1、,第七章 射频识别技术基础(IC卡和RFID标签),内容提要,电子标签(非接触式IC卡和RFID标签)通过无线射频传送数据方式与读写器联系。RFID标签的外形比非接触式IC卡多样化，现将非接触式IC卡包含在RFID标签范围之内。本章讲述射频识别基本知识，为后续章节学习电子标签和物联网做准备。,7.1 射频识别系统结构7.2 射频技术7.3 扩频技术7.4 多路存取(多标签射频识别)7.5 无线局域网,本章内容,7.1.1 自动识别技术7.1.2 RFID的历史和现状7.1.3 RFID技术分析自动识别技术是模式识别理论的典型应用，选取不同的特征产生了多样的自动识别技术。,本章内容,7.1.1
2、自动识别技术,常见的自动识别方法和技术包括：光学符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、IC卡技术、条形码技术和RFID射频技术,7.1.1 自动识别技术7.1.2 RFID的历史和现状7.1.3 RFID技术分析RFID对于计算机自动识别技术而言是一场革命，极大地提高了信息处理效率和准确度。,本章内容,7.1.2 RFID的历史与现状,RFID是射频识别技术（Radio Frequency Identification）的英文缩写,利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。它是上世纪90年代兴起的自动识别技术，首先在欧洲市场上得以使用
3、，随后在世界范围内普及。RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别。射频识别技术改变了条形码依靠有形的一维或二维几何图案来提供信息的方式，通过芯片来提供存储在其中的数量巨大的无形信息。,7.1.2 RFID的历史与现状,传统的条形码技术是利用光电效应，利用条码阅读器将光信号转换成电信号，进而读出条形码所“储存”的信息。传统的条形码是一个“近视眼”，它只有在足够靠近条形码识别器的时候，才可以被“认”出来；而RFID标签则不同，它可以不断地主动或者被动地发射无线电波，只要处于RFID阅读器的接收范围之内，就可以被“感应”并且正确地识别出来，阅读器的收发距离可长可短，根据它本
4、身的输出功率和使用频率的不同，从几厘米到几十米不等。,由于无线电波有着强大的穿透能力，我们隔着一段距离，甚至隔着箱子或其它包装容器扫瞄里面的商品，而无需拆开商品的包装；另外，RFID的扫描速度也是传统条形码技术所不能与之相提并论的，RFID的读卡器每250毫秒便可从射频标签中读出商品的相关数据。同时，RFID支持批量处理，条形码标签需要一个一个识别，RFID阅读器可以同时处理200个以上的标签。在处理数据方面，RFID的优势十分明显。,7.1.2 RFID的历史与现状,7.1.2 RFID的历史与现状,7.1.2 RFID的历史与现状,目前RFID技术应用己经处于全面推广的阶段。特别是对于IT
5、业而言，RFID技术被视为IT业的下一个“金矿”。各大软硬件厂商包括IBM、Motorola、Philips、TI、Microsoft、Oracle、Sun、BEA、SAP等在内的各家企业都对RFID技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，相继投入大量研发经费，推出了各自的软件或硬件产品及系统应用解决方案。在应用领域，以Wal-Mart，UPS，Gillette等为代表的众多企业已经开始全面使用RFID技术对业务系统进行改造，以提高企业的工作效率、管理水平并为客户提供各种增值服务。,7.1.1 自动识别技术7.1.2 RFID的历史和现状7.1.3 RFID技术分析RFID系统的基本组成是什么？有哪些
6、重要参数？,本章内容,无线射频识别（Radio Frequency Identification）系统的基本构成,7.1.3 RFID技术分析,RFID系统由五个组件构成，包括：传送器、接收器、微处理器、天线、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起，又统称为阅读器(Reader)，所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件，这三大组件一般都可由不同的生厂商生产。,7.1.3 RFID技术分析：阅读器,阅读器是RFID系统最重要也是最复杂的一个组件。因其工作模式一般是主动向标签询问标识信息，所以有时又被称为询问器（Interrogator）。下图显示不同类型的阅读器。
7、阅读器可以通过标准网口、RS232串口或USB接口同主机相连，通过天线同RFID标签通信。有时为了方便，阅读器和天线以及智能终端设备会集成在一起形成可移动的手持式阅读器。,7.1.3 RFID技术分析：天线,天线同阅读器相连，用于在标签和阅读器之间传递射频信号。阅读器可以连接一个或多个天线，但每次使用时只能激活一个天线。RFID系统的工作频率从低频到微波，这使得天线与标签芯片之间的匹配问题变得很复杂。,7.1.3 RFID技术分析：标签,标签（Tag）是由耦合元件、芯片及微型天线组成，每个标签内部存有唯一的电子编码，附着在物体上，用来标识目标对象。标签进入RFID阅读器扫描场以后，接收到阅读器
8、发出的射频信号，凭借感应电流获得的能量发送出存储在芯片中的电子编码（被动式标签），或者主动发送某一频率的信号（主动式标签）。,7.1.3 RFID技术分析：工作流程,阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；,7.1.3 RFID技术分析：工作流程,3. 射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去4. 系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收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；5. 主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定作出相应的处理和控制，发出指令信号
9、控制执行机构动作。,电可擦可编程只读存储器（EEPROM）：一般射频识别系统主要采用EEPROM方式。这种方式的缺点是写入过程中的功耗消耗很大，使用寿命一般为100,000次铁电随机存取存储器（FRAM）: 与EEPROM相比，FRAM的写入功耗消耗减小100倍，写入时间甚至缩短1000倍。FRAM属于非易失类存储器。然而，FRAM由于生产方面的问题至今未获得广泛应用。静态随机存取存储器（SRAM）: SRAM能快速写入数据，适用于微波系统，但SRAM需要辅助电池不间断供电，才能保存数据。,标签：存储方式,被动式标签（Passive Tag）：因内部没有电源设备又被称为无源标签。被动式标签内部
10、的集成电路通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动，向阅读器发送数据。主动标签（Active Tag）:因标签内部携带电源又被称为有源标签。电源设备和与其相关的电路决定了主动式标签要比被动式标签体积大、价格昂贵。但主动标签通信距离更远，可达上百米远。半主动标签（Semi-active Tag）:这种标签兼有被动标签和主动标签的所有优点，内部携带电池，能够为标签内部计算提供电源。这种标签可以携带传感器，可用于检测环境参数，如温度、湿度、是否移动等。然而和主动式标签不同是它们的通信并不需要电池提供能量，而是像被动式标签一样通过阅读器发射的电磁波获取通信能量。,标签分类,体积小且形状多样：RFID标签在
11、读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需要为了读取精度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。耐环境性：纸张容易被污染而影响识别。但RFID对水、油等物质却有极强的抗污性。另外，即使在黑暗的环境中，RFID标签也能够被读取。可重复使用：标签具有读写功能，电子数据可被反复覆盖，因此可以被回收而重复使用。穿透性强：标签在被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包裹的情况下也可以进行穿透性通讯。数据安全性：标签内的数据通过循环冗余校验的方法来保证标签发送的数据准确性。,RFID标签与条形码相比的优点？,7.1.3 RFID技术分析：频率,RFID频率是RFID系统的一个很重要的参数指标，它决定了工作原理、通信距
12、离、设备成本、天线形状和应用领域等因素。RFID典型的工作频率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作频率的不同，RFID系统集中在低频、高频和超高频三个区域,（1）低频（LF）范围为30kHz-300kHz，RFID典型低频工作频率有125kHz和133kHz两个，该频段的波长大约为2500m。低频标签一般都为无源标签，其工作能量通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射场中获得，通信范围一般小于10cm。除金属材料影响外，低频信号一般能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。 典型应用：动
13、物识别、容器识别、工具识别和电子钥匙等。,RFID频率,（2）高频（HF）范围为3 MHz -30 MHz，RFID典型工作频率为13.56MHz,该频率的波长大概为22米。该频率的标签不再需要线圈绕制，可以通过腐蚀活着印刷的方式制作标签内的天线，采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量。通信距离一般也小于1米，数据传输速率快。应用：电子车票、居民身份证、电子钥匙、市民卡和门禁卡等。,RFID频率（续）,（3）超高频（UHF）范围为300MHz-3GHz。典型的工作频率为：433MHz，860-960MHz，频率波长大概在30厘米左右。超高频标签可以是有源标签与无源标签两种，超高频通过电磁波传
14、递能量和交换信息，即电磁反向散射耦合方式。通信距离一般大于10m。主要应用：物流、铁路车辆自动识别、集装箱识别、托盘和货箱标识等。,RFID频率（续）,（4）微波范围为300MHz-300GHz。典型的工作频率为：2.45GHz和5.8GHz。 超高频标签可以是有源标签与无源标签两种，通过电磁耦合方式（电磁反向散射耦合）同阅读器通信。通信距离最大可超过10米，典型情况为4-6米。 主要应用：公路车辆识别与自动收费、托盘和货箱标识等。 采用超高频和微波的RFID系统一般统称为超高频RFID系统。,RFID频率（续）,低频：具有较强的穿透能力，能够穿透水、金属和动物等导电材料。但传播距离较近，又由
15、于低，可用的频带窄，数据传输速率较低，并且信噪比第，容易受到干扰。高频：相对低频而言，具有较远的传播距离，较高的传输速率和较大的信噪比，但其绕射或穿透能力较弱，容易被水等导体介质所吸收。,7.1.3 RFID技术分析：双频标签与双频系统,利用高频和低频的各自长处设计识别距离较远和穿透能力较强的双频产品，可用于动物识别、导体材料干扰和潮湿的环境。双频标签：有源 标签和无源标签。双频RFID系统主要应用于距离要求较远、多卡识别和高速识别的场合，如：供应链管理、人员流动跟踪、动物跟踪与识别、采矿作业和地下路网管理及运动计时等。,7.1.3 RFID技术分析：双频标签与双频系统,UHF频段的RFID技
16、术具有电波传播性好、标签尺寸适中等特点，适合长距离识别和大规模应用，因此一直是业界关注的热点。各国在这一频段的频率规划及使用情况各不相同（欧洲使用的超高频是865868MHz，美国是902928MHz，日本是952MHz954MHz），但都集中在860960MHz范围内。我国UHF频段试行使用频率为840845MHz和920925MHz。,7.1.3 RFID技术分析：我国RFID的频段规划,不同的电子标签及封装,不同的电子标签及封装,电子标签资料内容可动态改变，随时更新，而条形码印刷之后无法更改；电子标签可远距离自动识别，穿透性强，只需在电磁波的范围内即可。而条形码识别要求近距离接触；电子标
17、签存储信息的容量大，最大可达数兆字节，而条形码最大仅为数千字节；,RFID特点和优势：,电子标签可重复使用，寿命较长，而条形码仅依赖于附着物的寿命长短；电子标签可实现多目标信息的同时识读，工作效率高，而条形码仅能单一识读；电子标签有密码保护，不易伪造，具有高度安全性；RFID技术可对标签附着物进行追踪定位，此外，电子标签还具有防水、防磁、耐高温等特点。,RFID特点和优势：,7.4 RFID标签冲突-多路存取(多标签射频识别)多个标签同时处于阅读器识别范围之内或多个标签同时向阅读器发送标志信号时，将发生标签信号冲突。,本章内容,7.4 RFID标签冲突-多路存取(多标签射频识别),标签信号冲突
18、：随着阅读器通信距离的增加其识别区域的面积也逐渐增大，这常常会引发多个标签同时处于阅读器的识别范围之内。但由于阅读器与所有标签共用一个无线通道，当两个以上的标签同一时刻向阅读器发送标识信号时，信号将产生叠加而导致阅读器不能正常解析标签发送的信号。这个问题通常被称为标签信号冲突问题（或碰撞问题），解决冲突问题的方法被称为防冲突算法（或防碰撞算法，反冲突算法）。,非竞争策略空分多址频分多址时分多址码分多址正交频分多址竞争策略ALOHA 夏威夷大学最先提出，ALOHA是夏威夷人打招呼的问候语。CSMA-CARFID与计算机网络中的节点接入方法相比，有如下局限性：标签自身没有冲突检测能力标签之间不能相
19、互通信所有的冲突判定只能由阅读器完成RFID适合采用以时间为代价的竞争式方法,解决冲突的策略,空分多址（SDMA）,空分多路（Space Division Multiple Access）法可以理解为在分离的空间范围内重复使用确定的资源应用到无线射频识别中，一般有两种方式：使用多个读写器，并将它们的天线安置在一个阵列中，当应答器进入不同的天线作用区内的时候，对应的读写器可以读取应答器中的数据；使用一个读写器，利用定向天线，控制天线一次对准每个应答器。,空分多址（SDMA）,空分多址的缺点,复杂的天线系统相当高的实施费用一般应用于某些特殊应用场合常与其他多址方式结合使用,频分多址（FDMA）,频
20、分多路（Frequency Division Multiple Access，FDMA）法是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供通信用户（应答器）使用的方法.在射频识别的下行通路（从读写器到应答器）的频率固定的情况下，上行通路（从应答器到读写器）中，应答器可以采用各自独立的副载波频率（如在某个频率范围内）来进行数据传输.,频分多址（FDMA）,IFD IC卡：频率fa是固定的；IC卡 IFD：采用不同频率。,频分多址的缺点,每个接收通路必须有自己单独的接收器，以接收不同频率的应答器信号局限性更大，读写器的成本很高,时分多址（TDMA）,时分多路（Time Division Multiple
21、 Access，TDMA）法是把整个可供使用的通路容量按时间槽分配给多个用户（应答器）使用的方法，可以分为：标签控制法（随机的冲突分析）读写器控制法（减少冲突应答器集合）,标签控制法随机的冲突分析,每个应答器随机选择一个时间槽；如果发生冲突，应答器就换成另外的时间槽；开关断开法：应答器成功完成数据交互后，通过读写器发出的命令进入“静止”状态，即不再发送自己的序列号和数据；非开关法。,标签控制法随机的冲突分析,成功识别所有应答器的概率由应答器数目和时间槽总数决定；应答器数目：进行多次试探性读取并根据结果估计；时间槽总数：根据估计结果进行调整；优点：可以在比较短的时间内识别出大部分的应答器。缺点：
22、最后可能会产生一定的误差。,读写器控制法减少冲突应答器集合,每次找到一个应答器，成功后就沉默；应答器依次产生响应；轮询法：所有的序列号被读写器依次询问，直至某个有相同序列号的应答器响应为止；二进制搜索法；,读写器控制法减少冲突应答器集合,优点：在足够长的时间内总可以识别出所有的应答器；缺点：在某些情况下，可能在不匹配任何应答器的序列号上耽搁太长时间。,正交频分多址（OFDMA）,OFDMA将信道分为若干个子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到每个子信道上传输。接收方用相关技术区分正交信号，减少子信道间的相互干扰。,OFDM技术,Single Carrier,OFDM： Orth
23、ogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用,frequency,OFDM将频域划分为多个子信道，各相邻子信道相互重叠，但不同子信道相互正交。将高速的串行数据流分解成若干并行的子数据流同时传输OFDM子载波的带宽 信道“相干带宽”时，可以认为该信道是“非频率选择性信道”，所经历的衰落是“平坦衰落”OFDM符号持续时间 =3时这是不可能发生的！实际中如何判定至少还有几个标签？阅读器可事先获取场内标签个数的最大值可通过分析标签发来的信号强度来估计标签个数,QT算法扩展三：QT-sl算法（Query-Tree short-long）,基于二进制树的防冲突
24、算法,原理：设法减少标签发送的无效比特数。 在原始的QT算法中，每次标签发送信息时都要发送完整的ID信息（一般=96bits），如果发生冲突，就会造成较大的浪费。 为了减少比特浪费，可将阅读器发送的Query命令分成两种：一种为短命令，标签收到后只发送1bit的响应；一种为长命令，标签收到这种命令后才发送完整的ID信息。阅读器加入智能化判定，当它确认只有1个标签匹配将要查询的前缀时，才发送长命令。,QT算法扩展三：QT-sl算法分析,基于二进制树的防冲突算法,在QT-sl算法中，短命令帧主要用来完成标签的探测和分叉，长命令帧用来完成ID信息的获取。在标签探测过程中，每个标签只需要发送1bit的
25、信息，极大的降低了通信开销。 1 bit的信号足以让阅读器判定出是否冲突该算法的代价是阅读器增加了一种类型的查询帧，节点也要增加逻辑判断。,本章小结,内容回顾本章对常见的自动识别方法和技术做了介绍，包括：光学符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、IC卡技术、条形码技术和RFID射频技术本章重点讲述了RFID技术，包括RFID历史和现状、RFID技术剖析和RFID标签冲突问题。,本章小结,重点掌握（续）RFID的概念与现状。RFID系统的组成，RFID标签的优点和特点，RFID标签的存储方式及分类，RFID系统的常见频率及其优缺点。RFID标签冲突及防冲突算法的概念，防冲突算法分类，详细描述基于帧的分时隙的ALOHA协议，Q协议、随机二进制树协议和查询二叉树协议。以上各种协议的优缺点。,作业：P175: 6、7、8附加：1、读写器与IC卡之间的射频耦合方式有哪两种？其各自的基本原理是怎样的？,Thank you!,
