内 容 简 介 本 书 从 射 频 识 别 的 原 理 协 议 以 及 系 统 设 计 三 个 方 面 入 手, 系 统 全 面 地 介 绍 了 RFID 相 关 的 基 础 知 识 关 键 技 术 研 究 进 展 以 及 实 践 应 用 等 方 面 的 内 容 全 书 共 分 为 六 篇 第 1

Transcription

1 物 联 网 工 程 专 业 系 列 教 材 陆 桑 璐 谢 磊 编 著 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 北 京

2 内 容 简 介 本 书 从 射 频 识 别 的 原 理 协 议 以 及 系 统 设 计 三 个 方 面 入 手, 系 统 全 面 地 介 绍 了 RFID 相 关 的 基 础 知 识 关 键 技 术 研 究 进 展 以 及 实 践 应 用 等 方 面 的 内 容 全 书 共 分 为 六 篇 第 1 篇 结 合 物 联 网 的 背 景 概 述 了 RFID 的 发 展 历 史 主 要 特 点 与 核 心 技 术 第 2 篇 从 原 理 层 面 对 RFID 的 无 线 通 信 原 理 系 统 组 件 进 行 详 细 的 阐 述, 剖 析 了 RFID 的 实 现 机 理 第 3 篇 从 协 议 层 面 介 绍 了 RFID 的 防 冲 突 算 法 与 协 议, 对 超 高 频 射 频 识 别 (UHF RFID) 协 议 标 准 EPC C1G2 进 行 了 具 体 的 阐 述, 并 对 其 设 计 思 路 进 行 分 析 与 探 讨 第 4 篇 从 系 统 设 计 层 面 出 发, 介 绍 了 系 统 设 计 时 需 要 权 衡 考 虑 的 关 键 因 素, 并 且 对 实 际 环 境 下 系 统 性 能 的 测 试 与 评 估 结 果 进 行 了 详 细 的 阐 述 与 剖 析 第 5 篇 介 绍 了 当 前 RFID 的 研 究 与 进 展, 从 RFID 识 别 与 轮 询 标 签 数 目 估 算 RFID 定 位 等 方 面 对 相 关 研 究 成 果 进 行 了 重 点 介 绍 第 6 篇 介 绍 了 RFID 方 面 的 实 践 与 应 用, 对 RFID 的 多 种 应 用 模 式 进 行 了 综 述, 并 针 对 几 个 典 型 的 应 用 案 例 进 行 了 分 析 本 书 适 合 高 等 院 校 计 算 机 电 子 和 物 联 网 相 关 专 业 作 为 专 业 教 材 使 用, 也 适 合 其 他 专 业 作 为 选 修 教 材 使 用 本 书 也 可 作 为 对 射 频 识 别 物 联 网 感 兴 趣 的 研 究 人 员 和 相 关 企 业 人 员 等 各 类 读 者 的 参 考 用 书 图 书 在 版 编 目 (CIP) 数 据 射 频 识 别 技 术 : 原 理 协 议 及 系 统 设 计 / 陆 桑 璐, 谢 磊 编 著. 北 京 : 科 学 出 版 社,2014 ( 物 联 网 工 程 专 业 系 列 教 材 ) ISBN I. 1 射 Ⅱ. 1 陆 2 谢 Ⅲ. 1 无 线 电 信 号 - 射 频 - 信 号 识 别 - 高 等 学 校 - 教 材 IV. 1TN 中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2014) 第 号 责 任 编 辑 : 郭 丽 娜 / 责 任 校 对 : 王 万 红 责 任 印 制 : 吕 春 珉 / 封 面 与 版 式 设 计 : 蒋 宏 工 作 室 科 学 出 版 社 发 行 出 版 北 京 东 黄 城 根 北 街 16 号 邮 政 编 码 : 印 刷 各 地 新 华 书 店 经 销 * 2014 年 3 月 第 一 版 开 本 : / 年 3 月 第 一 次 印 刷 印 张 :19 字 数 : 定 价 :39.00 元 ( 如 有 印 装 质 量 问 题, 我 社 负 责 调 换 双 青 ) 销 售 部 电 话 编 辑 部 电 话 版 权 所 有, 侵 权 必 究 举 报 电 话 : ; ;

3 序 与 航 天 科 技 生 物 工 程 等 相 比, 信 息 技 术 具 有 更 为 广 泛 的 渗 透 性 信 息 技 术 渗 透 到 几 乎 所 有 科 学 技 术 领 域, 同 时 它 也 以 超 出 想 象 的 速 度 渗 透 到 社 会 生 活 的 各 个 方 面 每 个 普 通 人 都 实 实 在 在 地 感 受 到 信 息 技 术 到 来 的 影 响 和 变 化 作 为 信 息 技 术 核 心 的 计 算 机 技 术 朝 着 两 个 方 向 发 展 : 一 个 方 向 是 满 足 超 大 计 算 量 需 求 的 巨 型 高 速 计 算 机 ; 而 另 一 个 方 向 就 是 尺 寸 越 来 越 小, 成 本 越 来 越 低, 可 以 广 泛 部 署, 满 足 我 们 日 常 的 各 种 需 要 在 这 两 方 面 技 术 的 支 撑 下, 物 联 网 应 运 而 生, 前 端 无 处 不 在 却 又 看 不 见, 后 台 有 强 大 的 计 算 能 力 支 撑 众 多 用 户 和 海 量 数 据 处 理, 提 供 过 去 想 都 想 不 到 的 智 能 化 服 务 随 着 物 联 网 成 为 热 门 话 题, 近 年 来 市 场 上 也 陆 续 出 现 了 一 些 有 关 物 联 网 的 书 籍 但 目 前 我 们 能 看 到 的 多 属 于 介 绍 性 的 普 及 读 物, 缺 少 教 科 书 所 需 要 的 专 业 化 与 深 度 特 别 是 近 年 来, 我 国 高 等 学 校 中 陆 续 开 设 了 一 些 物 联 网 工 程 专 业, 对 于 具 有 针 对 性 和 技 术 深 度 的 教 材 的 需 求 更 为 迫 切 本 书 是 一 本 关 于 物 联 网 工 程 的 核 心 支 撑 技 术 射 频 识 别 技 术 的 教 科 书, 内 容 很 好 地 兼 顾 了 原 理 协 议 以 及 开 发 技 术 三 方 面 内 容, 特 别 适 合 作 为 物 联 网 工 程 专 业 的 核 心 专 业 教 科 书, 也 能 很 好 地 满 足 计 算 机 科 学 与 技 术 及 软 件 工 程 等 专 业 的 教 学 需 要 本 书 作 者 是 活 跃 在 相 关 领 域 教 学 与 科 研 第 一 线 的 青 年 学 者, 有 良 好 的 理 论 造 诣, 在 技 术 研 发 与 应 用 方 面 也 做 出 了 成 绩 本 书 最 值 得 称 道 的 在 于 它 尽 管 是 作 为 教 科 书 编 写 的, 但 作 者 将 自 己 的 研 究 心 得 与 经 验 融 入 了 书 中, 介 绍 了 相 关 技 术 的 最 新 进 展 射 频 识 别 技 术 出 现 已 经 有 多 年, 但 在 变 化 的 技 术 环 境 中 和 新 应 用 需 求 的 刺 激 下, 新 技 术 和 新 应 用 模 式 得 到 开 发 这 些 内 容 在 本 书 中 均 得 到 体 现, 这 对 于 培 养 学 生 的 创 新 意 识 和 能 力 有 明 显 的 意 义 前 两 年, 当 物 联 网 在 社 会 上 最 热 的 时 候, 本 书 作 者 宁 愿 埋 头 于 研 究 和 教 学 实 践, 而 不 是 急 于 出 书, 现 在 看 到 的 这 本 教 材 在 内 容 取 材 和 编 写 方 面 都 反 映 出 他 们 几 年 来 努 力 的 成 效 作 为 年 轻 学 者, 这 是 难 能 可 贵 的 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 南 京 大 学 计 算 机 科 学 与 技 术 系 教 授 2012 年 CCF 杰 出 教 育 奖 获 奖 者 陈 道 蓄 2014 年 2 月

4

5 前 言 计 算 机 科 学 是 从 数 学 发 展 出 来 的 一 个 分 支, 近 60 年 的 发 展, 其 研 究 深 度 应 用 广 度 在 不 断 拓 展, 对 人 类 文 明 社 会 生 活 的 演 进 起 到 了 显 著 的 推 动 作 用, 在 很 多 方 面 反 过 来 推 动 着 数 学 的 发 展 例 如 蒙 特 卡 洛 法 (Monte Carlo Method), 这 是 一 种 用 随 机 蛮 力 来 对 抗 算 法 逻 辑 的 方 法, 其 基 本 思 想 很 早 以 前 就 被 人 们 所 发 现 和 利 用 早 期 它 被 用 来 计 算 不 规 则 图 形 的 面 积, 用 大 量 的 小 球 随 机 打 击 图 形, 通 过 计 算 小 球 的 数 量, 就 可 以 得 到 图 形 的 面 积 这 是 典 型 的 计 算 机 似 思 维, 可 以 交 给 硅 芯 片 重 复 动 作 的 事 情, 等 同 于 零 代 价 由 此 出 发, 我 们 大 大 简 化 了 算 法 的 复 杂 性, 同 时, 也 最 大 限 度 地 发 挥 了 计 算 机 的 优 势 能 力 随 着 现 代 计 算 机 科 学 的 发 展, 计 算 机 不 再 局 限 于 数 学 运 算, 更 重 要 的 是 如 何 让 计 算 机 能 够 真 正 地 为 人 类 服 务, 也 就 是 信 息 世 界 必 须 和 物 理 世 界 有 机 地 结 合 起 来 对 物 理 世 界 的 宏 观 描 述, 可 以 通 过 牛 顿 经 典 力 学 的 公 式 麦 克 斯 韦 电 磁 方 程 描 述 其 规 律, 同 样 也 可 以 通 过 类 似 蒙 特 卡 洛 法 进 行 简 化, 穷 究 其 细 节 来 构 建 模 型 和 体 系 大 千 世 界, 恒 河 沙 数, 通 过 沙 化 的 思 维 方 法, 将 复 杂 结 构 的 自 然 世 界 细 碎 成 结 构 和 特 性 单 一 的 沙 粒, 通 过 有 限 的 规 则 和 海 量 的 计 算 能 力 构 建 与 之 镜 像 的 数 字 世 界 无 穷 小 的 作 用 无 限 大! 伟 大 的 近 未 来 科 幻 小 说 家 弗 诺 文 奇 在 他 的 彩 虹 尽 头 一 书 中 详 细 地 描 述 过 一 种 沙 化 场 景 : 对 传 统 图 书 馆 的 数 字 化 工 程, 是 将 浩 瀚 无 边 的 书 海 一 本 一 本 丢 进 巨 大 的 碎 纸 机 中 粉 碎, 过 程 中 对 所 有 的 碎 片 进 行 三 维 数 字 化 扫 描, 利 用 巨 大 的 计 算 能 力 进 行 拼 图 式 重 新 组 合, 重 构 数 字 世 界 里 的 图 书 馆 这 是 一 种 何 等 壮 观 的 计 算 机 思 维! 我 们 一 直 执 着 地 梦 想 着 未 来 世 界 中 无 处 不 在 的 机 器 智 能, 我 们 也 许 的 确 正 在 朝 着 超 人 类 智 能 的 奇 点 迈 进, 然 而 当 我 们 通 过 复 杂 的 演 绎 推 理 算 法 逻 辑 去 实 现 人 工 智 能 遇 到 困 境 时, 是 否 可 以 将 人 类 的 思 维 换 成 计 算 机 的 思 维? 如 果 我 们 的 物 理 世 界 中 布 满 了 足 够 可 用 的 感 知 器 件, 那 么 所 谓 机 器 眼 睛 耳 朵 鼻 子 的 看 听 嗅 等 能 力 将 是 那 么 容 易 实 现! 以 需 要 极 高 人 工 智 能 判 断 的 自 动 驾 驶 系 统 为 例, 如 果 道 路 上 布 满 了 传 感 元 件, 那 么 通 过 车 载 计 算 机 与 道 路 的 实 时 交 互, 车 辆 驾 驶 逻 辑 将 会 变 得 超 级 简 单, 由 无 穷 多 简 单 的 傻 动 作 将 会 组 成 纷 繁 复 杂 的 驾 驶 动 作, 无 数 这 样 的 智 能 车 辆 将 会 构 成 自 然 驾 驶 环 境 中 无 法 想 象 的 汽 车 洪 流, 将 会 实 现 理 想 中 交 通 场 景 : 最 大 化 的 车 流, 最 小 的 等 待 和 拥 堵, 几 乎 为 零 的 事 故 率 那 时 的 自 动 驾 驶 汽 车 只 需 要 最 普 通 的 智 能, 只 要 会 简 单 地 接 收 数 据 处 理 数 据 反 馈 指 令 就 可 以 实 现 了 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心 计 算 机 科 学 发 展 到 今 天, 我 们 已 尝 到 了 太 多 甜 头, 计 算 机 思 维 的 现 实 应 用 坚 定 了 我 们 对 物 理 世 界 的 数 字 化 进 程, 建 立 物 理 世 界 和 信 息 世 界 的 通 道, 加 大 人 类 对 模 拟 量 的 数 字 化 能 力, 从 而 提 升 数 字 世 界 的 镜 像 水 平 这 其 间 起 到 离 散 作 用 的 关 键 设 备, 也 可 以 说 沙 化 工

6 iv 作 的 关 键 技 术, 就 是 物 理 世 界 和 信 息 世 界 的 接 口 技 术 一 个 个 RFID 标 签 是 否 会 是 蒙 特 卡 洛 的 一 个 个 小 球? 大 千 世 界 会 不 会 通 过 这 一 个 个 小 球 的 随 机 击 打, 被 沙 化 数 字 化 建 模 镜 像 随 着 物 联 网 时 代 的 来 临, 新 一 代 IT 技 术 将 被 充 分 运 用 在 各 行 各 业 之 中 射 频 识 别 (RFID) 作 为 物 联 网 应 用 的 核 心 支 撑 技 术, 在 学 术 界 与 工 业 界 已 经 得 到 广 泛 的 关 注 本 书 紧 密 结 合 当 前 RFID 最 新 的 发 展 趋 势 与 研 究 成 果, 本 着 务 实 具 体 确 保 深 度 启 发 创 新 的 指 导 思 想, 系 统 全 面 地 介 绍 了 RFID 各 个 层 面 的 基 本 原 理 与 实 践 应 用 知 识, 从 物 联 网 以 及 计 算 机 科 学 学 科 的 视 角, 有 所 侧 重 地 对 RFID 相 关 的 基 础 原 理 算 法 协 议 系 统 设 计 以 及 前 沿 研 究 成 果 进 行 介 绍 本 书 的 特 色 及 创 新 之 处 主 要 表 现 在 如 下 几 个 方 面 : 1. 全 方 位 系 统 地 介 绍 了 RFID 的 原 理 协 议 与 系 统 设 计 方 面 的 知 识, 包 括 底 层 的 通 信 原 理 MAC 层 的 协 议 与 算 法 系 统 设 计 层 面 的 性 能 考 虑 研 究 进 展 以 及 实 践 应 用, 以 便 读 者 对 RFID 有 个 全 面 的 了 解 2. 深 入 地 剖 析 了 RFID 相 关 的 问 题 机 理 设 计 思 路, 通 过 对 原 理 与 本 质 的 分 析 与 思 考, 更 好 地 指 导 读 者 对 RFID 在 系 统 层 面 性 能 的 理 解, 以 务 实 的 科 学 精 神 来 认 知 分 析 与 处 理 实 际 系 统 应 用 中 遇 到 的 种 种 问 题 3. 在 对 RFID 的 原 理 协 议 与 系 统 设 计 方 面 的 阐 述 过 程 中, 引 入 了 当 前 最 前 沿 研 究 成 果 的 介 绍, 使 得 读 者 能 够 更 为 深 入 透 彻 地 理 解 RFID 的 本 质 与 特 性, 并 在 此 基 础 上 更 好 地 进 行 创 造 性 的 研 究 工 作 本 书 针 对 的 读 者 群 体 是 本 科 生 和 研 究 生, 其 中, 第 1~7 章 以 及 第 章 属 于 基 础 性 内 容, 适 合 本 科 生 与 研 究 生 阅 读 ; 第 8~14 章 属 于 提 高 内 容, 适 合 研 究 生 阅 读 本 书 由 南 京 大 学 计 算 机 软 件 新 技 术 国 家 重 点 实 验 室 组 织 编 写 分 布 式 计 算 实 验 室 的 同 学 殷 亚 凤 姬 浩 王 楚 豫 陈 曦 鲁 翔 周 伟 以 及 王 炜 老 师 为 本 书 的 编 写 提 供 了 大 力 协 助 与 支 持, 他 们 都 为 本 书 的 编 写 做 出 了 重 大 贡 献, 在 此 对 他 们 的 辛 勤 付 出 表 示 深 深 的 感 谢! 陆 桑 璐 谢 磊 2014 年 2 月

7 目 录 第 1 篇 概 述 第 1 章 RFID 概 述 自 动 识 别 技 术 指 纹 识 别 技 术 人 脸 识 别 技 术 语 音 识 别 技 术 一 维 码 识 别 技 术 二 维 码 识 别 技 术 自 动 识 别 技 术 小 结 RFID 的 主 要 特 点 RFID 的 核 心 技 术 RFID 的 历 史 与 现 状 RFID 的 发 展 历 史 RFID 的 现 状 RFID 的 发 展 趋 势 RFID 与 物 联 网 017 第 2 篇 感 知 识 别 第 2 章 RFID 系 统 组 件 原 理 阅 读 器 阅 读 器 的 功 能 阅 读 器 的 分 类 阅 读 器 的 操 作 规 范 阅 读 器 的 组 成 信 号 处 理 与 控 制 模 块 射 频 模 块 射 频 标 签 标 签 的 功 能 标 签 的 分 类 标 签 的 操 作 规 范 标 签 的 组 成 标 签 天 线 037 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

8 vi 标 签 芯 片 标 签 唤 醒 电 路 标 签 的 制 造 软 件 系 统 组 成 概 述 工 作 流 程 Alien RFID Java 中 间 件 阅 读 器 使 用 完 整 示 例 小 结 053 第 3 章 RFID 的 无 线 通 信 原 理 射 频 频 谱 与 电 磁 信 号 传 输 信 号 的 电 压 与 能 量 阅 读 器 信 号 的 调 制 与 复 用 反 向 散 射 机 制 与 标 签 编 码 链 路 预 算 阅 读 器 传 输 能 量 路 径 损 耗 标 签 激 活 能 量 天 线 增 益 与 极 化 对 传 输 范 围 的 影 响 天 线 增 益 的 影 响 线 性 极 化 与 圆 极 化 真 实 环 境 下 的 信 号 传 输 小 结 083 第 3 篇 协 议 第 4 章 RFID 的 标 签 识 别 协 议 基 于 ALOHA 的 防 冲 突 算 法 纯 ALOHA 算 法 时 隙 ALOHA 算 法 基 于 帧 的 时 隙 ALOHA 算 法 基 于 二 进 制 树 的 防 冲 突 算 法 基 于 随 机 二 进 制 树 的 防 冲 突 算 法 基 于 查 询 二 进 制 树 的 防 冲 突 算 法 防 冲 突 算 法 的 性 能 分 析 小 结 100

9 vii 第 5 章 超 高 频 RFID 协 议 标 准 EPCglobal Class EPCglobal Class 1 Generation EPCglobal Class 1 Generation 物 理 层 的 通 信 机 制 标 签 的 状 态 机 读 取 标 签 选 择 指 定 的 标 签 性 能 的 权 衡 小 结 120 第 4 篇 系 统 设 计 第 6 章 系 统 设 计 的 关 键 因 素 应 用 系 统 配 置 应 用 系 统 硬 件 配 置 应 用 系 统 软 件 配 置 应 用 系 统 其 他 配 置 实 际 应 用 系 统 设 计 要 点 举 例 频 带 选 择 能 量 与 通 信 范 围 链 路 的 能 量 预 算 限 制 前 向 链 路 能 量 预 算 反 向 链 路 能 量 预 算 冲 突 避 免 单 阅 读 器 多 标 签 间 冲 突 阅 读 器 与 标 签 间 冲 突 阅 读 器 间 冲 突 标 签 读 取 的 可 靠 性 标 签 漏 读 率 系 统 中 的 标 签 漏 读 现 象 多 标 签 冗 余 方 案 多 阅 读 器 / 天 线 冗 余 方 案 移 动 中 的 标 签 读 取 移 动 速 度 信 号 传 输 功 率 小 结 147 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

10 viii 第 7 章 实 际 环 境 下 系 统 性 能 的 测 试 与 分 析 实 际 系 统 中 的 标 签 识 别 算 法 发 射 功 率 对 系 统 性 能 的 影 响 天 线 辐 射 角 度 对 系 统 性 能 的 影 响 标 签 位 置 不 变, 改 变 天 线 角 度 天 线 位 置 不 变, 改 变 标 签 角 度 距 离 对 系 统 性 能 的 影 响 标 签 部 署 密 度 对 系 统 性 能 的 影 响 调 整 设 备 位 置 对 系 统 性 能 的 影 响 影 响 标 签 识 别 时 间 的 因 素 问 题 与 启 发 实 际 系 统 与 理 论 模 型 的 差 异 实 际 系 统 中 的 方 针 策 略 小 结 159 第 5 篇 研 究 进 展 第 8 章 RFID 标 签 识 别 机 制 研 究 基 于 ALOHA 的 防 冲 突 算 法 研 究 拓 展 动 态 调 整 帧 长 计 算 最 优 帧 长 基 于 二 进 制 树 的 防 冲 突 算 法 研 究 拓 展 复 杂 环 境 下 的 标 签 识 别 问 题 阅 读 器 移 动 时 的 识 别 机 制 标 签 移 动 时 的 识 别 机 制 多 阅 读 器 场 景 下 的 识 别 机 制 小 结 175 第 9 章 RFID 标 签 轮 询 机 制 研 究 基 本 的 轮 询 机 制 基 于 时 隙 ALOHA 协 议 的 轮 询 机 制 轮 询 机 制 的 应 用 研 究 大 规 模 标 签 中 查 找 丢 失 的 标 签 实 时 收 集 主 动 标 签 的 信 息 大 规 模 场 景 下 搜 索 指 定 标 签 集 合 基 于 轮 询 机 制 实 现 批 处 理 认 证 小 结 188

11 ix 第 10 章 RFID 的 标 签 数 目 估 算 机 制 研 究 标 签 数 目 估 算 的 概 率 模 型 基 于 二 项 分 布 的 概 率 模 型 估 算 方 法 基 于 几 何 分 布 的 概 率 模 型 估 算 方 法 标 签 数 目 估 算 机 制 的 应 用 研 究 快 速 查 找 热 门 标 签 流 量 追 踪 小 结 198 第 11 章 基 于 RFID 的 定 位 机 制 研 究 RFID 定 位 技 术 的 背 景 现 状 及 趋 势 RFID 定 位 原 理 室 内 无 线 电 传 播 概 述 RFID 定 位 原 理 分 类 当 前 RFID 定 位 技 术 的 分 类 详 解 TOA/TDOA 定 位 技 术 AOA 定 位 技 术 基 于 参 考 标 签 的 定 位 基 于 空 间 指 纹 的 定 位 基 于 经 验 建 模 的 定 位 小 结 211 第 12 章 基 于 RFID 的 移 动 行 为 识 别 研 究 移 动 行 为 识 别 概 述 传 统 的 移 动 行 为 识 别 机 制 基 于 RFID 的 移 动 行 为 识 别 原 理 及 挑 战 性 问 题 原 理 介 绍 与 案 例 分 析 小 结 220 第 13 章 RFID 的 安 全 机 制 研 究 RFID 的 安 全 现 状 RFID 的 安 全 及 隐 私 问 题 RFID 的 安 全 问 题 RFID 的 隐 私 问 题 RFID 的 安 全 机 制 研 究 基 于 物 理 方 法 的 安 全 机 制 基 于 对 称 密 钥 的 安 全 机 制 228 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

12 x 基 于 哈 希 函 数 的 安 全 机 制 主 要 安 全 机 制 的 性 能 比 较 其 他 安 全 机 制 小 结 236 第 14 章 RFID 与 传 感 网 的 集 成 研 究 传 感 网 简 介 集 成 RFID 和 传 感 器 技 术 的 优 势 集 成 RFID 和 传 感 网 技 术 所 需 的 条 件 可 行 的 集 成 架 构 标 签 和 传 感 器 节 点 的 集 成 架 构 标 签 和 无 线 传 感 器 节 点 的 集 成 架 构 阅 读 器 和 无 线 传 感 器 节 点 的 集 成 架 构 混 合 集 成 架 构 小 结 248 第 6 篇 应 用 与 实 践 第 15 章 RFID 的 应 用 模 式 RFID 的 技 术 特 点 及 优 势 RFID 的 应 用 模 式 标 签 识 别 信 息 检 索 与 集 成 目 标 定 位 与 追 踪 基 于 RFID 的 移 动 行 为 感 知 研 究 NFC 技 术 小 结 274 第 16 章 对 RFID 的 新 型 应 用 模 式 进 行 研 究 与 探 索 以 低 成 本 方 式 提 升 现 有 应 用 模 式 深 度 挖 掘, 探 索 创 新 的 应 用 模 式 小 结 288

13 第 1 篇 概 述 射 频 识 别 (Radio Frequency Identification, RFID) 技 术 与 传 统 的 自 动 识 别 技 术 有 何 共 同 点 和 区 别? RFID 技 术 具 备 什 么 样 的 特 点? 在 物 联 网 描 绘 的 框 架 下, RFID 与 物 联 网 之 间 的 联 系 是 什 么? 不 同 的 专 家 以 及 不 同 领 域 应 用 者 对 上 述 问 题 有 着 不 同 的 理 解 本 篇 讨 论 了 现 今 流 行 的 一 些 自 动 识 别 技 术, 并 对 RFID 技 术 的 主 要 特 点 核 心 技 术 历 史 现 状 发 展 趋 势 以 及 与 物 联 网 的 联 系 进 行 了 阐 述 和 探 讨, 为 读 者 勾 勒 出 一 个 全 局 的 画 幅 来 透 彻 地 理 解 RFID 技 术 的 前 世 今 生 相 信 通 过 对 本 篇 的 学 习, 读 者 能 够 对 RFID 技 术 有 一 个 比 较 全 面 的 认 识, 并 进 一 步 激 发 对 RFID 技 术 探 索 与 研 究 的 兴 趣 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

14

15 第1章 RFID概述 网络 正以人们无法预见的方式与速度改变着人类的生活 如今 人们足 不出户就可以通过网络以文字 语音 视频等方式进行沟通与交互 各种类型 的信息如 文档 多媒体越来越多地被选择存储在网络中 人们越来越倾 向于通过网络来随时随地获取所需的信息与知识 互联网 作为一个广泛互联 的网络 已然成为一个巨大的信息载体与传输媒介 一个思想与文化的集散地 一个富含浩瀚智慧的信息空间 在互联网模式的引导下 新型的联网模式正在 孕育和萌发 物联网 的出现为新型联网模式带来了一个全新的阐述 自此 物 - 物 相联 成为一个新的理念 即通过对物理世界信息化 网络化 将传统上分离 社 心 版 中 出 版 学 出 cn 科 术 k. 技 boo 教.a 职 ww w 的物理世界与信息世界实现互联与整合 有别于互联网中人与人在信息世界相 联的理念 物联网将其触角延伸到物理世界中的方方面面 在物联网的计算模 式中 任何一个物理对象都有可能成为一个计算的主体 它可以是一部智能手 机 一台冰箱 一个苹果 甚至可以是一粒沙子 尽管国际上各学术组织对物 联网的定义有所不同 物联网确确实实给人们提供这样一个愿景 在未来世界 所有的物理对象都有可能被封装成一个个能够自主感知与自主计算的设备 它 们能够通过无线的媒介进行有效地互联与通信 通过分享各自的信息 这些海 量的物理对象能够协同起来实现复杂的感知与计算任务 我们称为 群智感知 计算 [1] 基于上述的认识 目前大量的物联网应用雏形层出不穷 包括智能交 通监测 智能物流管理 智能环境感知等 无一例外 这些应用的根本出发点 都是将智能嵌入到物理对象当中 让物理对象 开口说话 来实现 群智感知 计算 随着物联网应用雏形的不断发展 人们逐渐对物联网技术获得了更为广泛 而深入的认识 经过众多实践性的探索 人们意识到 物联网需要一套核心的 支撑机制来实现如下诉求 如 何以类似于互联网中计算节点的 IP 地址 方式 让物理对象被唯一

16 004 射频识别技术 原理 协议及系统设计 地标识 如何将 智能 嵌入到每一个物理对象当中 让最简单的物理对象也能够 开口说话 如何提供一种低成本的通信方式 硬件成本低 通信过程节能 来实现节 点间的有效沟通 如何让物理对象在无源的环境下实现 被动智能 为 物 - 物相联 提 供根本保障 单纯依赖传统的智能设备如传感器节点很难满足上述需求 在实际应用中 这些设备存在如下弊端 节点体积过大 目前主流的传感器节点如 TelosB[2] 其体积有火柴盒一般 大小 不是所有的物理对象都能轻松携带这样的节点 需要电池供能 一旦节点需要电池来供能 那就意味着其有效运作的生命 周期是受限的 手动更新电池在一般情况下是不现实的 成本过高 传统的智能设备由于其制造工艺以及复杂度使得其成本居高不 下 目前最便宜的传感器节点也需要几十美元 年 加州大学伯克利分校 UC Berkley 提出了智能微尘 (Smartdust) 的研究项目 这是一个新的工程概念 目的是让拥有智能的无线传 感器缩小成如同沙粒或尘埃的大小 检测如温度 振动等环境信息 每个智能 微尘可以是无线传感器网络中的一个节点 负责收集信息 处理信息和与其他 的节点连接 然而 由于技术水平 制造工艺等种种因素的限制 至今为止 上述愿景中所描述的微尘节点 尚未能够以成熟的系统原型出现在大规模的应 用部署中 RFID 的出现以其独有的特性打破了这一僵局 使得上述诉求得以满足 RFID 是一种非接触式的自动识别技术 它通过射频信号自动识别目标对象并 获取相关数据 识别工作无须人工干预 作为一种简单的无线系统 RFID 系 统只有两个基本器件 一个是阅读器 另一个是标签 其基本工作原理是 阅 读器以广播方式连续向周围发送携带能量的基准信号 感应到能量的标签通过 调制电路信号以反射的方式向阅读器返回自身携带的数据 阅读器对接收到的 数据进行解码 并传给主机进行处理 通过 上述方式 RFID 系统能够提供有效的身份 信息和地址信息 在物联网环境下 RFID 系统可以针对具体的应用需求 对被标识的 物理对象进行合理有效的信息收集 为上层 图 1.1 RFID 标签 应用提供最基本的数据支持 图 1.1 展示了 RFID 标签的一个具体实例

17 第 １ 章 ＲＦＩＤ 概述 自动识别技术 说起识别技术 最早的识别技术源于人类利用自身的感知系统对外界物理 对象进行有效识别 包括视觉 听觉 触觉以及味觉等 由于人体是一个高度 复杂的感知系统 从刻画识别技术的性能指标来看 其在识别准确性 识别速 度等方面都达到了很好的性能 然而 其最大的弊端 成本太高 对于大量 的识别任务 它需要投入大量的人力来进行支持 因此 学术界 工业界的研 究者 工程师们都在致力于研究如何使用机器来代替人类进行自动识别 识别技术的本质在于利用被识别物理对象的一些具有辨识度的特征来对物 理对象进行区分和识别 因此 这些具有辨识度的特征可以是物理对象自带的 特征 如指纹 人脸 语音等 也可以是通过第三方赋予的特征 如条形码中 的特征信息等 具体说来 目前的自动识别技术主要包括指纹识别技术 人脸 识别技术 语音识别技术 条码识别技术等 指纹识别技术 众所周知 每个人的指纹都是独一无二的 且一般不会改变 指纹识别技 术正是利用这种唯一性和稳定性 通过将当前采集的指纹和预先采样的指纹进 行对比 来验证用户的身份 在识别的辨识度方面 指纹识别具有非 常高的辨识度 研究表明 每个人的指纹都 有多个独一无二的特征点 且每个特征点一 般有 5 7 个特征 如图 1.2 所示 因此 十 只手指加起来至少可以产生 4900 个独立可测 量的特征 这些特征使得指纹识别技术成为当 前最成熟的生物特征自动识别技术之一 基于 社 心 版 中 出 版 学 出 cn 科 术 k. 技 boo 教.a 职 ww w 高辨识度的特性 指纹识别速度极快 用户只需将手指与指纹采集头相互接触 1 2s 就可完成匹配工作 现在的指纹采集头变得越来越微型化 智能化 价 格也变得更加便宜 能适应各种工作环境且使用相当方便 然而 指纹识别技 术也有其缺点 由于指纹很容易被遗留 随着技术的进步 指纹复制变得越来 越容易 使得指纹识别的唯一性无法被保证 总体来说 指纹识别技术已经相当成熟 应用广泛 可靠性强 错误率小 已经被大众接受 目前 指纹识别技术不仅应用于常规的门禁系统中 还在智 能终端的身份认证等新领域得到更多的应用 图 1.2 指纹识别技术

18 人 脸 识 别 技 术 图 1.3 人 脸 识 别 技 术 如 同 世 界 上 没 有 两 片 相 同 的 叶 子 一 样, 每 个 人 的 脸 部 特 征 也 不 尽 相 同 人 脸 识 别 技 术 正 是 基 于 人 的 脸 部 特 征, 对 输 入 的 人 脸 图 像 进 行 特 征 分 析, 来 完 成 身 份 鉴 别 其 基 本 原 理 如 下 : 分 析 出 每 张 脸 的 位 置 大 小 以 及 主 要 面 部 器 官 的 位 置 信 息, 并 依 据 所 得 到 的 信 息 进 一 步 提 取 人 脸 特 征, 将 其 与 数 据 库 中 存 储 的 人 脸 特 征 进 行 对 比 和 匹 配, 从 而 识 别 每 张 人 脸 对 应 的 身 份 一 套 完 整 的 人 脸 识 别 过 程 主 要 包 括 人 脸 图 像 采 集 人 脸 定 位 人 脸 识 别 预 处 理 身 份 查 找 以 及 身 份 确 认 等, 整 个 过 程 通 常 是 在 人 脸 识 别 系 统 中 完 成 为 了 提 取 和 分 析 人 脸 的 面 部 特 征, 人 脸 识 别 广 泛 采 用 区 域 特 征 分 析 算 法 该 算 法 采 用 了 计 算 机 图 像 处 理 技 术 与 生 物 统 计 学 原 理, 利 用 计 算 机 图 像 处 理 技 术 从 图 像 中 提 取 人 像 特 征 点, 利 用 生 物 统 计 学 的 原 理 进 行 分 析, 然 后 建 立 数 学 模 型, 即 人 脸 特 征 模 型, 如 图 1.3 所 示 利 用 已 经 建 立 的 人 脸 特 征 模 型 与 被 测 试 者 的 头 像 进 行 特 征 分 析, 根 据 分 析 的 结 果 来 计 算 相 似 度 值 最 后, 通 过 对 相 似 度 值 的 排 序 即 可 确 认 被 检 测 人 脸 最 有 可 能 对 应 的 用 户 身 份 相 对 于 其 他 生 物 识 别 技 术 而 言, 在 人 脸 识 别 技 术 中 用 户 不 需 要 与 设 备 直 接 接 触, 只 需 被 测 试 者 靠 近 图 像 采 集 仪 器, 被 识 别 的 人 脸 图 像 信 息 就 可 以 主 动 获 取 在 实 际 应 用 场 景 中, 可 以 并 发 地 进 行 多 个 人 脸 的 分 拣 判 断 和 识 别, 效 率 极 高, 无 需 用 户 等 待 太 长 时 间 当 然, 正 如 硬 币 的 两 面 性 一 样, 目 前 的 人 脸 识 别 技 术 也 存 在 一 些 缺 陷, 比 如 人 脸 识 别 技 术 对 于 周 围 的 影 像 极 其 敏 感, 有 时 会 影 响 识 别 的 准 确 性 ; 有 时 人 体 面 部 的 头 发 饰 物 等 遮 挡 物 和 年 龄 的 增 长 等 也 会 对 识 别 率 造 成 一 定 的 影 响 总 体 来 说, 虽 然 目 前 人 脸 识 别 技 术 的 准 确 率 还 不 能 达 到 100%, 但 是 由 于 其 拥 有 识 别 速 度 快 不 易 被 察 觉 等 特 性, 在 不 久 的 未 来, 人 脸 识 别 技 术 也 会 像 指 纹 技 术 那 样 被 各 行 各 业 广 泛 应 用, 进 入 到 人 员 管 理 公 司 考 勤 等 日 常 工 作 和 生 活 中 语 音 识 别 技 术 所 谓 未 见 其 人, 先 闻 其 声, 语 音 识 别 技 术 正 是 利 用 每 个 人 发 音 的 音 调 和 音 色 的 不 同 来 辨 别 不 同 人 的 身 份, 如 图 1.4 所 示 具 体 来 说, 由 于 每 个 人 的 语 速 嘴 型 喉 咙 鼻 道 以 及 发 音 肌 肉 都 各 不 相 同, 这 些 有 差 异 的 物 理 特 性, 决 定 了 每 个 人 声 音 的 独 一 无 二 性 上 述 生 理 特 征 构 成 的 语 音 辨 识 度 使 得 语 音 识 别

19 007 技 术 能 够 达 到 较 高 的 识 别 精 度 目 前, 主 流 的 大 词 汇 量 语 音 识 别 系 统 多 采 用 统 计 模 式 识 别 技 术, 主 要 由 信 号 处 理 及 特 征 提 取 模 块 统 计 声 学 模 型 发 音 词 典 语 言 模 型 解 码 器 等 五 个 基 本 模 块 所 构 成 图 1.4 语 音 识 别 技 术 语 音 识 别 技 术 使 用 相 当 方 便, 用 户 的 接 受 程 度 很 高 声 音 输 入 设 备 造 价 低 廉, 并 且 不 涉 及 用 户 的 隐 私 问 题, 所 以 可 以 方 便 地 推 广 到 诸 多 应 用 中, 如 语 音 拨 号 室 内 设 备 控 制 等 然 而, 由 于 目 前 语 音 识 别 技 术 还 缺 少 国 际 标 准 的 规 范, 其 推 广 还 存 在 一 定 的 障 碍 一 维 码 识 别 技 术 在 日 常 生 活 中, 一 维 码 识 别 技 术 已 经 得 到 了 非 常 广 泛 的 应 用, 从 食 品 到 书 籍 等 各 种 各 样 的 商 品 通 常 会 附 带 一 个 一 维 码, 如 图 1.5 所 示, 可 以 说 一 维 码 识 别 技 术 已 经 相 当 成 熟, 并 被 人 们 广 泛 接 受 从 原 理 上 讲, 一 维 码 是 将 线 条 与 空 白 按 照 一 定 的 编 码 规 则 组 合 起 来, 用 以 代 表 一 定 的 信 息 在 识 别 的 时 候, 用 条 形 码 阅 读 器 机 扫 描, 得 到 一 组 反 射 信 号, 此 信 号 经 过 光 电 转 换 后 变 成 一 组 与 线 条 空 白 相 对 应 的 电 子 信 号, 经 解 码 后 还 原 为 相 应 的 数 字, 再 传 入 计 算 机, 到 数 据 库 中 搜 索 相 应 的 信 息 值 得 注 意 的 是, 一 维 码 只 在 水 平 方 向 表 达 信 息, 而 在 垂 直 方 向 则 不 表 达 任 何 信 息, 其 保 留 一 定 的 高 度 通 常 是 为 了 便 于 阅 读 器 的 对 准 当 然, 一 维 码 也 存 在 下 述 一 些 问 题 : 存 储 的 信 息 量 少, 时 刻 需 要 与 计 算 机 数 据 库 结 合 ; 条 形 码 尺 寸 相 对 太 大, 导 致 空 间 利 用 率 较 低 ; 条 形 码 遭 到 损 坏 后 不 能 恢 复 信 息, 容 错 能 力 较 差 然 而, 正 是 这 些 不 足 促 进 了 二 维 码 的 诞 生 二 维 码 识 别 技 术 二 维 码 技 术 利 用 在 二 维 平 面 上 黑 白 相 间 的 图 形 来 记 录 数 据, 这 些 几 何 图 形 通 过 一 定 规 律 分 布 来 表 述 特 定 的 信 息 在 代 码 编 制 上, 二 维 码 巧 妙 地 利 用 若 干 个 与 二 进 制 相 对 应 的 几 何 形 体 来 表 示 文 字 或 数 值 信 息, 通 过 光 电 扫 描 设 备 能 够 图 1.5 一 维 码 识 别 技 术 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

20 008 射频识别技术 原理 协议及系统设计 被自动识别以实现信息自动处理 由于是从一维码识别技术发展而来 二维码 识别技术也具有一维码的一些特性 如每种码制有其特定的字符集 每个字符 占有一定的宽度 具有一定的校验功能等 然而 与一维码有所不同 二维码 在二维空间的两个维度均记载着数据 此外 二维码采用了 定位点技术 和 容 错机制 其中 定位点技术 是指二维码通常有三个定位点提供给读码机进 行辨识 因为有这些定位点 所以二维码不管是从何种方向读取 都可以被辨 识 容错机制 是指在没有辨识到全部的二维码 或 者条码有污损时 也可以正确地还原二维码上的信息 在二维码的诸多码制中 最常用的码制是 QR 码 QR 码 是 1994 年 由 日 本 Denso-Wave 公 司 发 明 QR 来 自 英文 Quick Response 的缩写 即快速反应的意思 源 图 1.6 自发明者希望 QR 码可让其内容快速被解码 图 1.6 展 二维码识别技术 示了 QR 码的一个实例 总体来说 二维码存在如下特点 存储容量较大 其存储量可以达到 32KB 信息密度高 可以存储的信息种类繁多 包括数字 英文 汉字 指纹 声音和图片等信息 纠错能力强 二维码在 50% 污损的情况下 仍然能够可以识别 支持加密 具有多重防伪特性 然而 二维码要想在现有基础上进一步扩大其应用领域 还需克服种种困 难 例如 其存储量对于未来的应用需求还是相对有限 二维码识别仍需要无 障碍的近距离扫描 尽管如此 二维码技术仍具有很大的应用价值 国内包括 腾讯 百度在内的多家公司正在从事二维码技术推广 其商业应用前景被广泛 看好 自动识别技术小结 上文介绍了几种主流的自动识别技术 总体来说 这些识别技术各有利弊 互为补充 表 1.1 从不同的维度总结了各项技术的优点和弊端 表 1.1 几种主流识别技术的比较 比较角度 识别技术 指纹识别技术 人脸识别技术 语音识别技术 条形码识别技术 一维码 二维码 识别准确度 识别速度 识别复杂度 系统成本 高 一般 一般 高 高 一般 一般 一般 快速 快速 较复杂 很复杂 很复杂 简单 简单 中 高 高 低 低

21 009 事 实 上, 除 了 上 述 几 种 较 传 统 的 识 别 技 术 外, 近 年 来 出 现 了 视 网 膜 识 别 心 跳 识 别 等 新 兴 的 识 别 技 术 其 中, 视 网 膜 是 一 种 极 其 固 定 的 生 物 特 征, 不 磨 损 不 老 化 不 受 疾 病 影 响, 使 用 者 无 需 和 设 备 直 接 接 触, 视 网 膜 识 别 通 过 分 析 视 网 膜 上 的 血 管 图 案 来 区 分 每 个 人 对 于 心 跳 识 别, 研 究 发 现 每 个 人 心 跳 的 波 形 不 同 存 在 区 分 度, 并 且 即 便 心 跳 加 速, 心 跳 波 形 的 一 些 固 有 特 征 依 然 不 会 改 变 心 跳 识 别 正 是 基 于 这 一 特 性, 通 过 特 定 仪 器 收 集 心 跳 的 信 号 脉 冲, 甄 别 出 每 个 人 心 跳 固 有 的 特 征, 以 此 来 识 别 用 户 的 身 份 随 着 技 术 的 发 展, 越 来 越 多 新 颖 的 自 动 识 别 技 术 将 会 涌 现 出 来 其 中, RFID 技 术 的 出 现 为 自 动 识 别 技 术 提 供 了 新 的 发 展 契 机 区 别 于 上 述 自 动 识 别 技 术,RFID 以 其 独 有 的 一 些 特 点 成 为 物 联 网 中 的 核 心 支 撑 技 术 作 为 目 前 自 动 识 别 技 术 中 最 耀 眼 的 一 颗 新 星,RFID 基 本 融 合 了 其 他 自 动 识 别 技 术 的 各 项 优 点, 具 有 非 接 触 式 自 动 快 速 识 别 精 确 高 效 识 别 低 成 本 低 功 耗 以 及 具 备 一 定 计 算 和 存 储 能 力 的 特 点, 为 物 联 网 应 用 中 实 现 被 动 智 能 全 局 唯 一 识 别 低 成 本 互 联 等 核 心 问 题 提 供 了 有 效 的 解 决 方 案 本 章 将 在 下 文 陆 续 介 绍 RFID 的 主 要 特 点 以 及 核 心 技 术, 并 进 一 步 介 绍 RFID 的 历 史 与 现 状, 以 及 RFID 与 物 联 网 的 联 系 1.2 RFID 的 主 要 特 点 相 比 于 现 有 的 普 适 移 动 计 算 系 统,RFID 系 统 具 有 如 下 几 个 鲜 明 特 点 非 接 触 式 的 自 动 快 速 识 别 超 高 频 RFID 标 签 通 过 反 向 散 射 能 量 的 方 式 来 返 回 数 据, 其 有 效 通 信 范 围 可 以 达 到 6~10m, 因 此 无 需 接 触 即 可 实 现 自 动 识 别 此 外,RFID 系 统 使 用 有 效 的 防 冲 突 机 制 来 读 取 扫 描 范 围 内 的 标 签, 能 够 实 现 对 大 量 标 签 的 快 速 识 别 一 般 情 况 下,RFID 系 统 识 别 数 以 百 计 的 标 签 也 仅 需 几 秒 至 十 几 秒 的 时 间 永 久 存 储 一 定 数 量 的 数 据 RFID 标 签 内 部 自 带 有 用 户 存 储 区, 可 以 存 储 1KB ~ 10KB 的 用 户 数 据 虽 然 存 储 资 源 非 常 有 限, 但 是 为 永 久 存 储 一 定 数 量 的 关 键 字 提 供 了 可 能 性 借 助 索 引 机 制,RFID 标 签 能 够 关 联 更 为 多 样 化 多 维 度 的 信 息 满 足 应 用 需 求 进 行 简 单 的 逻 辑 处 理 RFID 标 签 内 部 拥 有 数 量 非 常 有 限 的 逻 辑 门, 仅 能 进 行 简 单 的 逻 辑 处 理, 如 加 减 乘 除 哈 希 运 算 等 ; 但 是 RFID 系 统 能 够 借 助 标 签 上 基 本 的 逻 辑 处 理 能 力 实 现 一 些 有 效 的 协 议 与 算 法, 提 升 系 统 的 运 行 效 率 与 安 全 性 能 反 射 信 号 强 度 受 距 离 等 因 素 影 响 明 显 由 于 RFID 标 签 自 身 是 无 源 设 备, 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

22 010 必 须 借 助 反 向 散 射 来 调 制 反 馈 信 号, 因 此,RFID 标 签 反 射 信 号 的 强 度 易 受 周 围 环 境 的 影 响, 包 括 距 离 阅 读 器 功 率 信 号 干 扰 标 签 部 署 密 度 等 例 如, 信 号 在 反 射 路 径 上 衰 减 明 显, 信 号 强 度 对 通 信 距 离 非 常 敏 感, 反 射 信 号 易 受 人 体 等 电 离 体 的 屏 蔽 成 本 低 廉 可 以 大 量 部 署 RFID 标 签 往 往 采 用 印 刷 电 路 进 行 大 规 模 批 量 生 产, 因 此, 制 造 成 本 可 以 大 幅 度 降 低 目 前 一 枚 RFID 标 签 的 成 本 可 以 控 制 在 10 美 分 左 右, 这 为 RFID 标 签 的 大 量 部 署 提 供 了 基 本 前 提 在 上 述 主 要 特 点 中, 非 接 触 式 的 自 动 快 速 识 别 特 性 以 及 标 签 的 低 成 本 性 使 得 RFID 成 为 当 前 自 动 识 别 技 术 中 使 用 便 捷 性 价 比 高 的 一 种 识 别 技 术 RFID 标 签 能 够 永 久 存 储 一 定 数 量 的 数 据 并 且 进 行 简 单 的 逻 辑 处 理, 一 方 面, 使 得 RFID 区 别 于 一 般 的 条 形 码 类 的 识 别 技 术, 赋 予 RFID 标 签 以 被 动 智 能 ; 另 一 方 面, 也 为 RFID 系 统 协 议 与 算 法 的 实 现 提 出 了 资 源 稀 缺 性 的 挑 战, 使 得 协 议 算 法 的 设 计 需 要 十 分 精 简 此 外, 反 射 信 号 强 度 受 距 离 等 因 素 影 响 明 显, 表 面 上 来 看, 这 是 RFID 技 术 的 一 项 固 有 缺 陷, 然 而, 从 辩 证 的 角 度 来 看, 这 也 为 利 用 RFID 技 术 实 现 定 位 与 行 为 识 别 提 供 了 良 好 的 契 机 在 对 物 理 对 象 实 现 有 效 识 别 的 基 础 上, 通 过 优 化 设 计 相 应 的 协 议 与 算 法, 探 索 并 挖 掘 出 更 深 层 次 的 RFID 应 用 模 式, 如 目 标 定 位 与 追 踪 快 速 收 集 统 计 信 息 移 动 行 为 感 知 等, 在 此 基 础 上 充 分 拓 展 RFID 技 术 的 功 能, 并 极 大 地 提 升 其 实 际 运 行 的 性 能 1.3 RFID 的 核 心 技 术 射 频 识 别 技 术 看 似 简 单, 实 际 上 是 一 项 复 杂 的 系 统 技 术 从 关 联 到 的 系 统 层 次 来 看, 它 涉 及 物 理 层 媒 体 接 入 层 以 及 应 用 层 的 各 项 技 术 出 于 RFID 系 统 扁 平 化 的 设 计 理 念, 各 层 次 之 间 的 因 素 相 互 关 联, 共 同 影 响 着 RFID 系 统 整 体 的 运 行 性 能 RFID 技 术 由 于 其 系 统 设 计 的 特 性, 受 到 以 下 因 素 的 制 约 标 签 资 源 极 其 受 限 由 于 RFID 系 统 的 设 计 初 衷 就 是 采 用 一 种 成 本 极 为 低 廉 的 方 式 来 支 撑 物 联 网 应 用, 因 此 其 计 算 能 力 存 储 空 间 以 及 通 信 带 宽 都 是 极 为 受 限 的 例 如,RFID 标 签 受 到 低 成 本 限 制, 通 常 只 能 拥 有 大 约 5000 ~ 个 逻 辑 门, 并 且 这 些 逻 辑 门 主 要 用 于 实 现 一 些 最 基 本 的 标 签 功 能, 仅 剩 少 许 可 用 于 实 现 其 他 附 加 功 能 此 外,RFID 标 签 上 的 存 储 资 源 也 非 常 受 限, 通 常 标 签 的 EPC 区 仅 能 存 储 96 比 特 数 据, 用 户 区 仅 能 存 储 1~10KB 的 数 据 标 签 资 源 极 其 受 限 的 情 况 下, 如 何 设 计 与 实 现 轻 量 级 的 协 议 与 算 法, 来 提 升 系 统 的 运 行 效 率, 例 如, 降 低 扫 描 时 延 提 升 定

23 第 １ 章 ＲＦＩＤ 概述 011 位精度 降低阅读器能耗等 成为 RFID 系统设计的一大挑战 真实环境下的性能易受多种因素影响 真实传输环境中的一些物理因素包 括路径损耗 能量吸收 信号干扰等给物理层的信号传输带来了极大的不 可靠性 也给 RFID 系统的性能带来了很大的影响 具体说来 真实传输 环境下影响 RFID 系统性能的关键因素包括 a 阅读器的发射功率 b 能量吸收 路径损耗 多径效应 c 信号干扰 d 标签的分布 与部署 如何有效剖析上述关键因素对系统性能各指标的影响 扫描范围 阅读速率以及能量消耗 合理设置优化的参数来减少上述因素对系统性 能的负面影响 成为 RFID 系统设计的另一大挑战 如果能够巧妙利用上 述因素产生的影响来设计优化的协议与算法 以 趋利避害 的方式来提 升系统的性能 将会把上述挑战性问题转化为新的研究机遇 综上所述 对射频识别技术而言 势必需要有一套核心技术来应对上述挑 战 充分提升系统的性能 总体来看 RFID 的核心技术如图 1.7 所示 主要包 括如下几个方面 ᱅㬖㻷 㬒䁴 ⷀ㾈㬗 ᱅㸋㹐 㬡ㆈ ㅴ㧌㾦㻃㬡 ㆈ㳂 㗦 ᱅㬖㻷㚠 Ⰹ㸜㾵 ⳡ 㵜 㭅 䐧 Ⰹ㸜䈌䄧Ⱀ 㾱㸋ⶱ䐋 㾦㻃 ᱃ ネ㰘䈌㵻㉓ ➓㦌㦰䐅䈌 㯞㗽㾵 䍰 社 心 版 中 出 版 学 出 cn 科 术 k. 技 boo 教.a 职 ww w ᱅㦘 ㅜ 㾦㾵䈌➓ 㦌㾵 ①充分利用反向散射的信号衰变规律来辅助定位及移动行为感知 对物联 网应用而言 有效获取物理对象的位置信息以及移动行为信息对感知计算任务 来说是至关重要的 除了能够有效标识物理对象外 RFID 系统在物理层的信号 传输体现出如下的一些特性 一方面 RFID 标签的反射信号在反射路径上衰减 明显 信号强度对通信距离非常敏感 另一方面 反射信号易受人体等电离体 的屏蔽 上述特性为实现精确定位和移动行为感知提供了契机 鉴于物联网移 动应用的特点 定位与行为感知机制需具备如下性质 a 精确 针对具体的应 用需求 需要将定位误差充分降低到应用能容忍的范围之内 一般来说 低精 度定位仅需要将定位误差控制在几米之内 高精度定位则需要将定位误差缩减 至几厘米之内 b 实时 针对移动应用中物理对象持续移动的特性 要求将定 图 1.7 RFID 的核心技术

24 012 位 的 时 延 控 制 在 一 个 合 理 范 围 之 内 否 则, 即 使 能 够 根 据 当 前 某 一 瞬 时 的 信 息 计 算 出 高 精 度 的 位 置 信 息, 可 能 等 结 果 计 算 出 来 之 后 物 理 对 象 已 经 移 动 了 相 当 长 一 段 距 离, 此 时 再 精 确 的 位 置 信 息 也 成 为 徒 劳 (c) 稳 定 为 实 现 有 效 定 位, 不 仅 需 要 控 制 好 平 均 误 差, 还 需 要 确 保 定 位 性 能 的 稳 定 性, 防 止 定 位 性 能 出 现 过 于 频 繁 的 抖 动, 即 充 分 控 制 好 定 位 误 差 的 置 信 区 间, 使 其 在 具 体 应 用 能 够 容 忍 的 范 围 之 内 2 防 冲 突 机 制 在 通 常 的 RFID 应 用 中, 大 量 的 RFID 标 签 往 往 被 广 泛 地 部 署 在 指 定 区 域 中 为 了 能 够 快 速 有 效 地 识 别 这 些 标 签, 阅 读 器 需 要 在 RFID 标 签 识 别 协 议 中 使 用 一 套 有 效 的 防 冲 突 算 法 来 逐 一 读 取 这 些 标 签 在 无 线 通 信 环 境 下, 普 通 的 无 线 设 备 主 要 基 于 载 波 侦 听 多 路 访 问 / 冲 突 避 免 (CSMA/CA) 的 竞 争 机 制 来 实 现 多 个 设 备 之 间 的 通 信, 如 协 议 与 普 通 的 无 线 节 点 不 同,RFID 标 签 是 极 为 简 单 的 无 线 设 备, 标 签 上 的 资 源 极 其 有 限, 不 能 够 自 发 地 通 过 调 节 自 身 的 无 线 传 输 时 机 来 避 免 标 签 间 的 传 输 冲 突 具 体 来 说, 标 签 没 有 足 够 的 处 理 能 力 与 能 源 来 实 现 上 述 竞 争 机 制, 避 免 通 信 冲 突 鉴 于 RFID 的 系 统 特 点,RFID 标 签 识 别 协 议 需 要 具 备 如 下 性 质 :(a) 简 单 由 于 RFID 标 签 上 的 计 算 存 储 资 源 极 其 有 限, 标 签 识 别 协 议 的 处 理 逻 辑 ( 包 括 执 行 流 程 和 状 态 迁 移 关 系 ) 需 要 尽 可 能 简 单 (b) 高 效 面 对 大 量 的 RFID 标 签, 标 签 识 别 协 议 需 要 提 供 轻 量 级 的 通 信 机 制, 尽 可 能 避 免 不 必 要 的 控 制 报 文 的 传 输, 确 保 传 输 的 高 吞 吐 率 与 低 延 迟 性 此 外, 除 去 标 签 间 的 信 号 传 输 冲 突 外, 在 多 个 阅 读 器 被 部 署 的 环 境 下, 阅 读 器 与 阅 读 器 之 间 阅 读 器 与 标 签 之 间 都 会 存 在 信 号 传 输 的 冲 突 如 何 有 效 地 规 避 冲 突, 提 升 传 输 的 性 能, 降 低 扫 描 的 时 延, 成 为 RFID 的 核 心 问 题, 从 而 也 使 得 防 冲 突 机 制 成 为 RFID 系 统 的 核 心 技 术 3 高 效 的 信 息 存 储 检 索 与 挖 掘 在 物 联 网 环 境 下,RFID 系 统 被 部 署 和 应 用 的 根 本 目 的 是 : 针 对 具 体 的 应 用 需 求, 对 被 标 识 的 物 理 对 象 进 行 合 理 有 效 的 信 息 收 集, 为 上 层 应 用 提 供 最 基 本 的 数 据 支 持 因 此, 任 何 一 种 具 体 的 RFID 应 用 都 依 赖 于 对 RFID 数 据 实 现 有 效 的 数 据 管 理 所 谓 数 据 管 理 是 指 结 合 RFID 系 统 的 应 用 需 求 实 现 有 效 且 有 针 对 性 的 数 据 存 储 信 息 检 索 以 及 分 析 挖 掘 等 操 作 在 现 有 的 物 联 网 体 系 架 构 中, 数 据 管 理 起 着 承 上 启 下 的 关 键 作 用 : 一 方 面, 物 联 网 需 要 从 感 知 到 的 海 量 原 始 数 据 中 提 取 有 效 信 息 并 进 行 管 理, 为 上 层 的 特 定 应 用 提 供 数 据 支 撑 ; 另 一 方 面, 物 联 网 需 要 结 合 具 体 的 数 据 管 理 需 求 来 组 织 感 知 识 别 层 面 的 众 多 节 点, 在 网 络 层 面 进 行 优 化 调 度 与 资 源 配 置, 以 更 有 效 地 指 导 下 层 协 议 与 算 法 的 设 计 实 现 在 数 据 为 王 的 时 代, 对 大 量 部 署 的 RFID 系 统 而 言, 如 何 在 分 布 式 环 境 下 对 RFID 标 签 所 携 带 的 ID 关 键 字 信 息 以 及 感 知 数 据 进 行 有 效 的 存 储 检 索 以 及 挖 掘, 成 为 RFID 系 统 应 用 的 核 心 问 题

25 013 4 安 全 认 证 与 私 密 性 保 障 在 物 联 网 应 用 中, 对 RFID 系 统 实 现 有 效 数 据 管 理 的 前 提 在 于 保 障 RFID 数 据 的 安 全 性 与 私 密 性 RFID 系 统 的 安 全 威 胁 主 要 来 自 于 伪 造 标 签 的 存 在 以 及 阅 读 器 对 标 签 的 非 法 访 问 对 RFID 系 统 而 言, 其 安 全 问 题 是 指 存 在 伪 造 标 签 时, 如 何 有 效 地 对 标 签 进 行 认 证 ; 其 隐 私 问 题 是 指 存 在 恶 意 阅 读 器 时, 如 何 防 止 恶 意 阅 读 器 对 标 签 的 非 法 访 问, 来 有 效 地 保 护 用 户 的 隐 私 在 常 用 的 网 络 安 全 解 决 方 案 中, 已 经 存 在 成 熟 的 加 解 密 算 法, 如 DES AES RSA 椭 圆 曲 线 密 码 等, 这 些 算 法 构 成 了 对 称 密 钥 加 密 以 及 公 开 密 钥 加 密 体 系 中 的 支 撑 技 术, 能 够 有 效 地 实 现 加 密 与 鉴 别 功 能, 抵 制 非 法 读 取 伪 装 哄 骗 重 放 攻 击 等 安 全 威 胁, 具 有 良 好 的 安 全 性 但 实 现 上 述 算 法 需 要 较 多 的 逻 辑 处 理 单 元, 如 AES 需 要 ~ 个 逻 辑 门,RSA 椭 圆 曲 线 密 码 等 公 钥 密 码 算 法 则 需 要 更 多 的 逻 辑 门 而 RFID 标 签 受 到 低 成 本 限 制, 通 常 只 能 拥 有 5000 ~ 个 逻 辑 门 RFID 标 签 极 其 有 限 的 计 算 资 源 难 以 支 持 上 述 复 杂 的 加 解 密 算 法 的 实 现 因 此, 对 RFID 系 统 而 言, 其 安 全 与 隐 私 保 障 机 制 的 根 本 任 务 在 于 : 如 何 以 一 种 轻 量 级 的 方 式 在 资 源 极 其 受 限 的 RFID 系 统 上 实 现 认 证 与 隐 私 保 护 协 议 1.4 RFID 的 历 史 与 现 状 RFID 的 发 展 历 史 对 于 RFID 来 说, 自 其 第 一 次 应 用 于 现 实 生 活 中, 已 经 有 了 大 约 50 年 以 上 的 历 史 了 它 最 早 被 用 于 二 次 大 战 时 期, 用 以 侦 测 并 确 认 军 用 机 场 进 入 的 飞 机 是 否 为 己 方 所 有 当 时 的 应 用 原 理 类 似 于 现 今 的 主 动 式 标 签, 通 过 雷 达 发 送 信 号, 飞 机 上 的 标 签 收 到 信 号 后 即 会 发 回 对 应 的 回 复 信 号, 通 过 该 方 法 来 判 断 飞 机 是 否 为 己 方 现 如 今 飞 机 场 的 机 场 识 别 系 统 也 是 以 此 为 基 础 具 体 来 说, RFID 技 术 的 发 展 经 历 了 以 下 几 个 阶 段 1937 ~ 1940 年, 美 国 海 军 研 究 试 验 室 开 发 了 敌 我 识 别 系 统, 并 成 功 应 用 于 军 事 实 践, 这 是 RFID 技 术 基 础 的 萌 芽 1941 ~ 1960 年, 雷 达 技 术 产 生, 催 生 了 RFID 技 术 的 理 论 思 想 1948 年, 由 Harry Stockinan 发 表 的 利 用 反 射 功 率 通 信 一 文, 奠 定 了 RFID 技 术 的 理 论 基 础 但 由 于 相 关 技 术 和 理 论 并 不 完 善,RFID 技 术 主 要 在 实 验 室 进 行 研 究 1961 ~ 1980 年, 随 着 技 术 理 论 的 进 步,RFID 技 术 已 被 应 用 到 交 通 运 输 安 全 和 医 疗 相 关 领 域, 产 品 研 发 处 于 快 速 发 展 时 期 1981 ~ 1991 年, 商 业 化 的 需 求 让 RFID 技 术 出 现 了 各 种 大 规 模 的 应 用, 其 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

26 014 中 以 道 路 电 子 收 费 系 统 应 用 最 为 广 泛 同 时,RFID 的 访 问 控 制 体 系 越 来 越 完 善 1991 ~ 2000 年,RFID 技 术 已 被 应 用 到 人 们 生 活 的 很 多 方 面, 其 标 准 化 问 题 也 日 趋 得 到 重 视 2001 年 至 今, 随 着 物 联 网 概 念 的 提 出,RFID 技 术 有 了 更 广 阔 的 发 展 空 间 同 时, 多 国 及 组 织 指 定 了 一 系 列 相 关 的 标 准, 且 产 品 得 到 了 广 泛 应 用 目 前 国 际 上, 主 要 有 EPCglobal AIM ISO UID IP-X 等 五 大 标 准 组 织 参 与 制 定 RFID 技 术 的 标 准 RFID 所 具 备 的 远 距 离 识 别 及 一 对 多 的 读 取 轻 薄 及 小 型 化 讯 号 的 穿 透 性 及 抗 污 性 可 重 复 使 用 高 储 存 量 等 特 性, 让 这 项 技 术 在 自 动 化 管 理 的 应 用 领 域 日 渐 受 到 瞩 目 RFID 的 现 状 1. 国 外 RFID 发 展 概 况 目 前,RFID 技 术 在 美 国 欧 洲 日 本 韩 国 等 国 家 和 地 区 已 经 被 广 泛 应 用 于 工 业 自 动 化 智 能 交 通 物 流 管 理 和 零 售 业 等 领 域 其 中, 韩 国 早 在 1996 年 1 月 就 在 首 尔 ( 时 称 汉 城 ) 的 600 辆 公 共 汽 车 上 安 装 了 用 于 电 子 月 票 的 射 频 识 别 系 统 ; 法 国 航 空 公 司 DHL 和 新 加 坡 航 空 公 司 等 多 家 大 型 运 输 企 业 开 始 试 行 RFID 技 术, 德 国 汉 莎 航 空 公 司 则 试 用 射 频 卡 作 为 飞 机 票 ; 日 本 丰 田 三 菱, 美 国 福 特 和 韩 国 现 代 汽 车 已 将 RFID 技 术 用 于 汽 车 防 盗 系 统 此 外, 一 些 全 球 知 名 的 企 业, 如 国 际 商 业 机 器 公 司 (IBM) 日 立 德 州 仪 器 (Texas Instruments,TI) NXP 半 导 体 意 法 半 导 体 (ST) SAP 等 在 RFID 相 关 软 硬 件 技 术 开 发 和 应 用 上 走 在 世 界 前 列 其 中,IBM 已 经 在 日 本 美 国 和 法 国 建 立 了 三 大 RFID 研 发 中 心, 除 了 从 事 相 关 RFID 基 础 研 发 工 作 外, 还 向 市 场 推 销 RFID 中 间 件 产 品 ; 三 星 电 子 成 功 研 制 了 手 机 RFID 芯 片 ;2007 年, 日 立 推 出 了 规 格 仅 有 0.005cm 0.005cm 的 RFID 标 签, 丹 麦 RFID SEC 公 司 开 发 了 无 源 RFID 隐 私 增 强 技 术 用 于 跟 踪 ; 讯 宝 ABI 易 腾 迈 等 10 多 家 技 术 企 业 还 于 2005 年 组 建 了 RFID 专 利 联 盟 发 达 国 家 在 RFID 技 术 标 准 的 制 定 方 面 也 走 在 世 界 前 列, 国 际 上 参 与 制 定 RFID 技 术 标 准 的 五 大 标 准 组 织 EPCglobal AIM ISO UID IP-X 大 多 来 自 欧 美 日 本 等 发 达 国 家 和 地 区 EPCglobal 由 北 美 UCC 产 品 统 一 编 码 组 织 和 欧 洲 EAN 产 品 标 准 组 织 联 合 成 立,AIM ISO UID 则 代 表 了 欧 美 国 家 和 日 本, 其 中,UID 标 准 由 主 导 日 本 RFID 标 准 研 究 与 应 用 的 组 织 T- 引 擎 论 坛 (T-EngineForum) 提 出, 该 论 坛 成 员 绝 大 多 数 都 是 NEC 日 立 东 芝 等 日 本 厂 商, 也 有 少 部 分 来 自 国 外 的 著 名 厂 商 参 与, 如 微 软 三 星 LG 和 SKT

27 国 内 RFID 发 展 概 况 在 国 内, 随 着 物 联 网 技 术 的 研 究 与 发 展,RFID 作 为 最 重 要 的 核 心 支 撑 技 术 之 一, 得 到 了 迅 速 的 推 广 和 发 展 其 中,2005 年 4 月, 国 家 科 技 部 启 动 了 863 计 划 课 题 无 线 射 频 关 键 技 术 研 究 与 开 发, 可 看 作 我 国 RFID 技 术 研 究 的 开 始 2006 年 由 信 息 产 业 部 科 技 部 牵 头 联 合 14 部 委 组 织 全 国 专 家 编 制 论 证 的 中 国 RFID 技 术 政 策 白 皮 书 正 式 发 布 近 年 来, 国 家 制 定 了 频 谱 规 范, 先 后 建 立 上 海 广 东 等 国 家 级 RFID 产 业 园, 无 锡 成 都 武 汉 等 地 也 投 入 巨 资 建 立 相 关 的 产 业 基 地 随 着 RFID 在 第 二 代 居 民 身 份 证 2010 年 上 海 世 博 会 门 票 系 统 国 内 最 大 的 铁 路 机 车 车 号 识 别 系 统 联 网 高 速 公 路 不 停 车 收 费 系 统 等 的 成 功 应 用, 我 国 RFID 产 业 得 到 了 快 速 发 展 然 而, 与 国 外 先 进 国 家 相 比, 我 国 RFID 技 术 在 很 多 方 面 仍 有 差 距, 主 要 包 括 如 下 几 个 方 面 RFID 软 件 企 业 少, 国 内 RFID 企 业 中 主 要 为 RFID 硬 件 生 产 商 和 集 成 商, 软 件 应 用 在 RFID 应 用 中 处 于 弱 势 地 位 RFID 技 术 应 用 以 中 低 频 ( 如 门 禁 ) 为 主, 超 高 频 和 微 波 则 相 对 较 弱, 芯 片 主 要 依 靠 进 口 RFID 标 准 未 全 面 落 实, 我 国 也 开 始 制 定 自 己 的 RFID 标 准, 但 目 前 标 准 内 容 还 未 全 面 落 实, 统 一 标 准 与 国 际 接 轨 将 是 中 国 RFID 未 来 工 作 重 点 RFID 技 术 安 全 稳 定 性 能 有 待 提 升, 目 前 我 国 应 用 较 为 广 泛 的 RFID 系 统 均 为 无 源 的, 在 芯 片 读 写 数 据 的 过 程 中 很 容 易 被 黑 客 利 用, 没 有 可 靠 的 安 全 机 制, 无 法 对 数 据 进 行 很 好 的 保 密 随 着 RFID 技 术 在 国 内 进 一 步 的 推 广 和 发 展, 我 们 有 理 由 相 信,RFID 技 术 将 会 在 物 联 网 产 业 中 得 到 越 来 越 多 的 关 注, 并 发 挥 越 来 越 重 要 的 作 用 1.5 RFID 的 发 展 趋 势 在 普 适 计 算 和 物 联 网 所 描 绘 的 愿 景 中, 微 型 的 计 算 节 点 将 会 越 来 越 多 地 被 嵌 入 到 物 体 和 环 境 中, 包 括 书 籍 家 具 甚 至 可 植 入 的 医 疗 设 备 中 随 着 这 些 微 型 计 算 节 点 的 尺 寸 越 来 越 小 规 模 越 来 越 大, 一 个 关 键 性 的 问 题 便 随 之 出 现 : 如 何 有 效 地 给 它 们 提 供 持 续 不 断 的 能 源? 依 赖 于 传 统 的 电 线 输 电 方 式 显 然 不 再 可 行, 而 电 池 供 电 的 方 式 不 仅 增 加 了 计 算 节 点 的 重 量 和 体 积, 并 且 频 繁 的 电 池 更 换 也 会 带 来 巨 大 的 维 护 开 销, 难 以 保 证 持 续 的 续 航 能 力, 至 于 无 线 充 电 技 术 也 尚 未 能 达 到 实 用 化 的 地 步 反 向 散 射 技 术 (Backscatter) 的 代 表 RFID 的 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

28 016 出 现 为 这 一 领 域 的 应 用 带 来 了 巨 大 的 生 机 部 署 在 应 用 场 景 中 的 计 算 节 点 不 再 依 赖 于 传 统 的 电 池 供 电 的 方 式 来 维 持 正 常 运 行, 续 航 时 间 得 以 无 限 制 延 长 此 外,RFID 简 约 的 设 计 理 念 和 精 湛 的 制 造 工 艺 使 得 节 点 的 体 积 可 以 越 做 越 小, 能 够 大 量 嵌 入 到 人 们 的 日 常 工 作 与 生 活 空 间 中 来 然 而, 当 前 的 RFID 技 术 也 面 临 着 一 些 根 本 性 的 难 题 : 首 先, 虽 然 RFID 标 签 正 在 实 现 从 有 源 节 点 向 无 源 节 点 设 计 方 案 的 过 度, 但 是 由 于 RFID 阅 读 器 天 线 的 辐 射 范 围 以 及 RFID 标 签 能 量 捕 获 能 力 的 限 制,RFID 标 签 节 点 必 须 依 赖 于 RFID 阅 读 器 源 源 不 断 输 出 的 连 续 电 磁 波 来 确 保 能 量 的 补 给 在 移 动 环 境 下, 事 实 上 很 难 保 证 标 签 节 点 能 够 持 续 获 取 足 够 的 能 量 来 维 护 自 身 的 运 行 状 态, 确 保 可 用 性 这 给 普 适 空 间 中 或 者 物 联 网 环 境 下 广 泛 地 实 现 被 动 智 能 (Passive Intelligence) 带 来 了 挑 战 其 次, 当 前 RFID 的 通 信 模 式 还 仅 限 于 RFID 阅 读 器 与 众 多 RFID 标 签 之 间 一 对 多 的 集 中 式 通 信, 这 种 集 中 式 通 信 模 式 固 然 具 备 简 单 易 行 的 特 点, 然 而,RFID 标 签 之 间 的 通 信 需 求 却 在 这 种 模 式 下 被 彻 底 忽 视 事 实 上, 物 联 网 环 境 下 节 点 间 互 联 互 通 的 应 用 模 式 使 得 RFID 标 签 之 间 实 现 直 接 的 点 对 点 的 数 据 交 换 成 为 必 然 需 求 当 前 软 硬 件 技 术 的 限 制 使 得 真 正 开 启 被 动 智 能 的 愿 景 难 以 美 梦 成 真 幸 运 的 是, 近 年 来 基 于 RFID 的 环 境 反 向 散 射 (Ambient Backscatter) 技 术 在 系 统 研 制 和 技 术 实 现 方 面 取 得 了 里 程 碑 式 的 突 破 据 物 理 学 家 组 织 网 2013 年 8 月 报 道, 美 国 华 盛 顿 大 学 开 发 出 一 种 被 称 为 环 境 散 射 通 信 的 新 型 无 线 电 通 信 技 术 该 技 术 能 借 助 环 境 中 现 有 的 无 线 电 信 号 ( 如 电 视 和 蜂 窝 网 络 基 站 信 号 ) 来 创 建 新 型 的 网 络 通 信 方 式 利 用 反 向 散 射 环 境 中 普 遍 存 在 的 无 线 电 信 号, 该 技 术 能 够 充 分 利 用 环 境 中 的 能 量 源 来 实 现 泛 在 通 信 并 支 持 节 点 间 的 点 对 点 通 信, 充 分 扩 展 了 RFID 技 术 应 用 的 空 间 范 围 和 部 署 规 模 基 于 该 技 术 的 智 能 传 感 器 可 以 永 久 地 安 装 并 放 置 在 任 何 物 理 结 构 当 中 该 技 术 的 研 究 工 作 在 系 统 和 通 信 领 域 最 为 知 名 的 国 际 会 议 ACM SIGCOMM 2013 上 发 表 并 被 评 为 最 佳 论 文 [3] 因 此, 从 RFID 技 术 的 发 展 趋 势 来 看, 如 下 几 个 方 面 的 内 容 可 能 会 得 到 更 长 足 的 关 注 和 发 展 能 量 获 取 方 式 : 设 计 并 实 现 出 创 新 的 能 量 获 取 方 式 ( 如 环 境 反 向 散 射 ) 来 支 持 系 统 间 的 通 信, 以 此 来 充 分 拓 展 RFID 技 术 应 用 的 空 间 范 围 和 部 署 规 模 支 持 点 对 点 通 信 : 设 计 并 实 现 创 新 的 信 道 感 知 技 术, 使 得 RFID 设 备 间 能 够 在 无 源 的 情 况 下 建 立 网 络 并 实 现 点 对 点 的 通 信, 来 支 持 多 种 分 布 式 的 应 用 与 传 感 器 结 合 : 集 成 现 有 的 微 型 传 感 器 设 备, 与 多 模 态 的 传 感 器 结 合, 基 于 反 向 散 射 技 术 提 供 更 丰 富 的 应 用 模 式

29 RFID 与 物 联 网 作 为 物 联 网 的 核 心 支 撑 技 术,RFID 技 术 究 竟 如 何 成 就 物 联 网? 这 可 能 是 萦 绕 在 许 多 读 者 脑 海 中 的 问 题, 下 面 我 们 将 从 四 个 方 面 详 细 阐 述 RFID 技 术 是 如 何 满 足 物 联 网 的 诸 多 诉 求 的 在 物 联 网 环 境 中,RFID 将 智 能 嵌 入 到 物 理 对 象 当 中, 让 再 简 单 的 物 理 对 象 也 能 够 开 口 说 话 物 联 网 中 的 物 理 对 象 在 自 主 计 算 能 力 方 面 存 在 巨 大 的 差 异, 能 力 较 强 的 节 点 ( 如 智 能 手 机 ) 无 需 额 外 措 施 就 能 够 利 用 本 地 的 计 算 能 力 处 理 数 据 以 及 与 外 界 沟 通, 某 些 简 单 的 物 理 对 象 ( 如 超 市 中 的 苹 果 ) 甚 至 自 身 不 具 备 自 主 计 算 能 力 依 照 物 - 物 相 联 的 理 念, 如 何 将 这 些 简 单 的 物 理 对 象 纳 入 物 联 网 的 范 畴 成 为 一 个 至 关 重 要 的 问 题 RFID 技 术 的 出 现, 使 得 任 何 一 个 再 简 单 的 物 理 对 象 都 可 以 通 过 附 加 其 上 的 RFID 标 签 成 为 一 个 智 能 的 节 点 : 能 够 有 效 标 识 和 表 述 自 身, 以 及 有 效 地 与 外 界 进 行 信 息 沟 通 真 正 将 智 能 赋 予 普 通 的 物 理 对 象, 使 其 开 口 说 话 在 物 联 网 环 境 中,RFID 以 类 似 于 互 联 网 中 计 算 节 点 的 IP 地 址 的 方 式, 让 物 理 对 象 被 唯 一 地 识 别 为 实 现 一 个 全 局 的 视 图 来 支 持 节 点 间 的 有 效 通 信 与 信 息 共 享, 物 联 网 需 要 将 网 络 中 的 每 一 个 节 点 包 括 物 理 对 象 唯 一 的 进 行 标 识, 这 就 类 似 于 互 联 网 中 计 算 节 点 的 IP 地 址 的 方 式 对 于 普 通 物 理 对 象 而 言, 自 身 计 算 资 源 的 稀 缺 性 使 其 不 可 能 实 现 基 于 IPv4 IPv6 的 标 识 方 式, 更 不 可 能 实 现 相 关 的 协 议 栈 RFID 技 术 为 这 些 物 理 对 象 提 供 了 一 套 低 成 本 的 唯 一 标 识 的 机 制 目 前, 普 通 的 RFID 标 签 能 够 存 储 96 比 特 的 EPC ID, 这 使 得 理 论 上 能 够 支 持 标 识 2 96 个 唯 一 对 象, 其 标 识 能 力 虽 未 能 超 越 128 位 的 IPv6 地 址, 但 已 经 大 幅 度 超 越 32 位 的 IPv4 地 址 加 之 标 签 用 户 区 512 比 特 的 存 储 能 力,RFID 的 标 识 能 力 能 够 得 到 大 幅 度 提 高 在 物 联 网 环 境 中,RFID 提 供 了 一 种 低 成 本 的 通 信 方 式 来 实 现 节 点 间 的 有 效 沟 通 物 联 网 中 的 大 部 分 计 算 节 点 其 资 源 都 相 当 有 限, 包 括 计 算 资 源 存 储 资 源, 严 重 制 约 了 节 点 的 通 信 能 力 更 重 要 的 是, 电 池 供 能 的 先 天 性 不 足 使 得 节 点 间 通 信 的 能 耗 开 销 成 为 系 统 持 久 运 行 的 性 能 瓶 颈 物 联 网 应 用 中 需 要 维 持 大 量 廉 价 的 节 点, 这 使 得 节 点 通 信 模 块 的 硬 件 成 本 需 要 尽 可 能 地 低 ; 此 外, 节 点 携 带 能 量 有 限 的 特 质 使 得 即 使 再 高 效 节 能 的 有 源 设 备 ( 如 传 感 器 Motes) 也 终 有 耗 尽 能 量 的 一 天, 无 法 保 证 系 统 的 持 久 运 行 RFID 技 术 创 新 地 采 用 无 源 的 RFID 标 签 作 为 通 信 节 点, 从 两 个 层 面 极 大 降 低 了 通 信 的 成 本 : 低 廉 的 制 造 成 本 与 批 量 的 生 产 方 式 使 得 硬 件 成 本 大 幅 度 降 低, 无 源 标 签 通 过 反 向 散 射 能 量 信 号 的 通 信 方 式 使 得 节 点 通 信 的 能 耗 开 销 不 再 成 为 制 约 系 统 持 久 运 行 的 瓶 颈, 极 大 地 提 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

30 018 升 了 系 统 运 行 的 生 命 周 期 在 物 联 网 环 境 中,RFID 让 物 理 对 象 在 无 源 的 环 境 下 实 现 被 动 智 能, 为 物 - 物 相 联 提 供 根 本 保 障 传 统 的 计 算 节 点 如 传 感 器 智 能 手 机 等 有 源 节 点 能 够 主 动 地 感 知 计 算 与 通 信, 实 现 主 动 智 能, 其 代 价 是 硬 件 成 本 与 能 耗 的 提 升 事 实 上, 物 联 网 应 用 中 很 多 节 点 不 需 要 主 动 承 担 感 知 任 务, 仅 在 应 用 需 要 时 被 动 参 与 即 可, 我 们 称 之 为 被 动 智 能 RFID 让 物 理 对 象 在 无 源 的 环 境 下 能 够 实 现 被 动 智 能, 提 供 了 一 种 轻 量 级 的 解 决 方 案 来 赋 予 智 能, 为 物 - 物 相 联 提 供 了 群 体 基 础 和 根 本 保 障 参 考 文 献 [1] 刘 云 浩. 群 智 感 知 计 算 [J]. 中 国 计 算 机 学 会 通 讯, 2012, 8(10): [2] TinyOS. TelosB-TinyOS Wiki[EB/OL]. TelosB[ ]. [3] Liu V, Parks A, Talla V, et al. Ambient Backscatter: Wireless Communication Out of Thin Air[C]. In Proceedings of the Conference on ACM SIGCOMM (SIGCOMM 13), 2013:

31 第 2 篇 感 知 识 别 RFID 系 统 是 由 哪 些 组 件 构 成 的? 每 个 组 件 的 基 本 结 构 和 原 理 是 什 么? RFID 技 术 是 如 何 实 现 基 于 反 向 散 射 的 通 信 机 制 的? 本 篇 旨 在 通 过 系 统 性 地 介 绍 RFID 系 统 及 通 信 技 术 的 原 理 来 逐 一 回 答 上 述 问 题 首 先, 针 对 RFID 阅 读 器 和 射 频 标 签, 全 面 地 介 绍 了 系 统 组 件 的 功 能 分 类 操 作 规 范 以 及 具 体 组 成 其 次, 针 对 基 于 反 向 散 射 的 通 信 机 制, 深 入 地 剖 析 了 RFID 在 物 理 层 通 信 的 特 性 与 原 理 通 过 对 物 理 层 各 种 原 理 与 本 质 的 分 析, 更 好 地 指 导 读 者 对 RFID 技 术 在 系 统 层 面 性 能 的 理 解 本 篇 尽 可 能 全 面 地 介 绍 RFID 系 统 以 及 通 信 技 术 的 基 本 原 理, 并 深 入 探 讨 相 应 的 技 术 细 节 希 望 读 者 通 过 对 本 篇 的 学 习, 能 够 基 于 对 RFID 原 理 的 透 彻 认 识, 以 更 为 务 实 的 科 学 精 神 来 认 知 分 析 与 处 理 RFID 实 际 系 统 应 用 中 遇 到 的 种 种 问 题 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

32

33 第2章 RFID系统组件原理 RFID 系统包括硬件组件和软件组件两大部分 其中硬件组件包括阅读器 射频标签和网络基础设施等 软件组件包括驱动程序 RFID 中间件 企业应用 软件等 由于阅读器和射频标签在 RFID 系统中的重要地位 本章前两节我们 将重点介绍这两个硬件模块 根据阅读器和射频标签之间工作原理的不同 将 RFID 系统分为基于电感耦合的 RFID 系统和基于电磁反向散射耦合的 RFID 系 统 根据工作频率的不同 将阅读器分为低频阅读器 高频阅读器和超高频阅 读器 根据射频标签供电方式的不同 可以将射频标签分为有源标签 无源标 签和半有源标签 工作原理 频率 供电方式等方面的差异化使得 RFID 系统 中的阅读器和射频标签种类繁多 在实际应用系统中所面临的问题和挑战也是 社 心 版 中 出 版 学 出 cn 科 术 k. 技 boo 教.a 职 ww w 不尽相同 例如 安装和部署 RFID 系统的成本代价 水 金属等物质对标签 识别的干扰 移动场景下标签识别率下降的问题等 深入理解 RFID 系统的基 本组件的工作原理 尤其是阅读器和射频标签的组成结构和工作原理 对我们 在解决上述问题和挑战时扬长避短 趋利避害具有显著的指导作用 本章的第 三节我们将介绍 RFID 系统的软件组件 同时为了使读者对开发 RFID 系统有 更为直接的体会 我们结合了商用阅读器的软件接口进行介绍 2.1 阅读器 阅读器的功能 在 RFID 系统中 阅读器作为连接应用层 中间件 和射频标签的桥梁 占据着十分重要的位置 [1] 在不同的应用系统中 阅读器所起到的作用也不尽 相同 有的阅读器功能比较简单 只能够读取射频标签的序列号 而有的阅读 器功能则很强 可以对收集到的标签信息进行一定的预处理 提供复杂的基于 事件的触发机制等 一般说来 阅读器在 RFID 系统中可能提供的功能可以总

34 022 结 为 如 下 几 个 方 面 [2 ~ 6] 阅 读 器 为 射 频 标 签 工 作 提 供 能 量 阅 读 器 和 射 频 标 签 之 间 的 通 信 阅 读 器 和 应 用 层 ( 中 间 件 ) 之 间 的 通 信 阅 读 器 的 通 信 安 全 性 保 证 功 能, 如 使 用 加 密 解 密 技 术 多 阅 读 器 的 自 组 网 能 力, 多 标 签 读 写 操 作 场 景 下 的 冲 突 处 理 功 能 多 天 线 的 管 理, 如 使 用 天 线 调 制 多 路 复 用 动 态 自 适 应 等 技 术 中 间 件 接 口 连 接 外 部 传 感 器 节 点 和 控 制 电 路 对 于 无 源 射 频 标 签 和 半 无 源 射 频 标 签, 阅 读 器 的 一 个 重 要 功 能 就 是 以 发 射 电 磁 波 的 形 式 为 标 签 工 作 提 供 能 量 来 源 阅 读 器 和 射 频 标 签 之 间 的 工 作 方 式 有 很 多, 其 中 最 典 型 的 两 种 是 电 感 耦 合 和 电 磁 反 向 散 射 耦 合 电 感 耦 合 的 原 理 类 似 于 变 压 器 的 工 作 原 理 ; 而 电 磁 反 向 散 射 耦 合 的 原 理 则 和 雷 达 的 工 作 原 理 类 似 阅 读 器 与 中 间 件 的 通 信 可 以 使 用 有 线 的 串 口 (RS-232) 或 者 无 线 局 域 网 (802.11) 等 通 信 接 口 具 体 应 用 可 以 根 据 布 线 方 面 的 要 求, 选 择 具 有 相 应 的 通 信 接 口 的 阅 读 器 为 了 保 证 通 信 的 安 全 性, 有 些 系 统 还 要 求 阅 读 器 对 通 信 过 程 进 行 加 密 例 如, 辨 别 真 假 标 签, 防 止 通 信 数 据 被 窃 听 修 改 等 在 工 业 化 生 产 和 物 流 应 用 等 场 景 下, 还 要 求 阅 读 器 的 标 签 识 别 速 度 要 尽 可 能 地 快 这 就 避 免 不 了 要 提 供 多 标 签 操 作 场 景 下 的 冲 突 处 理 措 施 对 于 其 他 一 些 特 殊 的 应 用 场 景, 阅 读 器 可 能 会 具 备 更 多 的 功 能 例 如, 多 个 阅 读 器 之 间 的 无 线 通 信 功 能 自 组 网 功 能 连 接 外 部 传 感 器 节 点 能 力 等 阅 读 器 的 分 类 (1) 按 照 工 作 频 率 分 类 RFID 系 统 的 工 作 原 理 与 其 所 使 用 的 射 频 信 号 频 率 有 关, 而 射 频 信 号 频 率 的 高 低 对 阅 读 器 的 工 作 距 离 数 据 传 输 速 率 天 线 的 方 向 性 等 都 有 直 接 的 影 响 通 常, 阅 读 器 的 工 作 频 率 越 高, 可 识 别 标 签 的 最 远 距 离 越 大 数 据 传 输 速 率 越 高, 信 号 在 传 播 过 程 中 的 衰 减 得 越 厉 害, 对 障 碍 物 ( 如 水 金 属 电 离 体 等 ) 也 越 敏 感 ; 而 阅 读 器 的 工 作 频 率 越 低, 可 识 别 标 签 的 最 远 距 离 越 小 数 据 传 输 速 率 越 低, 信 号 在 传 播 过 程 中 的 衰 减 越 小 按 照 阅 读 器 所 使 用 的 工 作 频 率 不 同, 可 以 将 阅 读 器 分 为 低 频 阅 读 器 高 频 阅 读 器 超 高 频 阅 读 器 和 特 高 频 阅 读 器 等 表 2.1 是 从 我 国 无 线 电 频 率 分 布 表 中 选 取 的 与 RFID 技 术 相 关 的 频 段 低 频 阅 读 器 和 高 频 阅 读 器 通 常 使 用 电 感 耦 合 的 工 作 方 式, 工 作 距 离 一 般 小 于 1m 典 型 的 工 作 频 率 有 125kHz 135kHz 6.78MHz 13.56MHz 和 [7]

35 第 ２ 章 ＲＦＩＤ 系统组件原理 MHz 在我国 13.56MHz 频段的高频阅读器 高频射频标签使用的 非常广泛 例如 高校学生日常生活中用到的校园卡 食堂的刷卡机 居民 第二代身份证 火车站的自动售票机等 超高频阅读器和特高频阅读器的工 作则是利用了超高频射频标签的反向散射原理 工作距离一般大于 1m 典型 的 工 作 频 率 有 433MHz 860MHz 960MHz 2.45GHz 和 5.8GHz 其 中 860MHz 960MHz 是 EPCglobal 标准规定的阅读器和射频标签通信的标准频 段 [8] 电子不停车收费系统 ETC 使用的工作频段是特高频的 5.8GHz[9] 我 国工业和信息部在 2007 年 4 月 20 日 制定了 800/900MHz 频段 RFID 技术应 用试行规定 这两个频段分别是 840MHz 845MHz 和 920MHz 925MHz[10] 表 2.1 中国无线电频率分布表 部分 [7] 名称 低频 中频 高频 甚高频 超高频 特高频 符号 ＬＦ ＭＦ ＨＦ ＶＨＦ ＵＨＦ ＳＨＦ 频率 ３０ｋＨｚ ３００ｋＨｚ ０ ３ＭＨｚ ３ＭＨｚ ３ＭＨｚ ３０ＭＨｚ ３０ＭＨｚ ３００ＭＨｚ ０ ３ＧＨｚ ３ＧＨｚ ３ＧＨｚ ３０ＧＨｚ 波段 长波 中波 短波 米波 分米波 厘米波 波长 １０ｋｍ １ｋｍ １ｋｍ １００ｍ １００ｍ １０ｍ １０ｍ １ｍ １ｍ ０ １ｍ １０ｃｍ １ｃｍ 传播特性 地波为主 地波与天波 天波与地波 空间波 空间波 空间波 衍射性 强 弱 穿透性 弱 强 社 心 版 中 出 版 学 出 cn 科 术 k. 技 boo 教.a 职 ww w 阅读器和射频标签之间通信的射频信号是一种无线电波 在传播过程中也 会发生衍射现象 衍射现象是波在遇到障碍物时偏离原来直线传播的物理现象 衍射性反映了波绕开障碍物继续传播的能力 无线通信系统中 频率较低的信 号比频率较高的信号波长更长 衍射性更强 更容易发生衍射现象 而频率较 高的信号比频率较低的信号波长更短 本身携带的能量更高 更容易穿透物体 2 按照外观结构分类 在实际应用中 由于需要综合考虑阅读器的成本 便携性等方面的因素 因此阅读器在外观结构上有很大的不同 通常可以将阅读器按照外观结构分成 如下三类 ①固定式阅读器 固定式阅读器一般指安装位置固定的阅读器 这种阅 读器一般采用有线电源供电的形式 因此可以认为这种阅读器的工作不受 电池容量的限制 此外 体积小 集成度高等特点 也使得这种阅读器非常方便用户快速搭建解决方 案 在 仓 库 物 品 存 储 管 理 以 及 供 应 链 等 领 域 有 广 泛 应 用 图 2.1 和图 2.2 所示的是美国 RFID 设备制 造公司 Alien Technology 生产的两种固定式阅读器 图 2.1 Alien ALR-9650 固定式 阅读器 [11]

36 024 射频识别技术 原理 协议及系统设计 ALR-9650 和 ALR-9900[11] 其 中 ALR-9650 阅 读 器是一个一体机 内部已经集成了一个天线 可以 单独使用 此外 ALR-9650 还提供了一个外接天 线的接口 ALR-9900 阅读器使用外接天线的工作 图 2.2 方式 最多支持四个外接天线 Alien ALR-9900 固定 式阅读器 [11] 表 2.2 是这两种固定式阅读器的技术参数 [12,13] 表 2.2 ALR-9650 阅读器和 ALR-9900 阅读器技术参数对比 [12,13] 参数名称 ALR-9650 ALR-9900 体系结构 Ｌｉｎｕｘ ６４ＭＢ ＲＡＭ Ｆｌａｓｈ ＸＳｃａｌｅ Ｌｉｎｕｘ ６４ＭＢ ＲＡＭ Ｆｌａｓｈ 支持的标签 ＥＰＣ Ｇｅｎ ２ ＩＳＯ １８０００ ６Ｃ ＥＰＣ Ｇｅｎ ２ ＩＳＯ １８０００ ６Ｃ 网络协议 ＴＣＰ ＩＰ ＮＴＰ ＤＮＳ ＤＨＣＰ ＳＮＭＰ ＴＣＰ ＩＰ ＮＴＰ ＤＮＳ ＤＨＣＰ ＳＮＭＰ 密集阅读器 密集阅读器模式 自动事件触发管理 密集阅读器模式 自动事件触发管理 工作频率 ９０２ ７５ ＭＨｚ ９２７ ２５ ＭＨｚ ９０２ ７５ ＭＨｚ ９２７ ２５ ＭＨｚ 频道数量 ５０ ５０ 频道带宽 ５００ ｋｈｚ ５００ ｋｈｚ 射频功率 ３０ｄＢｍ ４Ｗ ＥＩＲＰ ３１ ６ ｄｂｍ ４Ｗ ＥＩＲＰ 电源 ２４ Ｖ直流电或以太网电源 ＩＥＥＥ ８０２ ３ａｆ １００ ２４０Ｖ直流电 ５０ ６０Ｈｚ 通信接口 ＬＡＮ ＴＣＰ ＩＰ ＲＪ ４５ ＲＳ ２３２ ＤＢ ９ Ｆ ＬＡＮ ＴＣＰ ＩＰ ＲＪ ４５ ＲＳ ２３２ ＤＢ ９ Ｆ 天线 一个内置天线 一个外接天线接口 四个外接天线接口 通用Ｉ Ｏ 两个输入 两个输出 ＴＴＬ 四输入 八输出 Ｉｓｏｌａｔｅｄ 尺寸 Ｌ ２３ ２ｃｍⅹ Ｗ ２２ ９ｃｍⅹ Ｄ ５ １ｃｍ Ｌ ２０ ３ｃｍⅹ Ｗ １７ ８ｃｍⅹ Ｄ ４ １ｃｍ 重量 １ ０ ｋｇ １ ５ｋｇ 操作温度 ２０ ７０ ２０ ５５ ② 便 携 式 阅 读 器 便 携 式 阅 读 器 一 般 是 将 天 线 阅 读 器 模块 掌上电脑集成在一起 体积较小 移动方便的一种手持 式阅读器 通常 便携式阅读器依靠电池来供电 连续工作时 图 2.3 间受内部电池容量的限制 图 2.3 和图 2.4 所示的是我国北京 便携式阅读器 FTD-W915A[14] 富 天 达 电 子 集 成 技 术 有 限 公 司 的 FTD-W915A[14] 和 美 国 Alien Technology 公司的 ALH-90xx ③工业读写器 工业阅读器一般与应用行业紧密相关 如 铁路 自动化生产 矿井等 有些工业阅读器甚至还要集成其他 图 2.4 便携式阅读器 Alien ALH-90xx[11] 的传感器设备 如图 2.5 所示 瑞典 TagMaster 公司的工业级 铁路专用阅读器 HD Track Reader [15,16] 这种阅读器使用 2.45GHz 的工作频率 经过特殊设计 可安装在铁轨之间的枕

37 025 木 上 当 固 定 在 列 车 底 部 的 射 频 卡 通 过 阅 读 器 时 能 被 阅 读 器 识 别 阅 读 器 有 一 个 外 壳 用 于 保 护 自 身 除 了 上 述 分 类 方 法 之 外, 根 据 天 线 和 阅 读 器 模 块 是 否 分 离, 还 可 以 把 阅 读 器 分 为 分 离 式 阅 读 器 和 集 成 式 阅 读 器 分 离 式 阅 读 器 通 过 外 接 天 线 的 方 式 工 作, 通 常 可 以 识 别 的 标 签 距 离 要 比 集 中 式 阅 读 器 的 大 例 如,ALR-9900 阅 读 器 就 是 分 离 式 阅 读 器, 便 携 式 阅 读 器 FTD-W915A 和 ALH-90xx 都 是 集 中 式 阅 读 器 图 2.5 工 业 级 铁 路 专 用 阅 读 器 阅 读 器 的 操 作 规 范 在 实 际 的 RFID 应 用 系 统 中, 为 了 保 证 阅 读 器 的 性 能 满 足 应 用 需 求, 在 阅 读 器 的 使 用 过 程 中 通 常 需 要 遵 循 相 应 的 操 作 规 范 例 如, 阅 读 器 ( 天 线 ) 的 部 署 位 置 是 很 有 讲 究 的, 阅 读 器 一 般 部 署 在 仓 库 的 入 口 处 装 配 线 收 费 口 等 关 键 位 置 在 多 个 阅 读 器 的 使 用 场 景 下, 某 个 射 频 标 签 向 周 围 发 送 的 数 据 会 被 多 个 阅 读 器 接 收 到, 在 设 计 这 样 的 RFID 系 统 时, 如 何 让 这 些 阅 读 器 覆 盖 的 识 别 区 域 尽 可 能 大 识 别 盲 区 尽 可 能 小 阅 读 器 之 间 的 干 扰 尽 可 能 低 等, 都 需 要 遵 循 相 应 的 操 作 规 范 此 外, 阅 读 器 的 使 用 过 程 中 有 时 还 要 考 虑 移 动 性 温 度 灰 尘 湿 度 等 环 境 因 素 在 阅 读 器 的 诸 多 性 能 指 标 上, 阅 读 器 的 读 写 距 离 一 直 是 影 响 其 应 用 范 围 的 关 键 因 素 之 一 阅 读 器 的 读 写 距 离 包 括 两 个 方 面 : 读 取 距 离 和 写 入 距 离 具 体 地 说, 读 取 距 离 指 的 是 阅 读 器 可 以 从 射 频 标 签 中 读 取 数 据 的 最 大 距 离 ; 写 入 距 离 指 的 是 阅 读 器 可 以 将 数 据 写 入 射 频 标 签 的 最 大 距 离 影 响 阅 读 器 读 写 距 离 的 因 素 主 要 有 : 阅 读 器 天 线 和 射 频 标 签 天 线 的 耦 合 方 式 阅 读 器 射 频 信 号 的 输 出 功 率 射 频 载 波 信 号 的 频 率 天 线 方 向 操 作 环 境 条 件 ( 如 金 属 干 扰 电 子 噪 声 多 标 签 多 阅 读 器 等 ) 标 签 移 动 速 度 等 一 般 来 说, 阅 读 器 的 写 入 距 离 是 读 取 距 离 的 50% ~ 70% 虽 然 可 以 使 用 很 多 方 法 来 增 大 阅 读 器 读 写 距 离, 但 是 这 些 方 法 也 都 有 自 身 的 一 些 缺 陷 例 如, 可 以 通 过 增 大 阅 读 器 的 工 作 频 率 来 增 大 阅 读 器 的 读 写 距 离 但 是, 使 用 超 高 频 ( 如 900MHz ~ 2.4GHz) 射 频 信 号 的 缺 点 是 信 号 的 方 向 性 太 强 渗 透 能 力 弱 在 其 他 条 件 不 变 的 情 况 下, 增 大 射 频 标 签 的 天 线 线 圈 的 半 径 和 线 圈 的 数 量, 也 能 够 增 大 阅 读 器 的 读 写 距 离 但 是, 这 使 得 射 频 标 签 自 身 的 尺 寸 也 增 大 了 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

38 026 此 外, 标 签 天 线 的 方 向 也 是 影 响 读 写 距 离 的 重 要 因 素 对 于 极 化 天 线 来 说, 天 线 的 极 化 方 向 是 天 线 向 外 辐 射 以 及 从 外 界 接 收 信 号 能 力 最 强 的 方 向 在 理 想 情 况 下, 当 阅 读 器 天 线 的 极 化 方 向 和 标 签 天 线 的 极 化 方 向 匹 配 时, 标 签 的 天 线 线 圈 平 面 和 阅 读 器 天 线 线 圈 的 平 面 平 行, 标 签 的 识 别 距 离 最 大 ; 当 标 签 的 天 线 平 面 和 阅 读 器 天 线 线 圈 的 平 面 垂 直 正 交 时, 标 签 的 识 别 距 离 最 小, 甚 至 几 乎 无 法 识 别 在 实 际 应 用 的 场 景 下, 极 化 方 向 不 匹 配 的 情 况 是 不 可 避 免 的 很 多 应 用 场 景 下, 标 签 的 位 置 方 向 都 是 不 确 定 的 增 大 阅 读 器 对 标 签 读 写 操 作 成 功 的 概 率, 通 常 可 以 有 如 下 措 施 改 变 阅 读 器 天 线 的 方 向 来 匹 配 标 签 天 线 的 方 向 使 用 多 个 冗 余 天 线, 以 保 证 至 少 有 一 个 阅 读 器 的 天 线 可 以 和 标 签 天 线 匹 配 增 大 阅 读 器 天 线 的 功 率, 以 此 来 抵 消 天 线 方 向 不 完 全 匹 配 的 影 响 增 大 阅 读 器 天 线 单 位 时 间 内 的 采 样 次 数 尽 管 如 此, 由 于 射 频 标 签 天 线 的 极 化 方 向 往 往 是 线 性 的, 再 加 上 标 签 大 小 尺 寸 的 限 制, 所 以 射 频 标 签 天 线 能 够 覆 盖 的 角 度 范 围 也 是 有 限 制 的 使 用 环 形 极 化 的 阅 读 器 天 线 可 以 克 服 标 签 天 线 和 阅 读 器 天 线 不 匹 配 的 问 题 在 不 同 工 作 频 率 的 RFID 系 统 中, 障 碍 物 对 系 统 工 作 性 能 的 影 响 也 是 不 同 的 在 低 频 和 高 频 的 RFID 系 统 中, 阅 读 器 和 射 频 标 签 之 间 的 数 据 传 输 是 利 用 磁 场 的 电 感 耦 合 原 理 进 行 的 天 线 近 场 区 域 的 磁 场 基 本 上 不 会 受 到 绝 缘 体 的 材 料 ( 如 纸 质 塑 料 石 头 陶 瓷 ) 的 影 响, 磁 场 可 以 穿 透 这 些 物 质 材 料 ; 其 穿 透 金 属 材 质 障 碍 物 的 能 力 也 比 超 高 频 RFID 系 统 强 而 在 超 高 频 的 RFID 系 统 中, 射 频 信 号 穿 透 非 导 体 材 料 的 能 力 非 常 强, 但 穿 透 水 金 属 等 物 质 材 料 的 能 力 却 非 常 弱 由 于 水 金 属 等 电 离 体 障 碍 物 对 磁 场 具 有 衰 减 作 用, 会 导 致 阅 读 器 的 读 写 距 离 的 减 小, 在 没 有 补 偿 措 施 的 情 况 下, 射 频 信 号 对 金 属 物 质 ( 如 钥 匙 硬 币 等 ) 的 干 扰 非 常 敏 感, 甚 至 导 致 它 们 无 法 完 成 操 作, 从 而 严 重 影 响 阅 读 器 的 读 写 性 能 由 于 人 体 绝 大 部 分 是 由 水 组 成 的, 因 此 当 人 体 靠 近 超 高 频 射 频 标 签 时, 阅 读 器 的 读 写 操 作 可 能 无 法 完 成 如 何 在 这 些 干 扰 物 质 存 在 的 条 件 下 对 超 高 频 标 签 进 行 有 效 地 读 写 操 作, 一 直 是 超 高 频 RFID 系 统 需 要 解 决 的 技 术 难 题 在 多 种 因 素 影 响 的 环 境 下, 很 难 用 一 个 统 一 的 标 准 去 衡 量 各 个 因 素 的 影 响, 实 际 应 用 中, 为 了 方 便 起 见, 一 般 是 通 过 尽 量 减 少 干 扰 因 素 和 选 择 合 适 的 频 率 来 达 到 特 定 应 用 的 要 求 阅 读 器 的 操 作 规 范 有 很 多, 针 对 不 同 应 用 的 特 点, 选 择 正 确 合 适 的 阅 读 器 或 有 效 地 配 置 阅 读 器 参 数 对 保 证 系 统 的 工 作 性 能 非 常 重 要 一 般 来 说, 在 阅 读 器 的 操 作 规 范 中, 下 面 几 点 是 选 择 使 用 阅 读 器 时 需 要 重 点 考 虑 的 方 面 [2 ~ 6] : 1 工 作 频 率 指 阅 读 器 的 工 作 频 段 ( 低 频 高 频 超 高 频 ) 因 为 射 频 信 号

39 027 的 频 率 决 定 了 电 磁 波 的 传 播 特 点, 而 电 磁 波 的 传 播 特 点 直 接 影 响 了 射 频 标 签 的 数 据 传 输 速 率 和 阅 读 器 的 工 作 距 离 通 常 可 以 认 为, 工 作 频 率 越 高, 射 频 标 签 向 阅 读 器 传 输 数 据 的 速 率 也 就 越 高, 阅 读 器 的 工 作 距 离 就 越 远 ; 工 作 频 率 越 低, 标 签 的 数 据 传 输 能 力 越 弱, 阅 读 器 的 工 作 距 离 越 近 例 如, 工 作 在 125kHz 的 低 频 系 统 数 据 传 输 率 一 般 不 超 过 400b/s, 而 数 据 传 输 速 率 大 于 100Kb/s 的 系 统 需 要 使 用 超 高 频 或 微 波 频 段 所 以 阅 读 器 的 工 作 频 率 是 阅 读 器 最 重 要 的 技 术 参 数 之 一 2 防 碰 撞 性 能 指 多 个 射 频 标 签 读 取 和 写 入 操 作 场 景 下, 系 统 的 有 效 数 据 传 输 率 例 如, 一 个 时 间 段 内, 只 能 对 一 个 射 频 标 签 进 行 操 作 和 同 时 可 以 对 多 个 标 签 进 行 操 作 的 情 况 是 有 很 大 区 别 的 前 者 的 工 作 方 式 会 制 约 系 统 的 最 大 数 据 传 输 率 ; 后 者 则 需 要 阅 读 器 或 射 频 标 签 能 够 对 碰 撞 采 取 相 应 的 措 施 来 解 决 竞 争 的 问 题 多 个 标 签 之 间 的 反 射 和 衍 射, 会 造 成 无 线 传 输 中 无 法 避 免 的 多 径 效 应 问 题 因 此, 防 碰 撞 性 能 在 实 际 应 用 中 是 一 个 需 要 重 点 考 虑 的 因 素 3 射 频 识 别 协 议 灵 活 性 指 阅 读 器 和 射 频 标 签 之 间 的 通 信 协 议 是 通 用 协 议 还 是 专 属 协 议 考 虑 到 系 统 的 可 扩 展 性, 要 尽 量 使 用 通 用 协 议, 如 ISO C EPCglobal Class1 Generation2 等 标 准 协 议 4 国 家 ( 地 区 ) 无 线 电 管 理 规 范 不 同 国 家 对 于 无 线 电 的 频 谱 利 用 都 有 不 同 的 要 求 例 如, 美 国 用 于 RFID 技 术 的 超 高 频 带 宽 范 围 是 902MHz ~ 930MHz, 而 我 国 用 于 RFID 技 术 的 超 高 频 带 宽 范 围 则 有 两 个 (840MHz ~ 845MHz 和 920MHz ~ 925MHz) 此 外, 不 同 国 家 ( 地 区 ) 对 无 线 电 的 最 大 发 射 功 率 也 有 相 应 的 要 求 5 网 络 通 信 协 议 指 阅 读 器 对 计 算 机 网 络 系 统 之 间 的 通 信 接 口 例 如, 可 以 使 用 有 线 网 络 协 议 (TCP/IP) 无 线 局 域 网 (802.11) 以 太 网 RS485 等 6 多 天 线 的 支 持 能 力 指 单 个 阅 读 器 是 否 可 以 支 持 多 个 天 线 同 时 工 作 使 用 多 个 天 线 不 仅 可 以 使 单 个 阅 读 器 的 识 别 范 围 扩 大, 而 且 可 以 节 省 阅 读 器 的 成 本 7 中 间 件 接 口 性 能 稳 定 易 于 使 用 的 中 间 件 接 口 可 以 帮 助 开 发 人 员 进 行 快 速 的 开 发, 节 省 应 用 软 件 开 发 成 本 8 连 接 外 部 传 感 器 节 点 和 控 制 电 路 将 RFID 技 术 与 传 感 器 网 络 技 术 结 合, 可 以 增 强 系 统 的 感 知 能 力, 创 造 更 加 丰 富 的 应 用 例 如, 阅 读 器 通 过 使 用 可 编 程 逻 辑 控 制 器 来 进 行 仓 库 的 出 入 口 管 理 等 阅 读 器 的 组 成 虽 然 阅 读 器 的 种 类 繁 多 工 作 原 理 也 不 尽 相 同 但 是, 各 种 阅 读 器 的 基 本 组 成 结 构 却 大 体 一 致, 可 以 分 成 两 个 模 块 : 信 号 处 理 与 控 制 模 块 射 频 模 块, 科 学 出 版 社 职 教 技 术 出 版 中 心

40 028 射频识别技术 原理 协议及系统设计 如图 2.6 所示 其中 信号处理与控制模块又称为基带控制模块 这个模块包 含有微处理器以执行计算任务 数字信号处理芯片以完成数字信号的编码 解 码等工作 射频模块又称为高频接口模块 这个模块内部包含有两个分隔开的 信号通道 即发射器信号通道和接收器信号通道 发射器信号通道通过天线向 射频标签发送数据 接收器信号通道通过天线接收从射频标签返回的数据 通 常 阅读器会和一台可以直接向其发出操控命令的计算机 即上位机 相连 上位机控制着应用业务和射频系统的操作逻辑 上位机 发射信号 数据传送 天线 信号处理 与控制模块 命令处理 射频模块 接收信号 图 2.6 阅读器 阅读器的基本组成结构 信号处理与控制模块 信号处理与控制模块的结构如图 2.7 所示 [5] 微处理器通过串行通信接口 RS232 或网络通信接口 RJ-45 与上位机进行数据交换 执行上位机发来 的命令 同时 微处理器还负责控制数字信号处理芯片和存储单元 所以微处 理器处于该模块的核心位置 为了减轻微处理器的计算负担 对射频模块双向 数据传输的编码 解码和纠错由数字信号处理芯片负责 此外 数字处理芯片 有可能还要对数据的传输进行加密和解密 存储单元通过总线 数据总线和地 址总线 结构与微处理器 数字信号处理芯片连接在一起 一般来说 信号处理与控制模块的主要功能可以归纳如下 [2,5] 与上位机进行通信 并执行从上位机发来的命令 控制与射频标签的通信过程 信号的编码和解码 㸃 㡘 图 2.7 信号处理与控制模块 结构框图 [5] 㩰㸜 㭞 㯮 㘝㒏 RS-232/RJ-45 䊋 㕌ㆃ㕌ゑ㈡ 㔘 㭞䓷㾦 㾟㠍 ゴ㗽ゑㆃ㗽 㔘 䊕 㪅㠖 㚄

41 第 ２ 章 ＲＦＩＤ 系统组件原理 029 执行防碰撞算法 对阅读器和射频标签之间传送的数据进行加密和解密 进行阅读器和标签之间的身份验证 射频模块 由于射频模块的构造与阅读器的工作原理有关 工作原理不同所使用的射 频模块也是不同的 本节中 我们介绍两种最常见的射频模块 电感耦合型的 射频模块和电磁反向散射耦合型的射频模块 1 电感耦合型射频模块 近距离低频 高频 RFID 系统是通过阅读器和射 磁感线 频标签之间的电感耦合工作的 使用该方式工作的射 频标签通常是无源的 阅读器利用法拉第电磁感应定 电子标签 天线线圈 律 通过电感耦合给射频标签提供能量 如图 2.8 所 示 在这种情况下 阅读器和射频标签天线之间的能 量交换方式类似于变压器的能量交换结构 当射频标 签进入阅读器产生的磁场区域后 射频标签的线圈上 图 2.8 阅读器 天线线圈 电感耦合示意图 会产生感应电压 采用整流器把交变感应电压转换为直流电压 经过电压滤波 之后 就可以给射频标签供电了 社 心 版 中 出 版 学 出 cn 科 术 k. 技 boo 教.a 职 ww w 电感耦合型阅读器的射频模块如图 2.9 所示 [2] 当阅读器向射频标签发送 数据时 阅读器可以采用多种数字调制技术 如幅移键控 ASK 对数据进 行调制 经过放大后 通过天线将数据发送出去 当射频标签向阅读器发送 数据时 射频标签通常会采用负载调制 电阻负载调制 电容负载调制 技术 将射频标签天线线圈中的电压变化传递到阅读器的天线线圈 以此来完成数据 传递 振荡器 调制器 放大器 天线接口 发送 数据 接收 数据 图 2.9 解调器 放大器 滤波器 2 电磁反向散射耦合型射频模块 远距离超高频 RFID 系统是利用阅读器与射频标签之间的电磁反向散射耦 合原理工作的 电磁反向散射耦合的数据传输原理类似于雷达发现目标的原理 电感耦合型阅读器的 射频模块结构框图 [2]

42 030 射频识别技术 原理 协议及系统设计 在此类系统中 为了给射频标签提供工作能量 阅读器必须不断地向射频标签 发射射频信号 但是 射频标签反射回来的弱射频信号与阅读器发送出去的强 射频信号频率是相同的 为了不让阅读器的发射通道和接收通道相互干扰 必 须把这两种频率相同 强度不同的射频信号区分开来 远距离超高频阅读器的 射频模块可以分为三个模块 源模块 发送模块和接收模块 如图 2.10 所示 [1] 功率控制 基带信 号输入 混频器 IF 前置放大器 阻抗变换网络 RF LO 耦合器 功率放大器 低通滤波器 谐波抑制器 线性放大器 发送模块 温补振荡器 天线 放大器 本地合成 振荡器 源模块 功分器 三端口 微波器件 电压控制振荡器 线性放大器 I路基带 信号输出 LO IF RF 功分器 接收端 带通滤波器 混频器 功分器 图 2.10 电磁反向散射耦合型 阅读器的射频模块结 构框图 [1] LO Q路基带 信号输出 IF RF 混频器 接收模块 源 模 块 的 作 用 是 为 发 送 通 道 和 接 收 通 道 提 供 本 地 振 荡 器 Local Oscillator 放大之后的载波信号经过功分器分成两路 一路送往发送模块 另一路送往接收模块 发送模块由混频器 线性放大器 前置放大器 功率放大器和阻抗变换网 络组成 射频模块的发送过程可描述如下 线性放大器将从源模块送来的载波 信号放大后送入混频器 混频器将载波信号和基带信号混合成调制信号后 经 过前置放大器后送给功率放大器 阻抗变换网络为功率放大器产生合适的阻抗 匹配 之后 信号通过低通滤波器和谐波抑制器到达三端口微波器件 环形 器 环形器的特点是 当其中一个端口向另外一个端口输出射频信号时 第三 个端口为隔离端 也就是说 当发送模块通过环形器向天线发送射频信号时

43 第 ２ 章 ＲＦＩＤ 系统组件原理 031 通过环形器到达接收端带通滤波器的发送信号可以忽略不计 相应地 从天线 接收到的射频标签的返回信号对发送信号的干扰也可以忽略不计 接收模块由线性放大器 两个功分器和两个混频器组成 射频模块的接收 过程可描述如下 射频标签返回的微弱信号经过阅读器的天线到达三端口微波 器件 之后 通过带通滤波器后被送入接收端功分器 接收端功分器将接收信号 分成两路送入混频器与源模块产生的载波信号混频输出 I/Q 两路基带信号 两 路基带信号经过 I/Q 解调器的解调 放大等处理后 送入信号处理与控制模块 进行解码 一般来说 射频模块的主要功能可以归纳为如下三点 [2,5,6] 产生高频发送能量 激活射频标签并为其提供能量 无源射频标签 对发送信号进行调制 用于将数据传输给射频标签 接收并解调来自射频标签的射频信号 2.2 射频标签 标签的功能 在 RFID 系统中 射频标签 本节下文中简称 标签 的复杂程度虽然远 不如阅读器 但是 由于 RFID 应用中标签被广泛部署 标签的数量却比阅读 社 心 版 中 出 版 学 出 cn 科 术 k. 技 boo 教.a 职 ww w 器要大得多 而且标签是系统中的数据载体 阅读器的各项设计和性能都要 考虑到标签的特点 因此 标签在 RFID 系统中的作用是十分重要的 标签 最主要的功能就是能够存储一定量的数据 并以非接触的方式将存储的数据 发送给阅读器 为了能够存储数据 标签内部需要包含有存储器 存储器的 容量通常在几字节到几千字节不等 通常存储器需要能够提供读写操作 以 使用户可以添加额外的信息 对无源标签来说 标签要能够从阅读器的电磁 场中吸收能量 所以标签就要有一个合适的天线 有些标签还提供数据的保 护措施 这就要求标签要有访问控制机制 一般来说 可以将标签的功能归 纳为如下几点 存储数据 即标签内存储和物品相关的信息 如标识符 生产日期 生产 厂家等 非接触式读写 即标签可以在距离阅读器一定距离的范围内被识别 能量获取 即标签可以从阅读器发射的电磁场中吸收能量 为标签自身工 作供电 安全加密 即标签和阅读器之间的通信遵循一定的安全协议 碰撞退让 即多标签或多阅读器场景下的响应机制等