第2章

物聯(lián)網(wǎng)識別技術(shù)—RFID技術(shù)學(xué)習(xí)要點(diǎn)RFID基礎(chǔ)知識RFID標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)外情況RFID應(yīng)用目錄2.5RFID技術(shù)的應(yīng)用2.4RFID技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)2.3RFID技術(shù)的產(chǎn)品2.2RFID技術(shù)的工作原理2.1RFID技術(shù)概述2.1.1RFID技術(shù)的定義RFID概念：

無線射頻識別技術(shù)RFID(RadioFrequencyIDentification)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對被識別物體的自動識別。典型的RFID系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：閱讀器(reader)，標(biāo)簽(tag)和中間件（應(yīng)用軟件）閱讀器由天線、射頻收發(fā)模塊和控制單元構(gòu)成。其中控制模塊通常包含放大器、解碼和糾錯(cuò)電路、微處理器、時(shí)鐘電路、標(biāo)準(zhǔn)接口以及電源電路等。標(biāo)簽一般包含天線、調(diào)制器、編碼器以及存儲器等單元。中間件是位于平臺(硬件和操作系統(tǒng))和應(yīng)用之間的通用服務(wù)，這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議。

表2.1RFID技術(shù)發(fā)展的歷程表2.1.2RFID技術(shù)的背景時(shí)間RFID技術(shù)發(fā)展1941-1950年雷達(dá)的改進(jìn)和應(yīng)用催生了RFID技術(shù)，1948年奠定了RFID技術(shù)的理論基礎(chǔ)。1951-1960年早期RFID技術(shù)的探索階段，主要處于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)研究。196l-1970年RFID技術(shù)的理論得到了發(fā)展，開始了一些應(yīng)用嘗試。1971-1980年RFID技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)處于一個(gè)大發(fā)展時(shí)期，各種RFID技術(shù)測試得到加速。出現(xiàn)了一些最早的RFID應(yīng)用。1981-1990年RFID技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段，各種封閉系統(tǒng)應(yīng)用開始出現(xiàn)。1991-2000年RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問題日趨得到重視，RFID產(chǎn)品得到廣泛采用。2001-今標(biāo)準(zhǔn)化問題日趨為人們所重視，RFID產(chǎn)品種類更加豐富，有源電子標(biāo)簽、無源電子標(biāo)簽及半無源電子標(biāo)簽均得到發(fā)展，電子標(biāo)簽成本不斷降低。RFID技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)中的標(biāo)識技術(shù)，是初級的感知技術(shù)，用于身份代表及身份識別。要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，首先要將物理世界那些不具有智能的種種“物”與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接起來。1999年AutoID中心提出的第一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)想，RFID就被選中成為實(shí)現(xiàn)感知層的技術(shù)。在這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)雛形中，每件商品貼上一個(gè)RFID標(biāo)簽，內(nèi)含該商品的唯一代碼。在互聯(lián)網(wǎng)與商品的聯(lián)接終端，有一個(gè)RFID閱讀器。當(dāng)商品靠近閱讀器時(shí)，將標(biāo)簽中的商品代碼讀出。直到2010年，幾乎所有在零售業(yè)、物流、服飾以及藥品業(yè)等領(lǐng)域建立的物聯(lián)網(wǎng)都秉承了上述AutoID中心建立的雛形物聯(lián)網(wǎng)。目前采用RFID感知層的物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了“人-人”通信與“人-物”通信，但要實(shí)現(xiàn)“物-物”通信與互動還需要經(jīng)歷一段艱難、漫長的道路。今后的發(fā)展無疑是進(jìn)一步增加RFID標(biāo)簽的智能，使聯(lián)網(wǎng)的“物”達(dá)到足夠的智能水平。RFID物聯(lián)網(wǎng)仍然是未來10年中物聯(lián)網(wǎng)的主流。2.1.3RFID技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系2.2.1RFID技術(shù)的基本工作原理RFID系統(tǒng)組成系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下三個(gè)部分，一是閱讀器（或稱讀頭，解讀器，讀出裝置，掃描器，通信器、讀寫器等）(reader,transceiver)，二是電子標(biāo)簽(或稱射頻卡、應(yīng)答器、標(biāo)簽、智能標(biāo)簽等)(tag,transponder)，三是應(yīng)用系統(tǒng)。另外還應(yīng)包括天線(antenna,coil)，主機(jī)等。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的“利用反射功率的通信”奠定了RFID技術(shù)的理論基礎(chǔ)。發(fā)生在閱讀器和標(biāo)簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種。1）電感耦合。變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律2）電磁反向散射耦合。雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。RFID工作原理

RFID頻率分類及具體參數(shù)參數(shù)低頻（LF）高頻（HF）超高頻（UHF）微波（MW）頻率125~134KHz13.56MHz433MHz,860~960MHz2.45GHz,5.8GHz技術(shù)特點(diǎn)穿透及繞射能力強(qiáng)（能穿透水及繞射金屬物質(zhì)）；但速度慢、距離近性價(jià)比適中，適用于絕大多數(shù)環(huán)境；但抗沖突能力差速度快、作用距離遠(yuǎn)；但穿透能力弱（不能穿透水，被金屬物質(zhì)全反射），且全球標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一一般為有源系統(tǒng)，作用距離遠(yuǎn)；但抗干擾力差作用距離<10cm1~20cm3~8m>10m典型應(yīng)用門禁、防盜系統(tǒng)等智能卡，電子票務(wù)等自動控制、倉儲管理、物流跟蹤等道路收費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與方式常用的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)方式幅度調(diào)制鍵控(ASK)頻移鍵控(FSK)相移鍵控(PSK)常用的數(shù)據(jù)編碼方式反向不歸零碼(NRZ)曼徹斯特編碼(Manchester)單極性歸零編碼(UnipolarRZ)差動雙相編碼(DBP)米勒編碼(Miller)差動編碼脈沖寬度編碼(PulseWidthModulation,PWM)脈沖位置編碼(PulsePositionModulation,PPM)2.2.2RFID技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和安全性根據(jù)實(shí)際情況考慮是否選擇具有密碼功能的系統(tǒng)相互對稱的鑒別加密密鑰和解密密鑰一樣建立在國際標(biāo)準(zhǔn)ISO9798-2“三通相互鑒別”的基礎(chǔ)上讀寫器和標(biāo)簽在通信中互相檢測另一方的密碼利用導(dǎo)出密鑰的鑒別所有屬于同一應(yīng)用的標(biāo)簽都是用相同的密鑰K來保護(hù)每個(gè)標(biāo)簽采用不同的密鑰來保護(hù)加密的數(shù)據(jù)傳輸攻擊者的類型試圖竊聽數(shù)據(jù)（被動攻擊）試圖修改數(shù)據(jù)（主動攻擊）傳輸數(shù)據(jù)（明文）可以在傳輸前使用密鑰和加密算法（密碼術(shù)）變換為秘密數(shù)據(jù)（密文），防止被攻擊

數(shù)據(jù)安全性2.3.1閱讀器在RFID系統(tǒng)主要構(gòu)成部分之一主要功能與標(biāo)簽之間通信與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通信在讀寫區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽同時(shí)識讀，具備防碰撞功能能夠校驗(yàn)讀寫過程中的錯(cuò)誤信息對有源標(biāo)簽，能夠標(biāo)識電池信息，如電量等2.3RFID技術(shù)的產(chǎn)品軟件部分控制軟件（controller）導(dǎo)入軟件（bootloader）解碼器（decoder）硬件部分控制系統(tǒng)接收器發(fā)送器閱讀器的基本構(gòu)成固定式閱讀器：將射頻控制器和高頻接口封裝在一個(gè)固定的外殼中，完全集成射頻識別的功能閱讀器的分類手持機(jī)（handheldreader,HR）:便攜式閱讀器的簡稱，是適合于用戶手持使用的一類射頻電子標(biāo)簽讀寫設(shè)備常用在動物識別、巡檢、付款掃描、測試等情況中閱讀器的分類發(fā)卡器（cardissuer或registrationreader）也稱讀卡器、發(fā)卡機(jī)、發(fā)卡管理機(jī)等主要用來對射頻卡進(jìn)行具體內(nèi)容的操作，包括建立檔案、消費(fèi)糾錯(cuò)、掛失、補(bǔ)卡、信息修正等通常與計(jì)算機(jī)放在一起。閱讀器的分類

模塊化將不同協(xié)議繼承在一個(gè)讀頭模塊上兼容讀取多頻段及多種協(xié)議的標(biāo)簽，如EPC，ISO18000-6等多天線接口相位控制技術(shù)多種通信數(shù)據(jù)接口小型化，便攜化，嵌入化與其他多種自動識別技術(shù)集成，如與條碼集成智能信道分配擴(kuò)頻技術(shù)碼分多址技術(shù)閱讀器的發(fā)展趨勢標(biāo)簽（tag,transponder)：也稱電子標(biāo)簽，射頻卡，射頻卷標(biāo)，應(yīng)答器，智能標(biāo)簽或感應(yīng)標(biāo)簽主要功用:在于接收到閱讀器(reader)的命令后，將本身所存儲的編碼(code)回傳給閱讀器。電路成本低，性能可靠，十分方便于大規(guī)模生產(chǎn)標(biāo)簽的分類根據(jù)不同的功能只讀單次寫入多次讀取多次讀寫根據(jù)有無電源被動式半主動式主動式2.3.2標(biāo)簽被動式(passive)標(biāo)簽:本身沒有電源，其電源是來自閱讀器，由閱讀器發(fā)射頻率使感應(yīng)標(biāo)簽產(chǎn)生能量而將數(shù)據(jù)回傳給閱讀器。體積比較小擁有相當(dāng)長的使用年限感應(yīng)的距離較短標(biāo)簽的分類主動式(active)標(biāo)簽:有內(nèi)建電池，用于與閱讀器通信有較長的感應(yīng)距離價(jià)格較高體積較大使用年限較短。標(biāo)簽的分類根據(jù)頻率的高低低頻率高頻率超高頻率低頻率低頻率(lowfrequency)標(biāo)簽使用100~500KHz頻帶通信，以125KHz為主，穿透能力好，感應(yīng)距離較短，讀取速度較慢。高頻率高頻率(highfrequency)標(biāo)簽使用10~15MHz頻帶，以13.56MHz為主，感應(yīng)距離略長，讀取速度較低頻快。超高頻率超高頻(ultrahighfrequency/microwave)標(biāo)簽使用860~960MHz的超高頻以及2.4GHz~6GHz的微波段，感應(yīng)距離最長，速度也最快，穿透性差。標(biāo)簽的分類射頻識別系統(tǒng)的各種區(qū)別特征技術(shù)特性分類工作方式全雙工系統(tǒng)/半雙工系統(tǒng)/時(shí)序系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大于1bit/1bit標(biāo)簽可否編程閱讀器/編程器數(shù)據(jù)載體EEPROM/FRAM/SRAM狀態(tài)模式狀態(tài)機(jī)/微處理器能量供應(yīng)有源系統(tǒng)/無源系統(tǒng)（電池供電/頻率場供電）頻率范圍低頻/中高頻/超高頻/微波數(shù)據(jù)傳輸方式次諧/波反向散射（負(fù)載調(diào)制）/其他標(biāo)簽應(yīng)答頻率n,1/n倍/1:1/多樣化作用距離更遠(yuǎn)無線可讀寫性能更加完善適合高速移動物品識別快速多標(biāo)簽讀/寫功能一致性更好強(qiáng)場強(qiáng)下的自保護(hù)功能更完善智能性更強(qiáng)，更完善的加密特性帶有傳感器功能的標(biāo)簽帶有其他附屬功能的標(biāo)簽體積更小成本更低標(biāo)簽的發(fā)展趨勢中間件是位于平臺(硬件和操作系統(tǒng))和應(yīng)用之間的通用服務(wù)，這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議。中間件應(yīng)具備的特點(diǎn)滿足大量應(yīng)用的需要運(yùn)行于多種硬件和OS平臺支持分布計(jì)算，提供跨網(wǎng)絡(luò)、硬件和OS平臺的透明性的應(yīng)用或服務(wù)的交互支持標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議支持標(biāo)準(zhǔn)的接口中間件的功能及實(shí)現(xiàn)原理RFID標(biāo)簽和應(yīng)用程序之間的中介提供一組通用的應(yīng)用程序接口（API）接受應(yīng)用系統(tǒng)的請求對指定的閱讀器發(fā)起操作命令RFID中間件的系統(tǒng)架構(gòu)以應(yīng)用程序?yàn)橹行模╝pplicationcentric）以架構(gòu)為中心（infrastructurecentric）2.3.3中間件RFID中間件具有的特征獨(dú)立于架構(gòu)（insulationinfrastructure）、數(shù)據(jù)流（dataflow）處理流（processflow）標(biāo)準(zhǔn)（standard）中間件的發(fā)展趨勢與閱讀器管理系統(tǒng)融合能夠支持多標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽和多廠商閱讀器普通商品化面向服務(wù)2.3.3中間件目前，RFID還未形成統(tǒng)一的全球化標(biāo)準(zhǔn)，市場為多種標(biāo)準(zhǔn)并存的局面隨著全球物流行業(yè)RFID大規(guī)模應(yīng)用的開始，RFID標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)同已經(jīng)發(fā)布或者是正在制定中的標(biāo)準(zhǔn)主要是與數(shù)據(jù)采集相關(guān)標(biāo)簽與讀寫器之間的空中接口(airinterface）讀寫器與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換協(xié)議RFID標(biāo)簽與讀寫器的性能和一致性測試規(guī)范RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容編碼標(biāo)準(zhǔn)五大標(biāo)準(zhǔn)組織EPCGlobalISOAIMUIDIP-X2.4RFID技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）國際電工委員會（IEC）國際電信聯(lián)盟（ITU）空中接口通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)RFID標(biāo)簽和讀寫器之間的信號形式、編解碼規(guī)范、多標(biāo)簽碰撞協(xié)議，以及命令格式等內(nèi)容覆蓋了RFID應(yīng)用的常用頻段，如125~134.2kHz、13.56MHz、433MHz、860~960MHz、2.45GHz、5.8GHz等數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC15961:應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)協(xié)議ISO/IEC15962:數(shù)據(jù)的編碼、壓縮、存儲格式，以及將電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可利用的應(yīng)用程序的方法ISO/IEC15963:RFID唯一標(biāo)識的編碼體系，該體系兼容ISO/IEC7816-6、ISO/TS14816、EAN/UCC編碼、INCITS256等2.4.1ISO標(biāo)準(zhǔn)體系ISO/IEC18046:RFID設(shè)備的性能檢測方法對標(biāo)簽性能參數(shù)、速度、標(biāo)簽陣列、方向、單標(biāo)簽檢測及多標(biāo)簽檢測等標(biāo)簽性能檢測方法對讀取距離、讀取率、單標(biāo)簽和多標(biāo)簽讀取等讀寫器性能檢測方法IS0/IEC18047組成性能測試和一致性測試標(biāo)準(zhǔn)名稱頻率對應(yīng)協(xié)議ISO/IEC18047-2125kHz~134kHzISO18000-2ISO/IEC18047-313.56MHzISO18000-3ISO/IEC18047-42.45GHzISO18000-4ISO/IEC18047-6860~960MHzISO18000-6ISO/IEC18047-7433MHzISO18000-7實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RealTimeLocatingSystems，RTLS）是應(yīng)用于單品管理中大范圍或小范圍定位的空中接口標(biāo)準(zhǔn)。ISO/IEC24730-12006《RTLS應(yīng)用編程接口API》描述了RTLS服務(wù)的訪問方法使客戶應(yīng)用程序可以方便地訪問RTLS系統(tǒng)ISO/IEC24730-22006《RTLS-2.4GHz空中接口通信協(xié)議》查詢精度在3m左右ISO/IEC24730-5《RTLS-2.4GHz線性調(diào)頻擴(kuò)展頻譜（CSS）空中接口通信協(xié)議》ISO/IEC24730-6《RTLS-超寬帶空中接口通信協(xié)議》實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)EPCglobal網(wǎng)絡(luò)提供對全球供應(yīng)鏈上貿(mào)易單元即時(shí)、準(zhǔn)確、自動的識別和跟蹤系統(tǒng)成員終端成員系統(tǒng)服務(wù)商。提供的服務(wù)分配、維護(hù)和注冊EPC管理者代碼對用戶進(jìn)行EPC技術(shù)和EPC網(wǎng)絡(luò)相關(guān)內(nèi)容的教育和培訓(xùn)參與EPC商業(yè)應(yīng)用案例實(shí)施和EPCglobal網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制定參與EPCglobal網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)組成、研究開發(fā)和軟件系統(tǒng)等的規(guī)范制定和實(shí)施引領(lǐng)EPC研究方向認(rèn)證和測試；與其他用戶共同進(jìn)行試點(diǎn)和測試EPCglobal的RFID標(biāo)準(zhǔn)體系框架硬件軟件數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)由EPCglobal運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)共享服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)方面的內(nèi)容。2.4.2EPCGlobal標(biāo)準(zhǔn)體系UbiquitousID（泛在ID）在“某地”或“某物”上裝上世界上獨(dú)一無二的泛在識別碼“uCode”通過計(jì)算機(jī)的自動識別，將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬空間緊密連接在一起的技術(shù)簡稱“UID”日本推出始于20世紀(jì)80年代中期的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)eTronT-Engine是其中核心的體系架構(gòu)體系架構(gòu)泛在識別碼（uCode）信息系統(tǒng)服務(wù)器泛在通信器uCode解析服務(wù)器uCode128bit340×1036編碼空間可以以128bit為單元進(jìn)一步擴(kuò)展至256bit、384bit或512bit2.4.3UbiquitousID標(biāo)準(zhǔn)體系2005年11月，中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會完成了兩份報(bào)告《我國RFID標(biāo)準(zhǔn)體系框架報(bào)告》《我國RFID標(biāo)準(zhǔn)體系表》2.4.4我國標(biāo)準(zhǔn)體系專題組業(yè)務(wù)領(lǐng)域總體組規(guī)劃總體目標(biāo)和工作計(jì)劃，統(tǒng)籌負(fù)責(zé)RFID標(biāo)準(zhǔn)的制定工作；協(xié)調(diào)推進(jìn)各專題組的各項(xiàng)工作標(biāo)簽與讀寫器組負(fù)責(zé)制定標(biāo)簽與讀寫器物理特性、電特性及實(shí)驗(yàn)方法等標(biāo)準(zhǔn)頻率與通信組負(fù)責(zé)提出我國RFID頻率需求、制定RFID通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的檢測方法數(shù)據(jù)格式組負(fù)責(zé)制定基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、術(shù)語、產(chǎn)品編碼、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等標(biāo)準(zhǔn)信息安全組負(fù)責(zé)制定RFID相關(guān)的信息安全標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用組負(fù)責(zé)制定RFID相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)知識產(chǎn)權(quán)組制定RFID標(biāo)準(zhǔn)知識產(chǎn)權(quán)政策、起草知識產(chǎn)權(quán)法律文件，提供知識產(chǎn)權(quán)咨詢服務(wù)2.5.1智能工業(yè)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬人在制造過程中和

產(chǎn)品使用過程中的智力活動包括:生產(chǎn)過程控制生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測制造供應(yīng)鏈跟蹤產(chǎn)品全生命周期監(jiān)測促進(jìn)安全生產(chǎn)和節(jié)能減排智能生產(chǎn)線

標(biāo)簽可向制造過程和零配件供應(yīng)過程

的自動控制裝置提供數(shù)據(jù)

部件的歷程路徑都可以全程記錄下來

并實(shí)現(xiàn)追溯跟蹤質(zhì)量檢驗(yàn)證明也可以記錄在RFID系統(tǒng)上2.5RFID技術(shù)的應(yīng)用工業(yè)化生產(chǎn)集約高效可持續(xù)發(fā)展高度的技術(shù)規(guī)范高效益的集約化規(guī)模經(jīng)營例如：實(shí)時(shí)采集溫室內(nèi)溫度、土壤溫度、CO2濃度、濕度信號以及光照、葉面濕度、

露點(diǎn)溫度等環(huán)境參數(shù)，對大棚溫濕度進(jìn)行

遠(yuǎn)程控制養(yǎng)殖動物識別每只動物有一個(gè)耳標(biāo)（RFID標(biāo)簽）上的號碼中央管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫里記錄動物全部記錄用于動物的識別和跟蹤用于動物疫情監(jiān)控2.5.2智能農(nóng)業(yè)貨物從供應(yīng)者向需求者的智能移動過程運(yùn)輸倉儲配送包裝裝卸信息獲取加工和處理將RFID標(biāo)簽貼在包裝箱上RFID標(biāo)簽將信息傳遞給閱讀器實(shí)時(shí)跟蹤管理減少了遺漏的發(fā)生大幅提高了工作效率

貼有標(biāo)簽的包裝箱2.5.3智能物流基于現(xiàn)代電子信息技術(shù)面向交通運(yùn)輸?shù)姆?wù)系統(tǒng)RFID技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用交通狀態(tài)感知與交換交通誘導(dǎo)與智能化管控車輛定位與調(diào)度車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測與服務(wù)車路協(xié)同控制開放的綜合智能交通平臺案例：RFID不停車收費(fèi)系統(tǒng)自動繳費(fèi)免現(xiàn)金免找