RFID通信技术精讲.ppt

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1、1.1 RFID与物联网什么是物联网? ?英文名称“The Internet of things”，简单而言，是物物相连的互联网。有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。定义：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网中非常重要的技术是RFID电子标签技术。 1.1 RFID与物联网在物联网中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，

2、而无需人的干预。实质：利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别， 进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享， 实现对物品的“透明”管理。1.2 什么是RFID技术？RFID(Radio Frequency Identification)，射频识别技术，又可称电子标签，无线射频识别，感应式电子晶片，近接卡、感应卡、非接触卡、电子条码等。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识

3、别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。 1.3 RFID的发展历程19411950：雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了RFID技术的理论基础；19511960：早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究；19611970：技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试；19

4、711980：技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速，出现了一些最早的RFID应用；19811990：RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现；19912000：标准化问题日趋得到重视，产品得到广泛采用，逐渐成为人们生活中的一部分； 2001今：RFID产品种类更加丰富，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。RFID技术的理论得到丰富和完善。1.4 RFID技术的特点射频识别技术具有体积小、信息量大、寿命长、可读写、保密性好、抗恶劣环境、不受方向和位置影响、识读速度快、识读距离远、可识别高速运动物体、可重复使用等特点，支持快速读写、非可视识别、多目标识

5、别、定位及长期跟踪管理。RFID技术与网络定位和通信技术相结合，可实现全球范围内物资的实时管理跟踪与信息共享。 RFID是一种突破性的技术：可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。1.4 RFID技术的特点类别信息载体信息量读写性读取方式保密性智能化抗干扰寿命成本条码条码纸、塑料薄膜、金属表面小只读CCD或光束扫描差无差较短最低磁卡磁卡磁性物质一般读/写电磁转换一般无较差短低ICIC卡卡EEPROM大读/写电擦除、

6、写入好有好长较高RFIDRFID卡卡EEPROM大读/写无线通信好有很好最长较低1.5 RFID的通信机制RFID构成？： Tag 电子标签Reader 读写器Antenna 天线通信原理：在射频识别系统中，射频标签与读写器间，通过两者间的天线架起空间电磁波传输的通道，通过电感耦合或电磁耦合的方式，实现能量和数据信息的传输。1.5 RFID的通信机制目 录4.RFID技术的应用案例技术的应用案例3.RFID技术的发展现状和前景技术的发展现状和前景2.RFID的通信技术的通信技术1.RFID技术简介技术简介Review：OSI参考模型？ OSI模型 IEEE802传输层网络层物理层数据链路层表示

7、层应用层会话层LLCMAC2.1 物理层的相关技术物理层处于系统的最底层，是整个系统的基础。主要功能：为数据终端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。其完成一次数据传输，包括激活物理设备，传送数据，终止物理连接。物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务，一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽，以减少信道上的拥塞。传输数据的方式能满足点到点，点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要，完成物理层的一些管理工作。2.2 MAC层RFID系统的基本工作流程？：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发

8、射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活；标签将自身携带的数据编码等信息通过标签内置天线发送出去；读写器接收天线接收到从标签发送来的载波信号，读写器对接收到的信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理。如果只有一个射频标签位于阅读器的可读范围内，将不需要其他的命令形式就可以直接进行识读。但是，通常阅读器的激活范围内会有多个射频标签同时发送数据，将会相互干扰形成所谓的数据冲突，使得通信失败，浪费有限的带宽，降低信道的利用率，增加射频标签的接入延时。射频识别系统通常用通信方式方式一：从阅读器到应答器的数据传输，发送的数据流同时被所有的应答器接收。这如同数百个无线电广播接收机同时接收

9、一个发送信息相类似，而信息是由一个无线电广播发射机发射的，也被称为“无线电广播”；方式二：在阅读器的作用范围有多个应答器的数据同时传输给阅读器，这种通信方式称为多路存取。RFID的MAC协议RFID系统的主要目的是读取射频标签所含有的信息。在多路访问控制信道上，确定下一个使用者的协议属于数据链路层的一个子层，称为MAC（介质访问控制）子层。MAC层主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据时，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息是否发生传输错误，如果没有错

10、误，则去掉控制信息发送至逻辑链路控制（LLC）子层。其核心是相互竞争的用户间如何分配同意信道资源。为了尽量避免信道冲突的发生，RFID系统中需要在MAC层设计防冲突算法。通信冲突解决基本方法在通信技术中，通信冲突问题是长久以来存在的问题，但同时也已研究了许多相应的解决方法。这些方法大致可分为如下四种：空分多址(SDMA)、频分多址(FDMA)、码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)。防冲突算法的设计和选取与实际应用系统密切相关，需要具体问题具体分析。防冲突基本方法（1）空分多路法（SDMA）：在分离的空间范围内重新使用确定的资源（通路容量）的技术。（2）时分多路法（TDMA）：把整个可供使

11、用的通路容量按时间分配给多个用户的技术。（3）频分多路法（FDMA）：把若干个使用不同载波频率的传输通路同时提供给通信用户使用的技术。（4）码分多路法（CDMA）：允许所有使用者同时使用全部频带(1.2288Mhz)，且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞问题。基于时间片的多址接入（TDMA）该技术把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户，它在数字移动无线电系统的范围内得到广泛的推广。该方法又分为标签控制和识读器控制两种方法标签控制法的工作是非同步的，因为这种方法中识读器没有参与数据的传输控制，这种控制法很慢而且不灵活。因此大多数RFID系统采用由识读器作为主控制器的控制方

12、式。通过设计合理的算法，在识读器的作用范围内，从所有应答器中选择其中一个应答器，然后进行相互通信，这里所有的标签同时由阅读器进行控制和检测，控制灵活，接入效率较高。考虑到标签的功耗，低存储性能，低价格，尽量少的计算能力等，TDMA是目前RFID系统使用最多的一种防冲突方法。2.3 基于时间片的多址接入算法纯ALOHA纯Aloha协议又称为Aloha技术、Aloha网，是世界上最早的无线电计算机通信网，是20世纪70年代初研制成功的一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络。纯ALOHA的信道不设置间隙，也没有网络同步信号。各个站点在需要发送的时候即向信道发送信息，当发生冲突时，各站点随机延迟一个

13、时间段后重发已经发生冲突的数据，如再次发生冲突，则再延迟一个更大的时间后重发，如此反复，直至发送成功。纯ALOHA方法首先阅读器发出读指令，处于射频区的多个应答器收到指令后，立即在随后的几个时隙中随机选择个将信息上传给阅读器，并且应答器会在一个周期的循环时隙内完成数据的上传。加大时隙数量可以降低终端发生冲突的概率，但是信道多数时间将处于空闲的状态，意味着防冲突识别的速度变慢；反之，减小时隙数量，会导致RF终端的冲突明显增加。只适用于简单的系统 （如只读RF系统）。时隙ALOHA算法（SA）1972年，Roberts发表了一种能将纯ALOHA系统的容量加倍的方法，是对纯ALOHA的机一部改善。将

14、时间分为离散的间隔，每个间隔对应一个分组，这种方法要求有接入需求的节点遵守同意的时隙边界，每一个需要发送的数据都要等到下一个时隙的开始时刻才开始发送，这样只有在同一时隙内到达的分组才会发生冲突，与纯ALOHA相比冲突明显减少。时隙ALOHA算法（SA）1、时间域被分为离散的时间间隔，即时隙；2、标签发送信息的起始点不能任意，只能在一个时隙的起始点；3、标签传送的信息要么不冲突，要么完全冲突；4、标签信息的发送需要阅读器对其进行同步；5、与纯算法相比，冲突的区间缩小了一半，信道利用率提高了一倍。避免冲突纯ALOHA与时隙ALOHA的吞吐率比较吞吐率是一种关于数据通信系统的数据传输率的测度，吞吐率

15、通常是对一个系统与它的部件处理传输数据能力的总体评价。对于RFID系统，当吞吐率=1时，即在传输期间无冲突地传输数据包；当=0时，表示数据没有发送或者是由于冲突不能准确地读出传输的数据。二进制搜索算法核心思想：识读器根据冲突的信号，按照二叉树深度优先搜索的思想，逐步缩小范围，搜索符合条件的标签，直到找到规定的射频标签。为了使识读器能辨认出发生冲突比特位的准确位置，采用Manchester编码。Manchester编码该编码使用电平的改变（上升沿0/下降沿1）来表示数值位。若无状态跳变，视为非法数据，作为错误被识别。当两个或多个标签同时返回的数位有不同之值时，上升沿和下降沿互相抵消，以致无状态跳

16、变，识读器可知该位出现冲突，产生错误，应进一步搜索。Manchester编码假设有3个射频标签，ID为8位，利用Manchester编码按位识别出冲突位，如下图。三个标签同时发送数据，识读器检测出D4，D3，D1位发生冲突。基本命令Request请求：发送一个命令给识读器工作区域内的射频标签。标签把自己的ID与接收的参数相比较，若小于或等于，则此标签回送给其ID给识读器。Select选择：发送一个参数给射频标签。具有相同ID的标签将此作为执行其他命令的切入开关，即此标签被选择。Read-Date读出数据：被选中的射频标签将存储的数据发送给识读器。Unselect去选择：取消一个原来选中的射频标

17、签，标签进入“无声”状态。在这种状态下标签完全是非激活的，对收到的Request命令暂不作应答，过一段时间再继续等待接收Request命令。算法原理1、首先，识读器发送Request（11111111）命令，要求区域内所有标签应答；2、检测有无冲突发生，若有，则确定发生冲突的最高位；3、冲突发生时，将冲突的最高位置0，高于该位的数值不变，低于该位的数值全部置为1，得到下一次Request命令所需的参数；4、每次顺利读取某个标签之后，最近一次发生冲突的且尚未成功分解的Request命令参数，识别此节点的另外一个分支，这样不断重复操作，直到所有发生冲突的标签识别完以后，再识别后来到达识别器作用范围

18、内的标签。2.4 载波侦听类接入协议CSMA在局域网中，载波侦听类协议CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA是应用比较广泛的协议。载波侦听多址接入（CSMA）是对时隙ALOHA协议的改进，改进的方法是在每个站点上增设硬件用于侦听其他站发送的载波信号。载波侦听信息的作用是减少冲突时间。为了使载波侦听有效，必须缩短传播时延使它小于分组传输时间。否则因载波侦听的信息到达时间太晚而失去完成任务的作用。采用载波侦听的接入协议具有时隙ALOHA协议的大部分特性，另外增加了以载波侦听信息为依据进行判决的功能。载波侦听信息的使用方法可分为非持续型和P持续型协议。这两种协议的操作又可分为时隙或非时隙型操作。2

19、.5 阅读器网络协议概述随着RFID技术应用的快速发展，RFID应用范围越来越广，整个系统规模越来越大，传统的单个阅读器读取多个标签的系统模型已经不能满足用户的需求。一些大型的RFID系统往往需要配置成百上千阅读器来覆盖所有的标签，而这些阅读器需要得到有效的控制盒管理，阅读器网络协议应运而生。阅读器网络协议定义了阅读器和应用程序之间的通信，通过阅读器网络协议，使用者能够便捷地控制整个网络中的所有阅读器。同时，可以对阅读器读取到的海量数据进行有效的筛选，去除冗余部分，从而使整个RFID系统更有效地工作。目前阅读器通信协议主要有2个，由Auto-ID中心指定的Reader Protocol和由IE

20、TF制定的SLRRP，它们有各自的特点，并被不同的生产商所使用。目 录4.RFID技术的应用案例技术的应用案例3.RFID技术的发展现状和前景技术的发展现状和前景2.RFID的通信技术的通信技术1.RFID技术简介技术简介只要通过RFID Reader即可，不需接触，直接读取信息至数据库内，且可一次处理多个标签，并可以将物流处的状态写入标签，供下一阶段物流处理使用。纸张收到脏污就会看不到，但RFID对水、油和药品等物质却有强力的抗污性。RFID在黑暗或脏污的环境中也可以读取数据。形状小型化和形状小型化和多样化多样化RFID为电子数据，可以反复被覆写，因此可以回收标签重复使用。如被动RFID，不

21、需要电池就可以使用，没有维护保养的需要。数据容量会随着记忆规格的发展而扩大，未来物品所需携带的资料将越来越大，对卷标所能扩充的容量的需求也增加，RFID则不会受到此类限制。数据记忆量大数据记忆量大数据的读写机能数据的读写机能耐环境性耐环境性可重复使用可重复使用RFID在读取上尺寸不受大小与形状限制，不需要为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。因此，RFID电子标签便可往小型化与应用在不同产品。因此，可以更加灵活的控制产品的生产。3.1 RFID的优势3.2 RFID技术的发展现状标准化低成本低差错率高安全性行业标准以及相关产品标准还不统一，电子标签迄今为止全球也还没有正式形成一个统一的

22、(包括各个频段)国际标准。目前美国一个电子标签最低的价格是20美分左右，这样的价格是无法应用于某些价值较低的单件商品，只有电子标签的单价下降到10美分以下，才可能大规模应用于整箱整包的商品。虽然在RFID电子标签的单项技术上已经趋于成熟，但总体上产品技术还不够成熟，还存在较高的差错率(RFID被误读的比率有时高达20)，在集成应用中也还需要攻克大量的技术难题。当前广泛使用的无源RFID系统还没有非常可靠的安全机制，无法对数据进行很好的保密，RFID数据还容易受到攻击，主要是因为RFID芯片本身，以及芯片在读或者写数据的过程中都很容易被黑客所利用。3.3 射频识别在我国的发展我国RFID技术起步

23、较晚，标准也尚未统一，应用领域较国外也相对局限，并且对于RFID在企业信息化等领域中的应用，尚处在探索阶段。我国RFID的频段划分工作难度较大，主要是在UHF 800900 MHz这个频段。因为我国在800900 MHz的频段都有了频率规划，包括公共通讯、立体声广播传输等业务，已经基本上没有空闲的频率留给RFID业务。在2007年出台的800900 MHz频段射频识别(RFID)技术应用规定(试行)中对我国RFID使用频率划分了双频段，除了和点对点立体声广播共用920925 MHz频段外，还从800 MHz频段中划出了840845MHz供使用。在标准的制定过程中，我国要么自主制定自己的技术标准

24、，要么承认欧美或日本的标准，但这些都不是最好的国际化发展策略。因为自己制定标准固然可以使企业节省不少标准使用费，但中国正在成国世界的“制造中心”很多产品要出口到国际市场， 我们不能期望国际市场都来支持中国的标准， 所以中国政府应根据中国国情制定一套既能与国际兼容，又具有中国特色的标准， 有利于缩小在RFID 领域与国际技术差距，为中国的企业在RFID领域争取更多的主动权。3.4 RFID的发展前景 目前，RFID已逐渐应用于智能交通、产品防伪、身份识别等领域，并逐渐走进了我们的日常生活，如在北京2008年奥运会的门票管理以及上海等城市的交通一卡通系统等。RFID射频识别技术已经逐步发展成为独立

25、跨学科的专业领域。RFID射频识别技术将大量的来自完全不同的专业领域的技术（例如，高频技术、电磁兼容技术、半导体技术、数据保护和密码学技术、电信技术、制造技术等）综合起来。近十多年来，RFID射频识别技术得到了快速发展，逐步被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多的溯源溯源和防伪防伪应用领域。而随着技术进步，基于RFID射频识别技术产品的种类将越来越丰富，应用也将越来越广泛，可预计，在今后的几年中，RFID射频识别技术将持续保持高速发展的势头。总体而言，RFID射频识别技术当前发展趋于标准化、低成本、低差错率、高安全性、低功耗。3.4 RFID技术的发展前景在不久的将来，随着

26、RFID设备成本的不断降低，标准的逐步统一，数字信息技术在各行业的深入广泛应用，规模应用行业的扩大，RFID技术将会有更广阔的发展前景，其潜在的价值将会发挥出来，RFID 技术产业将逐步壮大与成熟。目 录4.RFID技术的应用案例技术的应用案例3.RFID技术的发展现状和前景技术的发展现状和前景2.RFID的通信技术的通信技术1.RFID技术简介技术简介4.1 美国技术创新博物馆利用RFID技术拓展参观者体验 加州技术创新博物馆使用RFID技术来拓展和增强参观者的参观体验。他们给前来参观的访问者每人一个RFID标签，使其能够在今后其个人网页上浏览此项展会的相关信息；这种标签还可用来确定博物馆的

27、参观者所访问的目录列表中的语言类别。由于其他参观者的影响以及时间限制等问题，参观者并不能够像其所期望的能够很好的了解和学习较多的与展示相关的知识。事实上，美国明尼苏达州的科技博物馆曾对此进行调查并指出平均每个参观者参观科技博物馆中的每个陈列展品所用的时间约为30秒钟。通过使用RFID标签来自动的创造出个人化的信息网页，参观者便可以选择在其方便的时候在网页上查询某个展示议题的相关资料，或者找寻博物馆中的相关资料文献。在参观结束之后，参观者还可以在学校或家中通过网络访问网站my.thetech.org并键入其标签上一个16位长的ID号码并登陆。这样他们就可以访问其独有的个人网页了。 4.1 美国技

28、术创新博物馆利用RFID技术拓展参观者体验 这种RFID腕圈很像一个带有饰物的手链。它是由一个三英寸长一英寸宽的黑色橡皮圈将该博物馆的标签固定住的。每一个RFID标签都有一个特有的16位长的数字密码粘贴在饰物上面。 对于用户来说，他们根本不需要提供任何的邮箱地址或其它类似的信息，他们只需要提供一个16位长的数字密码就可以直接登陆到他们的个人网页。 4.1 美国技术创新博物馆利用RFID技术拓展参观者体验 4.2 商品防伪五粮液在酒瓶盖上集成小型超高频电子标签，实现酒类防伪功能。标签天线标签天线单瓶级验证单瓶级验证4.3 RFID在育种中的应用在现代化，标准化，规模化的种子基地生产中，为了方便种

29、子成熟后的收获及后期入库和运输，制种基地需要一定的种子生产配套设施（育种小车）减少收种过程中的人为混杂及机械混杂。同时记录下种子的重量，含水量，植株高度等相关信息；根据这些信息对种子进行初步的分装处理提高生产效率。通过内置的信息管理系统记录种子信息。功能描述电子衡器 测距仪器 水分测定仪 RFID 打包机 GPS 通过育种小车的输入设备将数据保存到信息管理系统中4.3 RFID在育种中的应用RFID技术是数据自动收集、识别、定位系统的一部分， RFID技术的应用可以大幅提高育种运作效率，通过天线与RFID电子标签进行无线通信，可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写入操作。可以加快种子出入库时间，减少现场操作人员，实现快速而精确的库存盘点，实现准确定位跟踪。4.4 RFID技术的其它应用案例？门禁管制： 人员出入门禁监控管理动物监控： 畜牧动物管理、宠物识别、野生动物生态的追踪交通运输： 高速公路的收费系统物流管理： 航空运输的行李识别，存货、物流运输管理医疗应用： 医院的病历系统、仪器仪表设备管理物料管控： 工厂物料的自动化盘点及控制系统质量追踪： 成品质量追踪、回馈资源回收： 栈板、可回收容器等管理防盗应用： 超市、图书馆或书店的防盗管理防仿假冒： 名牌烟酒及贵重物品的打假防伪联合票证： 多种用途的智能型储值卡、一卡通等危险物品： 军械枪支、雷管炸药管制The End！