物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

及其應用

南京郵電大學

教授、博士生導師張順頤

2021，3，27

9/11/20231物聯(lián)網(wǎng)及其開展幾十年來互聯(lián)網(wǎng)獲得了極大的開展，已經(jīng)成為人類社會和人類生活不可或缺的信息網(wǎng)絡系統(tǒng)；互聯(lián)網(wǎng)下一個開展方向，除了擴大覆蓋、提高速度、加大容量、增加網(wǎng)民〔包括地址〕無線接入等，向物聯(lián)網(wǎng)開展也是一個重要的動向；我們可以通過互聯(lián)網(wǎng)了解世界〔各地發(fā)生的事情〕在物聯(lián)網(wǎng)普及以后，我們就可以感知世界上發(fā)生的事情；物聯(lián)網(wǎng)大體上就是技術(shù)界以往所說的傳感網(wǎng)；其根本架構(gòu)應該是互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡為主體，加上可以感知客觀事物的有線、無線接入的傳感器網(wǎng)絡；9/11/20232什么是傳感網(wǎng)〔物聯(lián)網(wǎng)〕？物聯(lián)網(wǎng)，根本上就是我們以前稱為傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡。IBM在前年提出，美國總統(tǒng)奧巴馬上臺以后，為了解決經(jīng)濟危機，接過這一事物，提出“智慧地球〞的概念；溫家寶總理2021，8視察江蘇無錫時，提出把“智慧中國〞的中心建在無錫。江蘇省委和省政府非常重視。正在全力貫徹落實。近日，傾向于把物聯(lián)網(wǎng)稱為傳感網(wǎng)。傳感器網(wǎng)、傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、因特網(wǎng)：關(guān)聯(lián)和區(qū)別；9/11/20233什么是傳感網(wǎng)〔物聯(lián)網(wǎng)〕？傳感器網(wǎng)：把各種傳感器連接起來的網(wǎng)絡，這種連接可以是無線，也可以是有線；目前學界對于傳感器網(wǎng)、傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)尚無一個明確的定義；可以認為，傳感網(wǎng)強調(diào)以感知為目的，物聯(lián)網(wǎng)傾向于傳感器的連接為特征；但是兩者都是以互聯(lián)網(wǎng)為根底的。但是對于互聯(lián)網(wǎng)、因特網(wǎng)那么有科學的定義；INTERNET；因特網(wǎng)Internet；互聯(lián)網(wǎng)9/11/20234什么是物聯(lián)網(wǎng)？傳感網(wǎng)是以感知為目的，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡。傳感網(wǎng)突出的特征是通過傳感器等方式獲得物理世界的多種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡進行信息的傳送與交互，采用智能計算技術(shù)對信息進行分析與處理，從而提升對物質(zhì)世界的感知能力，實現(xiàn)智能化的決策和控制。物聯(lián)網(wǎng)應該有更標準的內(nèi)涵，例如物聯(lián)網(wǎng)也包括網(wǎng)絡控制為目的，而傳感網(wǎng)更強調(diào)以感知為目的；9/11/20235什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)將各種信息傳感設備、控制設備，例如射頻識別裝置〔RFID〕、紅外感應裝置、全球定位系統(tǒng)〔GPS〕、激光掃描器等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來形成一個不僅僅是人在使用，也可以把各種其它信息〔不僅僅是文字、語言、數(shù)字、圖像〕通過互聯(lián)網(wǎng)進行傳遞、處理、存儲、檢測等。以提高人類社會的信息化、自動化水平。物聯(lián)網(wǎng)的用途廣泛，普及智能交通、環(huán)境保護、政府政務、公共平安、平安家居、智能消防、工業(yè)檢測、病老護理、個人健康等多個領(lǐng)域。業(yè)界普遍認為物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。9/11/20236什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)的要素，首先是要把物體連接到網(wǎng)上；其次是要把這個物體的信息傳到互聯(lián)網(wǎng)上；物聯(lián)網(wǎng)的工作，就是獲取信息、傳送信息、處理信息、存儲信息、顯示信息；美國的研究機構(gòu)Forrester預測，物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)價值和規(guī)模，要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍，將會形成下一個萬億元級別的產(chǎn)業(yè)；9/11/20237傳感網(wǎng)與無線通信傳感網(wǎng)中使用的幾種通信技術(shù)：1、移動通信：2G、3G、B3G、LTE；2、無線局域網(wǎng)：WiFi：無線局域網(wǎng)，802.11，校園網(wǎng)；WiMAX：無線城域網(wǎng)，802.16，已成為3G標準3、超寬帶UWB：特征是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。工作頻率，低功耗，如射頻標簽RFID〔RadioFrequencyIdentification也稱電子標簽、無線電頻率識別〕。9/11/20238傳感網(wǎng)與無線通信4、ZigBee：低功耗、近距離的無線組網(wǎng)通信技術(shù)；〔s〕;5、NFC〔近場通信〕，雙向RFID，可實現(xiàn)設備之間的近距離通信〔20cm，比蘭牙短，但是不需要加密〕；6、蘭牙〔Bluetooth〕、紅外〔IiRD〕；9/11/20239傳感器的種類信息〔例如RFID中的各種讀卡器〕溫度、溫限壓力測力、壓力、重力；液位、水位測量、流體、流量電機保護光敏荷重、稱重傳感器閘門開度〔高度〕9/11/202310傳感器的種類氣體、氣味、口臭、室內(nèi)空氣、風速濕度灰塵紅外漏電、電導PH值9/11/202311傳感器的種類酒精AQS環(huán)境控制鹵素濃度生物傳感器熱學量位置、安防光纖光柵指紋、觸摸9/11/202312傳感器的種類磁阻傾角視覺、圖像壓電、靜電、電流、電壓加速度霍爾位置微波9/11/202313物聯(lián)網(wǎng)的工作模式物聯(lián)網(wǎng)的工作模式較多，但是目前主要分為射頻識別〔射頻標簽〕RFID和ZigBee，因為國際標準化組織目前主要在這兩種應用中制定了一系列的標準；射頻識別〔射頻標簽〕RFID主要是應用讀卡器和應答器之間的信息傳輸完成工作；ZigBee那么主要是工作于網(wǎng)絡系統(tǒng)；9/11/202314RFID射頻識別是無線電頻率識別的簡稱，即通過無線電波進行識別。RFID系統(tǒng)中，識別信息存放在電子數(shù)據(jù)載體中，電子數(shù)據(jù)載體稱為應答器。應答器中存放的識別信息由閱讀器讀出。閱讀器不僅可以讀出存放的信息，而且可以對其進行寫入，讀寫過程是通過雙方之間的無線通信來實現(xiàn)的。9/11/202315RFID應答器〔射頻卡或標簽〕射頻卡

9/11/202316RFID應答器〔射頻卡或標簽〕標簽9/11/202317RFID閱讀器〔讀寫器或基站〕9/11/202318RFIDRFID的根本原理框圖射頻卡或電子標簽讀寫器或基站9/11/202319RFID的工作頻率RFID的工作頻率可劃分為：1、LF：低頻30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高頻3－30MHz，工作頻率為13.56MHz;3、UHF：特高頻300MHz－3GHz，工作頻率：433MHz，866－960MHz，2.45GHz；4、SHF：超高頻3－30GHz，工作頻率：5.8GHz、24GHz；0f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G工作頻率分布圖

LF1MHFUHF1G1K9/11/202320電感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式電感耦合

閱讀器應答器電感耦合方式的電路結(jié)構(gòu)信息9/11/202321電感耦合方式RFID的工作原理1、閱讀器為有源工作，應答器無源工作；2、L1、C1；L2、C2均工作在射頻源VS的諧振頻率；3、閱讀器L2的磁場變化產(chǎn)生電壓整流后供閱讀器使用；4、閱讀器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸采用內(nèi)部的二進制數(shù)據(jù)編碼信號控制開關(guān)S，使得負載電阻R2被接通或者斷開，通過耦合使L1產(chǎn)生變化的電壓，經(jīng)調(diào)制、解碼即可；5、閱讀器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸，是通過數(shù)字調(diào)制的方式實現(xiàn)的，多采用ASK〔幅頻監(jiān)控〕的方式；9/11/202322電感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式負載調(diào)制

負載調(diào)制的原理示意圖9/11/202323反向散射耦合RFID工作方式目標的反向散射耦合RIFD工作方式反向散射耦合電源電路用于吸收耦合的功率；9/11/202324反向散射方式RFID的工作原理聲外表波〔SurfaceAcousticWave，SAW〕器件是以壓電效應和與外表彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)。9/11/202325反向散射方式RFID的工作原理聲外表波應答器以壓電效應和防止彈性相關(guān)的低速傳播的聲波為依據(jù)，加以體積小、重量輕、工作頻率高、相對帶寬較高，并且可采用與集成電路芯片工藝相同的平面加工工藝，制造簡單，工藝的一致性好，靈活性高；9/11/202326反向散射方式RFID的工作原理換能器的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為聲波。它利用壓電襯底在電場作用下的膨脹和收縮效應。指狀電極上的電位差形成電場。射頻信號一起雅典襯底的振動，從而沿其外表產(chǎn)生聲波，經(jīng)反射返回換能器在轉(zhuǎn)換成射頻脈沖的序列的電信號，經(jīng)偶極子天線回傳至閱讀器；9/11/202327RFID諧波檢測法的工作原理：基于反向散射耦合方式，它可用于電子防盜系統(tǒng)諧波法原理

9/11/202328RFID射頻識別的應用系統(tǒng)構(gòu)架1、最簡單的應用系統(tǒng)只有單個閱讀器，它一次對一個應答器進行操作，如公交汽車上的票務操作。2、較復雜的應用需要一個閱讀器可同時對多個應答器進行操作，即要具有防碰撞〔亦稱防沖突〕的能力。3、更復雜的應用系統(tǒng)要解決閱讀器的高層處理問題，包括多閱讀器的網(wǎng)絡連接。9/11/202329RFID應答器的主要性能參數(shù)工作頻率讀/寫能力編碼調(diào)制方式數(shù)據(jù)傳輸速率信息數(shù)據(jù)存儲容量工作距離多應答器識讀能力〔亦稱防碰撞或防沖突能力〕平安性能〔密鑰、認證〕等。9/11/202330RFID無源、半無源與有源應答器無源應答器：不附有電池，從閱讀器發(fā)出射頻能量中提取工作所需的電能。采用電感耦合方式的應答器多為無源應答器。半無源應答器：內(nèi)裝有電池，起輔助作用，對維持數(shù)據(jù)的電路供電或?qū)鹌餍酒ぷ魉璧碾妷鹤鬏o助支持，用于傳輸通信的射頻能量源自閱讀器。有源應答器：工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時內(nèi)部電池能量也局部地轉(zhuǎn)換為應答器與閱讀器通信所需的射頻能量。9/11/202331RFID應答器電路的根本結(jié)構(gòu)9/11/202332RFID閱讀器的功能1、以射頻方式向應答器傳輸能量；2、從應答器中讀出數(shù)據(jù)或向應答器寫入數(shù)據(jù)；3、完成對讀取數(shù)據(jù)的信息處理并實現(xiàn)應用操作；4、假設有需要，應能和高層處理交互信息。9/11/202333RFID閱讀器的電路組成

9/11/202334RFID天線天線的目標是取得最大的能量傳輸效果。RFID系統(tǒng)所用的天線類型主要有偶極子天線、微帶貼片天線、線圈天線等。在應答器中，天線和應答器芯片封裝在一起。9/11/202335RFID相關(guān)的自動識別技術(shù)自動識別技術(shù)：包括條形碼、接觸式IC卡、生物特征識別、光學字符識別〔OCR〕以及射頻識別〔RFID〕等。條形碼〔BarCode〕技術(shù)：最早產(chǎn)生在20世紀20年代，由一組規(guī)那么排列的條和空、相應的數(shù)字組成。其它......9/11/202336RFIDRFID的應用RFID應用領(lǐng)域廣泛，且每種應用的實現(xiàn)，都會形成一個龐大的市場，因此可以說射頻識別是一個重要的新的經(jīng)濟增長點。目前，RFID在票務系統(tǒng)〔城市公交車、高速公路收費、門票等〕、收費卡、城市交通管理、安檢門禁、物流、家政、食品平安追溯、藥品、礦井生產(chǎn)平安、防盜、防偽、證件、集裝箱識別、動物追蹤、運動計時、生產(chǎn)自動化、商業(yè)供給鏈等眾多領(lǐng)域獲得廣泛重視和應用。9/11/202337RFIDRFID的應用第二代身份證9/11/202338RFIDRFID技術(shù)被認為是近30年來10大最具生命力的技術(shù)之一，它正朝著無所不在的方向快速開展。9/11/202339“有了無線識別〔RFID〕技術(shù)，還需要管家嗎？〞——胡錦濤2006-04-18美國西雅圖微軟“未來之家〞9/11/202340RFID的ISOIEC標準標準的作用確保協(xié)同工作的進行，規(guī)模經(jīng)濟的實現(xiàn)，工作實施的平安性以及其他許多方面RFID標準化的主要目的在于通過制定、發(fā)布和實施標準，解決編碼、通信、空中接口和數(shù)據(jù)共享等問題，最大程度的促進RFID技術(shù)及相關(guān)系統(tǒng)的應用標準采用過早，有可能會制約技術(shù)的開展和進步；采用過晚，可能會限制技術(shù)的應用范圍。9/11/202341RFID標準涉及的內(nèi)容RFID標準涉及的主要內(nèi)容包括技術(shù)〔接口和通信技術(shù)，如空中接口、防碰撞方法、中間件技術(shù)、通信協(xié)議〕一致性〔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼格式及內(nèi)存分配〕電池輔助及與傳感器的融合應用〔如不停車收費系統(tǒng)、身份識別、動物識別、物流、追蹤、門禁等，應用往往涉及有關(guān)行業(yè)的標準〕9/11/202342RFID標準的分類國際標準：由ISO〔國際標準化組織〕IEC〔國際電工委員會〕負責制定；國家標準：由工業(yè)與信息化部與國家標準化管理委員會負責制定；行業(yè)標準：有國際、國家的行業(yè)組織制定，例如國際物品編碼協(xié)會〔EAN〕與美國統(tǒng)一代碼委員會〔UCC〕制定的用于物體識別的EPC標準；此外，還有涉及道德、倫理、健康、數(shù)據(jù)平安、隱私等的標準；9/11/202343RFID的ISOIEC標準ISO/IEC〔國際標準化組織和國際電工委員會〕制定的RFID標準概況技術(shù)標準：ISO/IEC10536、ISO/IEC14443、ISO/IEC18000系列標準等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標準：ISO/IEC15424、ISO/IEC15418、ISO/IEC15434等性能標準：ISO/IEC18046、ISO/IEC18047、ISO/IEC10373-6等應用標準：ISO/IEC10374、ISO/IEC18185、ISO/IEC11784等9/11/202344ISO/IEC制定的RFID技術(shù)標準ISO/IEC10536：密耦合CICC非接觸式IC卡標準〔緊靠〕ISO/IEC14443：近耦合PICC非接觸式IC卡標準<10cmISO/IEC15693：疏耦合VICC非接觸式IC卡標準約50cmISO/IEC18000系列標準〔基于物品管理RFID的空中接口參數(shù)〕ISO/IEC18000－1：空中接口一般參數(shù)ISO/IEC18000－2：低于135KHz頻率一般空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－3：13.56MHz頻率下的空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－4：2.45GHz頻率下的空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－6：860－930MHz的空中接口參數(shù)ISO/IEC18000－7：433MHz頻率下的空中接口參數(shù)9/11/202345ISO/IEC制定的RFID數(shù)據(jù)內(nèi)容標準ISO/IEC15424：數(shù)據(jù)載體/特征標識符ISO/IEC15424：EAN、UCC應用標識符及ASCMH10〔ANSI標準〕數(shù)據(jù)表示符ISO/IEC15424：大容量ADC媒體用的傳送語法ISO/IEC15424：物品管理的唯一標識號ISO/IEC15424：數(shù)據(jù)協(xié)議：應用接口ISO/IEC15424：數(shù)據(jù)編碼規(guī)那么與邏輯存儲功能協(xié)議ISO/IEC15424：射頻標簽〔應答器〕的唯一標識9/11/202346ISO/IEC制定的RFID性能標準ISO/IEC18046：RFID設備性能測試方法ISO/IEC18047：有源和無源的RFID設備一致性測試方法ISO/IEC10373－6：按ISO/IEC14443標準對非接觸式IC卡進行參數(shù)的方法9/11/202347ISO/IEC制定的RFID應用標準ISO/IEC10374：貨運集裝箱識別標準ISO/IEC18185：貨運集裝箱密封標準ISO/IEC11784：動物RFID的代碼結(jié)構(gòu)ISO/IEC11785：動物RFID的技術(shù)準那么ISO/IEC14223：動物追蹤的直接識別數(shù)據(jù)獲取標準ISO/IEC17363和17364：一系列物流容器〔如貨盤、貨箱、紙盒等〕識別的標準9/11/202348RFID的ISOIEC標準和RFID技術(shù)相關(guān)的標準無線通信管理頻譜分布、功率、電磁兼容等內(nèi)容人類健康的有關(guān)標準和標準國際非電離輻射保護委員會〔ICNIRP〕所提出的標準和標準數(shù)據(jù)平安的有關(guān)標準和標準經(jīng)濟合作與開展組織〔OECD〕隱私問題目前，很多用于物品識別的應答器〔電子標簽〕都能支持KILL命令9/11/202349RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介非接觸式IC卡三種非接觸式IC卡標準標準卡的類型閱讀器作用距離ISO/IEC10536密耦合（CICC）CCD緊靠ISO/IEC14443近耦合（PICC）PCD<10cmISO/IEC15693疏耦合（VICC）VCD約50cm9/11/202350RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介動物識別標準ISO/IEC11784規(guī)定動物識別的代碼結(jié)構(gòu)ISO/IEC11785規(guī)定相關(guān)的技術(shù)準那么ISO/IEC14223為讀取動物應答器內(nèi)的特殊數(shù)字提供了協(xié)議，這些數(shù)字被存儲在集中所有動物數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)庫內(nèi)9/11/202351RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介物品識別標準ISO/IEC18000：空中接口的重要標準，無線頻段〔頻率〕有6個，即低于135kHz，13.56MHz，433MHz，860~960MHz，2.45GHz和5.8GHz。作用距離從數(shù)厘米至十多米不等ISO/IEC18001：給出了應答器的外形要求ISO/IEC10374：微波應答器的集裝箱識別標準，工作頻率范圍為850~950MHz以及2.4~2.5GHz，應答器的靈敏度以最大電場強度150mV/m定義，最大可閱讀距離為13m9/11/202352RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介國際標準ISO/IEC14443近耦合非接觸式IC卡的國際標準用于身份證和各種智能卡、存儲卡ISO/IEC14443標準由四局部組成，即ISO/IEC14443-1/2/3/4ISO/IEC14443-2射頻能量9/11/202353RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介ISO/IEC14443-4傳輸協(xié)議TYPEA型PICC激活過程RATSATSPPS〔協(xié)議和參數(shù)選擇〕請求9/11/2023546RFID的ISOIEC標準ISO/IEC的RFID標準簡介PCD激活TYPEA型PICC9/11/202355RFID的ISOIEC標準ISO/IEC15693疏耦合射頻卡〔VICC〕的國際標準物理特性〔機械特性，物理尺寸，抗紫外線、X射線和電磁射線能力，彎曲和扭曲性能〕空中接口與初始化防碰撞和傳輸協(xié)議命令擴展平安特性9/11/202356RFID的ISOIEC標準ISO/IEC15693空中接口和初始化VCD到VICC的通信9/11/202357RFID的ISOIEC標準ISO/IEC15693空中接口和初始化副載波：單副載波時，副載波的頻率423.75kHz；在使用雙副載波時，頻率484.28kHz數(shù)據(jù)速率位表示和編碼：采用曼徹斯特碼編碼方式

VICC到VCD的通信9/11/202358RFID的ISOIEC標準SOFEOF9/11/202359RFID的ISOIEC標準傳輸協(xié)議唯一標識符〔UID〕：由制造商永久地設定應用族標識符〔AFI〕：由VCD鎖定的應用類型數(shù)據(jù)存儲格式標識符〔DSFID〕：指出了數(shù)據(jù)在VICC內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)CRC：初始值為FFHVICC內(nèi)存結(jié)構(gòu)：可尋址塊達256個，塊大小可至256位，最大內(nèi)存容量可達64kb〔8kB〕。塊平安狀態(tài)：由VICC作為對VCD請求的響應參數(shù)返回9/11/202360RFID的ISOIEC標準VICC狀態(tài)斷電〔Power-Off〕、就緒〔Ready〕、靜默〔Quiet〕、選擇〔Selected〕4種狀態(tài)9/11/202361RFID的ISOIEC標準防碰撞時隙數(shù)為16的典型防碰撞處理過程

9/11/202362RFID的ISOIEC標準防碰撞VCD發(fā)送目錄命令的請求幀，時隙數(shù)設置為16。VICC1在時隙0返回應答，因只有這一個VICC應答，故不存在碰撞，它的UID被VCD接收存儲。VCD發(fā)送EOF，指示下一個時隙開始。在時隙1，VICC2和VICC3進行應答，發(fā)生了碰撞。VCD檢測到碰撞，并記錄該時隙發(fā)生了碰撞。VCD再發(fā)送EOF，進入時隙2。9/11/202363RFID的ISOIEC標準在時隙2，無VICC應答，VCD未檢測到VICC的應答的SOF，因此VCD通過發(fā)送EOF，進入時隙3。在時隙3，VICC4和VICC5應答，產(chǎn)生了碰撞。VCD決定發(fā)送尋址請求〔例如讀塊請求〕給VICC1〔VICC1的UID已被UCD正確接收〕。所有VICC都檢測到對VICC1請求的SOF，它們都處理這個請求，但只有UID匹配的VICC1才返回應答，其他的VICC那么退出防碰撞序列。所有VICC準備接收下一個請求。如果又是一個目錄命令的請求，那么又從時隙0開始按上面步序執(zhí)行。9/11/202364RFID的ISOIEC標準ISO/IEC18000-6標準定義了閱讀器和應答器之間的物理接口、協(xié)議、命令及防碰撞機制。標準包含兩種通信模式：TYPEA和TEPEB。TYPEA模式：數(shù)據(jù)編碼幀格式調(diào)制

9/11/202365RFID的ISOIEC標準應答器向閱讀器的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)編碼幀格式前同步碼、標志、參數(shù)、數(shù)據(jù)、CRC9/11/202366RFID的ISOIEC標準強制命令及狀態(tài)轉(zhuǎn)換INITROUND命令NEXTSLOT命令：確認已被識別的應答器；指示所有處于循環(huán)激活狀態(tài)的應答器對它們的時隙計數(shù)器加1并進入下一個時隙NEWROUND命令：指示在循環(huán)準備和循環(huán)激活狀態(tài)的應答器進入循環(huán)激活狀態(tài)，復位它們的時隙計數(shù)器為1，進入新的循環(huán)；指示在選擇狀態(tài)的應答器變遷到靜默狀態(tài)，在靜默和就緒狀態(tài)的應答器仍維持它的狀態(tài)9/11/202367RFID的ISOIEC標準CLOSESLOT命令：STANDBYROUND命令：確認來自一個應答器的有效應答，并指示該應答器進入選擇狀態(tài)，閱讀器可以發(fā)送選擇標志為1的讀寫命令等對此應答器進行操作；指示所有處于循環(huán)激活狀態(tài)的應答器進入循環(huán)準備狀態(tài)，等待NEXTSLOT，NEWSLOT或CLOSESLOT命令的到來，重新進入循環(huán)激活狀態(tài)進入新的循環(huán)9/11/202368RFID的ISOIEC標準強制命令及狀態(tài)轉(zhuǎn)換SELECT〔bySUID〕命令：無論應答器原先處于場內(nèi)哪個狀態(tài)〔不含離場狀態(tài)〕，接收到該命令且SUID匹配時進入選擇狀態(tài)，并發(fā)回應答幀；SUID不匹配的應答器不發(fā)回應答幀，當它處于循環(huán)激活狀態(tài)時變遷到循環(huán)準備狀態(tài)，處于選擇狀態(tài)時變遷到靜默狀態(tài)，處于就緒、靜默或循環(huán)準備狀態(tài)時保持狀態(tài)不變READBLOCKS命令：GETSYSTEMINFORMATION命令：獲取應答器的有關(guān)系統(tǒng)信息9/11/202369RFID的ISOIEC標準TYPEA的防碰撞過程1、啟動防碰撞過程：閱讀器發(fā)出INITROUND命令啟動防碰撞過程，在命令中給出循環(huán)空間大小2、參與防碰撞過程的應答器對命令的處理9/11/202370RFID的ISOIEC標準3、閱讀器發(fā)出INITROUND命令后出現(xiàn)的三種可能情況閱讀器在一個時隙中沒有檢測到應答幀時，它發(fā)出CLOSESLOT命令。閱讀器檢測到碰撞或錯誤的CRC時，在確認無應答器仍在傳輸應答的情況下，發(fā)出CLOSESLOT命令。閱讀器接收到一個應答器無過失的應答幀時，它發(fā)送NEXTSLOT命令，命令中包括該應答器的簽名，對此已被識別的應答器進行確認，使它進入靜默狀態(tài)以便循環(huán)的繼續(xù)9/11/202371RFID的ISOIEC標準4、接收到CLOSESLOT命令或NEXTSLOT而簽名不匹配的參與循環(huán)的應答器將自己的時隙計數(shù)器加1并和所選擇的隨機數(shù)比較以決定該時隙是否發(fā)回應答幀，并根據(jù)本次循環(huán)時的時隙延遲標志決定發(fā)回應答幀的時延9/11/202372RFID的ISOIEC標準TYPEA的防碰撞過程5、閱讀器按第〔3〕步中的三種情況處理，直至該循環(huán)結(jié)束〔到達了循環(huán)空間預置值〕6、一個循環(huán)結(jié)束后，如果在INITROUND命令或CLOSESLOT命令中重復循環(huán)標志位置為1，那么自動開始一個新的循環(huán)。如果重復循環(huán)標志位為0，閱讀器可以決定用新的INITROUND命令或NEWROUND命令繼續(xù)進行循環(huán)以完成防碰撞過程7、在一次循環(huán)中，閱讀器可以通過發(fā)送STANDBYROUND命令來確認簽名匹配的應答器的有效應答，并指示該應答器進入選擇狀態(tài)，同時讓簽名不匹配的應答器進入循環(huán)準備狀態(tài)，以便在后續(xù)命令來到時將循環(huán)繼續(xù)。9/11/202373RFID的ISOIEC標準TYPEB〔與TYPEA相類比〕物理接口命令和應答的幀格式數(shù)據(jù)元素應答器的存儲器應答器的狀態(tài)命令強制和推薦的命令防碰撞算法9/11/202374RFID

的ISO

IEC標準TYPEBTYPEB防碰撞流程9/11/202375RFID的ISOIEC標準ISO/IEC18000-7標準物理層使用窄帶UHF頻段。載波頻率為433.92MHz±20ppm采用FSK調(diào)制方式，頻率偏移為±35kHz，邏輯0的頻率為fc〔載波頻率〕－35kHz，邏輯1的頻率為fc＋35kHz。數(shù)據(jù)位采用曼徹斯特編碼，數(shù)據(jù)速率為27.7kbps閱讀器和應答器之間的通信采用主從方式數(shù)據(jù)鏈路層9/11/202376RFID的ISOIEC標準數(shù)據(jù)鏈路層前同步碼：包含20個周期為60μs的脈沖，高電平30μs，低電平30μs數(shù)據(jù)字節(jié)：包括8個數(shù)據(jù)位和一個停止位，采用曼徹斯特編碼，位持續(xù)時間為36μs，字節(jié)周期〔含停止位〕為324μs。CRC碼：多項式為x16+x12+x5+1包結(jié)束符9/11/202377RFID的ISOIEC標準命令格式閱讀器命令格式

域命令前綴命令類型擁有者ID應答器ID閱讀器ID命令編碼參數(shù)CRC位長字節(jié)（31H）1字節(jié)3字節(jié)4字節(jié)2字節(jié)1字節(jié)N字節(jié)2字節(jié)9/11/202378RFID的ISOIEC標準應答格式對播送命令應答的信息格式對點到點命令應答的信息格式域應答器狀態(tài)信息長度IntID應答器ID擁有者ID用戶ID數(shù)據(jù)CRC位長2字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)4字節(jié)3字節(jié)0~16字節(jié)0~N字節(jié)2字節(jié)域應答器狀態(tài)信息長度IntID應答器ID命令編碼參數(shù)CRC位長2字節(jié)1字節(jié)2字節(jié)4字節(jié)1字節(jié)N字節(jié)2字節(jié)9/11/202379什么是ZigBee？傳感網(wǎng)絡通信的幾個階段和模式：自動控制：電腦＋智能器件；傳感網(wǎng)：網(wǎng)絡＋傳感器；ZigBee：網(wǎng)絡＋傳感器＋通信協(xié)議，是一種無線個域網(wǎng)〔LR-WPAN〕；由于無線通信組網(wǎng)技術(shù)使用的設備種類繁多，各種設備的技術(shù)參數(shù)并不相同，所以無線通信組網(wǎng)會經(jīng)常遇到麻煩。但是由于ZigBee制定了相應的協(xié)議，所以化解了這一困難。9/11/202380什么是ZigBee？多信道的無線通信裝置＋微控制器，集成在芯片上封裝。具體就是8位微處理器與射頻收發(fā)模塊封裝，接上電阻、電容、晶振，加上A/D、D/A、I/O接口和控制電路。也有把這些器件都封裝在一起的。再加上相應的無線通信〔協(xié)議棧〕和開發(fā)的應用軟件?？梢姡@實際上是一種智能控制節(jié)點，也就是無線傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點。也有人將其稱為“無線單片機〞。ZigBee技術(shù)誕生剛剛4、5年，ZigBee聯(lián)盟是2002年成立的其標準ZigBee1.0是2004年公布的。目前這一技術(shù)開展很快。9/11/202381什么是ZigBee？技術(shù)特點：工作頻率：2.4GHz為主要頻段〔16格250kbps信道〕，也可以在915MHz〔10個40kbps信道〕，868MHz〔1個20kbps信道〕；更重要的是，這幾個頻段都是不需要注冊、批準的，稱為免許可通信頻段；低速率：幾十Kbps；近距離：幾米－幾十米，最大可以到達1－3Km，如果需要加大通信和控制距離，可以采用多跳的方式接力；微功耗：速率低、數(shù)據(jù)量小，所以信號的收發(fā)時間很短，多數(shù)時間處于休眠狀態(tài)，所以極其節(jié)能。一般一個節(jié)點使用一節(jié)電池可以工作0.5－2年甚至更長；低復雜度：ZigBee的協(xié)議棧比WiFi、蘭牙簡單，對于通信的控制要求也不高，通常采用8位單片機即可。低價格：一般在幾十元甚至更低；9/11/202382什么是ZigBee？短延時：ZigBee從休眠狀態(tài)激活，或者活動設備的信道接入時延一般在15，設備搜索的時延在30ms。所有也適合于工業(yè)控制和無線控制技術(shù)；組網(wǎng)靈活：通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器組成星狀、樹狀、網(wǎng)狀等各種類型的網(wǎng)絡，非常靈活，同時允許設備的參加、退出，并且改變網(wǎng)絡的架構(gòu)；采用載波偵聽/沖突檢測CSMA/CA、握手傳輸，所以數(shù)據(jù)的傳輸可靠；9/11/202383什么是ZigBee？大容量：ZigBee可以有三種工作方式，即個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、路由器、終端設備。一個ZigBee網(wǎng)絡最多可以包含256個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，包括一個主控設備，其余是附屬設備。通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，那么可以支持64000個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器還可以相互連接，所以適合大面積的傳感器網(wǎng)絡；適于網(wǎng)絡的自配置：ZigBee可以采用網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器自動建立網(wǎng)絡，絕對數(shù)北可以隨時參加和退出，適于自配置、自組織的網(wǎng)絡9/11/202384什么是ZigBee？平安模式：提供循環(huán)冗余〔CRC〕的數(shù)據(jù)包完整性校驗，支持鑒權(quán)和認證，通過三級平安處理：第一級：無平安方式；第二級：設備可以使用接入控制列表〔ACL〕防止非法設備獲取數(shù)據(jù)，本級不加密；第三級：在數(shù)據(jù)傳輸中采用AES－128的對稱密碼來保護數(shù)據(jù)凈荷，防止攻擊者假冒合法設備；9/11/202385什么是ZigBee？由于物聯(lián)網(wǎng)的開展，可能使ZigBee得到極廣泛的應用，如家庭、辦公室、公共場所等地方。ZigBee是得到國際標準化組織成認和標準的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)或者傳感網(wǎng)的重要應用。9/11/202386ZigBee的應用智能家居：可以把各種家用電器及其遙控器，甚至照明、通信設備、門禁、游戲玩具，都可以組成家庭的智能中心，并且實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)；智能交通：在街道、高速公路、建筑物等地布置大量的ZigBee節(jié)點設備，可以加強汽車與外界的聯(lián)系更加緊密，國家智能化；智能建筑：建筑內(nèi)的人員管理、溫度控制、能源管理〔節(jié)能〕、防火、信息交互等；醫(yī)院應用：搜集病人的各種信息和檢查的結(jié)果，配有ZigBee的擔架，可以直接控制電梯的門；9/11/202387ZigBee的協(xié)議架構(gòu)－802.15協(xié)議簇LR-WPAN：無線個域網(wǎng)，屬于低速無線個域網(wǎng)，協(xié)議屬802.15：：中速無線個域網(wǎng)，蘭牙；：高速無線個域網(wǎng)，超寬帶，〔UWB〕：低速無線個域網(wǎng)，LR-WPAN，主要為電源能力受限、吞吐量要求不高、無線應用提供低本錢的連接；9/11/202388ZigBee的協(xié)議架構(gòu)－802.15協(xié)議簇共27個信道：2450MHz16g個,915MHz10個，868MHz1個；支持250kbps、40kbps、20kbps三種速率；支出星狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和點對點的對等網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；分配16位短地址或16位擴展地址；支持時隙保證機制，通過預留保證時隙〔GTS〕提供無競爭媒體訪問，或?qū)崿F(xiàn)CSMA/CA以防止競爭；確認握手保證傳輸?shù)目煽啃?；低功耗，可以能量檢測；有鏈路質(zhì)量指標；9/11/202389ZigBee的網(wǎng)絡拓撲○○○●●●●●●PAN協(xié)調(diào)器○●○PAN協(xié)調(diào)器LR-WPAN的網(wǎng)絡拓撲簡化功能設備RFD全功能設備FFD●星狀拓撲點對點對等網(wǎng)絡拓撲9/11/202390ZigBee的簇樹網(wǎng)絡－多個鄰近簇連接成網(wǎng)●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●○○○○○○PAN協(xié)調(diào)器CID1CID2CID3CID4CID5簇首設備ZigBee的簇樹網(wǎng)絡9/11/202391ZigBee協(xié)議架構(gòu)ZigBee協(xié)議包括：：物理層協(xié)議；媒體訪問控制層：MAC；ZigBee聯(lián)盟：網(wǎng)絡層〔NWK〕應用