物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用實踐(項目式)熊茂華項目4

項目四射頻識別技術(shù)應(yīng)用項目的開發(fā)4.1任務(wù)一：射頻識別技術(shù)基礎(chǔ)知識4.2任務(wù)二：RFID系統(tǒng)的組成4.3任務(wù)三：幾種常見的RFID系統(tǒng)4.4任務(wù)四：RFID中間件技術(shù)4.5任務(wù)五：RFID典型模塊應(yīng)用實踐4.1任務(wù)一：射頻識別技術(shù)基礎(chǔ)知識

4.1.1射頻識別

1.概述

RFID是RadioFrequencyIdentification的縮寫，意為射頻識別。射頻識別技術(shù)是一項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的技術(shù)。

2.射頻識別技術(shù)特點

(1)數(shù)據(jù)的讀寫功能。

(2)電子標(biāo)簽的小型化和多樣化。

(3)耐環(huán)境性。

(4)可重復(fù)使用。

(5)穿透性。

(6)數(shù)據(jù)的記憶容量大。

(7)系統(tǒng)安全性。4.1.2RFID技術(shù)分類

1.?RFID技術(shù)分類

1)根據(jù)標(biāo)簽的供電形式分類

(1)有源式電子標(biāo)簽。

(2)無源式電子標(biāo)簽。

(3)半有源式電子標(biāo)簽。2)根據(jù)電子標(biāo)簽的工作頻率分類

(1)低頻段電子標(biāo)簽。

(2)中高頻段電子標(biāo)簽。

(3)超高頻與微波標(biāo)簽。

3)根據(jù)標(biāo)簽的可讀性分類

(1)只讀電子標(biāo)簽。

(2)可讀可寫標(biāo)簽。

(3)一次寫入多次讀出標(biāo)簽。4)根據(jù)標(biāo)簽的工作方式分類

(1)主動式電子標(biāo)簽。

(2)被動式電子標(biāo)簽。

(3)半主動式電子標(biāo)簽。

2.?RFID系統(tǒng)的分類

1)?EAS系統(tǒng)

EAS(ELECTRONICARTICLESURVEILLANCE)是一種設(shè)置在需要控制物品出入的門口的RFID技術(shù)。這種技術(shù)的典型應(yīng)用場合是商店、圖書館、數(shù)據(jù)中心等地方，當(dāng)未被授權(quán)的人從這些地方非法取走物品時，EAS系統(tǒng)會發(fā)出警告。2)便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是使用帶有RFID閱讀器的手持式數(shù)據(jù)采集器采集RFID標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)。這種系統(tǒng)具有比較大的靈活性，適用于不宜安裝固定式RFID系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。3)物流控制系統(tǒng)

在物流控制系統(tǒng)中，固定布置的RFID閱讀器分散布置在給定的區(qū)域，并且閱讀器直接與數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)相連，信號發(fā)射機是移動的，一般安裝在移動的物體、人上面。當(dāng)物體、人流經(jīng)閱讀器時，閱讀器會自動掃描標(biāo)簽上的信息并把數(shù)據(jù)信息輸入數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)存儲、分析、處理，達到控制物流的目的。4)定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)用于自動化加工系統(tǒng)中的定位以及對車輛、輪船等進行運行定位支持。閱讀器放置在移動的車輛、輪船上或者自動化流水線中移動的物料、半成品或成品上，信號發(fā)射機嵌入到操作環(huán)境的地表下面。信號發(fā)射機上存儲有位置識別信息，閱讀器一般通過無線的方式或者有線的方式連接到主信息管理系統(tǒng)。4.1.3RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

由于RFID的應(yīng)用牽涉到眾多行業(yè)，因此其相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)非常復(fù)雜。從類別看，RFID標(biāo)準(zhǔn)可以分為以下四類：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(如RFID技術(shù)、IC卡標(biāo)準(zhǔn)等)；數(shù)據(jù)內(nèi)容與編碼標(biāo)準(zhǔn)(如編碼格式、語法標(biāo)準(zhǔn)等)；性能與一致性標(biāo)準(zhǔn)(如測試規(guī)范等)；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(如船運標(biāo)簽、產(chǎn)品包裝標(biāo)準(zhǔn)等)。具體來講，RFID相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)涉及電氣特性、通信頻率、數(shù)據(jù)格式和元數(shù)據(jù)、通信協(xié)議、安全、測試、應(yīng)用等方面。4.2任務(wù)二：RFID系統(tǒng)的組成

4.2.1RFID的工作原理及系統(tǒng)組成

1.工作原理

RFID的工作原理是：標(biāo)簽進入磁場后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號，就能憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(即PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(即ActiveTag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽)，閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2.?RFID系統(tǒng)的組成

射頻識別系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下兩個部分，一是讀寫器，二是電子標(biāo)簽(或稱射頻卡、應(yīng)答器等，本文統(tǒng)稱為電子標(biāo)簽)。另外還應(yīng)包括天線，主機等。圖4.1RFID系統(tǒng)的組成圖4.2射頻識別系統(tǒng)基本組成4.2.2RFID系統(tǒng)中的軟件組件

1.邊沿接口系統(tǒng)

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(fù)數(shù)據(jù)。

(2)設(shè)置基于事件方式觸發(fā)的外部執(zhí)行機構(gòu)。

(3)提供智能功能，選擇發(fā)送到軟件系統(tǒng)。

(4)遠(yuǎn)程管理功能。

2.?RFID中間件

使用RFID中間件有三個主要目的：

(1)隔離應(yīng)用層和設(shè)備接口。

(2)處理讀寫器和傳感器捕獲的原始數(shù)據(jù)，使應(yīng)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。

(3)提供應(yīng)用層接口用于管理讀寫器和查詢RFID觀測數(shù)據(jù)，目前，大多數(shù)可用的RFID中間件都有這些特性。

3.企業(yè)應(yīng)用接口

前端軟件最重要的功能是保障電子標(biāo)簽和讀寫器之間的正常通信，通過硬件設(shè)備的運行和接收高層的后端軟件控制來處理和管理電子標(biāo)簽和讀寫器之間的數(shù)據(jù)通信。前端軟件完成的基本功能有：

(1)讀/寫功能：

(2)防碰撞功能：

(3)安全功能：

(4)檢/糾錯功能：

4.應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件也是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，它負(fù)責(zé)與讀寫器通信，將讀寫器經(jīng)過中間件轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)，插入到后臺企業(yè)倉儲管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，對電子標(biāo)簽管理信息、發(fā)行電子標(biāo)簽和采集的電子標(biāo)簽信息集中進行存儲和處理。一般說來，后端應(yīng)用軟件系統(tǒng)需要完成以下功能：

(1)?RFID系統(tǒng)管理：

(2)電子標(biāo)簽管理：

(3)數(shù)據(jù)分析和存儲：4.3任務(wù)三：幾種常見的RFID系統(tǒng)

從電子標(biāo)簽到讀寫器之間的通信和能量感應(yīng)方式來看，RFID系統(tǒng)一般可分為電感耦合(磁耦合)系統(tǒng)和電磁反向散射耦合(電磁場耦合)系統(tǒng)。電感耦合系統(tǒng)是通過空間高頻交變磁場實現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律；電磁反向散射耦合，即雷達原理模型，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)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。圖4.3電感耦合和電磁耦合4.3.1電感耦合RFID系統(tǒng)

電感耦合方式電路結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。電感耦合的射頻載波頻率為13.56?MHz和小于135kHz的頻段，應(yīng)答器和讀寫器之間的工作距離小于1?m。圖4.4電感耦合方式的電路結(jié)構(gòu)

1.應(yīng)答器的能量供給

電磁耦合方式的應(yīng)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(chǎn)生的磁場強度受到電磁兼容性能有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格限制，因此系統(tǒng)的工作距離較近。

2.數(shù)據(jù)傳輸

應(yīng)答器向讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸采用負(fù)載調(diào)制方法。應(yīng)答器二進制數(shù)據(jù)編碼信號控制開關(guān)器件，使其電阻發(fā)生變化，從而使應(yīng)答器線圈上的負(fù)載電阻按二進制編碼信號的變化而改變。4.3.2反向散射耦合RFID系統(tǒng)

1.反向散射

雷達技術(shù)為RFID的反向散射耦合方式提供了理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。當(dāng)電磁波遇到空間目標(biāo)時，其能量的一部分被目標(biāo)吸收，另一部分以不同的強度散射到各個方向。

2.?RFID反向散射耦合方式

一個目標(biāo)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(shù)有關(guān)，如目標(biāo)的大小、形狀和材料，電磁波的波長和極化方向等。圖4.5RFID反向散射耦合方式原理圖1)應(yīng)答器的能量供給

無源應(yīng)答器的能量由讀寫器提供，讀寫器天線發(fā)射的功率P1經(jīng)自由空間衰減后到達應(yīng)答，被吸收的功率經(jīng)應(yīng)答器中的整流電路后形成應(yīng)答器的工作電壓。2)應(yīng)答器至讀寫器的數(shù)據(jù)傳輸

由讀寫器傳到應(yīng)答器的功率的一部分被天線反射，反射功率P2經(jīng)自由空間后返回讀寫器，被讀寫器天線接收。接收信號經(jīng)收發(fā)耦合器電路傳輸?shù)阶x寫器的接收通道，被放大后經(jīng)處理電路獲得有用信息。3)讀寫器至應(yīng)答器的數(shù)據(jù)傳輸

讀寫器至應(yīng)答器的命令及數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)根據(jù)RFID的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行編碼和調(diào)制，或者按所選用應(yīng)答器的要求進行設(shè)計。

3.聲表面波應(yīng)答器

1)聲表面波器件

聲表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)器件以壓電效應(yīng)和與表面彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)。SAW器件體積小、重量輕、工作頻率高、相對帶寬較寬，并且可以采用與集成電路工藝相同的平面加工工藝，制造簡單，重獲得性和設(shè)計靈活性高。2)聲表面波應(yīng)答器

聲表面波應(yīng)答器的基本結(jié)構(gòu)如圖4.6所示，長長的一條壓電晶體基片的端部有指狀電極結(jié)構(gòu)?；ǔ２捎檬⑩壦徜嚮蜚g酸鋰等壓電材料制作。在壓電基片的導(dǎo)電板上附有偶極子天線，其工作頻率和讀寫器的發(fā)送頻率一致。在應(yīng)答器的剩余長度安裝了反射器，反射器的反射帶通常由鋁制成。圖4.6聲表面波應(yīng)答器原理結(jié)構(gòu)圖4.4任務(wù)四：RFID中間件技術(shù)

RFID中間件(Middleware)技術(shù)將企業(yè)級中間件技術(shù)延伸到RFID領(lǐng)域，是RFID產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵共性技術(shù)。它是RFID讀寫器和應(yīng)用系統(tǒng)之間的中介。RFID中間件屏蔽了RFID設(shè)備的多樣性和復(fù)雜性，能夠為后臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供強大的支撐，從而驅(qū)動更廣泛、更豐富的RFID應(yīng)用。4.4.1RFID中間件的組成及功能特點

1.?RFID中間件的組成

1)讀寫器適配器

2)事件管理器

3)應(yīng)用程序接口

2.?RFID中間件的主要功能

1)數(shù)據(jù)實時采集

2)數(shù)據(jù)處理

3)數(shù)據(jù)共享

4)安全服務(wù)

3.中間件的工作機制及特點

中間件作為一個用API定義的軟件層，在具體實現(xiàn)上應(yīng)具有強大的通信能力和良好的可擴展性。作為一個中間件應(yīng)具備如下四點：

(1)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和接口，具備通用性、易用性；

(2)分布式計算，提供網(wǎng)絡(luò)、硬件、操作系統(tǒng)透明性；

(3)滿足大量應(yīng)用需要；

(4)能運行于多種硬件和操作系統(tǒng)平臺。4.4.2RFID中間件體系結(jié)構(gòu)

RFID中間件技術(shù)涉及的內(nèi)容比較多，包括：開發(fā)訪問技術(shù)、目錄服務(wù)及定位技術(shù)、數(shù)據(jù)及設(shè)備監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問、安全和集成技術(shù)、進程及會話管理技術(shù)等。但任何RFID中間件應(yīng)能夠提供數(shù)據(jù)讀出和寫入、數(shù)據(jù)過濾和聚合、數(shù)據(jù)的分發(fā)、數(shù)據(jù)的安全等服務(wù)。圖4.7分布式RFID中間件分層結(jié)構(gòu)示意圖

1.設(shè)備管理系統(tǒng)

設(shè)備管理系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能：一是為網(wǎng)絡(luò)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(biāo)簽數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；二是對接收到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

2.事件處理

設(shè)備管理系統(tǒng)產(chǎn)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(shù)據(jù)服務(wù)接口把數(shù)據(jù)傳遞到相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)。

3.數(shù)據(jù)服務(wù)接口

來自事件處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)最終是分類的XML文件。同一類型的數(shù)據(jù)以XML文件的形式保存，并提供給相應(yīng)的一個或多個應(yīng)用程序使用。而數(shù)據(jù)服務(wù)接口主要是對這些數(shù)據(jù)進行過濾、入庫操作，并提供訪問相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的服務(wù)接口。4.5任務(wù)五：RFID典型模塊應(yīng)用實踐

本實踐是用一塊基于MFRC522射頻芯片的高頻RFID模塊，配合實驗箱配套的高頻標(biāo)簽(即非接觸式IC卡)完成高頻RFID的讀寫。通過STC16C51單片機連接MFRC522控制器，進行IC卡的讀寫操作，HFRFID的擴展子板通過串口與智能網(wǎng)關(guān)進行通信和數(shù)據(jù)交換。4.5.1高頻(HF)讀卡模塊

1.?MFRC522射頻芯片

MFRC522是高度集成的非接觸式(13.56?MHz)讀寫卡芯片。此發(fā)送模塊利用調(diào)制和解調(diào)的原理，并將它們完全集成到各種非接觸式通信方法和協(xié)議中。MFRC522發(fā)送模塊支持的工作模式是ISO14443A。

2.非接觸式IC卡

目前市面上有多種類型的非接觸式IC卡，按照不同協(xié)議大體可以分為三類，各類IC卡特點及工作特性如表4.2所示。

3.?Philips的MIFARE卡

Philips的MIFARE卡有M1卡和ML卡。下面分別作簡要介紹。

1)?M1卡簡介

(1)?M1卡工作原理。

卡片的電氣部分只由一個天線和ASIC組成。(2)?M1卡主要指標(biāo)如下。(3)?M1卡存儲結(jié)構(gòu)。

①M1卡分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)由4塊(塊0、塊1、塊2、塊3)組成，也將16個扇區(qū)的64個塊按絕對地址編號為0～63，存儲結(jié)構(gòu)如圖4.8所示。圖4.8M1存貯結(jié)構(gòu)圖②第0扇區(qū)的塊0(即絕對地址0塊)，它用于存放廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。

③每個扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，可用于存儲數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)塊可作兩種應(yīng)用：

·用作一般的數(shù)據(jù)保存，可以進行讀、寫操作。

·用作數(shù)據(jù)值，可以進行初始化值、加值、減值、讀值操作。

④每個扇區(qū)的塊3為控制塊，包括了密碼A、存取控制、密碼B。具體結(jié)構(gòu)如下：⑤每個扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據(jù)實際需要設(shè)定各自的密碼及存取控制。存取控制為4個字節(jié)，共32位，扇區(qū)中的每個塊(包括數(shù)據(jù)塊和控制塊)的存取條件是由密碼和存取控制共同決定的，在存取控制中每個塊都有相應(yīng)的三個控制位，定義如下：三個控制位以正和反兩種形式存在于存取控制字節(jié)中，決定了該塊的訪問權(quán)限(如進行減值操作必須驗證KEYA，進行加值操作必須驗證KEYB，等等)。三個控制位在存取控制字節(jié)中的位置，以塊0為例，對塊0的控制如圖4.9所示。圖4.9三個控制位在塊0存取控制字節(jié)中的位置圖存取控制(4字節(jié)，其中字節(jié)9為備用字節(jié))結(jié)構(gòu)如下所示：⑥數(shù)據(jù)塊(塊0、塊1、塊2)的存取控制如表4.3所示。⑦控制塊塊3的存取控制與數(shù)據(jù)塊(塊0、1、2)不同，它的存取控制如表4.4所示。(4)?M1卡與讀寫器MFRC522的通信，如圖4.10所示。圖4.10M1卡與讀寫器MFRC522的通信2)?ML卡簡介

(1)?ML卡性能介紹。

(2)?ML卡存儲結(jié)構(gòu)。

4.?ISO14443協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)簡介

ISO14443協(xié)議是超短距離智慧卡標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義出讀取距離7～15?cm的短距離非接觸智能卡的功能及運作標(biāo)準(zhǔn)，ISO14443標(biāo)準(zhǔn)分為TYPEA和TYPEB兩種。Philips公司的MIFARE系列的MIFARE1符合的ISO14443TYPEA標(biāo)準(zhǔn)。圖4.11PICC狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖

5.上位機與高頻RFID模塊間的通信協(xié)議

高頻RFID模塊和高頻標(biāo)簽間除了簡單的讀卡外，還有寫入數(shù)據(jù)、修改密碼的功能，這就需要上位機和這些RFID模塊之間進行通信。以下便是上位機和高頻RFID之間的一些協(xié)議。4.5.1MIFARE1卡通信測試實訓(xùn)

1.實訓(xùn)目的

熟悉HFRFID硬件，了解HFRFID讀卡模塊與PC串口的通信過程和各種操作指令。

2.實訓(xùn)設(shè)備

(1)?PC機和串口測試軟件。

(2)?HFRFID讀卡模塊，通過串口連接到PC機。

(3)?MIFARE1卡一張。

3.實訓(xùn)內(nèi)容

了解MIFARE1卡的功能和使用方法、掌握HFRFID讀卡模塊的讀卡過程、掌握HFRFID讀卡模塊與PC串口的通信協(xié)議和通信過程。

4.實訓(xùn)原理

HFRFID讀卡器與PC機通過串口，使用自定義協(xié)議進行通信，該協(xié)議定義如下：

·通信格式：

數(shù)據(jù)包長度L(1?Byte)命令字C(1?Byte)數(shù)據(jù)包D(L-1?Bytes)

·通信方向：

->下位機送給上位機

<-上位機送給下位機

·協(xié)議規(guī)范(1)啟動。

(2)尋卡。

(3)防沖突。

(4)選擇。

(5)終止。

(6)參數(shù)設(shè)置。

(7)密碼下載(扇區(qū)1密碼為12個F)。

(8)數(shù)據(jù)讀(扇區(qū)1塊0塊1塊2)。

(9)數(shù)據(jù)寫(