第2章射频识别技术1.ppt

《物联网技术》课件第2章 射频识别技术2024年7月27日电子工业出版社 刘化君 刘传清编著《物联网技术》教材配套课件22.1 射频识别技术概述2.2 RFID系统的组成2.3 RFID系统的工作原理2.4 RFID中间件技术2.5 RFID系统的安全2.6 RFID应用系统开发示例第2章 射频识别技术2.1 射频识别技术概述•2.1.1 何谓射频识别•2.1.2 RFID技术分类•2.1.3 RFID技术应用•2.1.4 RFID技术标准简介2.1.1 何谓射频识别•随着高科技的蓬勃发展，智能化管理已经走进了人们的社会生活，一些门禁卡、第二代身份证、公交卡、超市的物品标签等，这些卡片正在改变人们的生活方式其实秘密就在这些卡片都使用了射频识别技术，可以说射频识别已成为人们日常生活中最简单的身份识别系统RFID技术带来的经济效益已经开始呈现在世人面前RFID是结合了无线电、芯片制造及计算机等学科的新技术1.射频识别的定义•射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它利用射频信号及其空间耦合的传输特性，实现对静止或移动物品的自动识别射频识别常称为感应式电子芯片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。

一个简单的RFID系统由阅读器（Reader）、应答器（Transponder）或电子标签（Tag）组成，其原理是由读写器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路，读取应答器内部的ID码应答器其形式有卡、钮扣、标签等多种类型，电子标签具有免用电池、免接触、不怕脏污，且芯片密码为世界惟一无法复制，安全性高、长寿命等特点所以，RFID标签可以贴在或安装不同物品上，由安装在不同地理位置的读写器读取存储于标签中的数据，实现对物品的自动识别RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物芯片、汽车芯片防盜器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理、校园一卡通等2.射频识别技术的发展•RFID技术起源于第二次世界大战时期的飞机雷达探测技术二战期间，英军为了区别盟军和德军的飞机，在盟军的飞机上装备了一个无线电收发器战斗中控制塔上的探询器向空中的飞机发射一个询问信号，当飞机上的收发器接收到达个信号后，回传一个信号给探询器，探询器根据接收到的回传信号来识别是否己方飞机这一技术至今还在商业和私人航空控制系统中使用•雷达的改进和应用催生了RFID技术1945年，Leon Theremin发明了第一个基于RFID技术的间谍用装置。

1948年Harry StocKMan发表的论文“利用反射功率的通信”奠定了射频识别的理论基础20世纪50年代是RFID技术研究和应用的探索阶段，远距离信号转发器的发明扩大了敌我识别系统的识别范围•直到20世纪70年代，RFID技术终于走出实验室进入应用阶段很快，RFID技术与产品得到了很大的发展，各种测试技术加速发展，出现了早期的规模化应用20世纪80年代以来，集成电路、微处理器等技术的发展加速了RFID的发展，各种规模化应用发展起来，封闭系统应用开始成形•在1991年，美国奥克拉荷马州出现了世界上第一个开放式公路自动收费系统而近几年来，随着自动收费、门禁、身份卡片等的应用，RFID技术已经走入了人们的生活RFID技术的发展可按10年期划分如下：•1941～1950年雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础•1951～1960年早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究•1961～1970年RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试•1971～1980年RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速出现了一些最早的RFID应用。

•1981～1990年RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现•1991～2000年RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分•2001年以后，标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、 无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大RFID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RFID正在成为现实•在我国RFID市场的发展中，政府相关应用占据了RFID应用领域中最大的份额第二代身价证是近年我国RFID市场规模得以迅速扩大的最重要原因之一除了身价证，政府在城市交通、铁路、网吧、危险物品管理等方面都推动RFID的应用，主要利用RFID读取的方便性和安全性政府的推动不仅拓展了我国RFID市场，同时也带动了相关产业的发展，有助于发展配套环节、完善产业链，为RFID的进一步发展提供条件在跟踪发达国家RFID技术的同时，自主创新也在如火如荼地进行中有多家企业瞄准了标签读写器和电子标签产品，在读写器和电子标签产品系列化、多样化方面取得了显著成果。

在标签生产方面，初步形成以生产标签芯片的厂家为龙头，以标签天线设计、芯片与天线封装制作为主体的行业队伍RFID技术的应用还只是在某些领域中比较成熟，它需要在更多领域中开展研究，开拓更广阔的应用3. 射频识别技术特点•RFID技术的主要特点是通过电磁耦合方式来传送识别信息，不受空间限制，可快速地进行物体跟踪和数据交换由于RFID需要利用无线电频率资源，必须遵守无线电频率管理的诸多规范具体说来，与同期或早期的接触式识别技术相比较，RFID还具有如下一些特点•1）数据的读写功能只要通过RFID读写器即可不需接触，直接读取射频卡内的数据信息到数据库内，且可一次处理多个标签，也可以将处理的数据状态写入电子标签•2）电子标签的小型化和多样化RFID在读取上并不受尺寸大小与形状之限制，不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质此外，RFID 电子标签更可往小型化，便于嵌入到不同物品内因此，可以更加灵活地控制物品的生产和控制，特别是在生产线上的应用•3）耐环境性RFID最突出的特点是可以非接触读写（读写距离可以从十厘米至几十米）、可识别高速运动物体、抗恶劣环境，对水、油和药品等物质具有强力的抗污性。

RFID可以在黑暗或脏污的环境之中读取数据•4）可重复使用由于RFID为电子数据，可以反复读写，因此可以回收标签重复使用，提高利用率，降低电子污染•5）穿透性RFID即便是被纸张、木材和塑料等非金属或非透明材质包覆，也可以进行穿透性通信但是不能穿过铁质金属物体进行通信•6）数据的记忆容量大数据容量会随着记忆规格的发展而扩大，未来物品所需携带的数据量会愈来愈大，对卷标所能扩充容量的需求也增加，对此RFID将不会受到限制•7）系统安全性将产品数据从中央计算机中转存到标签上将为系统提供安全保障，大大地提高系统的安全性射频标签中数据的存储可以通过校验或循环冗余校验的方法来得到保证2.1.2 RFID技术分类•对于RFID技术，可依据标签的供电形式、工作频率、可读性和工作方式进行分类•1．根据标签的供电形式分类•在实际应用中，必须给电子标签供电它才能工作，虽然它的电能消耗是非常低的（一般是百万分之一毫瓦级别），按照标签获取电能的方式不同，常把标签分成有源式标签、无源式标签及半有源式标签•(1）有源电子标签•有源式电子标签通过标签自带的内部电池进行供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传送的距离远。

另外，有源式标签可以通过设计电池的不同寿命对标签的使用时间或使用次数进行限制，它可以用在需要限制数据传输量或者使用数据有限制的地方有源式标签的缺点主要是价格高，体积大，标签的使用寿命受到限制，而且随着标签内电池电力的消耗，数据传输的距离会越来越小，影响系统的正常工作（2）无源电子标签•无源式标签的内部不带电池，需靠外界提供能量才能正常工作无源式标签典型的产生电能的装置是天线与线圈，当标签进入系统的工作区域，天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，再经过整流并给电容充电电容电压经过稳压后作为工作电压无源式标签具有永久的使用期，常常用在标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方，而且无源式标签支持长时间的数据传输和永久性的数据存储无源式标签的缺点主要是数据传输的距离要比有源式标签短因为无源式标签依靠外部的电磁感应而供电，它的电能就比较弱，数据传输的距离和信号强度就受到限制，需要敏感性比较高的信号接收器才能可靠识读但它的价格、体积、易用性决定了它是电子标签的主流•半有源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，为本身耗电很少的标签电路供电标签未进入工作状态前，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年有效。

当标签进入读写器的读取区域时，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（反射调制方式），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3）半有源标签2.根据标签的工作频率分类•从应用概念来说，电子标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重要的特点之一电子标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本工作在不同频段或频点上的电子标签具有不同的特点射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段典型的工作频率有：125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等（1）低频段电子标签 •低频段电子标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz～300kHz典型工作频率有：125KHz、133KHz（也有接近的其它频率的，如TI公司使用134.2KHz）低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。

低频标签与读写器之间传送数据时，低频标签需位于读写器天线辐射的近场区内低频标签的阅读距离一般情况下小于1m•低频标签的典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等与低频标签相关的国际标准有：ISO 11784/11785（用于动物识别）、ISO 18000-2（125～135kHz）低频标签有多种外观形式，应用于动物识别的低频标签外观有：项圈式、耳牌式、注射式、药丸式等•低频标签的主要优势体现在标签芯片一般采用普通的CMOS工艺，具有省电、廉价的特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等；非常适合近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用等低频标签的劣势主要体现在：标签存贮数据量较少；只能适合低速、近距离识别应用（2）中高频段电子标签 •中高频段电子标签的工作频率一般为3～30MHz典型工作频率为13.56MHz该频段的电子标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签•高频电子标签一般也采用无源方式，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。

标签与读写器进行数据交换时，标签必须位于读写器天线辐射的近场区内中频标签的阅读距离一般情况下也小于1m（最大读取距离为1.5m）•高频标签由于可方便地做成卡状，典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等相关的国际标准有：ISO 14443、ISO 15693、ISO 18000-3（13.56MHz）等•高频标准的基本特点与低频标准相似，由于其工作频率的提高，可以选用较高的数据传输速率电子标签天线设计相对简单，标签一般制成标准卡片形状（3）超高频与微波标签•超高频与微波频段的电子标签，简称为微波电子标签，其典型工作频率为433.92MHz、862(902)～928MHz、2.45GHz、5.8GHz•微波电子标签可分为有源标签与无源标签两类工作时，电子标签位于读写器天线辐射场的远区场内，标签与读写器之间的耦合方式为电磁耦合方式读写器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4～7m，最大可达10m以上读写器天线一般均为定向天线，只有在读写器天线定向波束范围内的电子标签可被读/写•以目前技术水平来说，无源微波电子标签比较成功产品相对集中在902～928MHz工作频段上。

2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半有源微波电子标签产品面世半有源标签一般采用钮扣电池供电，具有较远的阅读距离•微波电子标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用，读写器的发射功率容限，电子标签及读写器的价格等方面对于可无线写的电子标签而言，通常情况下，写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量•微波电子标签的数据存贮容量一般限定在2Kbit以内，再大的存贮容量似乎没有太大的意义，从技术及应用的角度来说，微波电子标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程典型的数据容量指标有1Kbit、128bit、64bit等 •微波电子标签的典型应用包括移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等相关的国际标准有ISO10374、ISO 18000-4（2.45GHz）、-5（5.8GHz）、-6（860～930 MHz）、-7（433.92 MHz），ANSI NCITS 256-1999等3.根据标签的可读性分类•根据使用的存储器类型，可以将标签分成只读（Read Only，RO）标签、可读可写（Read and Write，RW）标签和一次写入多次读出（Write Once Read Many，WORM）标签。

（1）只读标签•只读标签内部只有只读存储器（Read Only Memory，ROM）ROM中存储有标签的标识信息这些信息可以在标签制造过程中，由制造商写入ROM中，电子标签在出厂时，即已将完整的标签信息写入标签这种情况下，应用过程中，电子标签一般具有只读功能也可以在标签开始使用时由使用者根据特定的应用目的写入特殊的编码信息•只读标签信息的写入，在更多的情况下是在电子标签芯片的生产过程中将标签信息写入芯片，使得每一个电子标签拥有一个惟一的标识UID（如96 bit）应用中，需再建立标签惟一UID与待识别物品的标识信息之间的对应关系（如车牌号）只读标签信息的写入也有在应用之前，由专用的初始化设备将完整的标签信息写入•只读标签一般容量较小，可以用作标识标签对于标识标签来说，一个数字或者多个数字字母字符串存储在标签中，这个储存内容是进入信息管理系统中数据库的钥匙（Key）标识标签中存储的只是标识号码，用于对特定的标识项目，如人、物、地点进行标识，关于被标识项目的详细的特定的信息，只能在与系统相连接的数据库中进行查找（2）可读可写标签•可读可写标签内部的存储器，除了ROM、缓冲存储器之外，还有非活动可编程记忆存储器。

这种存储器一般是EEPROM（电可擦除可编程只读存储器），它除了存储数据功能外，还具有在适当的条件下允许多次对原有数据的擦除以及重新写入数据的功能可读可写标签还可能有随机存取器（Random Access Memory，RAM），用于存储标签反应和数据传输过程中临时产生的数据•可读写标签一般存储的数据比较大，这种标签一般都是用户可编程的，标签中除了存储标识码外，还存储有大量的被标识项目其它的相关信息，如生产信息，防伪校验码等等在实际应用中，关于被标识项目的所有的信息都是存储在标签中的，读标签就可以得到关于被标识目标的大部分信息，而不再必须连接到数据库进行信息读取另外在读标签的过程中，可以根据特定的应用目的控制数据的读出，实现在不同的情况下读出的数据部分不同•一般电子标签的ROM区存放有产商代码和无重复的序列码，每个产商的代码是固定和不同的，每个产商的每个产品的序列码也是肯定不同的所以每个电子标签都有惟一码，这个惟一码又是存放在ROM中，所以标签就没有可仿制性，是防伪的基础点（3）一次写入和多次读出标签•应用中，还广泛存在着一次写入多次读出（Write Once Read Many，WORM）的电子标签。

这种WORM概念即有接触式改写的电子标签存在，也有无接触式改写的电子标签存在这类WORM标签一般大量用在一次性使用的场合，如航空行李标签，特殊身份证件标签等•RW卡一般比WORM卡和RO卡价格高得多，如卡、信用卡等：WORM卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变，比RW卡要便宜RO卡存有一个惟一的ID号码，不能修改，具有较高的安全性4. 根据标签的工作方式分类•根据标签的工作方式，可将RFID分为被动式、主动式和半主动式一般来讲，无源系统为被动式，有源系统为主动式主动式射频系统用自身的射频能量主动地发送数据给读写器被动式的射频系统，使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，在门禁或交通管理的应用中适宜因为读写器可以确保只激活一定范围内的射频系统在有障碍物的情况下，采用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次而主动式的射频标签发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动式标签主要用于有障碍物的应用中，距离更远•（1）主动式电子标签•一般来说主动式RFID系统为有源系统，即主动式电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，在有障碍物的情况下，只需穿透障碍物一次。

由于主动式电子标签自带电池供电，它的电能充足、工作可靠性高、信号传输距离远主要缺点是标签的使用寿命受到限制，而且随着标签内部电池能量的耗尽，数据传输距离越来越短，从而影响系统的正常工作•（2）被动式电子标签•被动式电子标签必须利用读写器的载波来调制自身的信号，标签产生电能的装置是天线和线圈标签进入RFID系统工作区后，天线接收特定的电磁波，线圈产生感应电流供给标签工作，在有障碍物的情况下，读写器的能量必须来回穿过障碍物两次这类系统一般用于门禁或交通系统中，因为读写器可以确保只激活一定范围内的电子标签•(3)半主动电子标签•在半主动式RFID系统里，电子标签本身带有电池，但是标签并不通过自身能量主动发送数据给读写器，电池只负责对标签内部电路供电标签需要被读写器的能量激活，然后才通过反向散射调制方式传送自身数据2.1.3 RFID技术应用•RFID系统的最大优点是减少了人工干预，可以在跟踪和识别物体、人或动物的多个行业中使用，并在不断发展当然，RFID技术在不同应用中所起的作用是不同的，表2-1列出了RFID在各个领域的一些具体应用实例•应用领域•应用说明•物流•物流仓储是RFID最有潜力的应用领域之一，UPS、DHL、Fedex等国际物流巨头都在积极试验RFID技术，以期在将来大规模应用提升其物流能力。

可应用的过程包括：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储管理应用，港口应用，邮政包裹，快递等•交通•高速不停车，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等已有不少较为成功的案例•汽车•制造、防盗、定位、车钥匙可以应用于汽车的自动化，个性化生产，汽车的防盗、汽车的定位，可以做为安全性极高的汽车钥匙国际上有成功案例•零售•由沃尔玛、麦德隆等大超市一手推动的RFID应用，可以为零售业带来包括降低劳动力成本、商品的可视度提高，降低因商品断货造成的损失，减少商品偷窃现象等等好处可应用的过程包括商品的销售数据实时统计、补货、防盗等•身份识别•RFID技术由于天生的快速读取与难伪造性，而被广泛应用于个人的身份识别证件如现在开展的电子护照项目、我国的第二代身份证、学生证等其它各种电子证件应用领域应用说明物流物流仓储是RFID最有潜力的应用领域之一，UPS、DHL、Fedex等国际物流巨头都在积极试验RFID技术，以期在将来大规模应用提升其物流能力 可应用的过程包括：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储管理应用，港口应用，邮政包裹，快递等交通高速不停车，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等。

已有不少较为成功的案例汽车制造、防盗、定位、车钥匙可以应用于汽车的自动化，个性化生产，汽车的防盗、汽车的定位，可以做为安全性极高的汽车钥匙国际上有成功案例零售由沃尔玛、麦德隆等大超市一手推动的RFID应用，可以为零售业带来包括降低劳动力成本、商品的可视度提高，降低因商品断货造成的损失，减少商品偷窃现象等等好处可应用的过程包括商品的销售数据实时统计、补货、防盗等身份识别RFID技术由于天生的快速读取与难伪造性，而被广泛应用于个人的身份识别证件如现在开展的电子护照项目、我国的第二代身份证、学生证等其它各种电子证件制造业应用于生产过程的生产数据实时监控、质量追踪、自动化生产、个性化生产等在贵重及精密的货品生产领域应用更为迫切服装业可以应用于服装的自动化生产、仓储管理、品牌管理、单品管理、渠道管理等过程，随着标签价格的降低，这一领域将有很大的应用潜力但在应用时，必须得仔细考虑如何保护个人隐私问题医疗可以应用于医院的医疗器械管理、病人身份识别、婴儿防盗等领域医疗行业对标签的成本比较不敏感，所以该行业将是RFID应用的先锋之一防伪RFID技术具有很难伪造的特性，但是如何应用于防伪还需要政府和企业的积极推广。

可以应用的领域包括贵重物品（烟、酒、药品）的防伪、票证的防伪等资产管理各类资产（贵重的或数量大相似性高的或危险品等）随着标签价格的降低，几乎可以涉及到所有的物品食品水果、蔬菜、生鲜、食品等保鲜度管理由于食品、水果、蔬菜、生鲜上含水份多，会影响正常的标签识别，所以该领域的应用将在标签的设计及应用模式上有所创新动物识别训养动物、畜牧牲口、宠物等识别管理，动物的疾病追踪，畜牧牲口的个性化养殖等在国际上已有不少较为成功的案例图书馆书店、图书馆、出版社等应用可以大大减少书籍的盘点、管理时间，可以实现自动租借、还书等功能在美国、欧洲、新加坡等已有图书馆应用成功案例在国内有图书馆正在测试中航空制造、旅客机票、行李包裹追踪可以应用于飞机的制造，飞机零部件的保养及质量追踪、旅客的机票、快速登机、旅客的包裹追踪军事弹药、枪支、物资、人员、卡车等识别与追踪美国在伊拉克战争中已有大量使用美国国防部已与其上万的供应商正在对军事物资进行电子标签标识与识别其它门禁、考勤、电子巡更、一卡通、消费、电子停车场等特别值得关注的是在物联网中的应用:1. RFID技术与传感器技术;2．应用近距离无线通信技术组成无线支付系统; 3．RFID技术与3G1．RFID技术与传感器技术•当电子标签具有感知能力的时候，RFID与无线传感网的界限就变得模糊不清了。

很多主动式和半主动式电子标签结合传感器进行设计，使得传感器可以发送数据给读写器，而这些电子标签并不完全是无线传感网的节点，因为他们之间缺乏通过相互协同组成的自组织网络进行通信，但是它们又超越了一般的电子标签另一方面，一些传感器节点正在使用RFID读写器作为它们感知能力的一部分温度标签、振动传感器、化学传感器能大大提高RFID技术的功能•若将智能传感器与准确的时间、位置感应的电子标签结合起来，将能够记录给定物体的状态和其被处理的情况例如，人们正在研究开发易腐食品是否过期的生物传感器，这种传感器十分微小，能检测出任何生物或化学制剂这种传感器由发射器和计算机芯片组成，它能嵌入电子标签，能在水瓶里，甚至肉品包装袋的积水底部工作RFID生物传感器的研制还需要几年时间，但有些公司，包括麦当劳最大的牛肉供应商金州食品公司，自2002年以来一直在试验RFID生物传感器由RFID传感器构成的系统最终将跟踪和监测所有的食品供应，防止污染和生物恐怖主义2．应用近距离无线通信技术组成无线支付系统•近距离无线通信(Near Field Communication，NFC)技术是由飞利浦公司发起，由诺基亚公司、索尼公司等著名厂商联合主推的一项无线通信技术。

NFC工作在13.56MHz频段，其数据传输速率取决于工作距离，可为lO6kb/s、212kb/s或424kb/s；其最长通信距离为20cm，在大多数应用中，实际工作距离不会超过lOcmNFC技术的出现将在很大程度上改变人们使用某些电子设备的方式，甚至改变信用卡、现金和钥匙的使用方式，它可以应用在等便携型设备上，实现安全的移动支付和交易、简便的端对端通信、在移动中轻松接入信息等功能•NFC与RFID技术所针对的行业不同，NFC技术针对的是消费类电子产品，而RFID技术针对的是所有行业，包括物流、交通等诸多行业从某种意义上讲，NFC也是RFID的一种应用，也可以把NFC看成是RFID的升级RFID与NFC是相互促进的，一方面，RFID应用的普及需要无处不在的读写器；另一方面，NFC是与紧密结合的技术，NFC的普及将解决RFID读写器存在的一些难题，为RFID的进一步发展助力此外，RFID市场的存在和扩大，也给NFC技术的推广普及提供了基础环境从通信角度来看，近距离内工作的RFID技术也是近距离无线通信技术的一种RFID技术的下一个应用热点将是、个人数字助理(PDA)和汽车电子产品等消费性的电子产品领域，它们的表现形式将是基于NFC等技术的非接触式移动支付等，诸如以取代、统一电子钱包、信用卡、积分卡、银行卡和交通卡等。

•NFC与用户识别模块(SIM卡)整合，让拥有小额付费功能，并同时可以兼容如MasterCard Paypass及VISA Wave等多张非接触式感应信用卡，以一部就可乘地铁、巴士，还能当作电子钱包，而无需携带许多张卡出门空中下载(Over The Air，OTA)技术是通过移动通信的空中接口对SIM卡数据及应用进行远程管理的技术藉由OTA，可以简单便捷地配置NFC的多元化服务这种移动支付模式将带给消费者极大的方便，它可以随时、随地快速选择新的支付模式NFC将会内建密钥以增加安全性，也可以设定让每一笔交易都必须经过使用者以密码或其它生物特征确认，在系统支持下还能记录每笔交易信息，而客户也可以随时通过查询每次充值或交易的记录NFC还可以读取内建感应线圈的海报提供的优惠信息如果主要路标也布有内建感应线圈的电子标签，就能接收道路、旅游、环境、消费与公共服务等相关信息，使NFC的应用更加多元化3．RFID技术与3G•RFID技术在当前的移动通信领域中已经有所应用，但是大部分还处于试验阶段，从RFID“标记”、“地址号码”和“传感功能”这三个本质特点来看， RFID在3G产业中的应用前景非常广阔。

移动通信技术发展到3G的直接结果是一个结构更加复杂和功能更加强大的通信系统，除了传统的人与人之间的通信外，设备与设备之间的通信业务(Machine to Machine，M2M)也将得到迅速发展，而RFID将在其中扮演关键的角色，因为RFID所具有的“标记”、“地址号码”和“传感功能”能够解决M2M中很多实际的问题虽然设备或物品本身并不具备感知的功能，但可以利用支持RFID技术的3G终端了解设备或物品所处的外界环境，从而更好地实现对设备或物品的数据读取、状态监测和远程管理控制等诸多业务新融合的需求对移动设备提出了前所未有的挑战，如果需要手持设备支持丰富的融合业务，除了强大的处理器之外，还需要支持无线局域网(WLAN)、超宽带(UWB)、蓝牙、ZigBee、通用移动业务(UMTS)等诸多无线协议，用以支持移动通信、娱乐体验的需求•3G加上RFID技术可以实时传递信息及上传或下载多媒体影音档案，提供数据的读取与更新、存储用于对象识别与获取信息的功能该研究表明，通过3G系统结合日常生活中各项物品，如家电用品、日常用品、大众运输、餐厅、电影及卖场等内含的电子标签，各项物品的服务经3G上的读写器读取之后，产品的具体信息将显示于3G屏幕，从而达到服务数字化，并且无所不在，无所不用，大大提高了人们数字生活的方便程度。

若RFID的相关设备成本可以降低的话，未来日常生活中的各项物品均有可能内嵌电子标签，那样RFID技术与3G系统的结合可为人类未来的生活带来极大方便2.1.4 RFID技术标准简介•由于RFID的应用牵涉到众多行业，因此其相关的标准非常复杂从类别看，RFID标准可以分为以下四类：技术标准(如RFID技术、IC卡标准等)；数据内容与编码标准(如编码格式、语法标准等)；性能与一致性标准(如测试规范等)；应用标准船运标签、产品包装标准等)具体来讲，RFID相关的标准涉及电气特性、通信频率、数据格式和元数据、通信协议、安全、测试、应用等方面•与RFID技术和应用相关的国际标准化机构主要有：国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)、国际电信联盟(ITU)、世界邮联(UPU)此外还有其它的区域性标准化机构(如EPC Global、UID Center、CEN)、国家标准化机构(如BSI、ANSI、DIN)和产业联盟(如ATA、AIAG、EIA)等也制订与RFID相关的区域、国家、产业联盟标准，并通过不同的渠道提升为国际标准低频高频超高频微波工作频率125～134KHz13.56MHz868～5MHz2.45～5.8GHz读取距离（美国）（美国）速度慢中等快很快潮湿环境无影响无影响影响较大影响较大方向性无无部分有全 球 适 用频率是是部分部分现 有 ISO标准11784/85，1422314443，18000-3，1569318000-618000-4/555表2-2 RFID系统主要频段标准与特性•总体来看，目前RFID存在三个主要的技术标准体系：总部设在美国麻省理工学院(MIT)的自动识别中心(Auto-ID Center)、日本的泛在中心(Ubiquitous ID Center，UIC)和ISO标准体系。

1.EPC Global•EPC Global是由美国统一代码协会(UCC)和国际物品编码协会(EAN)于2003年9月共同成立的非营利性组织，其前身是1999年10月1日在美国麻省理工学院成立的非营利性组织Auto-ID中心Auto-ID中心以创建物联网为使命，与众多成员企业共同制订一个统一的开放技术标准旗下有沃尔玛集团、英国Tesco等100多家欧美零售流通企业，同时有IBM、微软、飞利浦、Auto-ID Lab等公司提供技术研究支持，目前EPC Global己在加拿大、日本、中国等国建立了分支机构，专门负责EPC码段在这些国家的分配与管理、EPC相关技术标准的制订、EPC相关技术在本国宣传普及以及推广应用等工作•EPC Global物联网体系架构由EPC编码、EPC标签及读写器、EPC中间件、ONS服务器和EPCIS服务器等部分构成•EPC赋予物品惟一的电子编码，其位长通常为64bit或96bit，也可扩展为256bit对不同的应用规定有不同的编码格式，主要存放企业代码、商品代码和序列号最新的Gen2标准的EPC编码可兼容多种编码2.Ubiquitous ID•日本在电子标签方面的发展，始于20世纪80年代中期的实时嵌入式系统TRON，T-Engine是其中核心的体系架构。

•在T-Engine论坛领导下，泛在中心于2003年3月成立，并得到日本政府经产和总务省以及大企业的支持，目前包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普富士通、NTT DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光重量级企业•泛在ID中心的泛在识别技术体系架构由泛在识别码(uCode)、信息系统服务泛在通信器和uCode解析服务器等四部分构成•uCode采用128bit记录信息，提供了340×1036编码空间，并可以以128bit为单元进一步扩展至256bit、384bit或512bituCode能包容现有编码体系的元编码设计，以兼容多种编码，包括JAN、UPC、ISBN、IPv6地址，甚至号码uCode标具有多种形式，包括条码、射频标签、智能卡、有源芯片等泛在ID中心把标签进行分类，设立了9个级别的不同认证标准•信息系统服务器存储并提供与uCode相关的各种信息uCode解析服务器确定与uCode相关的信息存放在哪个信息系统服务器上uCode解析服务器的通信协议为uCodeRP和eTP，其中eTP是基于eTron(PKI)的密码认证通信协议•泛在通信器主要由IC标签、标签读写器和无线广域通信设备等部分构成，用来把读到的uCode送至uCode解析服务器，并从信息系统服务器获得有关信息。

3.ISO标准体系•国际标准化组织(ISO)以及其它国际标准化机构如国际电工委员会(IEC)、国际电信联盟(ITU)等是RFID国际标准的主要制订机构大部分RFID标准都是ISO(或与IEC联合组成)的技术委员会(TC)或分技术委员会(SC)制订的2.2 RFID系统的组成•从端到端的角度来看，一个RFID系统由电子标签、读写器天线、读写器、传感器/执行器/报警器、控制器、主机和软件系统、通信设施等部分组成图2-1给出了以读写器为中心的系统组成结构图•若从功能实现的角度观察，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分，如图2-2所示这种观点同现代信息技术观点相吻合边沿系统主要是完成信息感知，属于硬件组件部分；软件系统完成信息的处理和应用；通信设施负责整个RFID系统的信息传递2.2.1 RFID系统的硬件•RFID系统中的硬件组件包括电子标签、读写器（包括传感器/执行器/报警器和边沿接口电路）、控制器和读写天线；系统中当然还要有主机，用于处理数据的应用软件程序，并连接网络1.电子标签•电子标签也称应答器，是一个微型的无线收发装置，主要由内置天线和芯片组成芯片中存储有能够识别目标的信息，当读写器查询时它会发射数据给读写器。

RFID标签具有持久性，信息接收传播穿透性强，存储信息容量大、种类多等特点根据电子标签组成原理和工作方式不相同，有被动式、主动式、半主动式电子标签之分（1）被动式电子标签•被动式电子标签无板载电源，其电源由读写器供给电子标签必须利用读写器的载波来调制自身的信号，标签产生电能的装置是天线和线圈标签进入RFID系统工作区后，天线接收特定的电磁波，线圈产生感应电流供给标签工作被动式标签与读写器之间的通信，总是由读写器发起，标签响应，然后由读写器接收标签发出的数据，被动式标签的读写距离小于主动式和半主动式标签，一般在3cm～9m被动式电子标签由微芯片和天线组成,如图2-3所示•1）微芯片微芯片主要由数字电路及存储器组成，如图2-4所示–电源控制/整流器模块将读写器发出的天线电磁波交流信号经过整流转换为直流电源，为微芯片及其组件工作供电；–时钟提取器从读写器的天线信号中提取时钟信号；–调制器调制接收到的读写器信号，标签对接收的调制信号做出响应，然后传回读写器；–逻辑单元负责标签和读写器之间通信协议的实施–存储器用于存储微处理器记忆数据，记忆体一般是分段的（分块或字段），寻址能力就是地址读写范围，不同的分块可以存储不同的数据类型；例如部分标记标签对象的标识数据，数据校验（循环冗余校验（CRC））保证发送数据的准确性，等等。

•近年来在技术的进步，可以将小规模的微芯片做的很小；然而，一个标签的物理尺寸不仅取决于它的芯片的大小还与其天线有关•2）标签天线–标签天线是电子标签与读写器的空中接口，不管是何种电子标签读写设备均少不了天线或耦合线圈–标签天线用于接收读写器的射频能量和相关的指令信息，发射带有标签信息的反射信号–标签天线设计与标签相关，天线长度与标签波长成正比一个偶极子天线由直线电导体组成，总长度是半个波长双偶极子天线是由两个偶极子组成，大大降低了标签的敏感性因此，读写器可以在不同的标签环境下读标签叠偶天线由两个或两个以上的直电导体并联在一起构成，每导体半个波长长当两个导体折叠时称为2线折叠偶极子天线，由3个导体折叠的偶极子称为3线折叠偶极子天线图2-5给出了几种偶极子天线的结构示意图•（2）主动式电子标签•主动式电子标签有一个板载电源为标签电子电路工作提供能量主动式电子标签可以主动向读写器发送数据，它不需要读写器发射来激活数据传输•板载电路包括微处理器、传感器、输入/输出端口和电源电路等•主动式电子标签同读写器之间的通信始终都是有标签主动发起的，读写器做出响应这类标签中，不管读写器是否存在，标签都能够连续发送数据。

另外，这类标签在读写器没有询问时，可以进入休眠状态或低功耗状态，从而可以存储电池能量读写器可以通过发出适当的命令唤醒休眠的电子标签因此，这类标签通常具有较长的生存时间.•主动式电子标签的阅读距离一般可以在30m以上主动式电子标签通常包括：①微芯片；②天线；③板载电源；④板载电子电路等组成部分•（3）半主动式电子标签–半主动式电子标签也有板载电源和完成特殊任务的电子元件，板载电源仅仅为标签的运算操作提供能量；其发送信号由读写器提供电源半主动式电子标签也称为电池辅助电子标签标签和读写器之间的通信始终是读写器处于主动发起方，标签是被动式响应为什么使用半主动式电子标签而不用被动式电子标签？因为半主动式电子标签不像被动式电子标签由读写器来激活自己，它可以读取一个更远距离的读写器信号因为无需通电激活，这样在读写器区域内，标签有充分的时间被读写器读取数据因此，即使标签目标在高速移动，它仍可被可靠读取数据最后，半主动式电子标签通过使用透明和吸附剂性材料的射频使其具有更好的可读性在理想条件下，半主动标签使用反向散射调制技术，其读写器距离大约在30m内2.读写器•读写器是一个捕捉和处理RFID标签数据的设备，可以是单独的个体，也可以嵌入到其它系统之中。

•读写器也是构成RFID系统的重要部件之一，由于它能够将数据写到RFID标签中，因此称为读写器，也称为阅读器、查询器等读写器还负责与主机接口，通过计算机软件来读取或写入标签内的数据信息由于标签是非接触式的，因此必须借助读写器来实现标签和应用系统之间的数据通信•（1） 读写器的组成结构–读写器的硬件部分通常由收发机、微处理器、存储器、外部传感器/执行器/报警器的输入/输出接口、通信接口，以及电源等部件组成，如图2-6所示•1）收发机收发机包含有发射机和接收机两个部分，通常由收发模块组成，收发模块同天线模块相连接目前，有的读写器收发模块可以同时连接4个天线•2）微处理器微处理器是实现读写器和电子标签之间通信协议的部件；同时完成接收数据信号的译码和数据纠错功能另外，微处理器还有低级数据滤波和处理逻辑功能•3）存储器存储器用于存储读写器的配置参数和阅读标签的列表因此，如果读写器与控制器/软件系统之间的通信中断，所有阅读标签数据会丢失•4）外部传感器/执行器/报警器的输入/输出接口为了降低能耗，读写器不能始终处于开启状态因此，读写器需要一个能够在工作周期内开启和关闭读写器的控制机制输入/输出端口提供了这种机制，使读写器依靠外部事件开启和关闭读写器工作。

•5）通信接口通信接口为读写器和外部实体提供通信指令，通过控制器传输数据和接收指令并做出响应一般通信接口可以根据通信要求分为串行通信接口和网络接口①串行通信接口是目前读写器普遍的接口方式读写器同计算机通过串行端口RS-232或RS-485连接因此，串行通信被推荐为RFID最小系统的首选方式②网络通信接口通过有线或无线方式连接网络读写器和主机随着物联网技术的应用推广，网络通信接口将作为一个标准逐渐成为主流网络读写器可以根据应用自动发现读取目标，嵌入式服务器允许读写器接收命令，并通过标准浏览器显示读取结果•3.控制器•控制器是读写器芯片有序工作的指挥中心，主要功能是：与应用系统软件进行通信；执行从应用系统软件发来的动作指令；控制与标签的通信过程；基带信号的编码与解码；执行防碰撞算法；对读写器和标签之间传送的数据进行加密和解密；进行读写器与电子标签之间的身份认证；对键盘、显示设备等其它外部设备的控制其中，最重要的是对读写器芯片的控制操作•4. 读写器天线–天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的设备，是电路与空间的界面器件，用来实现导行波与自由空间波能量的转化在RFID系统中，天线分为电子标签天线和读写器天线两大类，分别承担接收能量和发射能量的作用。

–在确定的工作频率和带宽条件下，天线发射射频载波，并接收从标签或反射回来的射频载波目前，RFID系统主要集中在LF（135KHz）、HF(13.56MHz)、UHF（860～960MHz）和微波频段(2.45GHz)，不同工作频段的RFID系统天线的原理和设计有着根本上的不同RFID读写器天线的增益和阻抗特性会对RFID系统的作用距离等产生影响，RFID系统的工作频段反过来对天线尺寸以及辐射损耗有一定要求所以RFID天线设计的好坏关系到整个RFID系统的成功与否•5. 通信设施•通信设施为不同的RFID系统管理提供安全通信连接，是RFID系统的重要组成部分通信设施包括有线、无线网络和读写器、控制器和计算机连接的串行通信接口无线网络可以是个域网（PAN），如蓝牙技术；局域网，如802.11x、WiFi；广域网，如GPRS、3G技术；卫星通信网络，如同步轨道卫星L波段的RFID系统2.2.2 RFID系统中的软件组件•RFID系统中的软件组件主要完成数据信息的存储、管理以及对RFID标签的读写控制，是独立于RFID硬件之上的部分RFID系统归根结底是为应用服务的，读写器与应用系统之间的接口通常软件组件来完成。

•一般，RFID软件组件包含有：–①边沿接口系统；–②中间件，为实现采集的信息的传递与分发而开发的中间件；–③企业应用接口，为企业前端软件，如设备供应商提供的系统演示软件、驱动软件、接口软件、集成商或者客户自行开发的RFID前端操作软件等；–④应用软件，主要指企业后端软件，如后台应用软件、管理信息系统（MIS)软件等•1．边沿接口系统–边沿接口系统完成RFID系统硬件与软件之间的连接，通过使用控制器实现同RFID硬软件之间的通信边沿接口系统的主要任务是从读写器中读取数据和控制读写器的行为，激励外部传感器、执行器工作此外，边沿接口系统还具有以下功能：•①从不同读写器中过滤复制数据；•②允许设置基于事件方式触发外部执行机构；•③提供智能功能，选择发送到软件系统；•④远程管理功能•2．RFID中间件–RFID系统中间件是介于读写器和后端软件之间的一组独立软件，它能够与多个RFID读写器和多个后端软件应用系统连接应用程序使用中间件所提供的通用应用程序接口（API），就能够连接到读写器，读取RFID标签数据即中间件屏蔽了不同读写器和应用程序后端软件的差异，从而减轻了多对多连接的设计与维护的复杂性。

使用RFID中间件有3个主要目的：•①隔离应用层和设备接口；•②处理读写器和传感器捕获的原始数据，使应用层看到的都是有意义的高层的事件，大大减少所需处理的信息；•③提供应用层接口用于管理读写器和查询RFID观测数据，目前，大多数可用的RFID中间件都有这些特性•3. 企业应用接口–企业应用接口为RFID前端操作软件主要是提供给RFID设备操作人员使用的，如手持读写设备上使用的RFID识别系统、超市收银台使用的结算系统和门禁系统使用的监控软件等，此外还应当包括将RFID读写器采集到的信息向软件系统传送的接口软件–前端软件最重要的功能是保障电子标签和读写器之间正常通信，通过硬件设备的运行和接收高层的后端软件控制来处理和管理电子标签和读写器之间的数据通信前端软件完成的基本功能有：•1）读/写功能：读功能就是从电子标签中读取数据写功能就是将数据写入电子标签•2）防碰撞功能：很多时候不可避免地会有多个电子标签同时进入读写器的读取区域，要求同时识别和传输数据时，就需要前端软件中具有防碰撞功能•3）安全功能：–确保电子标签和读写器双向数据交换通信的安全在前端软件设计中可以利用密码限制读取标签内信息、读写一定范围内的标签数据以及对传输数据进行加密等措施来实现安全功能。

也可以使用硬件结合的方式来实现安全功能标签不仅提供了密码保护，而且能对数据从标签传输到读取器的过程进行加密，而不仅是对标签上的数据进行加密•4）检/纠错功能：–由于使用无线方式传输数据很容易被干扰，使得接收到的数据产生畸变，从而导致传输出错前端软件可以采用校验和的方法，如循环冗余校验（Cyclic Redundance Check，CRC）、纵向冗余校验（Longitudinal Redundance Check，LRC）、奇偶校验等检测错误可以结合自动重传请求（Automatic Repeatre Quest，ARQ）技术重传有错误的数据来纠正错误，以上功能也可以通过硬件来实现4. 应用软件•由于信息是为生产决策服务的，因此，RFID系统所采集的信息最终要向后端应用软件传送，应用软件系统需要具备相应的处理RFID数据的功能应用软件的具体数据处理功能需要根据客户的具体需求和决策的支持度来进行软件的结构与功能设计•应用软件也是系统的数据中心，它负责与读写器通信，将读写器经过中间件转换之后的数据，插入到后台企业仓储管理系统的数据库中，对电子标签管理信息、发行电子标签和采集的电子标签信息集中进行存储和处理。

一般说来，后端应用软件系统需要完成以下功能：–1）RFID系统管理：系统设置以及系统用户信息和权限–2）电子标签管理：在数据库中管理电子标签序列号和每个物品对应的序号及产品名称、型号规格，芯片内记录的详细信息等，完成数据库内所有电子标签的信息更新–3）数据分析和存储：对整个系统内的数据进行统计分析，生成相关报表，对采集到的数据进行存储和管理2024年7月27日本讲到此结束欢迎使用《物联网技术》教材 电子工业出版社 刘化君 刘传清 编著。