物联网技术概论-RFID

物联网技术概论主讲教师：胡建国RFID技术概论1RFID技术概述2RFID核心技术3RFID核心价值及应用技术研究1.RFID技术概述1.1RFID技术的概念1.2RFID技术的发展历史1.3我国RFID技术发展的里程碑事件1.4RFID技术的分类1.1RFID技术的概念一.RFID技术的概念RFID（RadioFrequencyIdentification）即射频识别技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。1.2RFID技术的发展历史一、射频识别（RFID）技术是从雷达识别技术衍生发展而来的。1.1948年由美国科学家哈里·斯托克曼奠定了这一技术的理论基础，其标志性学术著作为《利用反射功率的通讯》。1.2RFID技术的发展历史2.从严格意义上讲，凡不是利用反射功率通讯而完成识别的产品和系统，都不应该归入RFID的技术范围，而应该归入诸如“无线专用短程通信（DSRC）”的范围。它们难于实现RFID这样的应用和服务。3.雷达识别与射频识别（RFID）的主要区别。天线标签读写器计算机系统1.2RFID技术的发展历史1.2RFID技术的发展历史二、从自动识别功能上看RFID技术与其他“自动识别技术”的差异1.RFID技术与条码技术2.RFID技术与视频识别技术3.RFID技术与双向“无线专用短程通讯（DSRC）”技术1.3我国RFID技术发展的里程碑事件一、我国RFID技术发展的里程碑事件1.涉车应用是RFID技术在我国的最早应用（RFID与ITS）2.我国二代身份证系统的开发和应用是我国大规模应用RFID技术的开端。1.3我国RFID技术发展的里程碑事件3.RFID技术政策白皮书的发布（无源的工作于超高频段的RFID标签的开发应用将成为主流）——《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》，中华人民共和国科技部等十五个部委，2006年6月9日发布。1.3我国RFID技术发展的里程碑事件4.国家工信部无委会对全国RFID使用频率的指配——《800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用规定（试行）》。信部无[2007]205号，其中将840～845MHz，920～925MHz在全国范围内划归RFID免费使用。1.3我国RFID技术发展的里程碑事件5.RFID技术与应用报告《蓝皮书》的发布——《RFID蓝皮书·中国射频识别（RFID）技术发展与应用报告》，国务院发展研究中心国际技术经济研究所、国家射频识别产业化（上海）基地、上海张江（集团）有限公司，2009年11月4日发布。1.3我国RFID技术发展的里程碑事件6.2015年后所有银行卡采用RFID芯片卡社保卡健康卡PBOC3.0规范1.4RFID技术的分类一、RFID技术的分类1.RFID按标签供电方式分为有源和无源两大类。就技术难度而言，RFID技术的关键部份在标签，特别是无源的电子标签。标签的核心在芯片。标签芯片是整个RFID技术通信协议和主要标准产生的基础。而标签集成，则是RFID应用技术的基础。1.4RFID技术的分类2.RFID标签可以分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)和微波等不同种类。类型典型工作频率低频125KHz；133KHz高频13.56MHz超高频433MHz微波2.45GHz；5.8GHz1.4RFID技术的分类3.RFID按无线传输方式分为：电感耦合式、电磁耦合式。4.按标签的基本功能分为：只读型标签和读/写型标签两大类。1.4RFID技术的分类5.按照接收机类型进行分类：存储器收发机（memorytransponder）微处理器收发机（microprocessortransponder）6.能量和数据的传输模式波长长度比天线长，电磁波主要起感应作用。波长长度和天线相当，电磁波能辐射出去。RFID技术概论1RFID技术概述2RFID核心技术3RFID核心价值及应用技术研究2RFID核心技术2.1RFID系统组成2.2智能RFID标签芯片架构2.3智能RFID软件架构2.4能量传输2.5信号传输2.6RFID防冲突理论2.7RFID安全认证理论2.1RFID系统组成根据不同的应用目的和应用环境，RFID系统的组成会有所不同，但基本都是由电子标签（Tag，即应答器）、阅读器（Reader）、数据信息系统三大部分组成。阅读器电子标签数据库耦合元件、天线数据能量时序2.1RFID系统组成一、电子标签电子标签由天线及芯片组成，其中RFID标签芯片包含匹配电路、射频接口、数字基带、存储器，是射频识别系统真正的数据载体，放在需要识别的物体上，存储目标信息如功能特性、性能指标等。2.1RFID系统组成二、阅读器阅读器又称读写器，是读取电子标签信息的设备，主要由无线收发模块、天线、控制模块及接口电路等组成。在RFID系统中，读写器必须在可阅读的距离范围内产生一个合适的能量场激励电子标签。读写器负责将主机的读写命令加密后发送到电子标签，将电子标签返回的数据解密后传送到主机。2.1RFID系统组成三、天线天线用于发射信号来形成有效的电磁场覆盖区域和接收电子标签返回的信号。它由一个或多个环状线圈组成，负责在应用所需的空间范围内建立足够使标签芯片工作的电磁场。2.1RFID系统组成三、天线工作磁场的任务有两个：一是通过电磁耦合向标签芯片提供工作能量；二是通过电磁耦合在标签芯片与读写器之间提供数据通讯的通路。在具体的应用环境中，要求天线装置能提供稳定的、充足的非接触读写空间范围，以保证系统可靠工作。2.1RFID系统组成三、天线空间信道是RFID系统中的电子标签与阅读器之间的传输信道，包括前向信道（forwardchannel）和后向信道（backwardchannel）。其中阅读器向电子标签传输信息的信道称为“前向信道”，而电子标签到阅读器传输信息的信道则称为“后向信道”。2.1RFID系统组成四、数据信息系统数据信息系统包括中间件、后台数据库和应用平台软件。中间件是实现硬件设备与企业应用系统之间数据流入和流出、过滤、数据转换的一种软件中间程序。2.1RFID系统组成四、数据信息系统后端数据库可以是运行于任意硬件平台的数据库系统，可由用户根据实际的需要自行选择，它是RFID应用系统的综合管理信息库。应用平台软件是对数据库信息进行融合处理，根据不同应用需求而实现的应用系统。2.2智能RFID标签芯片架构智能RFID标签芯片架构如下图所示，包含模拟前端AFE、数字基带、存储器几部分。2.2智能RFID标签芯片架构1.模拟前端模拟前端是智能RFID标签芯片与外界的通讯接口，将阅读器天线产生的磁场信号耦合进来，为标签芯片提供能量和数据。模拟前端包括电源获取电路、信号调制解调电路、时钟提取电路、复位检测电路，结构图如图：2.2智能RFID标签芯片架构2.2智能RFID标签芯片架构2数字基带数字基带包括编码解码、校验、状态机、防冲突、安全认证等模块，实现信号解码、数据校验，完成对模拟前端、MCU、安全认证模块、Memory访问控制，完成协议所要求的功能。存储体采用RAM、ROM、EEPROM，实现对用户数据、程序的存储，可根据具体要求进行读写操作。2.2智能RFID标签芯片架构模拟前端串并转换模块密勒解码模块曼彻斯特编码模块防冲突模块数字基带命令解译模块CRC模块奇偶校验模块帧延迟计时模块主控模块微控制器2.2智能RFID标签芯片架构3.存储器电子标签芯片存储器一般有EEPROM(电可擦可编程只读存储器)、FRAM(铁电随机存取存储器)、Flash和SRAM(静态随机存取存储器)。2.2智能RFID标签芯片架构3.存储器EEPROM存储器主要由控制电路(Controller)、电压泵电路(CP_HV)、数据接口模块(I/OInterface)、地址译码电路(Decoder)和EEPROM存储阵列(MemoryArray)等组成。总体结构下图。电荷泵产生EEPROM写操作时的高压，高压控制模块对EEPROM写时的高压进行控制，控制模块控制位线读或写时的电压，数据接口模块用于对EEPROM进行读写操作时数据的串行移位输出或输入。2.2智能RFID标签芯片架构DecoderMemoryArrayI/OInterfaceControlSignalsLogicAddresssignalsDataI/OCP_HVController2.3智能RFID软件架构智能RFID软件架构由片内操作系统和上位机软件两部分组成。2.3智能RFID软件架构上位机软件是人(用户)与计算机之间进行联系的媒介，是产品的软件窗口。上位机软件系统的开发以满足用户操作的要求和操作习惯为出发点。上位机的系统界面需要包含身份登录、主控界面、参数设置、历史趋势曲线显示、报表记录查询和打印等相对独立的界面功能。2.3智能RFID软件架构片内操作系统(即COS，CardOperatingSystem)，是紧紧围绕着它所服务的智能卡的特点而开发，COS在很大程度上不同于常见的微机上的操作系统。COS是一个专用系统而不是通用系统，一种COS一般只能应用于特定的某种(或者是某些)智能卡，不同卡内的COS一般是不相同的。2.3智能RFID软件架构整个智能卡系统分为三个层次：最底层为物理层（即硬件CPU卡芯片），中间层为与硬件相关的内核层，最上层为与硬件无关的功能层。从智能卡操作系统COS命令的流向上看，命令从外部终端开始进入智能卡，一般需要四个过程的处理，通常也可以说是COS中的四个功能模块:传输管理模块、安全体系模块、命令处理模块和文件管理模块。2.3智能RFID软件架构其处理过程如下图所示：应答命令ICC安全体系模块命令处理模块文件管理模块读写设备智能卡（COS）CLAINSP1P2LcDataLeDataSW1SW2传输管理模块2.3智能RFID软件架构传输管理模块：传输管理负责智能卡和终端之间的数据通信，接收过程中要处理对输入数据的缓冲，响应过程控制数据的发送。按ISO7816-3、ISO14443-4标准监督卡与终端之间的通信，保证数据正确地传输，防止卡与终端之间通讯数据被非法窃取和篡改。2.3智能RFID软件架构安全体系模块：安全体系是COS的核心部分，它涉及到卡的鉴别与核实，对文件访问时的权限控制机制以及安全报文的传送。安全报文的传送有线路保护，线路加密和线路加密保护3种方式。2.3智能RFID软件架构命令处理模块：对外部输入的每条命令做语法分析，分析和检查命令参数是否正确，然后根据命令参数的含义执行相应的操作。如果发现参数有错，将从该模块直接返回错误信息。2.3智能RFID软件架构文件管理模块：文件管理控制对文件的操作和访问。在做数据操作前，文件管理器将根据文件的安全属性检查卡的安全状态，以确定操作的可行性。文件的安全属性和文件结构一旦产生便处于文件管理模块的控制之下。2.4能量传输麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称性，描述了时空中电磁场情况，其具体表示形式如下：2.4能量传输无源标签一般由芯片和大线圈组成，它需要从阅读器天线上得到能使芯片运转的能量（图2-8）。标签在13.56MHz频率下的工作波长约为22.1m，它和阅读器的距离不超过10cm，因此完全可以忽略电磁波中的电场部分而只考虑磁场耦合。2.4能量传输2.5信号传输在系统中，信号的传输通过电磁场电感耦合原理来实现的。阅读器采用ASK调制发送数据到标签，标签天线在耦合能量的同时也会感应到阅读器经过调制后的数据，通过内部的解调和解码电路，标签芯片解调出阅读器发送过来的数据。而标签天线则是通过负载调制方式发送数据到阅读器。2.6RFID防冲突理论RFID系统一般由电子标签和读写器两个部分组成，读写器一般具备同时读取多个标签的功能。在多标签对一个读写器的系统中，标签会同时向读写器传送数据，这就要求系统建立一种仲裁机制来避免数据发生冲突。2.6RFID防冲突理论标签冲突的情况，一般选择TDMA（时分多路访问）来实现系统的防冲突机制，采用