物联网通信技术392

School.2embed.com近距离无线通信技术1无线传感器网络技术2移动通信技术3物联网通信技术School.2embed.com通信距离一般小于100米，典型技术包括：RFID、Wi-Fi、ZigBee、UWB、Bluetooth等。近距离无线通信技术是物联网技术的重要支撑技术近距离无线通信技术主要应用在家庭办公网络、家庭数字娱乐、智能楼宇、物流运输管理等方面。第3章近距离无线通信技术School.2embed.com近距离无线通信的特征1）低成本应用所需终端数量巨大2）低功耗通信距离短发射功率低（毫瓦级）3）对等通信终端之间进行对等通信，无需中转4）灵活的个性化设计3.1近距离无线通信技术School.2embed.com3.1近距离无线通信技术School.2embed.com3.1RFID技术3.1.1RFID定义与发展进程3.1.2RFID技术原理与分类3.1.3RFID电子标签3.1.4RFID读写器3.1.5RFID的应用3.1.6RFID标准化现状School.2embed.com射频识别技术定义RadioFrequencyIdentification，RFID是一种应用于信息采集系统的非接触式自动识别技术，它通过无线射频方式自动识别目标对象并获取相关数据信息，实现对RFID标签的信息获取。3.1.1RFID定义School.2embed.com年代RFID技术的发展历程1940-1950年雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。1950-1960年早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室试验阶段。1960-1970年射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。1970-1980年射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术的测试得到加速，出现了一些最早的射频识别应用。1980-1990年射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。1990-2000年射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别技术得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。2000年至今射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。3.1.1RFID技术发展进程School.2embed.com1）RFID系统组成2）RFID系统工作原理3）RFID系统的特点4）RFID系统分类3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com1）RFID系统组成•RFID系统是指利用RFID技术并集识别、传输、共享信息等功能于一体的智能系统。•RFID读写器•RFID系统RFID电子标签•中央系统3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•RFID系统组成框图3.1.2RFID技术原理与分类1）RFID系统组成School.2embed.com•RFID电子标签是RFID系统中必备的一部分，标签中存储着被识别物体的相关信息，通常被安置在被识别的物体表面上。•当RFID电子标签被RFID读写器识别到或者电子标签主动向读写器发送消息时，标签内的物体信息将被读取或改写。3.1.2RFID技术原理与分类RFID电子标签School.2embed.com•RFID电子标签可分为有源标签和无源标签两类，通过标签中是否有电池来区分。•有源标签自身带有电池供电，读写距离较远，体积较大，也称主动标签；•无源标签本身不带电源，通过读写器产生的磁场获取工作所需的能量，成本低，有较长寿命，比主动标签更小，更轻，读写距离较近，也称被动标签。3.1.2RFID技术原理与分类RFID电子标签School.2embed.com•RFID电子标签包括射频模块和控制模块两部分:(1)射频模块通过内置的天线来完成与RFID读写器之间的射频通信。(2)控制模块内有一个存储器，它存储着标签内的所有信息，并且部分信息可以通过与RFID读写器间的数据交换来进行实时的修改。3.1.2RFID技术原理与分类RFID电子标签School.2embed.com被动电子标签的内部结构•电子标签内的专用芯片由高速的射频接口、控制单元、EEPROM三个模块组成，其中的EEPROM用来存储识别码（EPC）或其它数据，控制单元用来控制数据的接收与发送，芯片外围连接电感线圈（主动电子标签连接天线和电池）。RFID电子标签3.1.2RFID技术原理与分类RFID电子标签3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com在电子标签和读写器进行通信的过程中，天线起到了重要的作用，标签天线的性能对提高RFID系统的性能有着重要的意义。近年来，标签天线技术取得了较大的进展，各种新技术和新材料的应用使标签天线的性能得到了较大的提升。•防金属技术•小型化技术(1)分形天线(2)偶极子天线(3)倒F天线•材料技术RFID电子标签天线3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•低成本构造低成本电子标签的关键在于降低天线的成本。随着信息技术的进一步发展和应用领域的扩大，标签天线的成本还有望大幅降低。•一体集成化将标签天线和标签芯片集成在一起，成为了标签天线技术发展的主要趋势之一。•智能化OMRON开发了一种新型的天线技术，可以直接控制读写器发射出来的电磁波束的方向，这样就可以避开环境或阻挡物的影响，以达到最好的效果。近年来，电子标签智能天线的研究也日渐受到重视。RFID电子标签天线3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.comRFID读写器3.1.2RFID技术原理与分类•RFID读写器是RFID系统的中间部分，它可以利用射频技术读取或者改写RFID电子标签中的数据信息，并且可以把这些读出的数据信息通过有线或者无线方式传输到中央信息系统进行管理和分析。School.2embed.com•RFID读写器的主要功能是读写RFID电子标签中的物体信息，它主要包括射频模块和读写模块以及其他一些基本功能单元。•RFID读写器通过射频模块发送射频信号，读写模块连接射频模块，把射频模块中得到的数据信息进行读取或改写。RFID读写器3.1.2RFID技术原理与分类RFID读写器3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•RFID读写器还有其他的硬件设备，包括电源和时钟等。电源用来给RFID读写器供电，并且通过电磁感应可以给无源RFID电子标签进行供电；时钟在进行射频通信时用于确定同步信息。RFID读写器3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•中央信息系统是对识别到的信息进行管理、分析及传输的计算机平台。•它一般包含一个数据库，存储着所有RFID电子标签的数据信息，用户可以通过中央信息系统查询相关的RFID电子标签信息。中央信息系统3.1.2RFID技术原理与分类中央信息系统3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•中央信息系统与RFID读写器相连，通过读写器对电子标签中数据信息的读取或改写，数据库内的数据信息也进行实时的更新。•中央信息系统一般和互联网或专网相连接，RFID电子标签中的数据信息可以得到大范围的共享，用户也可以实现远程操作功能。中央信息系统3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•RFID系统内三个部分依次连接起来，完成一次信息的传输、交换及管理。•a）首先RFID读写器通过射频模块中的天线将无线电载波信号发射出去，形成读写器的一个有效识别范围；•3.1.2RFID技术原理与分类2）RFID系统工作原理School.2embed.com•b）当RFID电子标签（无源标签）进入到这个识别范围时，电子标签被激活，通过读写器天线发出的电磁场提取工作能量，并通过电子标签内的射频模块将标签中存储的数据信息发射出去；•3.1.2RFID技术原理与分类2）RFID系统工作原理School.2embed.com•c）然后读写器的天线接收到射频信号，射频模块对信号进行解调解码，通过中央信息系统或读写器自身判断其合法性后，针对不同的设定发出不同的指令，如读取信息或者改写信息；•2）RFID系统工作原理3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•d）最后RFID读写器将经过读写模块处理后的数据信息传输至中央信息系统，中央信息系统对这些信息进行实时更新，然后将这些信息共享给用户。•2）RFID系统工作原理3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•在RFID系统中，始终以能量作为基础，通过一定的时序方式来实现数据交换。•在RFID系统工作的信道中存在3种事件模型：（1）以能量提供为基础的事件模型（2）以时序方式实现数据交换的事件模型（3）以数据交换为目的的事件模型•RFID系统中的三件事件类型3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•对于无源标签来说，RFID读写器向其提供工作能量。当电子标签进入读写器的工作范围之内以后，读写器发出的能量激活电子标签，电子标签通过整流的方法将接收到的能量转换并存储在电子标签中的电容里，从而为电子标签提供工作能量；当电子标签离开读写器的工作范围以后，电子标签由于没有获得读写器的能量激活而处于休眠状态。•（1）能量提供3.1.3RFID系统基本工作原理（1）能量提供3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•对于有源标签来说，有源标签一般不利用读写器发出的射频能量，它在进入读写器工作范围后处于激活状态，和读写器发出的电磁波相互作用，因而读写器能够以较小的发射能量取得较远的通信距离。（1）能量提供3.1.3RFID系统基本工作原理（1）能量提供3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•时序指的是RFID读写器和RFID电子标签的工作顺序。•RFID系统是一个双向系统，读写器可以向电子标签发送命令与数据，电子标签也可以向读写器发送存储的数据。对于这样的双向系统来说，就需要确定一种工作顺序，用来防止通信时产生冲突。•（2）时序3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•读写器先讲（RTF，ReaderTalksFirst）RFID系统中，RFID读写器一般处于主动状态，即读写器发出询问后，电子标签给予回答。3.1.2RFID技术原理与分类（2）时序School.2embed.com•RFID电子标签先讲（TTF，TagTalksFirst）RFID电子标签进入读写器工作范围以后，首先发送信息，读写器根据电子标签发送来的信息，进行记录或者进一步发出询问信息，这样与电子标签构成一次完整的通信，来达到读写器对电子标签进行识别的目的。3.1.3RFID系统基本工作原理（2）时序3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•当RFID读写器工作范围内存在多个RFID电子标签时，读写器可以对这些电子标签分别来进行识别，在这种工作方式下时序显得更为重要。•一般情况下，RFID读写器处于主动状态，即采用RTF。3.1.3RFID系统基本工作原理（2）时序3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•读写器首先发出一系列的隔离指令，使得在读写器识读范围内的多个电子标签逐一或逐批的被隔离出去，最后只剩下一个处于活动状态的电子标签与读写器建立通信。•通信结束后，读写器将当前活动状态的电子标签置为休眠状态。（2）时序3.1.3RFID系统基本工作原理3.1.2RFID技术原理与分类School.2embed.com•然后对刚才被隔离的电子标签进行唤醒命令，激活全部的被隔离标签，使得它们进入活动状态，再进一步逐次隔离，只选出一个电子标签进行无碰撞通信。如此重复，RFID读写器即可实现对工作范围内多个RFID电子标签的识别