使用；体积十分小、便于产品封装。3.1RFID概述3.1.2RFID应用领域RFID网络与无线传感器网络RFID的关键技术RFID的分类及硬件组成第三章RFID技术RFID概述3.13.23.33.4按照能量的供给方式有源、无源和半有源系统按照RFID标签信息的传播方式主动式、被动式和半主动式按照RFID标签的工作频率低频(30～300KHZ)、高频(3～30MHZ)、超高频(300MHZ～3GHZ)和微波(2145GHZ以上)按照RFID系统的工作距离电磁感应耦合适合中低频近距离场合，电磁反向散射耦合适合超高频、微波等远距离系统根据RFID标签的存储器类型只读型、读写型、一次可写型3.2RFID的分类及硬件组成3.2.1RFID的分类有源RFID无源RFID半有源RFIDRFID按照能源的供给方式优点：•重量轻，体积小•寿命长，成本低缺点：•读写距离近•需要阅读器提供能量优点：•电池内部供电•主动发射电磁信号•很长的识别矩离缺点：•成本高，寿命低•体积难以控制有电池，仅供电路工作，介于以上两者之间3.2RFID的分类及硬件组成3.2.1RFID的分类主动式被动式半主动式RFID按照标签信息传播的方式•适用于复杂环境•通信距离远•适合无障碍环境•通信矩离近•结构简单•适合需要频繁读写场合介于以上两者之间3.2RFID的分类及硬件组成3.2.1RFID的分类RFID按应用频率高频（HF）超高频（UHF）微波（MW）低频（LF）低频30-300KHz高频3-30MHz超高频300M-3GHz微波2.4G3.2RFID的分类及硬件组成3.2.1RFID的分类23频谱频率读取范围应用低频（LF）30KHz～300KHz0.6m门禁和安全管理、动物及容器识别、电子闭锁防盗等高频（UHF）3MHz～30MHz0.1m～1m电子车票、货物追踪、库存管理等超高频（UHF）860MHz～960MHz1m～10m铁路包裹、集装箱及供应链管理等微波（MWF）2.45GHz以上25m～50m移动车辆识别、供应链管理等RFID系统工作频段特性按照RFID系统的工作距离•(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，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律•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。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cm。•电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m.•电感耦合RFID系统电感耦合工作方式对应于ISO/IEC14443协议。电感耦合电子标签由一个电子数据作为载体，通常由单个微芯片及天线（大面积线圈）等组成。在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿越线圈横截面和周围空间，以使附近的电子标签产生电磁感应。•能量供应阅读器天线线圈激发磁场，其中一小部分磁力线穿过电子标签天线线圈，通过感应，在电子标签的天线线圈上产生电压U，将其整流后作为微芯片的工作电源。电容器Cr与阅读器的天线线圈并联，电容器与天线线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联震荡回路，该回路的谐振使得阅读器的天线线圈产生较大的电流。电子标签的天线线圈和电容器C1构成震荡回路，调谐到阅读器的发射频率。通过该回路的谐振，电子标签线圈上的电压U达到最大值。这两个线圈的结构可以被解释为变压器（变压器的耦合）。•电子标签天线上负载电阻的接通与断开促使阅读器天线上的电压发生变化，实现了用电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载电压的接通和断开，这些数据就可以从标签传输到阅读器了。•电磁反向散射RFID系统•反向散射调制•电磁波从天线向周围空间发射，到达目标的电磁波能量的一部分（自由空间衰减）被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终会返回发射天线，称其为回波。在雷达技术中，用这种反射波测量目标的距离和方位。•在RFID系统中，利用电磁波反射完成从电子标签到阅读器的数据传输，主要应用于915MHz、2.45GHz甚至更高频率的系统中。该RFID系统工作分为以下两个过程：（1）标签接收读写器发射的信号，其中包括已调制载波和未调制载波。当标签接收的信号没有被调制时，载波能量全部被转换为直流电压，该电压供给电子标签内部芯片能量；当载波携带数据或者命令时，标签通过接收电磁波作为自己的能量来源，并对接收信号进行处理，从而接收读写器的指令或数据。（2）标签向读写器返回信号时，读写器只向标签发送未调制载波，载波能量一部分被标签转化成直流电压，供给标签工作；另一部分能量被标签通过改变射频前端电路的阻抗调制并反射载波来向读写器传递信息。3.2RFID的分类及硬件组成3.2.2RFID硬件体系结构RFID的最基本的硬件体系结构由RFID电子标签、RFID射频天线和RFID读写器组成。电子标签（Tag）是由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。标签进入RFID阅读器扫描场以后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）。ＵＩＤ：全球统一标识3.2RFID的分类及硬件组成3.2.2RFID硬件体系结构（1）被动式电子标签•被动式电子标签无板载电源，其电源由读写器供给。电子标签必须利用读写器的载波来调制自身的信号，标签产生电能的装置是天线和线圈。标签进入RFID系统工作区后，天线接收特定的电磁波，线圈产生感应电流供给标签工作。被动式标签与读写器之间的通信，总是由读写器发起