第2章_自動識別技術(shù)與RFID

1、物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論Introduction to Internet of Things第2章 自動識別技術(shù)與RFID2We had dreams of this being bigger than bar codes.- Mikel Choperena, Inventor of RFID 第1章介紹了物聯(lián)網(wǎng)的基本概念，核心技術(shù)，主要特點和應(yīng)用前景。把物聯(lián)網(wǎng)分為感知識別層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、管理服務(wù)層和綜合應(yīng)用層四層。3 2.1 自動識別技術(shù) 2.2 RFID的歷史和現(xiàn)狀 2.3 RFID技術(shù)分析 2.4 RFID和物聯(lián)網(wǎng)4 光學(xué)字符識別（Optical Character Recognition，OCR），

2、是模式識別（Pattern Recognition，PR）的一種技術(shù)，目的是要使計算機知道它到底看到了什么，尤其是文字資料。OCR技術(shù)能使設(shè)備通過光學(xué)機制識別字符。 語音識別研究如何采用數(shù)字信號處理技術(shù)自動提取及決定語言信號中最基本有意義的信息，同時也包括利用音律特征等個人特征識別說話人。56構(gòu)詞規(guī)則同音字判決語法語義背景知識預(yù)處理聲學(xué)參數(shù)分析測度估計失真測度語音庫判決專家知識庫訓(xùn)練識別結(jié)果反混疊失真濾波器預(yù)加重器端點檢測噪聲濾波器歐氏距離似然比測度語音信號輸入 虹膜識別是當(dāng)前應(yīng)用最方便精確的生物識別技術(shù)，虹膜的高度獨特性和穩(wěn)定性是其用于身份鑒別的基礎(chǔ)。 虹膜識別的特點： 生物活性: 虹膜處在

3、鞏膜的保護下，生物活性強。 非接觸性: 從無需用戶接觸設(shè)備，對人身沒有侵犯。 唯一性: 形態(tài)完全相同虹膜的可能性低于其他組織。 穩(wěn)定性: 虹膜定型后終身不變，一般疾病不會對虹膜組織造成損傷。 防偽性: 不可能在對視覺無嚴(yán)重影響的情況下用外科手術(shù)改變虹膜特征。7 從實用角度看，指紋識別是優(yōu)于其他生物識別技術(shù)的身份鑒別方法。因為指紋具有各不相同、終生基本不變的特點，且目前的指紋識別系統(tǒng)已達到操作方便、準(zhǔn)確可靠、價格適中的階段，正逐步應(yīng)用于民用市場。 指紋識別的處理流程： 通過特殊的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和計算機圖像處理技術(shù)，對活體指紋進行采集、分析和比對，可以迅速、準(zhǔn)確地鑒別出個人身份。系統(tǒng)一般主要包括對指

4、紋圖像采集、指紋圖像處理、特征提取、特征值的比對與匹配等過程。89紋型：三種基本紋型包括：環(huán)型、弓型和螺旋型紋數(shù)：模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。模式區(qū)：指紋上包含總體特征的區(qū)域，即從模式區(qū)就能夠分辨出指紋是屬于那一種類型的三角點：位于從核心點開始的第一個分叉點或斷點、或者兩條紋路會聚處、孤立點、轉(zhuǎn)折點、或者指向這些奇異點。 終結(jié)點（Ending） 一條紋路在此終結(jié)。 分叉點（Bifurcation） 一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路。 分歧點（Ridge Divergence） 兩條平行紋路在此分開。 孤立點（Dot or Island） 一條特別短的紋路，以至成為一點。 環(huán)點（Enclosur

5、e） 一條紋路分開成兩條后，立即又合并稱為一條。 短紋（Short Ridge） 一端較短但不至于成為一點的紋路。10 IC卡（Integrated Circuit Card），即“集成電路卡”在日常生活中已隨處可見。實際上是一種數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，如有必要還可附加計算能力。11 一個標(biāo)準(zhǔn)的IC卡應(yīng)用系統(tǒng)通常包括：IC卡、IC卡接口設(shè)備（IC卡讀寫器）、PC，較大的系統(tǒng)還包括通信網(wǎng)絡(luò)和主計算機等，如圖所示。12 IC卡：由持卡人掌管，記錄持卡人特征代碼、文件資料的便攜式信息載體。 接口設(shè)備：即IC卡讀寫器，是卡與PC信息交換的橋梁，且常是IC卡的能量來源。核心為可靠的工業(yè)控制單片機，如Intel的5

6、1系列等。 計算機（PC）：系統(tǒng)的核心，完成信息處理、報表生成輸出和指令發(fā)放、系統(tǒng)監(jiān)控管理以及卡的發(fā)行與掛失、黑名單的建立等。 網(wǎng)絡(luò)與計算機：通常用于金融服務(wù)等較大的系統(tǒng)。1314 存儲器卡：卡內(nèi)嵌入的芯片多為通用E2PROM（或Flash Memory）；無安全邏輯，可對片內(nèi)信息不受限制地任意存??；卡片制造中也很少采取安全保護措施；不完全符合或支持ISO/IEC 7816國際標(biāo)準(zhǔn)，而多采用兩線串行通信協(xié)議（I2C總線協(xié)議）或3線串行通信協(xié)議。 特點： 存儲器卡功能簡單，沒有（或很少有）安全保護邏輯，但價格低廉，開發(fā)使用簡便，存儲容量增長迅猛，因此多用于某些內(nèi)部信息無須保密或不允許加密（如急救

7、卡）的場合。15 邏輯加密卡：由非易失性存儲器和硬件加密邏輯構(gòu)成，一般是專門為IC卡設(shè)計的芯片，具有安全控制邏輯，安全性能較好；同時采用ROM、PROM、E2PROM等存儲技術(shù)；從芯片制造到交貨，均采取較好的安全保護措施，如運輸密碼TC（Transport Code）的取用；支持ISO/IEC 7816國際標(biāo)準(zhǔn)。 特點： 邏輯加密卡有一定的安全保證，多用于有一定安全要求的場合，如保險卡、加油卡、駕駛卡、借書卡、IC卡電話和小額電子錢包等。16 CPU卡：也稱智能卡。CPU卡的硬件構(gòu)成包括CPU、存儲器（含RAM、ROM、E2PROM等）、卡與讀寫終端通信的I/O接口及加密運算協(xié)處理器CAU，R

8、OM中則存放有COS（Chip Operation System，片內(nèi)操作系統(tǒng)）。 特點： 計算能力高，存儲容量大，應(yīng)用靈活，適應(yīng)性較強。 安全防偽能力強。不僅可驗證卡和持卡人的合法性，且可鑒別讀寫終端，已成為一卡多用及對數(shù)據(jù)安全保密性特別敏感場合的最佳選擇，如手機SIM卡等。 真正意義上的“智能卡”。1718 接觸式IC卡的多個金屬觸點為卡芯片與外界的信息傳輸媒介，成本低，實施相對簡便；非接觸式IC卡則不用觸點，而是借助無線收發(fā)傳送信息，因此在前者難以勝任的交通運輸?shù)戎T多場合有較多應(yīng)用。接觸式接觸式IC卡卡非接觸式非接觸式IC卡卡 根據(jù)與外界數(shù)據(jù)傳輸形式的不同可將智能卡分為串行通信卡和并行通

9、信卡。 串行通信卡即為目前最常用的卡，也是目前國際標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的接口方式。 采用串行方式與外界交換信息，卡芯片引腳較少，易于封裝和接口。但隨著芯片存儲容量的增大，引發(fā)了兩個問題： 一是芯片面積急劇增長，給卡的封裝帶來困難； 二是讀寫時間過長，讀寫1 MB的容量需要12分鐘。 并行通信卡由于采用并行通信，故無此二弊，但國際標(biāo)準(zhǔn)中尚無此類接口標(biāo)準(zhǔn)。例如某種P型IC卡的引腳數(shù)多達32個，不僅速度極快，而且容量增大。與串行通信卡一樣，它也有存儲型、邏輯加密型和CPU型，并已在納稅申報等系統(tǒng)中得以應(yīng)用。 19 條形碼技術(shù)是在計算機應(yīng)用發(fā)展過程中，為消除數(shù)據(jù)錄入的“瓶頸”問題而產(chǎn)生的，可以說是最“古老”的

10、自動識別技術(shù)。 條形碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對應(yīng)的字符組成的標(biāo)記。當(dāng)使用專門的條形碼識別設(shè)備如手持式條碼掃描器掃描這些條碼時，條碼中包含的信息就轉(zhuǎn)化為計算機可識別的數(shù)據(jù)。 目前市場上常見的是一維條形碼，信息量約幾十位數(shù)據(jù)和字符；二維條形碼相對復(fù)雜，但信息量可達幾千字符。20 一維條碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對應(yīng)的字符組成的標(biāo)記。普通的一維條碼在使用過程中僅作為識別信息，它的意義是通過在計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的信息而實現(xiàn)的。 一個完整的條碼的組成次序依次為：靜區(qū)（前）、起始符、數(shù)據(jù)符、（中間分割符，主要用于EAN碼）、(校驗符)、終止符、靜區(qū)（后）。21 模塊：構(gòu)成條碼的基本單位

11、是模塊，模塊是指條碼中最窄的條或空，模塊的寬度通常以mm或mil（千分之一英寸）為單位。構(gòu)成條碼的一個條或空稱為一個單元，一個單元包含的模塊數(shù)是由編碼方式?jīng)Q定的，有些碼制中，如EAN碼，所有單元由一個或多個模塊組成；而另一些碼制，如39碼中，所有單元只有兩種寬度，即寬單元和窄單元，其中的窄單元即為一個模塊。 密度：條碼的密度指單位長度的條碼所表示的字符個數(shù)。模塊尺寸越小，密度越大，所以密度值通常以模塊尺寸的值來表示（如5mil）。通常7.5mil以下的條碼稱為高密度條碼，15mil以上的條碼稱為低密度條碼。 寬窄比：對于只有兩種寬度單元的碼制，寬單元與窄單元的比值稱為寬窄比，一般為2-3左右（

12、常用的有2：1，3：1）。寬窄比較大時，閱讀設(shè)備更容易分辨寬單元和窄單元，因此比較容易閱讀。22 對比度（PCS）：條碼符號的光學(xué)指標(biāo)，PCS值越大則條碼的光學(xué)特性越好。PCS(RL-RD)/RL100% （RL:條形碼反射率，RD:空氣反射率） 條碼長度：從條碼起始符前緣到終止符后緣的長度。 條碼密度：單位長度的條碼所表示的字符個數(shù)。 雙向條碼：條碼的兩段都可以作為掃描起點的。 中間分隔符：在條碼符號中，位于兩個相鄰的條碼符號之間且不代表任何信息的空。 連續(xù)性條碼：在條碼字符中，兩個相鄰的條碼字符之間沒有中間分隔符的條碼。 非連續(xù)性條碼：在條碼字符中，兩個相鄰的條碼字符之間存在中間分隔符的條

13、碼。23 激光掃描儀通過一個激光二極管發(fā)出一束光線，照射到一個旋轉(zhuǎn)的棱鏡或來回擺動的鏡子上，反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經(jīng)過條或空的反射后返回閱讀器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號，該信號將通過掃描期或終端上的譯碼軟件進行譯碼。2425 二維碼利用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數(shù)據(jù)符號信息的；在代碼編制上巧妙地利用構(gòu)成計算機內(nèi)部邏輯基礎(chǔ)的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個與二進制相對應(yīng)的幾何形體來表示文字數(shù)值信息，通過圖象輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動識讀以實現(xiàn)信息自動處理。 二維碼具有條碼技術(shù)的一些共性：每種碼制有

14、其特定的字符集；每個字符占有一定的寬度；具有一定的校驗功能等。同時還具有對不同行的信息自動識別功能、以及處理圖形旋轉(zhuǎn)變化等特點。 26 目前，世界上應(yīng)用最多的二維條碼符號有Aztec Code、PDF147、Data Matrix、QR Code、Code16K等。27Code 16KData MatrixPDF147Aztec CodeQR Code28“Internet of Things”二維條碼QR編碼實例 一維條形碼特點： 可直接顯示內(nèi)容為英文、數(shù)字、簡單符號； 貯存數(shù)據(jù)不多，主要依靠計算機中的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫； 保密性能不高； 損污后可讀性差。 二維條形碼特點： 可直接顯示英文、中文、數(shù)

15、字、符號、圖形； 貯存數(shù)據(jù)量大，可存放1K字符，可用掃描儀直接讀取內(nèi)容，無需另接數(shù)據(jù)庫； 保密性高（可加密）； 安全級別最高時，損污50%仍可讀取完整信息。29 2.1 自動識別技術(shù) 2.2 RFID的歷史和現(xiàn)狀 2.3 RFID技術(shù)分析 2.4 RFID和物聯(lián)網(wǎng)30 RFID是射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification）的英文縮寫,利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的。 它是上世紀(jì)90年代興起的自動識別技術(shù)，首先在歐洲市場上得以使用，隨后在世界范圍內(nèi)普及。 RFID較其它技術(shù)明顯的優(yōu)點是電子標(biāo)簽和閱讀器無

16、需接觸便可完成識別。射頻識別技術(shù)改變了條形碼依靠“有形”的一維或二維幾何圖案來提供信息的方式，通過芯片來提供存儲在其中的數(shù)量巨大的“無形”信息。31323334 目前RFID技術(shù)應(yīng)用己經(jīng)處于全面推廣的階段。特別是對于IT業(yè)而言，RFID技術(shù)被視為IT業(yè)的下一個“金礦”。各大軟硬件廠商都對RFID技術(shù)及其應(yīng)用表現(xiàn)出了濃厚的興趣，相繼投入大量研發(fā)經(jīng)費，推出了各自的軟件或硬件產(chǎn)品及系統(tǒng)應(yīng)用解決方案。 在應(yīng)用領(lǐng)域，以Wal-Mart，UPS，Gillette等為代表的眾多企業(yè)已經(jīng)開始全面使用RFID技術(shù)對業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行改造，以提高企業(yè)的工作效率、管理水平并為客戶提供各種增值服務(wù)。35 2.1 自動識別技

17、術(shù) 2.2 RFID的歷史和現(xiàn)狀 2.3 RFID技術(shù)分析 2.4 RFID和物聯(lián)網(wǎng)36 RFID系統(tǒng)由五個組件構(gòu)成，包括：傳送器、接收器、微處理器、天線、標(biāo)簽。傳送器、接收器和微處理器通常都被封裝在一起，又統(tǒng)稱為閱讀器(Reader)，所以工業(yè)界經(jīng)常將RFID系統(tǒng)分為為閱讀器、天線和標(biāo)簽三大組件。37 閱讀器是RFID系統(tǒng)最重要也是最復(fù)雜的一個組件。因其工作模式一般是主動向標(biāo)簽詢問標(biāo)識信息，所以有時又被稱為詢問器（Interrogator）。 閱讀器可以通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)口、RS232串口或USB接口同主機相連，通過天線同RFID標(biāo)簽通信。有時為了方便，閱讀器和天線以及智能終端設(shè)備會集成在一起形成可

18、移動的手持式閱讀器。38 天線同閱讀器相連，用于在標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞射頻信號。閱讀器可以連接一個或多個天線。 RFID系統(tǒng)的工作頻率從低頻到微波，這使得天線與標(biāo)簽芯片之間的匹配問題變得很復(fù)雜。39 標(biāo)簽（Tag）是由耦合元件、芯片及微型天線組成，每個標(biāo)簽內(nèi)部存有唯一的電子編碼，附著在物體上，用來標(biāo)識目標(biāo)對象。 標(biāo)簽進入RFID閱讀器掃描場以后，接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的電子編碼（被動式標(biāo)簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（主動式標(biāo)簽）。40 電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）：一般射頻識別系統(tǒng)主要采用EEPROM方式。這種方式的缺點是寫入過程中的

19、功耗消耗很大，使用壽命一般為100,000次 鐵電隨機存取存儲器（FRAM）: 與EEPROM相比，F(xiàn)RAM的寫入功耗消耗減小100倍，寫入時間甚至縮短1000倍。FRAM屬于非易失類存儲器。然而，F(xiàn)RAM由于生產(chǎn)方面的問題至今未獲得廣泛應(yīng)用。 靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）: SRAM能快速寫入數(shù)據(jù)，適用于微波系統(tǒng)，但SRAM需要輔助電池不間斷供電，才能保存數(shù)據(jù)。41 被動式標(biāo)簽（Passive Tag）：因內(nèi)部沒有電源設(shè)備又被稱為無源標(biāo)簽。被動式標(biāo)簽內(nèi)部的集成電路通過接收由閱讀器發(fā)出的電磁波進行驅(qū)動，向閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)。 主動標(biāo)簽（Active Tag）：因標(biāo)簽內(nèi)部攜帶電源又被稱為有源標(biāo)簽。

20、電源設(shè)備和與其相關(guān)的電路決定了主動式標(biāo)簽要比被動式標(biāo)簽體積大、價格昂貴。但主動標(biāo)簽通信距離更遠，可達上百米。 半主動標(biāo)簽（Semi-active Tag）：兼有被動標(biāo)簽和主動標(biāo)簽的所有優(yōu)點，內(nèi)部攜帶電池，能夠為標(biāo)簽內(nèi)部計算提供電源。這種標(biāo)簽可以攜帶傳感器，可用于檢測環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、是否移動等。然而與主動式標(biāo)簽不同的是它們的通信并不需要電池提供能量，而是像被動式標(biāo)簽一樣通過閱讀器發(fā)射的電磁波獲取通信能量。42 體積小且形狀多樣：RFID標(biāo)簽在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需要為了讀取精度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質(zhì)。 環(huán)境適應(yīng)性：紙張容易被污染而影響識別。但RFID對水、油等物質(zhì)卻

21、有極強的抗污性。另外，即使在黑暗的環(huán)境中，RFID標(biāo)簽也能夠被讀取。 可重復(fù)使用：標(biāo)簽具有讀寫功能，電子數(shù)據(jù)可被反復(fù)覆蓋，因此可以被回收而重復(fù)使用。 穿透性強：標(biāo)簽在被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質(zhì)包裹的情況下也可以進行穿透性通訊。 數(shù)據(jù)安全性：標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)通過循環(huán)冗余校驗的方法來保證標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。43 頻率是RFID系統(tǒng)的一個很重要的參數(shù)，它決定了系統(tǒng)工作原理、通信距離、成本、天線形狀和應(yīng)用領(lǐng)域等因素。 RFID典型的工作頻率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作頻率的不同

22、，RFID系統(tǒng)集中在低頻、高頻和超高頻三個區(qū)域。44 低頻（LF）范圍為30kHz-300kHz，RFID典型低頻工作頻率有125kHz和133kHz兩個，該頻段的波長大約為2500m。低頻標(biāo)簽一般都為無源標(biāo)簽，其工作能量通過電感耦合的方式從閱讀器耦合線圈的輻射場中獲得，通信范圍一般小于1米。除金屬材料影響外，低頻信號一般能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離。45 高頻（HF）范圍為3 MHz -30 MHz，RFID典型工作頻率為13.56MHz,該頻率的波長大概為22米，通信距離一般也小于1米。該頻率的標(biāo)簽不再需要線圈繞制，可以通過腐蝕活字印刷的方式制作標(biāo)簽內(nèi)的天線，采用電感耦合的方式從閱讀器輻射場獲取能量。46 超高頻（UHF）范圍為300MHz-3GHz，3GHz以上為微波范圍。采用超高頻和微波的RFID系統(tǒng)一般統(tǒng)稱為超高頻RFID系統(tǒng)，典型的工作頻率為：433MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，頻率波長大概在30厘米左右。嚴(yán)格意義上，2.45GHz和5.8GHz屬于微波范圍。 超高頻標(biāo)簽可以是有源標(biāo)簽與無源標(biāo)簽兩種，通過電磁耦合方式同閱讀器通信。通信距離一般大于1米，典型情況為4-6米，最大可超過10米。47 2.1 自動識別技術(shù) 2.2 RFID的歷