物聯網技術基礎第2章RFID（射頻識別）技術目錄ContentRFID系統(tǒng)組成RFID系統(tǒng)原理RFID的典型應用RFID基礎知識1234從目前的發(fā)展階段來看，物聯網發(fā)展的瓶頸就在于感知層。RFID（射頻識別）技術是一種非接觸式的自動識別技術。它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便?！啊?.1RFID基礎知識在物聯網中，RFID標簽里存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，可通過有線或無線的方式把它們自動采集到中央信息系統(tǒng)，實現物品（商品）的識別，進而通過開放式的計算機網絡實現信息交換和共享，實現對物品的“透明”管理。RFID即射頻識別（RadioFrequencyIdentification），又稱無線射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術，它利用射頻信號通過空間電磁耦合實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息實現物體識別。讀寫器電子標簽計算機系統(tǒng)圖2-1RFID系統(tǒng)組成示意圖電子標簽讀寫器天線RFID系統(tǒng)電子標簽芯片具有數據存儲區(qū)，用于存儲待識別物品的標識信息；讀寫器是將約定格式的待識別物品的標識信息寫入電子標簽的存儲區(qū)中（寫入功能），或在讀寫器的閱讀范圍內以無接觸的方式將電子標簽內保存的信息讀取出來（讀出功能）；天線用于發(fā)射和接收射頻信號，往往內置在電子標簽和讀寫器中。天線芯片圖2-2電子標簽電子標簽由芯片及天線組成，封閉于小型的介質中，如圖2-2所示。它附著在物體上標識目標對象。每個電子標簽都具有唯一的電子編碼，存儲著被識別物體的相關信息。（1）電子標簽圖2-3各種外觀的讀寫器讀寫器又稱閱讀器、讀頭或讀出設備等，是利用射頻技術讀寫電子標簽信息的設備，如圖2-3所示。（2）讀寫器數據交換與管理由計算機網絡完成，讀寫器可以通過標準接口與計算機網絡連接，計算機網絡完成數據處理、傳輸和通信的功能。（3）計算機系統(tǒng)RFID還具有如下一些特點。（1）數據的讀寫功能。（2）電子標簽的小型化和多樣化。（3）耐環(huán)境性。（4）可重復使用。（5）穿透性。（6）數據的記憶容量大。（7）系統(tǒng)安全性。1．根據標簽的供電形式分類按照獲取電能的方式不同，電子標簽可分為:有源電子標簽半有源電子標簽無源電子標簽123有源電子標簽又稱主動標簽，通過標簽自帶的內部電池進行供電，其電能充足，工作可靠，信號傳送距離遠。有源電子標簽無源電子標簽又稱被動標簽，內部不帶電池，需靠外界提供能量才能正常工作。無源電子標簽半有源電子標簽又稱半被動標簽，可以使用微型紐扣電池給芯片供電，而天線接收、發(fā)射仍然通過讀寫器發(fā)射的電磁波獲取能量，因此本身耗電很少。半有源電子標簽2．根據標簽的工作頻率分類電子標簽的工作頻率決定著射頻識別系統(tǒng)的工作原理（電感耦合還是電磁反向散射耦合）、識別距離、電子標簽及讀寫器實現的難易程度和設備的成本。電子標簽依據頻率的不同可分為:低頻電子標簽超高頻電子標簽中高頻電子標簽微波電子標簽RFID系統(tǒng)主要頻段標準與特性如表2-1所示。表2-1RFID系統(tǒng)主要頻段標準與特性低頻中高頻超高頻微波工作頻率125～134kHz13.56MHz868～915MHz2.45～5.8GHz讀取距離1.2m1.2m4m（美國）15m（美國）速度慢中等快很快潮濕環(huán)境無影響無影響影響較大影響較大方向性無無部分有全球適用頻率是是部分部分現有ISO標準ISO11784/11785；ISO/IEC14223ISO/IEC14443；ISO/IEC18000-3；ISO/IEC15693ISO/IEC18000-6ISO/IEC18000-4；ISO/IEC18000-5低頻電子標簽的工作頻率范圍為30kHz～300kHz。低頻標簽一般為無源電子標簽，其工作能量通過電感耦合方式從讀寫器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標簽與讀寫器之間傳送數據時，低頻電子標簽需位于讀寫器天線輻射的近場區(qū)內。1）低頻電子標簽中高頻電子標簽的工作頻率一般為3MHz～30MHz，典型工作頻率為13.56MHz。從射頻識別應用角度來說，因其工作原理與低頻標簽完全相同，所以宜將其歸為低頻標簽類中。另一方面，根據無線電頻率的一般劃分，其工作頻段又稱為高頻，所以也常將其稱為高頻標簽。2）中高頻電子標簽超高頻和微波電子標簽的工作頻率都大于300MHz，且特點類似，故常將兩者合稱為微波電子標簽。微波電子標簽可分為有源電子標簽與無源電子標簽兩類。3）超高頻和微波電子標簽3．根據標簽的可讀性分類根據使用的存儲器類型，可以將電子標簽分為:只讀（RO）標簽可讀可寫（RW）標簽一次寫入多次讀出（WORM）標簽只讀標簽內部有只讀存儲器（ROM）。ROM中存儲有電子標簽的標識信息。（1）只讀標簽?？勺x可寫標簽內部的存儲器，除了ROM、緩沖存儲器之外，還有非活動可編程記憶存儲器。（2）可讀可寫標簽。一次寫入多次讀出（WORM）的電子標簽既有接觸式改寫的電子標簽存在，也有無接觸式改寫的電子標簽存在。（3）一次寫入多次讀出標簽。4．根據標簽的工作方式分類根據標簽的工作方式，可將RFID分為被動式、主動式和半主動式。一般來講，無源系統(tǒng)為被動式，有源系統(tǒng)為主動式。主動式RFID系統(tǒng)為有源系統(tǒng)，即主動式電子標簽用自身的射頻能量主動地發(fā)送數據給讀寫器，在有障礙物的情況下，只需穿透障礙物一次。（1）主動式電子標簽。被動式電子標簽必須利用讀寫器的載波來調制自身的信號，標簽產生電能的裝置是天線和線圈。（2）被動式電子標簽。在半主動式RFID系統(tǒng)里，電子標簽本身帶有電池，但是電子標簽并不通過自身能量主動發(fā)送數據給讀寫器，電池只負責對電子標簽內部電路供電。（3）半主動式電子標簽。綜上可知，RFID標簽的種類及特點如表2-2所示。表2-2RFID標簽的種類及特點分類方式種類說明供電方式無源卡卡內無電池，利用波束供電技術將收到的射頻能量轉化為直流電源為卡內電路供電，作用距離短，壽命長，對工作環(huán)境要求不高有源卡卡內有電池提供電源，作用距離較遠，但壽命有限，體積較大，成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作載波頻率和作用距離的區(qū)別低頻射頻卡主要有125kHz和134.2kHz兩種，常用于短距離、低成本的應用中，如門禁、貨物跟蹤等高頻射頻卡13.56MHz，用于門禁控制和需傳送大量數據的應用系統(tǒng)超高頻射頻卡主要為433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz等，應用于需要較長讀寫距離和高讀寫速度的場合，如火車監(jiān)控、高速公路收費，以及供應鏈管理調制方式主動式主動式射頻卡用自身的射頻能量主動地發(fā)送數據給讀寫器被動式被動式射頻卡使用調制散射方式發(fā)送數據，它必須利用讀寫器的載波來調制自己的信號在20世紀60年代出現了一系列的RFID技術論文及專利文獻。

20世紀80年代是充分使用RFID技術的十年。

1948年，拉開了RFID技術的研究序幕。

20世紀70年代，RFID技術成為人們研究的熱門課題。

RFID技術起源于第二次世界大戰(zhàn)時期。

本世紀初，RFID已經開始在中國進行試探性的應用。

21世紀初，RFID迎來了一個嶄新的發(fā)展時期。

20世紀90年代是RFID發(fā)展史上最為重要的十年。

目前，我國的RFID產業(yè)鏈已經逐步形成，產業(yè)鏈中包括如下7個主要環(huán)節(jié)：1234567RFID標準制定；RFID芯片制造和設計；封裝技術；天線設計和制造；標簽材料的后續(xù)加工；系統(tǒng)和數據管理軟件平臺的構建；RFID應用系統(tǒng)的開發(fā)。2.2RFID系統(tǒng)組成典型的RFID系統(tǒng)的核心是射頻識別技術，主要結構包括電子標簽、讀寫器和天線等。而作為一個完整的RFID系統(tǒng)，在包括上述組件之外，還需要有與之配套的應用軟件和計算機網絡系統(tǒng)，才能實現完整的自動識別系統(tǒng)功能。RFID的工作過程是：當標簽進入磁場后，通過天線接收讀寫器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流的能量將儲存在芯片中的產品信息發(fā)送出去，或是以自身能量源主動發(fā)送某頻率的信號；讀寫器接收標簽信息并譯碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行相關處理。從RFID的工作過程可以看出，最簡單的RFID系統(tǒng)是由電子標簽、讀寫器和天線三部分組成，完整RFID系統(tǒng)還應包括主機。從RFID系統(tǒng)的工作原理來看，系統(tǒng)一般都是由信號發(fā)射機信號接收機發(fā)射接收天線等幾部分組成。RFID系統(tǒng)的組成如圖2-8所示，下面分別加以說明。圖2-8RFID系統(tǒng)結構圖1．信號發(fā)射機信號發(fā)射機典型的形式是電子標簽，也即射頻卡。標簽相當于條碼技術中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸的信息。2．信號接收機在RFID系統(tǒng)中，信號接收機一般叫做讀寫器或閱讀器。讀寫器的基本功能就是提供與標簽進行數據傳輸的途徑。另外，讀寫器還提供相當復雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤校驗與更正功能等。3．編程器只有可讀可寫標簽系統(tǒng)才需要編程器。編程器是向標簽寫入數據的裝置。編程器寫入數據一般來說是離線完成的，也就是預先在標簽中寫入數據，等到開始應用時直接把標簽黏附在被標識項目上。4．天線天線是標簽與讀寫器之間傳輸數據的發(fā)射、接收裝置。RFID主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型三種基本形式的天線。若從功能實現考慮，可將RFID系統(tǒng)分成邊沿系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，如圖2-9所示。邊沿系統(tǒng)主要是完成信息感知，屬于硬件組件部分；軟件系統(tǒng)完成信息的處理和應用；通信設施負責整個RFID系統(tǒng)的信息傳遞。圖2-9RFID系統(tǒng)（從功能實現角度看）RFID系統(tǒng)中的軟件組件主要完成數據信息的存儲、管理及對RFID標簽的讀寫控制，是獨立于RFID硬件之上的部分。RFID系統(tǒng)是為應用服務的，讀寫器與應用系統(tǒng)之間的接口通常由軟件組件來完成。一般RFID軟件組件包含有以下幾部分（見圖2-9）。應用軟件邊沿接口系統(tǒng)中間件企業(yè)應用接口RFID軟件組件下面分別進行介紹。邊沿接口系統(tǒng)主要完成RFID系統(tǒng)硬件與軟件之間的連接，通過使用控制器實現同RFID硬軟件之間的通信。1．邊沿接口系統(tǒng)邊沿接口系統(tǒng)的主要任務是從讀寫器中讀取數據和控制讀寫器的行為，激勵外部傳感器、執(zhí)行器工作。此外，邊沿接口系統(tǒng)還具有以下功能：①從不同讀寫器中過濾重復數據；③提供智能功能，選擇發(fā)送到軟件系統(tǒng)；②設置基于事件方式觸發(fā)的外部執(zhí)行機構；④遠程管理功能。RFID中間件是介于讀寫器和后端軟件之間的一組獨立軟件，它能夠與多個RFID讀寫器和多個后端軟件應用系統(tǒng)連接。2．RFID中間件使用RFID中間件有3個主要目的：隔離應用層和設備接口；1處理讀寫器和傳感器捕獲的原始數據，使應用層看到的都是有意義的高層事件，大大減少所需處理的信息；2提供應用層接口用于管理讀寫器和查詢RFID觀測數據，目前大多數可用的RFID中間件都有這些特性。3企業(yè)應用接口是RFID前端操作軟件，主要是提供給RFID設備操作人員使用的。前端軟件最重要的功能是保障電子標簽和讀寫器之間的正常通信。3．企業(yè)應用接口前端軟件完成的基本功能主要包括以下4點。01讀/寫功能03安全功能04檢/糾錯功能02防碰撞功能RFID系統(tǒng)所采集的信息最終要向后端應用軟件傳送，應用軟件系統(tǒng)需要具備相應的處理RFID數據的功能。4．應用軟件應用軟件也是系統(tǒng)的數據中心，它負責與讀寫器通信，將讀寫器經過中間件轉換之后的數據，插入到后臺企業(yè)倉儲管理系統(tǒng)的數據庫中，對電子標簽管理信息、發(fā)行電子標簽和采集的電子標簽信息集中進行存儲和處理。

一般說來，后端應用軟件系統(tǒng)需要完成以下功能。（1）RFID系統(tǒng)管理。（3）數據分析和存儲。（2）電子標簽管理。RFID中間件技術將企業(yè)級中間件技術延伸到RFID領域，是RFID產業(yè)鏈的關鍵共性技術。它是RFID讀寫器和應用系統(tǒng)之間的中介。RFID中間件（即RFIDEdgeServer）負責實現與RFID硬件及配套設備的信息交互與管理，同時作為一個軟硬件集成的橋梁，完成與上層復雜應用的信息交換。1．RFID中間件的組成中間件應由讀寫器適配器、事件管理器和應用程序接口3個組件組成。（1）讀寫器適配器。讀寫器適配器的作用是提供讀寫器接口。（2）事件管理器。事件管理器的作用是過濾事件。（3）應用程序接口。應用程序接口的作用是提供一個基于標準的服務接口。具體說來，RFID中間件的功能主要集中在以下4個方面。2．RFID中間件的主要功能01數據實時采集03數據共享04安全服務02數據處理從理論上講，中間件的工作機制為：3．中間件的工作機制及特點在客戶端上的應用程序需要從網絡中的某個地方獲取一定的數據或服務，這些數據或服務可能處于一個運行著不同操作系統(tǒng)的特定查詢語言數據庫的服務器中?？蛻?服務器應用程序中負責尋找數據的部分只需訪問一個中間件系統(tǒng)，由中間件完成到網絡中尋址數據源或服務，進而傳輸客戶請求、重組答復信息，最后將結果送回應用程序的任務。作為一個中間件應具備：1標準的協(xié)議和接口，具備通用性、易用性；2分布式計算，提供網絡、硬件、操作系統(tǒng)透明性；3滿足大量應用需要；4能運行于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺。其中，具有標準的協(xié)議和接口更為重要，因為由此可實現不同硬件、操作系統(tǒng)平臺上的數據共享、應用互操作。4．RFID中間件體系結構1RFID中間件技術包括并發(fā)訪問技術、目錄服務及定位技術、數據及設備監(jiān)控技術、遠程數據訪問技術、安全和集成技術、進程及會話管理技術等。但任何RFID中間件應能夠提供數據讀出和寫入、數據過濾和聚合、數據的分發(fā)、數據的安全等服務。根據RFID應用需求，中間件必須具備通用性、易用性、模塊化等特點。如圖2-10所示，將中間件系統(tǒng)按照數據流程劃分為設備管理系統(tǒng)（包括數據采集及預處理）、事件處理和數據服務接口模塊。圖2-10分布式RFID中間件分層結構示意圖一是為網絡上的讀寫器進行適配，并按照上層的配置建立實時的UDP連接并做好接收標簽數據的準備；

01設備管理系統(tǒng)設備管理系統(tǒng)實現的主要功能有：二是對接收到的數據進行預處理。

02事件處理設備管理系統(tǒng)產生事件，并將事件傳遞到事件處理系統(tǒng)中，由事件處理系統(tǒng)進行處理，然后通過數據服務接口把數據傳遞到相關的應用系統(tǒng)。設計出的事件處理系統(tǒng)應具有如下功能：①數據緩存功能；②基于內容的路由功能；③數據分類存儲功能。來自事件處理系統(tǒng)的數據一般以臨時XML文件的形式和磁盤文件方式保存，供數據服務接口使用。03數據服務接口來自事件處理系統(tǒng)的數據最終是分類的XML文件。同一類型的數據以XML文件的形式保存，并提供給相應的一個或多個應用程序使用。而數據服務接口主要是對這些數據進行過濾、入庫操作，并提供訪問相應數據庫的服務接口。具體操作如下。（1）將存放在磁盤上的XML文件進行批量入庫操作。（2）在數據移植前將重復的數據過濾掉。（3）為企業(yè)內部和企業(yè)外部訪問數據庫提供WebServices接口。2.3RFID系統(tǒng)原理RFID系統(tǒng)結構多有不同，但是其基本工作原理都很相似，即：由讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號，當電子標簽進入有效工作區(qū)域時產生感應電流，從而獲得能量被激活，使得電子標簽將自身編碼信息通過內置天線發(fā)射出去；讀寫器的接收天線接收到從標簽發(fā)送來的調制信號，經天線的調制器傳送到讀寫器信號處理模塊，經解調和解碼后將有效信息送到后臺主機系統(tǒng)進行相關處理；主機系統(tǒng)根據邏輯運算識別該標簽的身份，針對不同的設定做出相應的處理和控制，最終發(fā)出信號控制讀寫器完成不同的讀寫操作。從電子標簽到讀寫器之間的通信和能量感應方式來看，RFID系統(tǒng)主要有：電感耦合（磁耦合）1電感耦合方式一般適合于中、低頻率工作的近距離RFID系統(tǒng)；電磁反向散射耦合（電磁場耦合）2電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作頻率的遠距離RFID系統(tǒng)。電感耦合方式和電磁反向散射耦合方式的基本原理，如圖2-11所示。（a）電感耦合方式

（b）電磁反向散射耦合方式圖2-11電感耦合和電磁反向散射耦合原理圖電感耦合RFID系統(tǒng)的電路結構如圖2-12所示。電感耦合的射頻載波頻率為13.56MHz和小于135kHz的頻段，識別作用距離小于1m，典型作用距離為10～20cm。圖2-12電感耦合方式的電路結構電磁耦合方式的應答器幾乎都是無源的，能量（電源）從讀寫器獲得。由于讀寫器產生的磁場強度受到電磁兼容性能有關標準的嚴格限制，因此系統(tǒng)的工作距離較近。1．應答器（電子標簽）的能量供給2．數據傳輸應答器向讀寫器的數據傳輸采用負載調制方法。應答器二進制數據編碼信號控制開關器件，使其電阻發(fā)生變化，從而使應答器線圈上的負載電阻按二進制編碼信號的變化而改變。該電壓的變化通過濾波放大和調制解調電路，恢復應答器的二進制編碼信號，這樣，讀寫器就獲得了應答器發(fā)出的二進制數據信息。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz，識別作用距離大于1m，典型作用距離為3～10m。當電磁波遇到空間目標時，其能量的一部分被目標吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。在散射的能量中，一小部分反射回發(fā)射天線，并被天線接收，對接收信號進行放大和處理，即可獲得目標的有關信息。1．反向散射一個目標反射電磁波的頻率由反射橫截面來確定。反射橫截面的大小與一系列的參數有關。由于目標的反射性能通常隨頻率的升高而增強，所以RFID反向散射耦合方式采用特高頻和超高頻，應答器和讀寫器的距離大于1m。2．RFID反向散射耦合方式RFID反向散射耦合方式的原理框圖如圖2-13所示，讀寫器、應答器和天線構成一個收發(fā)通信系統(tǒng)。圖2-13RFID反向散射耦合方式原理圖01應答器的能量供給無源應答器的能量由讀寫器提供，在有些應用中，應答器采用完全無源方式會有一定困難。為解決應答器的供電問題，可在應答器上安裝附加電池。為防止電池不必要的消耗，應答器平時處于低功耗模式，當應答器進入讀寫器的作用范圍時，應答器由獲得的射頻功率激活，進入工作狀態(tài)。02應答器至讀寫器的數據傳輸由讀寫器傳到應答器的功率的一部分被天線反射，反射功率P2經自由空間后返回讀寫器，被讀寫器天線接收。接收信號經收發(fā)耦合器電路傳輸到讀寫器的接收通道，被放大后經處理電路獲得有用信息。03讀寫器至應答器的數據傳輸讀寫器至應答器的命令及數據傳輸，應根據RFID的有