第2章自動識別技術.ppt

第2章 自動識別技術與RFID,內容提要,感知識別技術融合物理世界和信息世界，是物聯網區(qū)別于其他網絡最獨特的部分。 本篇從自動識別技術與RFID開始，逐一介紹多樣化的信息生成方式。,2.1 自動識別技術 2.2 RFID的歷史和現狀 2.3 RFID技術分析 2.4 RFID標簽沖突* 2.5 RFID和物聯網 自動識別技術是模式識別理論的典型應用，選取不同的特征產生了多樣的自動識別技術。,本章內容,光符號識別&語音識別,光學字符識別（Optical Character Recognition，OCR），是模式識別（Pattern Recognition，PR）的一種技術，目的是要使計算機知道它到底看到了什么，尤其是文字資料。OCR技術能使設備通過光學機制識別字符。 語音識別研究如何采用數字信號處理技術自動提取及決定語言信號中最基本有意義的信息，同時也包括利用音律特征等個人特征識別說話人。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,虹膜識別：合適的生物特征,虹膜識別是當前應用最方便精確的生物識別技術，虹膜的高度獨特性和穩(wěn)定性是其用于身份鑒別的基礎。,虹膜識別：合適的生物特征,虹膜識別的特點： 非接觸性: 從無需用戶接觸設備,對人身沒有侵犯。 唯一性: 形態(tài)完全相同虹膜的可能性低于其他組織。 穩(wěn)定性: 虹膜定型后終身不變，一般疾病不會對虹膜組織造成損傷。 防偽性: 不可能在對視覺無嚴重影響的情況 下用外科手術改變虹膜特征。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,指紋識別技術,從實用角度看，指紋識別是一種生物識別技術的身份鑒別方法。因為指紋具有各不相同、終生基本不變的特點，且目前的指紋識別系統已達到操作方便、準確可靠、價格適中的階段。 指紋識別的處理流程： 通過特殊的光電轉換設備和計算機圖像處理技術，對活體指紋進行采集、分析和比對，可以迅速、準確地鑒別出個人身份。系統一般主要包括對指紋圖像采集、指紋圖像處理、特征提取、特征值的比對與匹配等過程。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,指紋特征有哪些（總體特征）？,指紋特征有哪些（局部特征）？,終結點（Ending）：一條紋路在此終結。,分叉點（Bifurcation) ：一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路。,分歧點（Ridge Divergence）：兩條平行的紋路在此分開。,孤立點（Dot or Island） : 一條特別短的紋路，以至成為一點。,環(huán)點（Enclosure）: 一條紋路分開成為兩條之后，立即有合并成為一條，這樣形成的一個小環(huán)稱為環(huán)點。,短紋（Short Ridge）: 一端較短但不至于成為一點的紋路。,IC卡技術,IC卡（Integrated Circuit Card），即“集成電路卡”在日常生活中已隨處可見。實際上是一種數據存儲系統，如有必要還可附加計算能力。 一個標準的IC卡應用系統通常包括：IC卡、IC卡讀寫器、PC，較大的系統還包括通信網絡和主計算機等，如圖所示。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,IC卡：基本組成,IC卡：由持卡人掌管，記錄持卡人特征代碼、文件資料的便攜式信息載體。 接口設備：即IC卡讀寫器，是卡與PC信息交換的橋梁，且常是IC卡的能量來源。核心為可靠的工業(yè)控制單片機，如Intel的51系列等。 PC：系統的核心，完成信息處理、報表生成輸出 和指令發(fā)放、系統監(jiān)控管理以及卡的發(fā)行與掛失、 黑名單的建立等。 網絡與計算機：通常用于金融服務等較大的系統。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,IC卡：按芯片分類,IC卡：按芯片分類,IC卡：按芯片分類,CPU卡：按交換界面分類,條形碼技術,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,條碼技術是在計算機應用發(fā)展過程中，為消除數據錄入的“瓶頸”問題而產生的，可以說是最“古老”的自動識別技術。 條形碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對應的字符組成的標記。當使用專門的條形碼識別設備如手持式條碼掃描器掃描這些條碼時，條碼中包含的信息就轉化為計算機可識別的數據。 目前市場上常見的是一維條形碼，信息量約幾十位數據和字符；二維條形碼相對復雜，但信息量可達幾千字符。,條形碼技術：一維條形碼,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,一維條碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對應的字符組成的標記。普通的一維條碼在使用過程中僅作為識別信息，它的意義是通過在計算機系統的數據庫中提取相應的信息而實現的。 速度：條形碼輸入速度是鍵盤的5倍； 可靠性：鍵盤輸入的數據出錯率一般為1/300，而條形碼的誤碼率低于百萬分之一。,條形碼技術：一維條形碼,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,一維條碼 一個完整的條碼的組成次序依次為：靜區(qū)（前）、起始符、數據符、（中間分割符，主要用于EAN碼）、(校驗符)、終止符、靜區(qū)（后）。,一維條形碼：譯碼原理,激光掃描儀通過一個激光二極管發(fā)出一束光線，照射到一個旋轉的棱鏡或來回擺動的鏡子上，反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經過條或空的反射后返回閱讀器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉換器轉換成電信號，該信號將通過掃描期或終端上的譯碼軟件進行譯碼。,一維條形碼：典型一維條形碼制比較,條形碼技術：二維條形碼,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,二維碼利用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息的；使用若干個與二進制相對應的幾何形體來表示文字數值信息，通過圖象輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理。 二維碼具有條碼技術的一些共性：每種碼制有其特定的字符集；每個字符占有一定的寬度；具有一定的校驗功能等。同時還具有對不同行的信息自動識別功能、及處理圖形旋轉變化等特點。,QR Code,條形碼技術：二維條形碼,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,目前，世界上應用最多的二維條碼符號有Aztec Code、PDF147、DataMatrix、QR Code、Code16K等。,Code 16K,DataMatrix,PDF147,Aztec Code,QR Code,條形碼技術：二維條形碼,根據譯碼原理，可以將二維條碼分為以下三種類型： 1、線性堆疊式二維碼。在一維條形碼的基礎上，各行在頂上互相堆積。如Code 16K、Code 49、PDF417。 2、矩陣式二維碼。采用統一的黑白方塊組合和一些特殊的定位符。如QR Code。 3、郵政碼。通過不同長度的條進行編碼，主要用于郵件編碼。 如Postnet。,Code 16K,QR Code,一維條形碼與二維條形碼的比較,一維條形碼特點： 可直接顯示內容為英文、數字、簡單符號； 貯存數據不多，主要依靠計算機中的關聯數據庫： 保密性能不高； 損污后可讀性差。,二維條形碼特點： 可直接顯示英文、中文、數字、符號、圖型； 貯存數據量大，可用掃描儀直接讀取內容，無需另接數據庫； 保密性高（可加密）， 安全級別最高時，損污50%仍可讀取完整信息。,2.1 自動識別技術 2.2 RFID的歷史和現狀 2.3 RFID技術分析 2.4 RFID標簽沖突* 2.5 RFID和物聯網 RFID對于計算機自動識別技術而言是一場革命，極大地提高了信息處理效率和準確度。,本章內容,2.2 RFID的歷史與現狀,RFID是射頻識別技術（Radio Frequency Identification）的英文縮寫,利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的。 它是上世紀90年代興起的自動識別技術，首先在歐洲市場上得以使用，隨后在世界范圍內普及。 RFID較其它技術明顯的優(yōu)點是電子標簽和閱讀器無需接觸便可完成識別。通過芯片來提供存儲在其中的數量巨大的“無形“信息。,2.2 RFID的歷史與現狀,RFID最早曾在第二次世界大戰(zhàn)中用來在空中作戰(zhàn)行動中進行敵我識別：當時英國用以確認進機場的是否為己方的飛機，以免遭誤擊。 20世紀90年代起，這項技術被美國軍方廣泛使用在武器和后勤管理系統上。美國在“伊拉克戰(zhàn)爭”中利用RFID對武器和物資進行了非常準確地調配，保證了前線彈藥和物資的準確供應。 許多歐美國家高速公路有電子收費站，只要憑著黏在車上的RFID辨識卡片，就可直接通過收費道、自動扣款，不須停車。,Dont shoot! Were British!,Oh. Were British too!,Human-implantable RFID,Radio-Frequency Identification (RFID),Chip (IC),Antenna,In terms of appearance,Radio-Frequency Identification (RFID),EPC tags 5 cents. 1000 gates 1 cent,Symmetric encryption is also too costly. We cant fit DES, AES, or SHA-1 in 2000 gates.,2.2 RFID的歷史與現狀,PROXIMITY CARDS,Note: Often just emit static identifiers, i.e., they are just smart labels!,RFID helps secure hundreds of millions of automobiles Cryptographic challenge-response Philips claims more than 90% reduction in car theft thanks to RFID!,AUTOMOBILE IGNITION KEYS,RFID now offered in all major credit cards in U.S. Some problems with first generation Heydt-Benjamin et al. 07,Credit CARDS,Transit CARDS,Dozens of countries issuing RFID-enabled passports PASS card and “enhanced” drivers licenses (EPC tags),Passports,Supply-chain visibility,Anti-counterfeiting: Better supply-chain visibility means less fraud U.S. FDA urging RFID use to combat counterfeiting of drugs Pharmaceutical companies doing item-level trials with EPC today,pharmaceuticals,2.1 自動識別技術 2.2 RFID的歷史和現狀 2.3 RFID技術分析 2.4 RFID標簽沖突* 2.5 RFID和物聯網 RFID系統的基本組成是什么？有哪些重要參數？,本章內容,2.3 RFID技術分析,RFID系統 包括：傳送器、接收器、微處理器、天線、標簽。傳送器、接收器和微處理器通常都被封裝在一起，又統稱為閱讀器(Reader)，所以工業(yè)界經常將RFID系統分為為閱讀器、天線和標簽三大組件，這三大組件一般都可由不同的生廠商生產。,System Interface,Reader,Asymmetric Channels,Reader,Tag,Eavesdropper,Forward Channel Range (100m),Backward Channel Range (5m),2.3 RFID技術分析：閱讀器,閱讀器是RFID系統最重要也是最復雜的一個組件。因其工作模式一般是主動向標簽詢問標識信息，所以有時又被稱為詢問器（Interrogator）。 閱讀器可以通過標準網口、RS232串口或USB接口同主機相連，通過天線同RFID標簽通信。有時為了方便，閱讀器和天線以及智能終端設備會集成在一起形成可移動的手持式閱讀器。,2.3 RFID技術分析：天線,天線同閱讀器相連，用于在標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號。閱讀器可以連接一個或多個天線。RFID系統的工作頻率從低頻到微波，這使得天線與標簽芯片之間的匹配問題變得很復雜。,2.3 RFID技術分析：標簽,標簽（Tag）是由耦合元件、芯片及微型天線組成，每個標簽內部存有唯一的電子編碼，附著在物體上，用來標識目標對象。標簽進入RFID閱讀器掃描場以后，接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的電子編碼（被動式標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（主動式標簽）。,電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）：一般射頻識別系統主要采用EEPROM方式。這種方式的缺點是寫入過程中的功耗消耗很大，使用壽命一般為100,000次 鐵電隨機存取存儲器（FRAM）: 與EEPROM相比，FRAM的寫入功耗消耗減小100倍，寫入時間甚至縮短1000倍。FRAM屬于非易失類存儲器。然而，FRAM由于生產方面的問題至今未獲得廣泛應用。 靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）: SRAM能快速寫入數據， 適用于微波系統，但SRAM需要輔助電池不間斷供電， 才能保存數據。,標簽：存儲方式,FRAM提供了只使用一個器件就能提供ROM,RAM和EEPROM功能的能力，節(jié)省了功耗, 成本, 空間，同時增加了整個系統的可靠性。最常見的例子就是在一個有外部串行EEPROM嵌入式系統中，FRAM能夠代替EEPROM,同時也為處理器提供了額外的SRAM功能。,F-RAM芯片包含一個鋯鈦酸鉛Pb(Zr,Ti)O3的薄鐵電薄膜，通常被稱為PZT。PZT 中的Zr/Ti原子在電場中改變極性，從而產生一個二進制開關。F-RAM在電源被關閉或中斷時，由于PZT晶體保持極性能保留其數據記憶。這種獨特的性質讓F-RAM成為一個低功耗、非易失性存儲器。,標簽：存儲方式 鐵電隨機存取存儲器（FRAM）,特點： 快速寫入、高耐久性、低功耗,被動式標簽（Passive Tag）：因內部沒有電源設備又被稱為無源標簽。被動式標簽內部的集成電路通過接收由閱讀器發(fā)出的電磁波進行驅動，向閱讀器發(fā)送數據。 主動標簽（Active Tag）:因標簽內部攜帶電源又被稱為有源標簽。電源設備和與其相關的電路決定了主動式標簽要比被動式標簽體積大、價格昂貴。但主動標簽通信距離更遠，可達上百米遠。 半主動標簽（Semi-active Tag）:這種標簽兼有被動標簽和主動標簽的所有優(yōu)點，內部攜帶電池，能夠為標簽內部計算提供電源。這種標簽可以攜帶傳感器，可用于檢測環(huán)境參數，如溫度、濕度、是否移動等。然而和主動式標簽不同是它們的通信并不需要電池提供能量，而是像被動式標簽一樣通過閱讀器發(fā)射的電磁波獲取通信能量。,標簽分類,標簽分類,體積小且形狀多樣：RFID標簽在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需要為了讀取精度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質。 耐環(huán)境性：紙張容易被污染而影響識別。但RFID對水、油等物質卻有極強的抗污性。另外，即使在黑暗的環(huán)境中，RFID標簽也能夠被讀取。 可重復使用：標簽具有讀寫功能，電子數據可被反復覆蓋，因此可以被回收而重復使用。 穿透性強：標簽在被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質包裹的情況下也可以進行穿透性通訊。 數據安全性：標簽內的數據通過循環(huán)冗余校驗的方法來保證標簽發(fā)送的數據準確性。,RFID標簽與條形碼相比的優(yōu)點？,2.3 RFID技術分析：頻率,RFID頻率是RFID系統的一個很重要的參數指標，它決定了工作原理、通信距離、設備成本、天線形狀和應用領域等因素。RFID典型的工作頻率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作頻率的不同，RFID系統集中在低頻、高頻和超高頻三個區(qū)域,低頻（LF）范圍為30kHz-300kHz，RFID典型低頻工作頻率有125kHz和133kHz兩個。低頻標簽一般都為無源標簽，其工作能量通過電感耦合的方式從閱讀器耦合線圈的輻射場中獲得，通信范圍一般小于1米。 高頻（HF）范圍為3 MHz -30 MHz，RFID典型工作頻率為13.56MHz，通信距離一般也小于1米。該頻率的標簽不再需要線圈繞制，可以通過腐蝕或者印刷的方式制作標簽內的天線，采用電感耦合的方式從閱讀器輻射場獲取能量。,RFID頻率,超高頻（UHF）范圍為300MHz-3GHz，3GHz以上為微波范圍。采用超高頻和微波的RFID系統一般統稱為超高頻RFID系統，典型的工作頻率為：433MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，頻率波長大概在30厘米左右。嚴格意義上，2.45GHz和5.8GHz屬于微波范圍。 超高頻標簽可以是有源標簽與無源標簽兩種，通過電磁耦合方式同閱讀器通信。通信距離一般大于1米，典型情況為4-6米，最大可超過10米。,RFID頻率（續(xù)）,2.1 自動識別技術 2.2 RFID的歷史和現狀 2.3 RFID技術分析 2.4 RFID標簽沖突* 2.5 RFID和物聯網 多個標簽同時處于閱讀器識別范圍之內或多個標簽同時向閱讀器發(fā)送標志信號時，將發(fā)生標簽信號沖突。,本章內容,2.4 RFID標簽沖突,標簽信號沖突：當兩個以上的標簽同一時刻向閱讀器發(fā)送標識信號時，信號將產生疊加而導致閱讀器不能正常解析標簽發(fā)送的信號。這個問題通常被稱為標簽信號沖突問題（或碰撞問題），解決沖突問題的方法被稱為防沖突算法（或防碰撞算法，反沖突算法）。 現有的基于時分多址防沖突算法可以分為基于ALOHA機制的算法和基于二進制樹兩種類型，而這兩種類型又包括若干種變體。,純ALOHA防沖突算法 算法簡單，易于實現，但信道利用率僅為18.4%，性能非常不理想。,基于ALOHA的防沖突算法,3,分時隙的ALOHA防沖突算法（S-ALOHA）,基于ALOHA的防沖突算法,S-ALOHA算法將純ALOHA算法的時間分為若干時隙，每個時隙大于或等于標簽標識符發(fā)送的時間長度，并且每個標簽只能在時隙開始時刻發(fā)送標識符。由于系統進行了時間同步，S-ALOHA協議的信道利用率達到36.8%，是純ALOHA的兩倍。,基于幀的分時隙ALOHA防沖突算法（FSA）,Frame Slotted Aloha(FSA) 將N個時隙組成一幀，一幀中包含的時隙數固定，標簽隨機選擇N個時隙中的一個與閱讀器通信，一旦碰撞則等待下一幀，重新選擇時隙重發(fā)信息。 優(yōu)點：簡化了時隙Aloha的隨機退避機制。 缺點：當標簽數遠大于N時，出現“餓死現象”； 當標簽數遠小于N時，較多時隙空閑，產生浪費。,Q算法,基于ALOHA的防沖突算法,動態(tài)自適應設置幀長度的算法可以解決FAS算法固定幀的局限性。目前流行的方法有兩種：一種根據前一幀通信獲取的空的時隙數目，發(fā)生碰撞的時隙數目和成功識別標簽的時隙數目的數量估計當前的標簽數并設置下一幀的最優(yōu)的長度；另一種根據前一時隙的反饋動態(tài)調整幀長為2的整數倍，這種方法最具代表性的是EPCglobal Gen2標準中設計的Q算法。,動態(tài)幀時隙Aloha運用于RFID系統示意圖,當系統待識別標簽數較多時，動態(tài)增加幀長，可以降低時隙碰撞率，提高系統性能； 當系統待識別標簽數較少時，動態(tài)減少幀長，可以降低空閑時隙比率，提高時隙利用率，提高系統性能；,隨機二進制樹,基于二進制樹的防沖突算法,隨機二進制樹算法要求每個標簽維持一個計數器，計數器初始值設定為0。在每一個時隙開始時，如果標簽的計數器為零則立即發(fā)送自己的標識符號，否則該時隙不回復。凡是被成功識別的標簽都處于沉默狀態(tài)，對以后時隙的閱讀器命令均不回復。 如果該時隙有沖突發(fā)生，發(fā)送表示符號的標簽就會從0或1兩個數字中隨機選擇一個，并將其加到自己的計數器上。 整個識別過程就像是對二叉樹中序遍歷。,查詢二進制樹,基于二進制樹的防沖突算法,查詢二進制樹算法是無狀態(tài)協議，不需標簽內部維持任何狀態(tài)，標簽只需根據閱讀器廣播的標識符前綴作比較即可。 閱讀器內部維持一個二進制前綴，初始值為0。每一個時隙開始時，閱讀器廣播該二進制前綴，電子標簽將自己的標識符號前幾位與此二進制前綴進行比較，若相同則立即發(fā)送標識符號。 如果閱讀器探測到沖突發(fā)生，則在下次查詢中在原來的二進制前綴后面增加0或1，重新查詢，如此循環(huán)直到識別完所有的標簽。,EPCglobal 的RFID標準體系,EPC global是由美國統一代碼協會（UCC）和國際物品編碼協會（EAN）于2003年9月共同成立的非營利性組織。 EPCglobal以推廣RFID電子標簽的網絡化應用為宗旨，繼承了Auto-ID中心的行業(yè)內企業(yè)的技術標準制訂工作，統一研究標準并推動商業(yè)應用，此外還負責EPCglobal號碼注冊管理。,定義：EPC（Electronic Product Code）即電子產品編碼，是一種編碼系統。它建立在EAN.UCC（即全球統一標識系統）條形編碼的基礎之上，并對該條形編碼系統做了一些擴充，用以實現對單品進行標識。,物件的身份證號碼,注意： 一連串結構化編號用以識別貨物、位置、服務、資產等有形無形的物體 EPC標簽除儲存識別碼之外，級別較高之標簽可儲存使用者所定義的資料 EPC編碼具全球唯一、包容及延展性，除編立新號碼外，亦可涵蓋既存的編碼方案,General Identifier (GID-96位元),2.68億個公司,1千6百萬個物件,680 億個單一品項,66,EPC系統的組成,裝載有EPC編碼，它應附著在物品上,用于讀或讀寫EPC標簽，并能連接于本地網絡之中。,連接閱讀器和應用程序的軟件，亦稱為中間件，它是物聯網中的核心技術，可認為是該網絡的神經系統，故稱為Savant。,類似于Internet中的域名解析服務（DNS），它給Savant指明了EPCIS,存儲產品有關信息,67,對象名稱解析服務（ONS） 在EPC系統中，需要將EPC編碼與相應的商品信息相匹配，而相應的商品信息存儲在對應的EPCIS服務器中，ONS服務提供與EPC編碼對應的EPCIS服務器的地址，它的作用類似于因特網的域名解析服務。,域名系統（Domain Name System，DNS）負責有意義的網名字母與IP地址數字間的轉換。 例如，當我們登錄百度網進行信息搜索時，往往最容易記住的是，而不是百度的IP地址211.94.144.100。在計算機瀏覽器軟件中的URL中輸入“”并回車后，計算機會向DNS發(fā)送請求以得到IP地址信息，DNS接到請求后，在自己的數據庫中查找所對應的IP地址并將其返回，然后計算機再去訪問IP地址為211.94.144.100的服務器，并得到所要瀏覽的網頁信息。,DNS,對象名稱解析服務,閱讀器將讀到的EPC編碼通過本地局域網上傳至本地服務器，由本地服務器所帶Savant軟件對這些信息進行集中處理，然后由本地服務器通過查找本地ONS服務或通過路由器到達遠程ONS服務器查找所需EPC編碼對應的EPCI