1、第四章 物聯網RFID系統概論 射頻識別射頻識別（RFIDRFID）技術是一種非接觸式的自動識）技術是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號的空間耦合實現非接觸式的信息別技術，通過射頻信號的空間耦合實現非接觸式的信息傳遞，從而達到識別的目的。在物聯網中，物品能夠彼傳遞，從而達到識別的目的。在物聯網中，物品能夠彼此進行此進行“交流交流”，其實質就是利用射頻自動識別（，其實質就是利用射頻自動識別（RFIDRFID）技術。技術。RFIDRFID技術與互聯網、通信等技術相結合，可實現技術與互聯網、通信等技術相結合，可實現全球范圍內的物品跟蹤與信息共享。全球范圍內的物品跟蹤與信息共享。主要內容n4.1

2、 自動識別技術簡介n4.2 射頻識別系統組成n4.3 RFID系統的分類n4.4 RFID系統使用的頻率n4.5 本章小結4.1 自動識別技術簡介 識別也稱辨識，是指對不同事物差異的區分。自動識別通常指采用機器進行識別的技術，目的是提供個人、動物、貨物、商品等信息。自動識別包括條形碼、生物特征識別、射頻識別等。n條形碼 1.概念 條形碼是由一組按照一定規則排列的條、空和相應的數字組條形碼是由一組按照一定規則排列的條、空和相應的數字組成，用以表示一定信息的圖形標識符。成，用以表示一定信息的圖形標識符。條形碼 4.1 自動識別技術簡介2.條形碼的工作原理 要將條形碼轉換成有意義的信息，需要經歷掃描

3、和譯碼兩個過程。根據工作原理的差異，掃描器可以分為光筆、CCD、激光三種。當條形碼掃描器光源發出的光在條形碼上反射后，反射光照射到條形碼掃描器內部的光電轉換器上，光電轉換器根據反射光信號強弱的不同，轉換成相應的電信號。 電信號輸出到條形碼掃描器的放大電路增強信號之后，再送到整形電路將模擬信號轉換成數字信號，根據條和空的寬度不同，相應轉換的電信號持續時間長短也不同。然后譯碼器通過測量脈沖數字電信號0和1的數目來判別條和空的數目，通過測量0和1信號連續的個數來判別條和空的寬度。要知道條形碼所包含的信息，還需根據對應的編碼規則（如EAN-8碼），將條形符號換成相應的數字和字符信息。 最后，這些信息由

4、計算機管理系統進行相應數據處理，物品的詳細信息就可以被識別了。4.1 自動識別技術簡介3.條形碼的優缺點 條形碼優點：條形碼優點： （1）條形碼易于制作，對印制設備和材料無特殊要求，成本低廉，易于推廣； （2）條形碼采用激光讀取信息，數據輸入速度快，識別準確； （3）識別設備結構簡單、操作容易，無須專門訓練。條形碼也存在如下缺點：條形碼也存在如下缺點： （1）條形碼必須對著掃描儀才能成功讀取條形碼信息。 （2）如果印有條形碼的橫條或者標簽被撕裂、無損或者脫落，就無法識別這些商品。 （3）條形碼只能識別制造商和產品類別，而不是某一件具體唯一的商品。4.1 自動識別技術簡介n生物特征識別技術 生物

5、特征識別技術主要是指通過人的生理特征和行為特征對其生物特征識別技術主要是指通過人的生理特征和行為特征對其身份進行識別的技術，通常有身份進行識別的技術，通常有語音識別、指紋識別、人臉識別、虹語音識別、指紋識別、人臉識別、虹膜識別膜識別等。等。1.語音識別 語音識別的原理是：將說話人的聲音變成數字信號，將其聲音特征與已存儲的某說話人的參考語音進行比較，以確定這段話是否為已存儲語音信息的某個人的聲音，借此證實說話人的身份。2.指紋識別 指紋識別在各類生物識別方法中是應用較早的。人類手指上的條狀紋路通常由交替出現的寬度大致相同的脊和谷組成，通過分析指紋的全局和局部特征，從中抽取特征值進行比對識別。目前

6、，指紋采集與比對系統已經廣泛應用。4.1 自動識別技術簡介3.人臉識別 人臉識別的原理是：通過將已經存儲的人臉圖像與人的面部特點和表情的分析比較，達到自動識別的目的。 人臉識別具有非侵犯性好、安全性高、應用環境廣泛等特性，在身份認證方面具有獨特的優勢。 基于人臉識別的身份認證系統的優點主要有： （1）可有效防止冒名頂替行為，由于活體身份認證，不是對應人員則無法通過身份認證； （2）提高身份認證準確性，驗證時間小于1s，人臉識別認假率可低于0.001% 4.1 自動識別技術簡介n射頻識別（RFID） 射頻識別系統的識別信息存儲在電子載體（標簽）之中，通過射頻識別系統的識別信息存儲在電子載體（標簽

7、）之中，通過無線電波實現非接觸的識別過程。無線電波實現非接觸的識別過程。RFID系統以電子標簽來標識某個物體，電子標簽的天線通過電磁場將物體的數據發射到附近的讀寫器，讀寫器對接收到的數據進行收集和處理。 一種典型的物聯網一種典型的物聯網RFIDRFID結構如圖所示，其中最主要的部分包括結構如圖所示，其中最主要的部分包括電子標簽和讀寫器。電子標簽和讀寫器。4.1 自動識別技術簡介n射頻識別發展歷程 RFID在歷史上的首次應用可以追溯到第二次世界大戰，探詢器根據接收到的回傳信號來識別敵我。 20世紀70年代末期，美國政府通過Los Alamos科學實驗室將RFID技術推廣到民用領域。 21世紀，R

8、FID標準初步形成，極大推動了RFID的研究和應用。 目前，RFID在票務系統、收費卡、城市交通管理、安檢門禁、物流、食品安全追溯、礦井生產安全、防盜、防偽、證件、生產自動化、商業供應鏈等眾多領域獲得了廣泛重視和應用。 RFID系統在識別的基礎上可以完成收費、顯示、控制、信息傳輸、數據整合、存儲和挖掘等功能，因此RFID應用領域廣泛，而且每種應用的實現都會形成一個龐大的市場。4.1 自動識別技術簡介n射頻識別的優勢 在在RFIDRFID實際應用中，電子標簽附著在待識別物體的表面，其中保實際應用中，電子標簽附著在待識別物體的表面，其中保存著約定格式的電子數據。存著約定格式的電子數據。RFIDRF

9、ID系統顯示出了比條形碼更大的優勢：系統顯示出了比條形碼更大的優勢： （1）RFID可以識別單個非常具體的物體，而條形碼僅能夠識別物體的類別，例如，條形碼可以識別這是某品牌的瓶裝白酒，但是不能分出是哪一瓶； （2）RFID采用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數據，而條形碼是靠激光來讀取外部數據的； （3）RFID可以同時對多個物體進行識別（即具有防碰撞能力），而條形碼只能一個一個地讀取； （4）RFID的電子標簽可存儲的信息量大，并可進行多次改寫； （5）RFID易于構建網絡應用環境，對于商品貨物而言，可構建所謂的物流網。4.2 射頻識別系統組成 RFID RFID系統基本都是由讀寫器和電子標

10、簽組成，通常還包含上層的系統基本都是由讀寫器和電子標簽組成，通常還包含上層的管理系統（或稱為系統高層）。管理系統（或稱為系統高層）。 AntennaReaders & Printers etcMiddleware“Edge Server”Business ApplicationsTags, Bar Codes etc標簽標簽(Tag)(Tag)：由耦合元件及芯片組成，每：由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象；體上標識目標對象；天線天線(Antenna)(Antenna)：在：在標簽和讀取器間傳遞標簽和讀取器間傳遞射頻信號。

11、射頻信號。閱讀器閱讀器(Reader)(Reader)：讀取：讀取( (有時還可以寫入有時還可以寫入) )標標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式。簽信息的設備，可設計為手持式或固定式。典型的閱讀器包含有高頻模塊典型的閱讀器包含有高頻模塊( (發送器和接收發送器和接收器器) )、控制單元、振蕩電路以及閱讀器天線幾、控制單元、振蕩電路以及閱讀器天線幾部分。部分。 RFID的應用系統架構13RFID系統工作原理 1、電子標簽、電子標簽 RFID系統構件系統構件標簽標簽 電子標簽（電子標簽（Electronic Tag）也稱也稱應答器或智能標簽（）也稱也稱應答器或智能標簽（Smart Label），

12、是一個微型的無線收發裝置，主要由內置天線和芯片組成。電），是一個微型的無線收發裝置，主要由內置天線和芯片組成。電子標簽是射頻識別系統的數據載體，存儲著被識別物品的相關信息。子標簽是射頻識別系統的數據載體，存儲著被識別物品的相關信息。 2、讀寫器、讀寫器 讀寫器組成示意圖讀寫器組成示意圖 讀寫器是一個捕捉和處理讀寫器是一個捕捉和處理RFID標簽數據的設備，它可以是單獨的個體，標簽數據的設備，它可以是單獨的個體，也可以嵌入到其他系統之中。讀寫器也是構成也可以嵌入到其他系統之中。讀寫器也是構成RFID系統的重要部件之一，系統的重要部件之一，由于它能夠將數據寫到由于它能夠將數據寫到RFID標簽中，因此

13、稱為讀寫器。標簽中，因此稱為讀寫器。讀寫器的硬件部分通常由讀寫器的硬件部分通常由收發機、微處理器、存收發機、微處理器、存儲器、外部傳感器儲器、外部傳感器/執行執行器，報警器的輸入器，報警器的輸入/輸出輸出接口、通信接口及電源接口、通信接口及電源等部件組成。等部件組成。3、上層管理系統 上層管理系統管理RFID系統中的多個讀寫器，通常它可以通過一定的接口向讀寫器發送命令。在實際應用中，上層管理系統還包含有數據庫，存儲和管理RFID系統中的數據。同時，根據不同的應用需求提供不同的功能或相應接口。4.3 RFID系統的分類Many ways RFID系統分類系統特征系統分類工作方式全雙工系統半雙工系

14、統時序系統數據量1位系統多位系統可否編程可編程系統不可編程系統數據載體IC系統表面波系統運行情況狀態機系統微處理器系統能量供應有源系統無源系統工作頻率低頻系統中高頻系統微波系統數據傳輸電感耦合系統電磁反向散射耦合系統信息注入方式集成電路固化式現場有線改寫式讀取信息手段廣播發射式系統倍頻式系統反向調制式作用距離密耦合系統遙耦合系統遠距離系統系統特征低檔系統中檔系統高檔系統按工作方式劃分n全雙工系統n在全雙工系統中，數據在閱讀器和電子標簽之間的雙向傳輸是同時進行的，并且從閱讀器到電子標簽的能量傳輸是連續的，與傳輸的方向無關。n半雙工系統n在半雙工系統中，從閱讀器到電子標簽的數據傳輸和電子標簽到閱讀

15、器的數據傳輸是交替進行的，并且從閱讀器到電子標簽的能量傳輸是連續的，與傳輸的方向無關。n時序系統n在時序系統中，從電子標簽到閱讀器的數據傳輸是在電子標簽的能量供應間歇時進行的，而從閱讀器到電子標簽的能量傳輸總是在限定的時間間隔內進行。因此系統必須有足夠大容量的輔助電容器或輔助電池對電子標簽進行能量補償。按照RFID系統的數據量劃分n1位系統n1位系統的數據量為1位。n該系統中閱讀器能夠發出兩種狀態的信號“在閱讀范圍內有電子標簽”和“在閱讀范圍內沒有電子標簽”。n其主要應用在百貨商場和商店中的商品防盜系統中。n多位系統n多位系統中電子標簽的數據量通常在幾個字節到幾千個字節之間。n按照讀取信息手段

16、進行分類 1.廣播發射式射頻識別系統 廣播發射式射頻識別系統實現起來最簡單。電子標簽必須采用有源方式工作，并實時將其存儲的標識信息向外廣播，讀寫器相當于一個只收不發的接收機。這種系統的缺點是標簽必須不停地向外發射信息，造成能量浪費和電磁污染。2.倍頻式射頻識別系統 讀寫器發出射頻查詢信號，電子標簽返回的信號載頻為讀寫器發出的射頻的倍頻。對于無源電子標簽，電子標簽將接收的射頻能量轉換為倍頻回波載頻時，其能量轉換效率較低。提高轉換效率需要較高的微波技巧，電子標簽成本更高；且系統工作需占用兩個工作頻點。3反射調制式射頻識別系統 讀寫器發出微波查詢信號，電子標簽（無源）將部分接收到的微波能量信號整流為

17、直流電，以供電子標簽內的電路工作，另一部分微波能量信號將電子標簽內保存的數據信息進行調制（ASK）后發射回讀寫器。讀寫器接收到發射回的調幅調制信號后，從中解出電子標簽所發送的數據信息。在系統工作過程中，讀寫器發出微波信號與接收反射回的幅度調制信號是同時進行的，發射回的信號強度較發射信號要弱的多，因此技術實現上的難點在于同頻收發。4.4 RFID系統使用的頻率n根據電子標簽和讀寫器之間傳遞信息所使用的頻率，根據電子標簽和讀寫器之間傳遞信息所使用的頻率，RFIDRFID系統常系統常見的工作頻率分四種：低頻（見的工作頻率分四種：低頻（LFLF）、高頻（）、高頻（HFHF）、超高頻（）、超高頻（UHF

18、UHF）與微波，各個頻率所使用的電子標簽也各不相同。與微波，各個頻率所使用的電子標簽也各不相同。 低頻低頻：3030300300kHzkHz 高頻高頻：3 33030MHzMHz 超高頻超高頻：300300MHzMHz1 1GHzGHz 微波微波：2.452.45GHzGHz以上以上 射頻標簽的工作頻率也就是射頻識別系統的工作頻率，射頻標簽的工作頻率也就是射頻識別系統的工作頻率，是其最重是其最重要的特點之一。射頻標簽的工作頻率不僅要的特點之一。射頻標簽的工作頻率不僅決定著射頻識別系統工決定著射頻識別系統工作原理（電感耦合還是電磁耦合）、識別距離，還決定著射頻標作原理（電感耦合還是電磁耦合）、識

19、別距離，還決定著射頻標簽及讀寫器實現的難易程度和設備的成本簽及讀寫器實現的難易程度和設備的成本。1 1）低頻）低頻 (Low Frequency)(Low Frequency)使用的頻段在使用的頻段在3030300KHz300KHz之間，以之間，以125KHz125KHz、135KHz135KHz最為常見。最為常見。低頻低頻RFIDRFID標簽讀取距離一般標簽讀取距離一般短于短于1010cmcm，讀取距離跟標簽大小成，讀取距離跟標簽大小成正比。低頻正比。低頻RFIDRFID標簽一般在出廠時就初始化好了不可更改的編標簽一般在出廠時就初始化好了不可更改的編碼。一些低頻標簽也加入了寫入和防碰撞功能。

20、碼。一些低頻標簽也加入了寫入和防碰撞功能。優點：優點：信號穿透性好信號穿透性好，抗金屬和液體干擾能力強，不易受干擾，當標，抗金屬和液體干擾能力強，不易受干擾，當標簽靠近金屬或是液體的物品時，還能夠發射有效發射訊號。價簽靠近金屬或是液體的物品時，還能夠發射有效發射訊號。價格很低，成本低廉。工作頻率不受無線電頻率管制約束格很低，成本低廉。工作頻率不受無線電頻率管制約束。 缺點：缺點：標簽存貯標簽存貯數據量較少數據量較少，讀取距離短讀取距離短、無法同時辨識多個標簽。、無法同時辨識多個標簽。一般為只讀性，一般為只讀性，安全性不高安全性不高，很容易復制完全相同的，很容易復制完全相同的IDID號。號。應用

21、范圍應用范圍：低頻標簽主要應用在動物追蹤與識別、門禁管理、動物芯片、低頻標簽主要應用在動物追蹤與識別、門禁管理、動物芯片、汽車防盜器和其他封閉式追蹤系統中。汽車防盜器和其他封閉式追蹤系統中。2 2）高頻）高頻 (High Frequency)(High Frequency)高頻工作頻率為高頻工作頻率為3MHz3MHz30MHz30MHz，常見高頻工作頻率有，常見高頻工作頻率有6.75MHz6.75MHz、13.56MHz13.56MHz和和27.125MHz27.125MHz。其讀取距離大多在。其讀取距離大多在1 1m m以內。以內。優點：優點： 高頻高頻RFIDRFID標簽感應距離較長、讀取

22、速度較快，而且可以同時標簽感應距離較長、讀取速度較快，而且可以同時間辨識多個標簽。間辨識多個標簽。缺點：缺點： 抗噪音干擾性較差，易受干擾。抗噪音干擾性較差，易受干擾。應用范圍：應用范圍： 高頻高頻RFIDRFID標簽是標簽是RFIDRFID應用中最廣泛的，如證、卡、票領域應用中最廣泛的，如證、卡、票領域（二代身份證、公共交通卡、門票等），還包括供應鏈的物（二代身份證、公共交通卡、門票等），還包括供應鏈的物品追蹤、門禁管理、圖書館、醫藥產業、智能貨架等品追蹤、門禁管理、圖書館、醫藥產業、智能貨架等雙頻標簽雙頻標簽 在雙頻系統中，在雙頻系統中，發送數據和接收數據采用不同的工作頻率。雙發送數據和接

23、收數據采用不同的工作頻率。雙頻標簽接收到來自讀寫器的激活信號后，發出唯一的加密識別無線頻標簽接收到來自讀寫器的激活信號后，發出唯一的加密識別無線信號。信號。 讀寫器不斷地產生低讀寫器不斷地產生低頻編碼電磁信號，經過高頻編碼電磁信號，經過高頻調制后由天線發送出去，頻調制后由天線發送出去，用來激活進入有效范圍的用來激活進入有效范圍的雙頻標簽；同時讀寫器將雙頻標簽；同時讀寫器將接收天線接收的來自雙頻接收天線接收的來自雙頻標簽的高頻載波信號放大，標簽的高頻載波信號放大，再解調出有效的數字信號，再解調出有效的數字信號，并將信號傳給下一級系統。并將信號傳給下一級系統。 采用雙頻技術的射頻識別系統同時具有低

24、頻和高頻系統各自的采用雙頻技術的射頻識別系統同時具有低頻和高頻系統各自的優點，同時具有較強的穿透能力、較遠的識別距離以及高速的識別優點，同時具有較強的穿透能力、較遠的識別距離以及高速的識別能力。無源雙頻標簽可以制造得很小，被廣泛應用于人員管理、運能力。無源雙頻標簽可以制造得很小，被廣泛應用于人員管理、運動計時、動物識別、有干擾的環境（如金屬物識別）等場合。動計時、動物識別、有干擾的環境（如金屬物識別）等場合。3 3）超高頻）超高頻 (Ultra High Frequency)(Ultra High Frequency)使用頻段在使用頻段在433433950MHz950MHz之間，以之間，以43

25、3MHz433MHz、860860960MHz960MHz最為常最為常見。在中國一般以見。在中國一般以915MHz915MHz為主。讀寫距離遠，一般是為主。讀寫距離遠，一般是3 35m5m，最遠可達最遠可達15m15m。優點：優點： RFIDRFID標簽讀取距離較遠、傳輸速率較快、具備防碰撞性能，標簽讀取距離較遠、傳輸速率較快、具備防碰撞性能，并且具有鎖定與消除標簽的功能。天線可用蝕刻或印刷方式并且具有鎖定與消除標簽的功能。天線可用蝕刻或印刷方式制造。制造。缺點：缺點： 在金屬和液體的物品上讀取率不佳在金屬和液體的物品上讀取率不佳。應用范圍：應用范圍： 主要應用于以箱或者托盤為單位的追蹤管理、

26、行李追蹤、資主要應用于以箱或者托盤為單位的追蹤管理、行李追蹤、資產管理和防盜等場合。產管理和防盜等場合。從應用的趨勢來看，現代物流業、商品零售業會廣泛應用從應用的趨勢來看，現代物流業、商品零售業會廣泛應用RFIDRFID技術，為什么技術，為什么UHFUHF頻段的頻段的RFIDRFID技術會成為全球熱點技術會成為全球熱點? ?主要主要有以下幾個需考慮的因素有以下幾個需考慮的因素基于RFID的技術特點和潛在的應用空間，國際相關無線電管理機構已經開始進行頻率規劃工作，并制定了相應的管理政策。我國我國860960MHz頻段頻率規劃和指配情況頻段頻率規劃和指配情況 我國的無線電管理機構正積極開展我國的無

27、線電管理機構正積極開展RFID的頻率規劃和指配工作，并啟的頻率規劃和指配工作，并啟動了相關技術研究工作。我國所從事的頻率規劃工作的指導原則應是：動了相關技術研究工作。我國所從事的頻率規劃工作的指導原則應是：(1)必須確保現有業務的正常運行，必須確保現有業務的正常運行，在專用頻段、公眾移動通信、集群通信頻在專用頻段、公眾移動通信、集群通信頻段不能安排此項業務；段不能安排此項業務；(2) 在電磁兼容分析和實驗的基礎上制訂出在電磁兼容分析和實驗的基礎上制訂出RFID工作頻帶、發射功率、帶外工作頻帶、發射功率、帶外發射、雜散發射等指標，必要時要制訂配套的相關臺站管理規定發射、雜散發射等指標，必要時要制訂配套的相關臺站管理規定；(3)制訂設備的無線技術指標時，要考慮滿足制訂設備的無線技術指標時，要考慮滿足RFID業務在中國的