物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

及其應(yīng)用

南京郵電大學(xué)

教授、博士生導(dǎo)師張順頤

2010，3，27

7/19/20241整理課件物聯(lián)網(wǎng)及其發(fā)展幾十年來互聯(lián)網(wǎng)獲得了極大的發(fā)展，已經(jīng)成為人類社會和人類生活不可或缺的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；互聯(lián)網(wǎng)下一個發(fā)展方向，除了擴(kuò)大覆蓋、提高速度、加大容量、增加網(wǎng)民（包括地址）無線接入等，向物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展也是一個重要的動向；我們可以通過互聯(lián)網(wǎng)了解世界（各地發(fā)生的事情）在物聯(lián)網(wǎng)普及以后，我們就可以感知世界上發(fā)生的事情；物聯(lián)網(wǎng)大體上就是技術(shù)界以往所說的傳感網(wǎng)；其基本架構(gòu)應(yīng)該是互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)為主體，加上可以感知客觀事物的有線、無線接入的傳感器網(wǎng)絡(luò)；7/19/20242整理課件什么是傳感網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）？物聯(lián)網(wǎng)，基本上就是我們以前稱為傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。IBM在前年提出，美國總統(tǒng)奧巴馬上臺以后，為了解決經(jīng)濟(jì)危機(jī)，接過這一事物，提出“智慧地球”的概念；溫家寶總理2009，8視察江蘇無錫時，提出把“智慧中國”的中心建在無錫。江蘇省委和省政府非常重視。正在全力貫徹落實。近日，傾向于把物聯(lián)網(wǎng)稱為傳感網(wǎng)。傳感器網(wǎng)、傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、因特網(wǎng)：關(guān)聯(lián)和區(qū)別；7/19/20243整理課件什么是傳感網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）？傳感器網(wǎng)：把各種傳感器連接起來的網(wǎng)絡(luò)，這種連接可以是無線，也可以是有線；目前學(xué)界對于傳感器網(wǎng)、傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)尚無一個明確的定義；可以認(rèn)為，傳感網(wǎng)強(qiáng)調(diào)以感知為目的，物聯(lián)網(wǎng)傾向于傳感器的連接為特征；但是兩者都是以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的。但是對于互聯(lián)網(wǎng)、因特網(wǎng)則有科學(xué)的定義；INTERNET；因特網(wǎng)Internet；互聯(lián)網(wǎng)7/19/20244整理課件什么是物聯(lián)網(wǎng)？傳感網(wǎng)是以感知為目的，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。傳感網(wǎng)突出的特征是通過傳感器等方式獲得物理世界的多種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳送與交互，采用智能計算技術(shù)對信息進(jìn)行分析與處理，從而提升對物質(zhì)世界的感知能力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該有更規(guī)范的內(nèi)涵，例如物聯(lián)網(wǎng)也包括網(wǎng)絡(luò)控制為目的，而傳感網(wǎng)更強(qiáng)調(diào)以感知為目的；7/19/20245整理課件什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)將各種信息傳感設(shè)備、控制設(shè)備，例如射頻識別裝置（RFID）、紅外感應(yīng)裝置、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成一個不僅僅是人在使用，也可以把各種其它信息（不僅僅是文字、語言、數(shù)字、圖像）通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳遞、處理、存儲、檢測等。以提高人類社會的信息化、自動化水平。物聯(lián)網(wǎng)的用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府政務(wù)、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)檢測、病老護(hù)理、個人健康等多個領(lǐng)域。業(yè)界普遍認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。7/19/20246整理課件什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)的要素，首先是要把物體連接到網(wǎng)上；其次是要把這個物體的信息傳到互聯(lián)網(wǎng)上；物聯(lián)網(wǎng)的工作，就是獲取信息、傳送信息、處理信息、存儲信息、顯示信息；美國的研究機(jī)構(gòu)Forrester預(yù)測，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)價值和規(guī)模，要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍，將會形成下一個萬億元級別的產(chǎn)業(yè)；7/19/20247整理課件傳感網(wǎng)與無線通信傳感網(wǎng)中使用的幾種通信技術(shù)：1、移動通信：2G、3G、B3G、LTE；2、無線局域網(wǎng)：WiFi：無線局域網(wǎng)，802.11，校園網(wǎng)；WiMAX：無線城域網(wǎng)，802.16，已成為3G標(biāo)準(zhǔn)3、超寬帶UWB：特征是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。工作頻率3.1G-10.6GMHz，低功耗，如射頻標(biāo)簽RFID（RadioFrequencyIdentification也稱電子標(biāo)簽、無線電頻率識別）。7/19/20248整理課件傳感網(wǎng)與無線通信4、ZigBee：低功耗、近距離的無線組網(wǎng)通信技術(shù)；802.15.4（s）;5、NFC（近場通信），雙向RFID，可實現(xiàn)設(shè)備之間的近距離通信（20cm，比蘭牙短，但是不需要加密）；6、蘭牙（Bluetooth）、紅外（IiRD）；7/19/20249整理課件傳感器的種類信息（例如RFID中的各種讀卡器）溫度、溫限壓力測力、壓力、重力；液位、水位測量、流體、流量電機(jī)保護(hù)光敏荷重、稱重傳感器閘門開度（高度）7/19/202410整理課件傳感器的種類氣體、氣味、口臭、室內(nèi)空氣、風(fēng)速濕度灰塵紅外漏電、電導(dǎo)PH值7/19/202411整理課件傳感器的種類酒精AQS環(huán)境控制鹵素濃度生物傳感器熱學(xué)量位置、安防光纖光柵指紋、觸摸7/19/202412整理課件傳感器的種類磁阻傾角視覺、圖像壓電、靜電、電流、電壓加速度霍爾位置微波7/19/202413整理課件物聯(lián)網(wǎng)的工作模式物聯(lián)網(wǎng)的工作模式較多，但是目前主要分為射頻識別（射頻標(biāo)簽）RFID和ZigBee，因為國際標(biāo)準(zhǔn)化組織目前主要在這兩種應(yīng)用中制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)；射頻識別（射頻標(biāo)簽）RFID主要是應(yīng)用讀卡器和應(yīng)答器之間的信息傳輸完成工作；ZigBee則主要是工作于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；7/19/202414整理課件RFID射頻識別是無線電頻率識別的簡稱，即通過無線電波進(jìn)行識別。RFID系統(tǒng)中，識別信息存放在電子數(shù)據(jù)載體中，電子數(shù)據(jù)載體稱為應(yīng)答器。應(yīng)答器中存放的識別信息由閱讀器讀出。閱讀器不僅可以讀出存放的信息，而且可以對其進(jìn)行寫入，讀寫過程是通過雙方之間的無線通信來實現(xiàn)的。7/19/202415整理課件RFID應(yīng)答器（射頻卡或標(biāo)簽）射頻卡

7/19/202416整理課件RFID應(yīng)答器（射頻卡或標(biāo)簽）標(biāo)簽7/19/202417整理課件RFID閱讀器（讀寫器或基站）

7/19/202418整理課件RFIDRFID的基本原理框圖

射頻卡或電子標(biāo)簽讀寫器或基站7/19/202419整理課件RFID的工作頻率RFID的工作頻率可劃分為：1、LF：低頻30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高頻3－30MHz，工作頻率為13.56MHz;3、UHF：特高頻300MHz－3GHz，工作頻率：433MHz，866－960MHz，2.45GHz；4、SHF：超高頻3－30GHz，工作頻率：5.8GHz、24GHz；0f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G工作頻率分布圖

LF1MHFUHF1G1K7/19/202420整理課件電感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式電感耦合閱讀器應(yīng)答器電感耦合方式的電路結(jié)構(gòu)信息7/19/202421整理課件電感耦合方式RFID的工作原理1、閱讀器為有源工作，應(yīng)答器無源工作；2、L1、C1；L2、C2均工作在射頻源VS的諧振頻率；3、閱讀器L2的磁場變化產(chǎn)生電壓整流后供閱讀器使用；4、閱讀器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)部的二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼信號控制開關(guān)S，使得負(fù)載電阻R2被接通或者斷開，通過耦合使L1產(chǎn)生變化的電壓，經(jīng)調(diào)制、解碼即可；5、閱讀器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，是通過數(shù)字調(diào)制的方式實現(xiàn)的，多采用ASK（幅頻監(jiān)控）的方式；7/19/202422整理課件電感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式負(fù)載調(diào)制

負(fù)載調(diào)制的原理示意圖7/19/202423整理課件反向散射耦合RFID工作方式目標(biāo)的反向散射耦合RIFD工作方式反向散射耦合電源電路用于吸收耦合的功率；7/19/202424整理課件反向散射方式RFID的工作原理聲表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件是以壓電效應(yīng)和與表面彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)。7/19/202425整理課件反向散射方式RFID的工作原理

聲表面波應(yīng)答器以壓電效應(yīng)和避免彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)，加以體積小、重量輕、工作頻率高、相對帶寬較高，并且可采用與集成電路芯片工藝相同的平面加工工藝，制造簡單，工藝的一致性好，靈活性高；7/19/202426整理課件反向散射方式RFID的工作原理換能器的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為聲波。它利用壓電襯底在電場作用下的膨脹和收縮效應(yīng)。指狀電極上的電位差形成電場。射頻信號一起雅典襯底的振動，從而沿其表面產(chǎn)生聲波，經(jīng)反射返回?fù)Q能器在轉(zhuǎn)換成射頻脈沖的序列的電信號，經(jīng)偶極子天線回傳至閱讀器；7/19/202427整理課件RFID諧波檢測法的工作原理：基于反向散射耦合方式，它可用于電子防盜系統(tǒng)諧波法原理

7/19/202428整理課件RFID射頻識別的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)架1、最簡單的應(yīng)用系統(tǒng)只有單個閱讀器，它一次對一個應(yīng)答器進(jìn)行操作，如公交汽車上的票務(wù)操作。2、較復(fù)雜的應(yīng)用需要一個閱讀器可同時對多個應(yīng)答器進(jìn)行操作，即要具有防碰撞（亦稱防沖突）的能力。3、更復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)要解決閱讀器的高層處理問題，包括多閱讀器的網(wǎng)絡(luò)連接。7/19/202429整理課件RFID應(yīng)答器的主要性能參數(shù)工作頻率讀/寫能力編碼調(diào)制方式數(shù)據(jù)傳輸速率信息數(shù)據(jù)存儲容量工作距離多應(yīng)答器識讀能力（亦稱防碰撞或防沖突能力）安全性能（密鑰、認(rèn)證）等。7/19/202430整理課件RFID無源、半無源與有源應(yīng)答器無源應(yīng)答器：不附有電池，從閱讀器發(fā)出射頻能量中提取工作所需的電能。采用電感耦合方式的應(yīng)答器多為無源應(yīng)答器。

半無源應(yīng)答器：內(nèi)裝有電池，起輔助作用，對維持?jǐn)?shù)據(jù)的電路供電或?qū)?yīng)答器芯片工作所需的電壓作輔助支持，用于傳輸通信的射頻能量源自閱讀器。

有源應(yīng)答器：工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時內(nèi)部電池能量也部分地轉(zhuǎn)換為應(yīng)答器與閱讀器通信所需的射頻能量。

7/19/202431整理課件RFID應(yīng)答器電路的基本結(jié)構(gòu)7/19/202432整理課件RFID閱讀器的功能1、以射頻方式向應(yīng)答器傳輸能量；2、從應(yīng)答器中讀出數(shù)據(jù)或向應(yīng)答器寫入數(shù)據(jù)；3、完成對讀取數(shù)據(jù)的信息處理并實現(xiàn)應(yīng)用操作；4、若有需要，應(yīng)能和高層處理交互信息。7/19/202433整理課件RFID閱讀器的電路組成

7/19/202434整理課件RFID天線天線的目標(biāo)是取得最大的能量傳輸效果。RFID系統(tǒng)所用的天線類型主要有偶極子天線、微帶貼片天線、線圈天線等。在應(yīng)答器中，天線和應(yīng)答器芯片封裝在一起。7/19/202435整理課件RFID相關(guān)的自動識別技術(shù)自動識別技術(shù)：包括條形碼、接觸式IC卡、生物特征識別、光學(xué)字符識別（OCR）以及射頻識別（RFID）等。條形碼（BarCode）技術(shù)：最早產(chǎn)生在20世紀(jì)20年代，由一組規(guī)則排列的條和空、相應(yīng)的數(shù)字組成。其它......7/19/202436整理課件RFIDRFID的應(yīng)用RFID應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，且每種應(yīng)用的實現(xiàn)，都會形成一個龐大的市場，因此可以說射頻識別是一個重要的新的經(jīng)濟(jì)增長點。目前，RFID在票務(wù)系統(tǒng)（城市公交車、高速公路收費、門票等）、收費卡、城市交通管理、安檢門禁、物流、家政、食品安全追溯、藥品、礦井生產(chǎn)安全、防盜、防偽、證件、集裝箱識別、動物追蹤、運動計時、生產(chǎn)自動化、商業(yè)供應(yīng)鏈等眾多領(lǐng)域獲得廣泛重視和應(yīng)用。7/19/202437整理課件RFIDRFID的應(yīng)用第二代身份證7/19/202438整理課件RFID

RFID技術(shù)被認(rèn)為是近30年來10大最具生命力的技術(shù)之一，它正朝著無所不在的方向快速發(fā)展。7/19/202439整理課件“有了無線識別（RFID）技術(shù)，還需要管家嗎？”——胡錦濤2006-04-18美國西雅圖微軟“未來之家”7/19/202440整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的作用確保協(xié)同工作的進(jìn)行，規(guī)模經(jīng)濟(jì)的實現(xiàn)，工作實施的安全性以及其他許多方面RFID標(biāo)準(zhǔn)化的主要目的在于通過制定、發(fā)布和實施標(biāo)準(zhǔn)，解決編碼、通信、空中接口和數(shù)據(jù)共享等問題，最大程度的促進(jìn)RFID技術(shù)及相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)采用過早，有可能會制約技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步；采用過晚，可能會限制技術(shù)的應(yīng)用范圍。7/19/202441整理課件RFID標(biāo)準(zhǔn)涉及的內(nèi)容RFID標(biāo)準(zhǔn)涉及的主要內(nèi)容包括技術(shù)（接口和通信技術(shù)，如空中接口、防碰撞方法、中間件技術(shù)、通信協(xié)議）一致性（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼格式及內(nèi)存分配）電池輔助及與傳感器的融合應(yīng)用（如不停車收費系統(tǒng)、身份識別、動物識別、物流、追蹤、門禁等，應(yīng)用往往涉及有關(guān)行業(yè)的規(guī)范）7/19/202442整理課件RFID標(biāo)準(zhǔn)的分類國際標(biāo)準(zhǔn)：由ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）IEC（國際電工委員會）負(fù)責(zé)制定；國家標(biāo)準(zhǔn)：由工業(yè)與信息化部與國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會負(fù)責(zé)制定；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：有國際、國家的行業(yè)組織制定，例如國際物品編碼協(xié)會（EAN）與美國統(tǒng)一代碼委員會（UCC）制定的用于物體識別的EPC標(biāo)準(zhǔn)；此外，還有涉及道德、倫理、健康、數(shù)據(jù)安全、隱私等的規(guī)范；7/19/202443整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會）制定的RFID標(biāo)準(zhǔn)概況技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC10536、ISO/IEC14443、ISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC15424、ISO/IEC15418、ISO/IEC15434等性能標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC18046、ISO/IEC18047、ISO/IEC10373-6等應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC10374、ISO/IEC18185、ISO/IEC11784等7/19/202444整理課件ISO/IEC制定的RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC10536：密耦合CICC非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)（緊靠）ISO/IEC14443：近耦合PICC非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)<10cmISO/IEC15693：疏耦合VICC非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)約50cmISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)（基于物品管理RFID的空中接口參數(shù)）ISO/IEC18000－1：空中接口一般參數(shù)ISO/IEC18000－2：低于135KHz頻率一般空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－3：13.56MHz頻率下的空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－4：2.45GHz頻率下的空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－6：860－930MHz的空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－7：433MHz頻率下的空中接口參數(shù)7/19/202445整理課件ISO/IEC制定的RFID數(shù)據(jù)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC15424：數(shù)據(jù)載體/特征標(biāo)識符ISO/IEC15424：EAN、UCC應(yīng)用標(biāo)識符及ASCMH10（ANSI標(biāo)準(zhǔn)）數(shù)據(jù)表示符ISO/IEC15424：大容量ADC媒體用的傳送語法ISO/IEC15424：物品管理的唯一標(biāo)識號ISO/IEC15424：數(shù)據(jù)協(xié)議：應(yīng)用接口ISO/IEC15424：數(shù)據(jù)編碼規(guī)則與邏輯存儲功能協(xié)議ISO/IEC15424：射頻標(biāo)簽（應(yīng)答器）的唯一標(biāo)識7/19/202446整理課件ISO/IEC制定的RFID性能標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18046：RFID設(shè)備性能測試方法ISO/IEC18047：有源和無源的RFID設(shè)備一致性測試方法ISO/IEC10373－6：按ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)對非接觸式IC卡進(jìn)行參數(shù)的方法7/19/202447整理課件ISO/IEC制定的RFID應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC10374：貨運集裝箱識別標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18185：貨運集裝箱密封標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC11784：動物RFID的代碼結(jié)構(gòu)ISO/IEC11785：動物RFID的技術(shù)準(zhǔn)則ISO/IEC14223：動物追蹤的直接識別數(shù)據(jù)獲取標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC17363和17364：一系列物流容器（如貨盤、貨箱、紙盒等）識別的規(guī)范7/19/202448整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)和RFID技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)無線通信管理頻譜分布、功率、電磁兼容等內(nèi)容人類健康的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范國際非電離輻射保護(hù)委員會（ICNIRP）所提出的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范數(shù)據(jù)安全的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）隱私問題目前，很多用于物品識別的應(yīng)答器（電子標(biāo)簽）都能支持KILL命令7/19/202449整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介非接觸式IC卡三種非接觸式IC卡標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)卡的類型閱讀器作用距離ISO/IEC10536密耦合（CICC）CCD緊靠ISO/IEC14443近耦合（PICC）PCD<10cmISO/IEC15693疏耦合（VICC）VCD約50cm7/19/202450整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介動物識別標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC11784規(guī)定動物識別的代碼結(jié)構(gòu)ISO/IEC11785規(guī)定相關(guān)的技術(shù)準(zhǔn)則ISO/IEC14223為讀取動物應(yīng)答器內(nèi)的特殊數(shù)字提供了協(xié)議，這些數(shù)字被存儲在集中所有動物數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)庫內(nèi)

7/19/202451整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介物品識別標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000：空中接口的重要標(biāo)準(zhǔn)，無線頻段（頻率）有6個，即低于135kHz，13.56MHz，433MHz，860~960MHz，2.45GHz和5.8GHz。作用距離從數(shù)厘米至十多米不等ISO/IEC18001：給出了應(yīng)答器的外形要求ISO/IEC10374：微波應(yīng)答器的集裝箱識別標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率范圍為850~950MHz以及2.4~2.5GHz，應(yīng)答器的靈敏度以最大電場強(qiáng)度150mV/m定義，最大可閱讀距離為13m7/19/202452整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443近耦合非接觸式IC卡的國際標(biāo)準(zhǔn)用于身份證和各種智能卡、存儲卡ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)由四部分組成，即ISO/IEC14443-1/2/3/4ISO/IEC14443-2射頻能量

7/19/202453整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介ISO/IEC14443-4傳輸協(xié)議TYPEA型PICC激活過程RATSATSPPS（協(xié)議和參數(shù)選擇）請求7/19/202454整理課件6RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC的RFID標(biāo)準(zhǔn)簡介PCD激活TYPEA型PICC7/19/202455整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC15693疏耦合射頻卡（VICC）的國際標(biāo)準(zhǔn)物理特性（機(jī)械特性，物理尺寸，抗紫外線、X射線和電磁射線能力，彎曲和扭曲性能）空中接口與初始化防碰撞和傳輸協(xié)議命令擴(kuò)展安全特性7/19/202456整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC15693空中接口和初始化VCD到VICC的通信7/19/202457整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC15693空中接口和初始化副載波：單副載波時，副載波的頻率423.75kHz；在使用雙副載波時，頻率484.28kHz數(shù)據(jù)速率位表示和編碼：采用曼徹斯特碼編碼方式

VICC到VCD的通信7/19/202458整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)SOFEOF7/19/202459整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議唯一標(biāo)識符（UID）：由制造商永久地設(shè)定應(yīng)用族標(biāo)識符（AFI）：由VCD鎖定的應(yīng)用類型數(shù)據(jù)存儲格式標(biāo)識符（DSFID）：指出了數(shù)據(jù)在VICC內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)CRC：初始值為FFHVICC內(nèi)存結(jié)構(gòu)：可尋址塊達(dá)256個，塊大小可至256位，最大內(nèi)存容量可達(dá)64kb（8kB）。塊安全狀態(tài)：由VICC作為對VCD請求的響應(yīng)參數(shù)返回7/19/202460整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)VICC狀態(tài)斷電（Power-Off）、就緒（Ready）、靜默（Quiet）、選擇（Selected）4種狀態(tài)7/19/202461整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)防碰撞時隙數(shù)為16的典型防碰撞處理過程

7/19/202462整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)防碰撞VCD發(fā)送目錄命令的請求幀，時隙數(shù)設(shè)置為16。VICC1在時隙0返回應(yīng)答，因只有這一個VICC應(yīng)答，故不存在碰撞，它的UID被VCD接收存儲。VCD發(fā)送EOF，指示下一個時隙開始。在時隙1，VICC2和VICC3進(jìn)行應(yīng)答，發(fā)生了碰撞。VCD檢測到碰撞，并記錄該時隙發(fā)生了碰撞。VCD再發(fā)送EOF，進(jìn)入時隙2。7/19/202463整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)在時隙2，無VICC應(yīng)答，VCD未檢測到VICC的應(yīng)答的SOF，因此VCD通過發(fā)送EOF，進(jìn)入時隙3。在時隙3，VICC4和VICC5應(yīng)答，產(chǎn)生了碰撞。VCD決定發(fā)送尋址請求（例如讀塊請求）給VICC1（VICC1的UID已被UCD正確接收）。所有VICC都檢測到對VICC1請求的SOF，它們都處理這個請求，但只有UID匹配的VICC1才返回應(yīng)答，其他的VICC則退出防碰撞序列。所有VICC準(zhǔn)備接收下一個請求。如果又是一個目錄命令的請求，則又從時隙0開始按上面步序執(zhí)行。7/19/202464整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-6標(biāo)準(zhǔn)定義了閱讀器和應(yīng)答器之間的物理接口、協(xié)議、命令及防碰撞機(jī)制。標(biāo)準(zhǔn)包含兩種通信模式：TYPEA和TEPEB。TYPEA模式：數(shù)據(jù)編碼幀格式調(diào)制

7/19/202465整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)編碼幀格式前同步碼、標(biāo)志、參數(shù)、數(shù)據(jù)、CRC7/19/202466整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制命令及狀態(tài)轉(zhuǎn)換INITROUND命令NEXTSLOT命令：確認(rèn)已被識別的應(yīng)答器；指示所有處于循環(huán)激活狀態(tài)的應(yīng)答器對它們的時隙計數(shù)器加1并進(jìn)入下一個時隙NEWROUND命令：指示在循環(huán)準(zhǔn)備和循環(huán)激活狀態(tài)的應(yīng)答器進(jìn)入循環(huán)激活狀態(tài)，復(fù)位它們的時隙計數(shù)器為1，進(jìn)入新的循環(huán)；指示在選擇狀態(tài)的應(yīng)答器變遷到靜默狀態(tài)，在靜默和就緒狀態(tài)的應(yīng)答器仍維持它的狀態(tài)7/19/202467整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)CLOSESLOT命令：STANDBYROUND命令：確認(rèn)來自一個應(yīng)答器的有效應(yīng)答，并指示該應(yīng)答器進(jìn)入選擇狀態(tài)，閱讀器可以發(fā)送選擇標(biāo)志為1的讀寫命令等對此應(yīng)答器進(jìn)行操作；指示所有處于循環(huán)激活狀態(tài)的應(yīng)答器進(jìn)入循環(huán)準(zhǔn)備狀態(tài)，等待NEXTSLOT，NEWSLOT或CLOSESLOT命令的到來，重新進(jìn)入循環(huán)激活狀態(tài)進(jìn)入新的循環(huán)7/19/202468整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制命令及狀態(tài)轉(zhuǎn)換SELECT（bySUID）命令：無論應(yīng)答器原先處于場內(nèi)哪個狀態(tài)（不含離場狀態(tài)），接收到該命令且SUID匹配時進(jìn)入選擇狀態(tài)，并發(fā)回應(yīng)答幀；SUID不匹配的應(yīng)答器不發(fā)回應(yīng)答幀，當(dāng)它處于循環(huán)激活狀態(tài)時變遷到循環(huán)準(zhǔn)備狀態(tài)，處于選擇狀態(tài)時變遷到靜默狀態(tài)，處于就緒、靜默或循環(huán)準(zhǔn)備狀態(tài)時保持狀態(tài)不變READBLOCKS命令：GETSYSTEMINFORMATION命令：獲取應(yīng)答器的有關(guān)系統(tǒng)信息7/19/202469整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)TYPEA的防碰撞過程1、啟動防碰撞過程：閱讀器發(fā)出INITROUND命令啟動防碰撞過程，在命令中給出循環(huán)空間大小2、參與防碰撞過程的應(yīng)答器對命令的處理7/19/202470整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)3、閱讀器發(fā)出INITROUND命令后出現(xiàn)的三種可能情況閱讀器在一個時隙中沒有檢測到應(yīng)答幀時，它發(fā)出CLOSESLOT命令。閱讀器檢測到碰撞或錯誤的CRC時，在確認(rèn)無應(yīng)答器仍在傳輸應(yīng)答的情況下，發(fā)出CLOSESLOT命令。閱讀器接收到一個應(yīng)答器無差錯的應(yīng)答幀時，它發(fā)送NEXTSLOT命令，命令中包括該應(yīng)答器的簽名，對此已被識別的應(yīng)答器進(jìn)行確認(rèn)，使它進(jìn)入靜默狀態(tài)以便循環(huán)的繼續(xù)7/19/202471整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)4、接收到CLOSESLOT命令或NEXTSLOT而簽名不匹配的參與循環(huán)的應(yīng)答器將自己的時隙計數(shù)器加1并和所選擇的隨機(jī)數(shù)比較以決定該時隙是否發(fā)回應(yīng)答幀，并根據(jù)本次循環(huán)時的時隙延遲標(biāo)志決定發(fā)回應(yīng)答幀的時延7/19/202472整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)TYPEA的防碰撞過程5、閱讀器按第（3）步中的三種情況處理，直至該循環(huán)結(jié)束（達(dá)到了循環(huán)空間預(yù)置值）6、一個循環(huán)結(jié)束后，如果在INITROUND命令或CLOSESLOT命令中重復(fù)循環(huán)標(biāo)志位置為1，則自動開始一個新的循環(huán)。如果重復(fù)循環(huán)標(biāo)志位為0，閱讀器可以決定用新的INITROUND命令或NEWROUND命令繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)以完成防碰撞過程7、在一次循環(huán)中，閱讀器可以通過發(fā)送STANDBYROUND命令來確認(rèn)簽名匹配的應(yīng)答器的有效應(yīng)答，并指示該應(yīng)答器進(jìn)入選擇狀態(tài)，同時讓簽名不匹配的應(yīng)答器進(jìn)入循環(huán)準(zhǔn)備狀態(tài)，以便在后續(xù)命令來到時將循環(huán)繼續(xù)。7/19/202473整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)TYPEB（與TYPEA相類比）物理接口命令和應(yīng)答的幀格式數(shù)據(jù)元素應(yīng)答器的存儲器應(yīng)答器的狀態(tài)命令強(qiáng)制和推薦的命令防碰撞算法7/19/202474整理課件RFID

的ISO

IEC標(biāo)準(zhǔn)TYPEBTYPEB防碰撞流程7/19/202475整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC18000-7標(biāo)準(zhǔn)物理層使用窄帶UHF頻段。載波頻率為433.92MHz±20ppm采用FSK調(diào)制方式，頻率偏移為±35kHz，邏輯0的頻率為fc（載波頻率）－35kHz，邏輯1的頻率為fc＋35kHz。數(shù)據(jù)位采用曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)速率為27.7kbps閱讀器和應(yīng)答器之間的通信采用主從方式數(shù)據(jù)鏈路層7/19/202476整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層前同步碼：包含20個周期為60μs的脈沖，高電平30μs，低電平30μs數(shù)據(jù)字節(jié)：包括8個數(shù)據(jù)位和一個停止位，采用曼徹斯特編碼，位持續(xù)時間為36μs，字節(jié)周期（含停止位）為324μs。CRC碼：多項式為x16+x12+x5+1包結(jié)束符7/19/202477整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)命令格式閱讀器命令格式

域命令前綴命令類型擁有者ID應(yīng)答器ID閱讀器ID命令編碼參數(shù)CRC位長字節(jié)（31H）1字節(jié)3字節(jié)4字節(jié)2字節(jié)1字節(jié)N字節(jié)2字節(jié)7/19/202478整理課件RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答格式對廣播命令應(yīng)答的信息格式對點到點命令應(yīng)答的信息格式域應(yīng)答器狀態(tài)信息長度IntID應(yīng)答器ID擁有者ID用戶ID數(shù)據(jù)CRC位長2字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)4字節(jié)3字節(jié)0~16字節(jié)0~N字節(jié)2字節(jié)域應(yīng)答器狀態(tài)信息長度IntID應(yīng)答器ID命令編碼參數(shù)CRC位長2字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)4字節(jié)1字節(jié)N字節(jié)2字節(jié)7/19/202479整理課件什么是ZigBee？傳感網(wǎng)絡(luò)通信的幾個階段和模式：自動控制：電腦＋智能器件；傳感網(wǎng)：網(wǎng)絡(luò)＋傳感器；ZigBee：網(wǎng)絡(luò)＋傳感器＋通信協(xié)議，是一種無線個域網(wǎng)（LR-WPAN）；由于無線通信組網(wǎng)技術(shù)使用的設(shè)備種類繁多，各種設(shè)備的技術(shù)參數(shù)并不相同，所以無線通信組網(wǎng)會經(jīng)常遇到麻煩。但是由于ZigBee制定了相應(yīng)的協(xié)議，所以化解了這一困難。7/19/202480整理課件什么是ZigBee？多信道的無線通信裝置＋微控制器，集成在芯片上封裝。具體就是8位微處理器與射頻收發(fā)模塊封裝，接上電阻、電容、晶振，加上A/D、D/A、I/O接口和控制電路。也有把這些器件都封裝在一起的。再加上相應(yīng)的無線通信（協(xié)議棧）和開發(fā)的應(yīng)用軟件?？梢?，這實際上是一種智能控制節(jié)點，也就是無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。也有人將其稱為“無線單片機(jī)”。ZigBee技術(shù)誕生剛剛4、5年，ZigBee聯(lián)盟是2002年成立的其標(biāo)準(zhǔn)ZigBee1.0是2004年公布的。目前這一技術(shù)發(fā)展很快。7/19/202481整理課件什么是ZigBee？技術(shù)特點：工作頻率：2.4GHz為主要頻段（16格250kbps信道），也可以在915MHz（10個40kbps信道），868MHz（1個20kbps信道）；更重要的是，這幾個頻段都是不需要注冊、批準(zhǔn)的，稱為免許可通信頻段；低速率：幾十Kbps；近距離：幾米－幾十米，最大可以達(dá)到1－3Km，如果需要加大通信和控制距離，可以采用多跳的方式接力；微功耗：速率低、數(shù)據(jù)量小，所以信號的收發(fā)時間很短，多數(shù)時間處于休眠狀態(tài)，所以極其節(jié)能。一般一個節(jié)點使用一節(jié)電池可以工作0.5－2年甚至更長；低復(fù)雜度：ZigBee的協(xié)議棧比WiFi、蘭牙簡單，對于通信的控制要求也不高，通常采用8位單片機(jī)即可。低價格：一般在幾十元甚至更低；7/19/202482整理課件什么是ZigBee？短延時：ZigBee從休眠狀態(tài)激活，或者活動設(shè)備的信道接入時延一般在15，設(shè)備搜索的時延在30ms。所有也適合于工業(yè)控制和無線控制技術(shù)；組網(wǎng)靈活：通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成星狀、樹狀、網(wǎng)狀等各種類型的網(wǎng)絡(luò)，非常靈活，同時允許設(shè)備的加入、退出，并且改變網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)；采用載波偵聽/沖突檢測CSMA/CA、握手傳輸，所以數(shù)據(jù)的傳輸可靠；7/19/202483整理課件什么是ZigBee？大容量：ZigBee可以有三種工作方式，即個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以包含256個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括一個主控設(shè)備，其余是從屬設(shè)備。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，則可以支持64000個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還可以相互連接，所以適合大面積的傳感器網(wǎng)絡(luò)；適于網(wǎng)絡(luò)的自配置：ZigBee可以采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動建立網(wǎng)絡(luò)，絕對數(shù)北可以隨時加入和退出，適于自配置、自組織的網(wǎng)絡(luò)7/19/202484整理課件什么是ZigBee？安全模式：提供循環(huán)冗余（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性校驗，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，通過三級安全處理：第一級：無安全方式；第二級：設(shè)備可以使用接入控制列表（ACL）防止非法設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，本級不加密；第三級：在數(shù)據(jù)傳輸中采用AES－128的對稱密碼來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷，防止攻擊者假冒合法設(shè)備；7/19/202485整理課件什么是ZigBee？由于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，可能使ZigBee得到極廣泛的應(yīng)用，如家庭、辦公室、公共場所等地方。ZigBee是得到國際標(biāo)準(zhǔn)化組織承認(rèn)和規(guī)范的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)或者傳感網(wǎng)的重要應(yīng)用。7/19/202486整理課件ZigBee的應(yīng)用智能家居：可以把各種家用電器及其遙控器，甚至照明、通信設(shè)備、門禁、游戲玩具，都可以組成家庭的智能中心，并且實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)；智能交通：在街道、高速公路、建筑物等地布置大量的ZigBee節(jié)點設(shè)備，可以加強(qiáng)汽車與外界的聯(lián)系更加緊密，國家智能化；智能建筑：建筑內(nèi)的人員管理、溫度控制、能源管理（節(jié)能）、防火、信息交互等；醫(yī)院應(yīng)用：搜集病人的各種信息和檢查的結(jié)果，配有ZigBee的擔(dān)架，可以直接控制電梯的門；7/19/202487整理課件ZigBee的協(xié)議架構(gòu)－802.15協(xié)議簇LR-WPAN：無線個域網(wǎng)，屬于低速無線個域網(wǎng)，協(xié)議屬802.15：IEEE802.15.1：中速無線個域網(wǎng)，蘭牙；IEEE802.15.3：高速無線個域網(wǎng)，超寬帶，（UWB）IEEE802.15.4：低速無線個域網(wǎng)，LR-WPAN，主要為電源能力受限、吞吐量要求不高、無線應(yīng)用提供低成本的連接；7/19/202488整理課件ZigBee的協(xié)議架構(gòu)－802.15協(xié)議簇IEEE-802.15.4共27個信道：2450MHz16g個,915MHz10個，868MHz1個；支持250kbps、40kbps、20kbps三種速率；支出星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和點對點的對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；分配16位短地址或16位擴(kuò)展地址；支持時隙保證機(jī)制，通過預(yù)留保證時隙（GTS）提供無競爭媒體訪問，或?qū)崿F(xiàn)CSMA/CA以避免競爭；確認(rèn)握手保證傳輸?shù)目煽啃?；低功耗，可以能量檢測；有鏈路質(zhì)量指標(biāo)；7/19/202489整理課件ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹稹稹稹瘛瘛瘛瘛瘛馪AN協(xié)調(diào)器○●○PAN協(xié)調(diào)器LR-WPAN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜喕δ茉O(shè)備RFD全功能設(shè)備FFD●星狀拓?fù)潼c對點對等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/19/202490整理課件ZigBee的簇樹網(wǎng)絡(luò)－多個鄰近簇連接成網(wǎng)●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●○○○○○○PAN協(xié)調(diào)器CID1CID2CID3CID4CID5簇首設(shè)備ZigBee的簇樹網(wǎng)絡(luò)7/19/202491整理課件ZigBee協(xié)議架構(gòu)ZigBee協(xié)議包括：IEEE802.15.4：物理層協(xié)議；媒體訪問控制層：MAC；ZigBee聯(lián)盟：網(wǎng)絡(luò)層（NWK）應(yīng)用層（APL