物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)[董健]第六章

1、第六章 RFID本章內(nèi)容本章內(nèi)容lRFIDRFID基礎(chǔ)基礎(chǔ)lRFIDRFID的基本原理的基本原理lRFIDRFID的關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)lRFIDRFID技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用射頻概念射頻概念u射頻是一種高頻交流變化電磁波，通常所指的頻率范圍為100kHz30GHz。u我們把具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻；將電信號（模擬或數(shù)字的）用高頻電流進行調(diào)制（調(diào)幅或調(diào)頻），形成射頻信號，經(jīng)過天線發(fā)射到空中；遠(yuǎn)距離將射頻信號接收后進行解調(diào)，還原成電信息源，這一過程稱為無線傳輸。頻譜劃分頻譜劃分ISMISM頻段頻段u主要是開放給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用3個主要機構(gòu)使用的頻段。由于它們的功率有時很大，為了防止它們

2、對其他通信的干擾，劃出一定的頻率給它們使用。ISM頻段屬于無許可（Free License）頻段，使用者無須許可證，沒有所謂使用授權(quán)的限制。uISM頻段的主要頻率范圍有：頻率6.78MHz，頻率13.56MHz，頻率27.125MHz，頻率40.680MHz，頻率433.920MHz，頻率869.0MHz，頻率915.0MHz，頻率2.45GHz，頻率5.8GHz，頻率24.125GHz等。自動識別技術(shù)自動識別技術(shù)u自動識別技術(shù)是應(yīng)用一定的識別裝置，通過被識別物品和識別裝置之間的接近活動，自動地獲取被識別物品的相關(guān)信息，并提供給后臺的計算機處理系統(tǒng)來完成相關(guān)后續(xù)處理的一種技術(shù)。u完整的自動識別

3、計算機管理系統(tǒng)包括自動識別系統(tǒng)，應(yīng)用程序接口或者中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件。自動識別技術(shù)的種類與特征比較自動識別技術(shù)的種類與特征比較u自動識別系統(tǒng)根據(jù)識別對象的特征可以分為兩大類：數(shù)據(jù)采集技術(shù)和特征提取技術(shù)。u這兩大類自動識別技術(shù)的基本功能都是完成物品的自動識別和數(shù)據(jù)的自動采集。自動識別技術(shù)的種類與特征比較自動識別技術(shù)的種類與特征比較u數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括 利用光學(xué)原理的存儲器：條碼（一維、二維）、矩陣碼、光標(biāo)讀寫器、光學(xué)字符識別； 磁存儲器：磁條、非接觸磁卡、磁光存儲、微波； 電存儲器：觸摸式存儲、RFID射頻識別、存儲卡（智能卡、非接觸式智能卡）、視覺識別、能量擾動識別。 特征提取技術(shù)包括 動態(tài)特征

4、：聲音（語音）、鍵盤敲擊、其他感覺特征； 屬性特征：化學(xué)感覺特征、物理感覺特征、生物抗體病毒特征、聯(lián)合感覺系統(tǒng)。常見的自動識別技術(shù)及特征比較常見的自動識別技術(shù)及特征比較u條碼技術(shù)：條形碼是由寬度不同、反射率不同的條和空，按照一定的編碼規(guī)則（碼制）編制成的，用以表達(dá)一組數(shù)字或字母符號信息的圖形標(biāo)識符，即條形碼是一組粗細(xì)不同，按照一定的規(guī)則安排間距的平行線條圖形。u卡識別技術(shù)： 磁條（卡）技術(shù) IC卡識別技術(shù)u射頻識別技術(shù)：它是利用無線射頻技術(shù)對物體對象進行非接觸式和即時自動識別的無線通信信息系統(tǒng)。幾種常用的條碼 一種常見的磁卡RFID系統(tǒng)幾種IC卡示例本章內(nèi)容本章內(nèi)容lRFIDRFID基礎(chǔ)基礎(chǔ)l

5、RFIDRFID的基本原理的基本原理lRFIDRFID的關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)lRFIDRFID技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用RFIDRFID的工作原理的工作原理u射頻識別系統(tǒng)的工作原理是利用射頻標(biāo)簽與射頻讀寫器之間的射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現(xiàn)對靜止的、移動的待識別物品的自動識別。u電感耦合低頻和高頻RFID的工作波長較長，采用電感耦合識別方式，電子標(biāo)簽處于讀寫器天線的近區(qū)，電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過感應(yīng)而不是通過輻射獲得信號和能量u電磁耦合微波波段RFID的工作波長較短，電子標(biāo)簽基本都處于讀寫器天線的遠(yuǎn)區(qū)，電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過輻射獲得信號和能量RFIDRFID電感耦合方式電感耦合方式讀寫器線圈

6、和電子標(biāo)簽線圈的電感耦合u讀寫器和電子標(biāo)簽的天線是線圈，讀寫器的線圈在它周圍產(chǎn)生磁場，當(dāng)電子標(biāo)簽通過時，電子標(biāo)簽線圈上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，整流后可為電子標(biāo)簽上的微型芯片供電，使電子標(biāo)簽開始工作。u電感耦合方式的RFID系統(tǒng)，一般采用低頻和高頻頻率，典型的頻率為125kHz、135kHz、6.78MHz、13.56MHz和27.125MHz。RFIDRFID電磁反向散射方式電磁反向散射方式讀寫器天線和電子標(biāo)簽天線的電磁輻射u電磁反向散射的RFID系統(tǒng)，采用雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時攜帶回目標(biāo)的信息。u該方式一般適合于微波頻段，典型的工作頻率有433MHz、800/900MHz

7、、2.45GHz和5.8GHz，屬于遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)。RFIDRFID的系統(tǒng)組成的系統(tǒng)組成u最基本的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽、讀寫器、天線三部分組成。 標(biāo)簽：由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象；每個標(biāo)簽都有一個全球唯一的ID號UID，UID是在制作芯片時放在ROM中的，無法修改。 讀寫器：讀?。ㄓ袝r還可以寫入）標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。 天線：在標(biāo)簽和讀寫器間傳遞射頻信號。RFIDRFID標(biāo)簽標(biāo)簽(Tags)(Tags)u按是否帶有電池供電，分為主動標(biāo)簽（Active tags）和被動標(biāo)簽（Passive tags）兩種u主動標(biāo)簽：自身帶有電池

8、供電，與被動標(biāo)簽相比成本更高，也稱為有源標(biāo)簽，一般具有較遠(yuǎn)的閱讀距離，不足之處是電池不能長久使用，能量耗盡后需更換電池。u被動標(biāo)簽：接收到讀寫器（讀出裝置）發(fā)出的微波信號后，將部分微波能量轉(zhuǎn)化為直流電供自己工作，一般可做到免維護，成本很低并具有很長的使用壽命，比主動標(biāo)簽更小也更輕，讀寫距離則較近，也稱為無源標(biāo)簽。相比有源標(biāo)簽，無源標(biāo)簽在閱讀距離及適應(yīng)物體運動速度方面略有限制。RFIDRFID標(biāo)簽標(biāo)簽(Tags)(Tags)u按存儲的信息是否被改寫，分為只讀式標(biāo)簽（Read Only）和可讀寫標(biāo)簽（Read and Write）u只讀式標(biāo)簽：標(biāo)簽內(nèi)信息在集成電路生產(chǎn)時即將信息寫入，以后不能修改，

9、只能被專門設(shè)備讀取。u被動標(biāo)簽：標(biāo)簽將保存的信息寫入其內(nèi)部的存儲區(qū)，需要改寫時也可以采用專門的編程或?qū)懭朐O(shè)備擦寫。 RFIDRFID閱讀器閱讀器(Reader)(Reader)u被動RFID標(biāo)簽無須電池，由RFID讀寫器產(chǎn)生的磁場獲得工作所需的能量，但是讀取距離較近。u過去，RFID主動標(biāo)簽體積大、功耗大、壽命短，而采用最新技術(shù)制造的主動RFID標(biāo)簽不僅讀取距離遠(yuǎn)，而且具有被動標(biāo)簽壽命長、性能可靠的優(yōu)點。一種RFID讀寫器RFIDRFID天線及工作頻率天線及工作頻率u在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波，或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。

10、uRFID天線負(fù)責(zé)在標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號RFID 天線RFIDRFID天線及工作頻率天線及工作頻率u低頻系統(tǒng)一般指其工作頻率小于30MHz，典型的工作頻率有125kHz、225kHz、13.56MHz等u電子標(biāo)簽的成本較低、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較少、閱讀距離較短、電子標(biāo)簽外形多樣（卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀）、閱讀天線方向性不強等。u高頻系統(tǒng)一般指其工作頻率大于400MHz，典型的工作頻段有915MHz、2.45GHz、5.8GHz等。u電子標(biāo)簽及讀寫器成本均較高、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)（可達(dá)幾米至十幾米），適應(yīng)物體高速運動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及電子標(biāo)簽天線均有較

11、強的方向性。表6.3 RFID系統(tǒng)的工作頻率和特點RFIDRFID的技術(shù)特點的技術(shù)特點 u讀取方便快捷 數(shù)據(jù)的讀取無須光源，甚至可以透過外包裝來進行。有效識別距離更大，采用自帶電池的主動標(biāo)簽時，有效識別距離可達(dá)到30m以上。u識別速度快 標(biāo)簽一進入磁場，解讀器就可以即時讀取其中的信息，而且能夠同時處理多個標(biāo)簽，實現(xiàn)批量識別。u數(shù)據(jù)容量大 數(shù)據(jù)容量最大的二維條形碼（PDF417），最多也只能儲存2725個數(shù)字；若包含字母，存儲量則會更少；RFID標(biāo)簽則可以根據(jù)用戶的需要擴充到數(shù)十K。RFIDRFID的技術(shù)特點的技術(shù)特點 u使用壽命長，應(yīng)用范圍廣無線電通信方式，使其可以應(yīng)用于粉塵、油污等高污染環(huán)境

12、和放射性環(huán)境，而且其封閉式包裝使得其壽命大大超過印刷的條形碼。u標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改 利用編程器可以向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)，從而賦予RFID標(biāo)簽交互式便攜數(shù)據(jù)文件的功能，而且寫入時間相比打印條形碼更少。RFIDRFID的技術(shù)特點的技術(shù)特點 u更好的安全性不僅可以嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品上，而且可以為標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫設(shè)置密碼保護，從而具有更高的安全性。u動態(tài)實時通信標(biāo)簽以50100次/秒的頻率與解讀器進行通信，所以只要RFID標(biāo)簽所附著的物體出現(xiàn)在解讀器的有效識別范圍內(nèi)，就可以對其位置進行動態(tài)追蹤和監(jiān)控。RFIDRFID的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) uRFID 的標(biāo)準(zhǔn)化涉及標(biāo)識編碼規(guī)范、操作協(xié)議及應(yīng)用系統(tǒng)接

13、口規(guī)范等多個部分。RFID空中接口不同標(biāo)準(zhǔn)的無線頻率范圍和推出時間1 1ISO/IECISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)化狀況標(biāo)準(zhǔn)化狀況 ISO定義的RFID標(biāo)準(zhǔn)邏輯框架2 2EPCglobalEPCglobal標(biāo)準(zhǔn)體系標(biāo)準(zhǔn)體系EPC定義的RFID標(biāo)準(zhǔn)總體結(jié)構(gòu)3 3Ubiquitous IDUbiquitous ID體系體系uUID的核心是賦予現(xiàn)實世界中任何物理對象唯一的泛在識別號（Ucode）。它具備了128位（128 bit）的充裕容量，提供了3401036編碼空間，更可以用128位為單元進一步擴展至256、384或512位。uUcode的最大優(yōu)勢是能包容現(xiàn)有編碼體系的元編碼設(shè)計，可以兼容多種編碼，包括J

14、AN、UPC、ISBN、IPv6地址，甚至電話號碼。uUcode標(biāo)簽具有多種形式，包括條碼、射頻標(biāo)簽、智能卡、有源芯片等。泛在識別中心把標(biāo)簽進行分類，并設(shè)立多個不同的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。4 4RFIDRFID中國標(biāo)準(zhǔn)化情況中國標(biāo)準(zhǔn)化情況u在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，依據(jù)ISO/IEC15693系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成國家標(biāo)準(zhǔn)的起草工作，參照ISO/IEC 18000系列標(biāo)準(zhǔn)制訂國家標(biāo)準(zhǔn)的工作正在進行中。此外，中國RFID標(biāo)準(zhǔn)體系框架的研究工作也已基本完成u根據(jù)信產(chǎn)部800/900 MHz頻段射頻識別（RFID）技術(shù)應(yīng)用規(guī)定（試行）的規(guī)定，中國800/900 MHz RFID技術(shù)的試用頻率為840845 MHz和920925

15、 MHz，發(fā)射功率為2 W。本章內(nèi)容本章內(nèi)容lRFIDRFID基礎(chǔ)基礎(chǔ)lRFIDRFID的基本原理的基本原理lRFIDRFID的關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)lRFIDRFID技術(shù)的應(yīng)用技術(shù)的應(yīng)用RFIDRFID的天線的天線u對不同RFID系統(tǒng)的天線選擇和設(shè)計，直接影響讀寫距離、功率等系統(tǒng)性能指標(biāo)。u天線性能受天線結(jié)構(gòu)、所標(biāo)識物體的形狀及物理特性、天線周圍物體和環(huán)境等因素的影響。u目前RFID天線的研究重點放在阻抗匹配、降低損耗、減小體積、增加增益和輻射效率等方面，以及天線在不同使用環(huán)境下的有效作用距離、讀寫速率、誤讀率和相關(guān)軟件的研究。u未來的RFID天線將朝著成本低、速率高、印刷集成化、環(huán)境適應(yīng)性強、

16、誤讀率小和保密性好的方面發(fā)展。RFIDRFID的天線的天線防金屬技術(shù)防金屬技術(shù)u若電子標(biāo)簽使用于金屬表面，為使標(biāo)簽正常工作，通常采用的辦法是將標(biāo)簽安裝在距金屬表面一定高度（如1cm以上）的位置上，而這樣會帶來標(biāo)簽成本增加和使用受限的問題。u可采取增加電子標(biāo)簽基板金屬涂層的面積，在標(biāo)簽基板中引入電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)等方法，以降低金屬使用環(huán)境的影響RFIDRFID的天線的天線小型化技術(shù)小型化技術(shù)u由于電子標(biāo)簽尺寸的限制，射頻天線的小型化成為決定電子標(biāo)簽性能的重要因素。長期以來，標(biāo)簽天線小型化一直是RFID技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點之一。u研究者提出了分形天線、V形偶極子、彎折偶極子、環(huán)天線、PIFA

17、天線等天線新技術(shù)。RFIDRFID的天線的天線低成本技術(shù)低成本技術(shù)u構(gòu)造低成本電子標(biāo)簽的關(guān)鍵在于降低天線的成本。隨著信息技術(shù)的進一步發(fā)展，標(biāo)簽天線的成本有望大幅降低。 u有研究者提出了在可降解的紙基材料上電鍍標(biāo)簽天線的方案，分別設(shè)計了分形天線和小環(huán)天線，取得了良好的效果。紙基材料的應(yīng)用不僅可以降低天線制造成本，而且紙基材料可回收，減少環(huán)境污染。RFIDRFID的天線的天線一體集成化一體集成化u對電子標(biāo)簽而言，采用與芯片相對獨立的天線，其優(yōu)點是天線品質(zhì)因素Q值較高，易于制造，缺點則是體積較大，使用受限。u若能將天線集成在標(biāo)簽芯片上，則會使整個標(biāo)簽體積更小、使用更方便。因此，將標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片集

18、成在一起，成為標(biāo)簽天線技術(shù)的主要趨勢之一。業(yè)界也將此技術(shù)稱為片上天線技術(shù)。 防碰撞技術(shù)防碰撞技術(shù)u鑒于多個RFID標(biāo)簽工作在同一頻率，當(dāng)它們處于同一個閱讀器的作用范圍內(nèi)時，在沒有防碰撞機制的情況下，信息傳輸過程將產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致信息讀取失敗。同時多個閱讀器之間工作范圍重疊也將造成碰撞。u為了防止這些碰撞的產(chǎn)生，RFID系統(tǒng)中需要設(shè)置一定的相關(guān)命令，解決碰撞問題，這些命令被稱為“防碰撞命令或算法”（anti-collision algorithms）。uRFID系統(tǒng)中防碰撞實現(xiàn)方法u頻分多路（FDMA）u空分多路（SDMA）u時分多路（TDMA）u碼分多路（CDMA）防碰撞技術(shù)防碰撞技術(shù)頻分多路頻

19、分多路u FDMA是把若干個使用不同載波頻率的傳輸通路同時供給通信用戶使用的技術(shù)。 uFDMA的缺點是讀寫器昂貴，因為在每個接收通路上都必須有自己單獨的接收器。FDMA射頻識別舉例防碰撞技術(shù)防碰撞技術(shù)空分多路空分多路u一種方法是使單個閱讀器的距離明顯減小，而把大量的讀寫器和天線覆蓋面積并排安置在一個陣列中，當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過這個陣列時與之最近的讀寫器就與之交換信息。u第二種方法是在讀寫器上利用一個自適應(yīng)控制的天線，直接對準(zhǔn)某個電子標(biāo)簽。不同的電子標(biāo)簽可以根據(jù)其在讀寫器作用范圍內(nèi)的角度位置區(qū)分開來。uSDMA技術(shù)的缺點是天線比較復(fù)雜，不易于實現(xiàn)，并且造價較高。防碰撞技術(shù)防碰撞技術(shù)時分多路時分多路uT

20、DMA法是把整個可供使用的通道容量按時間分配給多個用戶的技術(shù)。u對于RFID系統(tǒng)，TDMA成為防碰撞算法的最大的一族。相比其他種類的防碰撞算法，TDMA在通信形式、功耗、系統(tǒng)復(fù)雜性及成本等多個方面有著優(yōu)勢，因此，它是實際應(yīng)用當(dāng)中最為普遍的方式。u讀寫器控制防碰撞法u標(biāo)簽控制防碰撞法 安全與隱私問題安全與隱私問題uRFID 研究領(lǐng)域，安全是指下面的一個或者多個元素u機密性，即消息內(nèi)容的安全u完整性u發(fā)送方和接收方的身份認(rèn)證u消息的有效性和可用性u對于RFID 技術(shù)而言，隱私威脅的主要問題是所有物品被唯一標(biāo)識，就可以將物品與物品持有者聯(lián)系起來。u跟蹤定位u私人信息的泄露u推斷個人行為或習(xí)慣 安全與

21、隱私問題安全與隱私問題RFID面臨的攻擊類型分類 安全與隱私問題安全與隱私問題uRFID安全與隱私保護的需求特點 從RF子系統(tǒng)的構(gòu)成標(biāo)簽和讀寫器以及它們之間的通信安全考慮，安全協(xié)議應(yīng)滿足以下需求： (1)消息內(nèi)容的保密性 (2)位置隱私的安全性 (3)不可推理規(guī)則 (4)前向安全性 (5)抗欺騙性 (6)抵抗拒絕服務(wù)攻擊 (7)系統(tǒng)的工作性能 安全與隱私問題安全與隱私問題u解決方法1）物理保護機制）物理保護機制 Kill命令機制 靜電屏蔽機制 主動干擾 Blocker Tag機制2）RFID安全協(xié)議安全協(xié)議3）物理保護與安全協(xié)議相結(jié)合）物理保護與安全協(xié)議相結(jié)合本章內(nèi)容本章內(nèi)容lRFIDRFID基礎(chǔ)基礎(chǔ)lRFID