无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第7章

1第7章RFID技术7.1RFID技术原理7.2RFID标准7.3RFID系统原理7.4RFID组网技术7.5RFID技术应用小结2本章目标了解RFID的组成及分类。掌握RFID系统的工作原理。掌握RFID标准。了解RFID组网技术。3学习导航4射频识别技术即无线电频率识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)的简称，又称电子标签、无线射频识别，是一种无线通信技术。它主要利用无线微波对物体进行近距离无接触的探测和跟踪。在无线传感器网络中往往利用RFID技术赋予无线传感器网络节点ID号。7.1RFID技术原理57.1.1组成RFID应用系统由读写器、标签和高层等部分组成，如图7-1所示。读写器和标签可以构成一个简单的应用系统，例如公交车上的消费系统。复杂的应用需要一个读写器同时读取n个标签。更复杂的应用系统需要解决读写器的高层处理问题。射频识别技术的核心在标签上，读写器是根据标签的性能而设计的。虽然在RFID系统中标签的价格和性能比读写器低，但通常情况下，在应用中标签的数量是很大的，尤其是在物流应用中，标签的应用量不仅大而且可能一次性使用，而读写器的数量相对要少并且可以重复使用。6图7-1RFID应用系统组成77.1.2分类RFID的分类多种多样，根据不同的标准和要求以及分类的依据不同，主要可以分为以下几种。1.按供电方式分类根据标签的供电方式可以将RFID系统分为有源、无源和半有源系统。有源的RFID与无源的RFID系统主要是指标签的工作电源是否由内部电池供给。有源电子标签又称为主动标签，标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应部分转换为电子标签与读写器通信所需的射频能量。8无源电子标签又称为被动式标签，没有内装电池。在读写器的读出范围之外时，电子标签处于无源状态；在读写器的读出范围之内时，电子标签从读写器发出的射频能量中提取其工作所需的电源。半有源射频标签内的电池供电，仅对标签内要求供电维持数据的电路，或者标签芯片工作所需电压的辅助支持，及本身耗电量很少的标签电路供电。标签进入工作状态之前，一直处于休眠状态，相当于无源标签，标签内部电池能量消耗很少，因而电池可维持几年，甚至长达10年之久。9当标签进入读写器的读卡范围区域内，受到读写器发出的射频信号激励，进入工作状态时，标签与读写器之间信息交换的能量支持以读写器供应的射频能量为主。标签内部电池的作用主要在于弥补标签所处位置的射频场强不足，标签内部电池的能量并不转换为射频能量。102.按工作频率分类根据工作频率，RFID系统可以分为低频、高频、超高频和微波。RFID主要频段标准及特性如表7-1所示。11表7-1RFID主要频段标准及特性频段低频高频超高频微波工作频率125～134kHz13.56MHz433MHz868～915MHz2.45GHz5.8GHz读取距离60cm0～60cm1～100m1～100m速度慢快快很快方向性无无部分有有现有的ISO标准11784/85，1422314443/15693EPCC0，C1，C2，G218000-4主要应用范围进出管理、固定设备管理图书馆、产品跟踪、公交消费货架、卡车、拖车跟踪收费站、集装箱127.1.3工作原理RFID系统由读写器、标签和应用系统组成。其主要的工作原理简单描述如下：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号。当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量，电子标签被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置的射频天线发送出去。读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关的处理。13读写器的应用系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定作出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成相应的读写操作。141.读写器读写器又称为阅读器，主要负责与电子标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。读写器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距离。读写器根据使用技术的不同可以是读或者读/写装置，它是RFID系统信息控制和处理的中心。读写器系统组成如图7-2所示。15图7-2读写器系统组成16读写器由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分组成。下面分别介绍三部分的主要任务和功能。(1)射频接口模块的主要任务和功能如下：产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。接收并调制来自电子标签的射频信号。(2)逻辑控制单元也称为读写模块，其主要任务和功能如下：与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送来的指令。17控制读写器和标签的通信过程。对信号进行编码和解码。对读写器和标签之间传输的数据进行加密和解密。执行防碰撞算法。对读写器和标签进行身份验证。18(3)天线模块。天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系统中，读写器必须通过天线发射能量，来形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别。因此，读写器天线所形成的电磁场范围即为读写器的可读区域。192.电子标签电子标签是由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和读写器进行通信。电子标签是RFID系统中真正的数据载体。系统工作时，读写器发出查询信号，电子标签在收到查询信号后，将其一部分能量整流为直流电源，供电子标签内的电路工作；另一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回读写器。电子标签系统组成如图7-3所示。20图7-3电子标签系统组成21从图7-3中可以看出，电子标签系统包括射频接口、逻辑控制单元和存储单元。其中射频接口部分包括调制器、解调器和电压调节器；存储单元包括EEPROM和ROM。各个部分的功能如下：天线：用来接收由读写器送来的信号，并把要求的数据传送回读写器。调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后，加载到天线并传送给读写器。22解调器：去除载波，取出调制信号。电压调节器：把由读写器送来的射频信号转换为直流电源，并经过大电容存储能量，再通过稳压电路来提供稳定的电源。逻辑控制单元：译码读写器送来的信号，并依据要求返回数据给阅读器。存储单元：用于系统运行及存放识别数据。233.应用系统对于独立的应用，读写器可以完成应用需求。例如，公交车上的读写器可以实现对公交票卡的读取和收费。但是对于由多读写器构成的网络架构的信息系统，应用系统是必不可少的，即针对RFID的具体应用，需要在应用系统中将读写器获取的数据有效地整合起来，提供查询历史档案等相关管理和服务功能，通过对数据的加工、分析和挖掘，为正确决策提供依据。在RFID网络应用中，中间件技术提供了将现有的系统与RFID读写器连接起来的技术。24RFID中间件是介于RFID读写器和后端应用程序之间的独立软件，能够与多个RFID读写器和多个后端应用程序连接，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源。中间件位于客户机、服务器的操作系统之上，管理计算机资源和网络通信。图7-4所示为中间件技术系统组成。25图7-4中间件技术系统组成26中间件各部分功能如下：读写器协调控制：终端用户可以通过RFID中间件接口直接配置、监控以及发送指令给读写器。一些RFID中间件开发商还提供了支持读写器即查即用的功能，使终端用户新添加不同类型的读写器时，不需要增加额外的程序代码。数据过滤与处理：当标签信息传输发生错误或有冗余数据产生时，RFID中间件可以通过一定的算法纠正错误并过滤掉冗余数据。RFID中间件可以避免不同的读写器读取同一电子标签的碰撞，确保了读卡的准确性。27数据路由与集成：RFID中间件能够决定将采集到的数据传递给一个应用。RFID中间件可以将企业现有的资源计划、客户关系管理以及仓库管理系统等软件集成在仪器中，提供数据的路由和集成，同时中间件还可以保存数据，分批地给各个应用提交数据。进程管理：RFID中间件根据客户定制的任务负责数据的监控与事件的触发。如在仓库管理中，设置中间件来监控货品库存的数量，当数量低于设置的标准时，RFID中间件会触发事件，通知相应的应用软件。28RFID标准化的目的在于，通过制定、发布和实施标准，解决编码、通信、空中接口和数据共享等问题，最大程度地促进了RFID技术与相关系统的应用。RFID标准的主要内容包括以下几个方面：7.2RFID标准29技术：包含的层面很多，主要是接口和通信技术，如空中接口、防碰撞方法、中间件技术和通信协议等。一致性：主要指数据结构、编码格式和内存分配等相关内容。电池辅助与传感器的融合：目前RFID技术也融合了传感器，例如可进行温控和应变检测的应答器在物品追踪中应用广泛。几乎所有带传感器的标签和有源标签都需要从电池中获得能量。应用：RFID技术涉及众多的具体应用，如停车收费系统、身份识别、动物识别、物流、跟踪和门禁等。各种不同的应用涉及不同的行业，因此标准也涉及了各行业的规范。30RFID标准主要有国际标准、国家标准和行业标准。国际标准是由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)制定的。国家标准是各国根据自身国制制定的有关标准，其中日本定义了UbiquitousID标准。行业标准的典型一例是由国际物品编码协会(EAN)和美国同一代码委员会(UCC)指定的EPCGlobal标准，主要用于物品识别。317.2.1ISO标准ISO/IEC制定的RFID标准可以分为技术标准、数据标准、性能标准和应用标准四类，如图7-5所示。我国常用的两个RFID标准为ISO14443和ISO15693，这两个标准主要用于非接触智能卡；ISO18000系列包括了有源和无源RFID技术标准，主要是基于物品管理的RFID空中接口参数。32图7-5ISO/IEC制定的RFID标准331. ISO14443ISO14443是一种非接触式IC卡。非接触式IC卡由于作用距离不同，有三种不同的标准，如表7-2所示。表7-2三种非接触式IC卡标准标准卡类型读写器作用距离ISO10536密耦合CCD(电荷耦合)紧靠ISO14443近耦合PCD(接近耦合)10cmISO15693疏耦合VCD(邻近耦合)约50cm34ISO14443是近耦合非接触式IC卡的国际标准，主要用于身份证和各种智能卡、存储卡等。ISO14443协议总共分为四部分：第一部分规定了卡片的物理特性，即非接触式IC卡的机械性能尺寸应满足85.72mm × 54.03mm × 0.76mm±容差。第二部分规定了信号能量及信号接口，协议规定了两种信号接口：A型和B型，读写器需要采用两者之一的方式。第三部分规定了卡片初始化和抗冲突特性。ISO14443标准提供了两种不同的防碰撞协议，即A型和B型。A型采用位检测防碰撞协议，B型通过一组命令来管理防碰撞过程。35第四部分规定了卡片数据传输协议。用于非接触环境的半双工分组传输协议，可应用于电子标签的激活过程和解激活过程。362. ISO15693ISO15693是疏耦合射频卡的国际标准，该标准由物理特性、空间接口与初始化、防碰撞协议和传输协议、命令扩展和安全特性四部分组成，下面重点介绍前三部分：第一部分规定了卡片的物理特性，即非接触式IC卡的机械性能尺寸应满足85.72mm × 54.03mm × 0.76mm±容差。第二部分为空间接口与初始化，电子标签能量供应是由发送频率为13.56MHz的读写器的交变电磁场来提供的。电子标签中包含有一个大面积的天线线圈。典型的线圈有3～6匝。37第三部分为防碰撞协议和传输协议，ISO15693标准的防碰撞技术采用时隙ALOHA算法。传输协议在本书中不作介绍。383. ISO18000ISO18000分为6部分，即ISO18000-1～ISO18000-4、ISO18000-6和ISO18000-7。ISO18000-1：基于单品管理的射频识别，它规范了空中接口通信协议中共同遵守的读写器与标签的通信参数表、知识产权基本规则等内容。ISO18