物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)董健-第六章

第六章RFID本章內(nèi)容RFID根底RFID的根本原理RFID的關(guān)鍵技術(shù)RFID技術(shù)的應(yīng)用射頻概念射頻是一種高頻交流變化電磁波，通常所指的頻率范圍為100?kHz～30?GHz。我們把具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻；將電信號〔模擬或數(shù)字的〕用高頻電流進(jìn)行調(diào)制〔調(diào)幅或調(diào)頻〕，形成射頻信號，經(jīng)過天線發(fā)射到空中；遠(yuǎn)距離將射頻信號接收后進(jìn)行解調(diào)，復(fù)原成電信息源，這一過程稱為無線傳輸。頻譜劃分ISM頻段主要是開放給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用3個主要機(jī)構(gòu)使用的頻段。由于它們的功率有時很大，為了防止它們對其他通信的干擾，劃出一定的頻率給它們使用。ISM頻段屬于無許可〔FreeLicense〕頻段，使用者無須許可證，沒有所謂使用授權(quán)的限制。ISM頻段的主要頻率范圍有：頻率6.78?MHz，頻率13.56?MHz，頻率27.125?MHz，頻率40.680?MHz，頻率433.920?MHz，頻率869.0?MHz，頻率915.0?MHz，頻率2.45?GHz，頻率5.8?GHz，頻率24.125?GHz等。自動識別技術(shù)自動識別技術(shù)是應(yīng)用一定的識別裝置，通過被識別物品和識別裝置之間的接近活動，自動地獲取被識別物品的相關(guān)信息，并提供給后臺的計算機(jī)處理系統(tǒng)來完成相關(guān)后續(xù)處理的一種技術(shù)。完整的自動識別計算機(jī)管理系統(tǒng)包括自動識別系統(tǒng)，應(yīng)用程序接口或者中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件。自動識別技術(shù)的種類與特征比較自動識別系統(tǒng)根據(jù)識別對象的特征可以分為兩大類：數(shù)據(jù)采集技術(shù)和特征提取技術(shù)。這兩大類自動識別技術(shù)的根本功能都是完成物品的自動識別和數(shù)據(jù)的自動采集。自動識別技術(shù)的種類與特征比較數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括利用光學(xué)原理的存儲器：條碼〔一維、二維〕、矩陣碼、光標(biāo)讀寫器、光學(xué)字符識別；磁存儲器：磁條、非接觸磁卡、磁光存儲、微波；電存儲器：觸摸式存儲、RFID射頻識別、存儲卡〔智能卡、非接觸式智能卡〕、視覺識別、能量擾動識別。特征提取技術(shù)包括動態(tài)特征：聲音〔語音〕、鍵盤敲擊、其他感覺特征；屬性特征：化學(xué)感覺特征、物理感覺特征、生物抗體病毒特征、聯(lián)合感覺系統(tǒng)。常見的自動識別技術(shù)及特征比較條碼技術(shù)：條形碼是由寬度不同、反射率不同的條和空，按照一定的編碼規(guī)那么〔碼制〕編制成的，用以表達(dá)一組數(shù)字或字母符號信息的圖形標(biāo)識符，即條形碼是一組粗細(xì)不同，按照一定的規(guī)那么安排間距的平行線條圖形?？ㄗR別技術(shù)：磁條〔卡〕技術(shù)IC卡識別技術(shù) 射頻識別技術(shù)：它是利用無線射頻技術(shù)對物體對象進(jìn)行非接觸式和即時自動識別的無線通信信息系統(tǒng)。幾種常用的條碼一種常見的磁卡RFID系統(tǒng)幾種IC卡例如本章內(nèi)容RFID根底RFID的根本原理RFID的關(guān)鍵技術(shù)RFID技術(shù)的應(yīng)用RFID的工作原理射頻識別系統(tǒng)的工作原理是利用射頻標(biāo)簽與射頻讀寫器之間的射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現(xiàn)對靜止的、移動的待識別物品的自動識別。電感耦合低頻和高頻RFID的工作波長較長，采用電感耦合識別方式，電子標(biāo)簽處于讀寫器天線的近區(qū)，電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過感應(yīng)而不是通過輻射獲得信號和能量電磁耦合微波波段RFID的工作波長較短，電子標(biāo)簽根本都處于讀寫器天線的遠(yuǎn)區(qū)，電子標(biāo)簽與讀寫器之間通過輻射獲得信號和能量RFID電感耦合方式讀寫器線圈和電子標(biāo)簽線圈的電感耦合讀寫器和電子標(biāo)簽的天線是線圈，讀寫器的線圈在它周圍產(chǎn)生磁場，當(dāng)電子標(biāo)簽通過時，電子標(biāo)簽線圈上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，整流后可為電子標(biāo)簽上的微型芯片供電，使電子標(biāo)簽開始工作。電感耦合方式的RFID系統(tǒng)，一般采用低頻和高頻頻率，典型的頻率為125?kHz、135?kHz、6.78?MHz、13.56?MHz和27.125?MHz。RFID電磁反向散射方式讀寫器天線和電子標(biāo)簽天線的電磁輻射電磁反向散射的RFID系統(tǒng)，采用雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時攜帶回目標(biāo)的信息。該方式一般適合于微波頻段，典型的工作頻率有433?MHz、800/900?MHz、2.45?GHz和5.8?GHz，屬于遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)。RFID的系統(tǒng)組成最根本的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽、讀寫器、天線三局部組成。標(biāo)簽：由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象；每個標(biāo)簽都有一個全球唯一的ID號——UID，UID是在制作芯片時放在ROM中的，無法修改。讀寫器：讀取〔有時還可以寫入〕標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。天線：在標(biāo)簽和讀寫器間傳遞射頻信號。RFID標(biāo)簽(Tags)按是否帶有電池供電，分為主動標(biāo)簽〔Activetags〕和被動標(biāo)簽〔Passivetags〕兩種主動標(biāo)簽：自身帶有電池供電，與被動標(biāo)簽相比本錢更高，也稱為有源標(biāo)簽，一般具有較遠(yuǎn)的閱讀距離，缺乏之處是電池不能長久使用，能量耗盡后需更換電池。被動標(biāo)簽：接收到讀寫器〔讀出裝置〕發(fā)出的微波信號后，將局部微波能量轉(zhuǎn)化為直流電供自己工作，一般可做到免維護(hù)，本錢很低并具有很長的使用壽命，比主動標(biāo)簽更小也更輕，讀寫距離那么較近，也稱為無源標(biāo)簽。相比有源標(biāo)簽，無源標(biāo)簽在閱讀距離及適應(yīng)物體運動速度方面略有限制。RFID標(biāo)簽(Tags)按存儲的信息是否被改寫，分為只讀式標(biāo)簽〔ReadOnly〕和可讀寫標(biāo)簽〔ReadandWrite〕只讀式標(biāo)簽：標(biāo)簽內(nèi)信息在集成電路生產(chǎn)時即將信息寫入，以后不能修改，只能被專門設(shè)備讀取。被動標(biāo)簽：標(biāo)簽將保存的信息寫入其內(nèi)部的存儲區(qū)，需要改寫時也可以采用專門的編程或?qū)懭朐O(shè)備擦寫。RFID閱讀器(Reader)被動RFID標(biāo)簽無須電池，由RFID讀寫器產(chǎn)生的磁場獲得工作所需的能量，但是讀取距離較近。過去，RFID主動標(biāo)簽體積大、功耗大、壽命短，而采用最新技術(shù)制造的主動RFID標(biāo)簽不僅讀取距離遠(yuǎn)，而且具有被動標(biāo)簽壽命長、性能可靠的優(yōu)點。一種RFID讀寫器RFID天線及工作頻率在無線通信系統(tǒng)中，需要將來自發(fā)射機(jī)的導(dǎo)波能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線電波，或者將無線電波轉(zhuǎn)換為導(dǎo)波能量，用來輻射和接收無線電波的裝置稱為天線。RFID天線負(fù)責(zé)在標(biāo)簽和讀寫器之間傳遞射頻信號RFID天線RFID天線及工作頻率低頻系統(tǒng)一般指其工作頻率小于30?MHz，典型的工作頻率有125?kHz、225?kHz、13.56?MHz等電子標(biāo)簽的本錢較低、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較少、閱讀距離較短、電子標(biāo)簽外形多樣〔卡狀、環(huán)狀、鈕扣狀、筆狀〕、閱讀天線方向性不強等。高頻系統(tǒng)一般指其工作頻率大于400?MHz，典型的工作頻段有915?MHz、2.45?GHz、5.8?GHz等。電子標(biāo)簽及讀寫器本錢均較高、標(biāo)簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量較大、閱讀距離較遠(yuǎn)〔可達(dá)幾米至十幾米〕，適應(yīng)物體高速運動性能好，外形一般為卡狀，閱讀天線及電子標(biāo)簽天線均有較強的方向性。表6.3RFID系統(tǒng)的工作頻率和特點RFID的技術(shù)特點讀取方便快捷數(shù)據(jù)的讀取無須光源，甚至可以透過外包裝來進(jìn)行。有效識別距離更大，采用自帶電池的主動標(biāo)簽時，有效識別距離可到達(dá)30?m以上。識別速度快標(biāo)簽一進(jìn)入磁場，解讀器就可以即時讀取其中的信息，而且能夠同時處理多個標(biāo)簽，實現(xiàn)批量識別。數(shù)據(jù)容量大數(shù)據(jù)容量最大的二維條形碼〔PDF417〕，最多也只能儲存2?725個數(shù)字；假設(shè)包含字母，存儲量那么會更少；RFID標(biāo)簽?zāi)敲纯梢愿鶕?jù)用戶的需要擴(kuò)充到數(shù)十K。RFID的技術(shù)特點使用壽命長，應(yīng)用范圍廣無線電通信方式，使其可以應(yīng)用于粉塵、油污等高污染環(huán)境和放射性環(huán)境，而且其封閉式包裝使得其壽命大大超過印刷的條形碼。標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改

利用編程器可以向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)，從而賦予RFID標(biāo)簽交互式便攜數(shù)據(jù)文件的功能，而且寫入時間相比打印條形碼更少。RFID的技術(shù)特點更好的平安性不僅可以嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品上，而且可以為標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫設(shè)置密碼保護(hù)，從而具有更高的平安性。動態(tài)實時通信標(biāo)簽以50～100次/秒的頻率與解讀器進(jìn)行通信，所以只要RFID標(biāo)簽所附著的物體出現(xiàn)在解讀器的有效識別范圍內(nèi)，就可以對其位置進(jìn)行動態(tài)追蹤和監(jiān)控。RFID的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)RFID的標(biāo)準(zhǔn)化涉及標(biāo)識編碼標(biāo)準(zhǔn)、操作協(xié)議及應(yīng)用系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)等多個局部。RFID空中接口不同標(biāo)準(zhǔn)的無線頻率范圍和推出時間1．ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)化狀況

ISO定義的RFID標(biāo)準(zhǔn)邏輯框架2．EPCglobal標(biāo)準(zhǔn)體系

EPC定義的RFID標(biāo)準(zhǔn)總體結(jié)構(gòu)3．UbiquitousID體系

UID的核心是賦予現(xiàn)實世界中任何物理對象唯一的泛在識別號〔Ucode〕。它具備了128位〔128bit〕的充裕容量，提供了340×1036編碼空間，更可以用128位為單元進(jìn)一步擴(kuò)展至256、384或512位。Ucode的最大優(yōu)勢是能包容現(xiàn)有編碼體系的元編碼設(shè)計，可以兼容多種編碼，包括JAN、UPC、ISBN、IPv6地址，甚至號碼。Ucode標(biāo)簽具有多種形式，包括條碼、射頻標(biāo)簽、智能卡、有源芯片等。泛在識別中心把標(biāo)簽進(jìn)行分類，并設(shè)立多個不同的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。4．RFID中國標(biāo)準(zhǔn)化情況

在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，依據(jù)ISO/IEC15693系列標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成國家標(biāo)準(zhǔn)的起草工作，參照ISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)制訂國家標(biāo)準(zhǔn)的工作正在進(jìn)行中。此外，中國RFID標(biāo)準(zhǔn)體系框架的研究工作也已根本完成根據(jù)信產(chǎn)部《800/900MHz頻段射頻識別〔RFID〕技術(shù)應(yīng)用規(guī)定〔試行〕》的規(guī)定，中國800/900MHzRFID技術(shù)的試用頻率為840～845MHz和920～925MHz，發(fā)射功率為2W。本章內(nèi)容RFID根底RFID的根本原理RFID的關(guān)鍵技術(shù)RFID技術(shù)的應(yīng)用RFID的天線對不同RFID系統(tǒng)的天線選擇和設(shè)計，直接影響讀寫距離、功率等系統(tǒng)性能指標(biāo)。天線性能受天線結(jié)構(gòu)、所標(biāo)識物體的形狀及物理特性、天線周圍物體和環(huán)境等因素的影響。目前RFID天線的研究重點放在阻抗匹配、降低損耗、減小體積、增加增益和輻射效率等方面，以及天線在不同使用環(huán)境下的有效作用距離、讀寫速率、誤讀率和相關(guān)軟件的研究。未來的RFID天線將朝著本錢低、速率高、印刷集成化、環(huán)境適應(yīng)性強、誤讀率小和保密性好的方面開展。RFID的天線——防金屬技術(shù)假設(shè)電子標(biāo)簽使用于金屬外表，為使標(biāo)簽正常工作，通常采用的方法是將標(biāo)簽安裝在距金屬外表一定高度〔如1?cm以上〕的位置上，而這樣會帶來標(biāo)簽本錢增加和使用受限的問題?？刹扇≡黾与娮訕?biāo)簽基板金屬涂層的面積，在標(biāo)簽基板中引入電磁帶隙〔EBG〕結(jié)構(gòu)等方法，以降低金屬使用環(huán)境的影響RFID的天線——小型化技術(shù)由于電子標(biāo)簽尺寸的限制，射頻天線的小型化成為決定電子標(biāo)簽性能的重要因素。長期以來，標(biāo)簽天線小型化一直是RFID技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點之一。研究者提出了分形天線、V形偶極子、彎折偶極子、環(huán)天線、PIFA天線等天線新技術(shù)。RFID的天線——低本錢技術(shù)構(gòu)造低本錢電子標(biāo)簽的關(guān)鍵在于降低天線的本錢。隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步開展，標(biāo)簽天線的本錢有望大幅降低。有研究者提出了在可降解的紙基材料上電鍍標(biāo)簽天線的方案，分別設(shè)計了分形天線和小環(huán)天線，取得了良好的效果。紙基材料的應(yīng)用不僅可以降低天線制造本錢，而且紙基材料可回收，減少環(huán)境污染。RFID的天線——一體集成化對電子標(biāo)簽而言，采用與芯片相對獨立的天線，其優(yōu)點是天線品質(zhì)因素Q值較高，易于制造，缺點那么是體積較大，使用受限。假設(shè)能將天線集成在標(biāo)簽芯片上，那么會使整個標(biāo)簽體積更小、使用更方便。因此，將標(biāo)簽天線與標(biāo)簽芯片集成在一起，成為標(biāo)簽天線技術(shù)的主要趨勢之一。業(yè)界也將此技術(shù)稱為片上天線技術(shù)。防碰撞技術(shù)鑒于多個RFID標(biāo)簽工作在同一頻率，當(dāng)它們處于同一個閱讀器的作用范圍內(nèi)時，在沒有防碰撞機(jī)制的情況下，信息傳輸過程將產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致信息讀取失敗。同時多個閱讀器之間工作范圍重疊也將造成碰撞。為了防止這些碰撞的產(chǎn)生，RFID系統(tǒng)中需要設(shè)置一定的相關(guān)命令，解決碰撞問題，這些命令被稱為“防碰撞命令或算法〞〔anti-collisionalgorithms〕。RFID系統(tǒng)中防碰撞實現(xiàn)方法頻分多路〔FDMA〕空分多路〔SDMA〕時分多路〔TDMA〕碼分多路〔CDMA〕防碰撞技術(shù)——頻分多路FDMA是把假設(shè)干個使用不同載波頻率的傳輸通路同時供給通信用戶使用的技術(shù)。FDMA的缺點是讀寫器昂貴，因為在每個接收通路上都必須有自己單獨的接收器。FDMA射頻識別舉例防碰撞技術(shù)——空分多路一種方法是使單個閱讀器的距離明顯減小，而把大量的讀寫器和天線覆蓋面積并排安置在一個陣列中，當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過這個陣列時與之最近的讀寫器就與之交換信息。第二種方法是在讀寫器上利用一個自適應(yīng)控制的天線，直接對準(zhǔn)某個電子標(biāo)簽。不同的電子標(biāo)簽可以根據(jù)其在讀寫器作用范圍內(nèi)的角度位置區(qū)分開來。SDMA技術(shù)的缺點是天線比較復(fù)雜，不易于實現(xiàn)，并且造價較高。防碰撞技術(shù)——時分多路TDMA法是把整個可供使用的通道容量按時間分配給多個用戶的技術(shù)。對于RFID系統(tǒng)，TDMA成為防碰撞算法的最大的一族。相比其他種類的防碰撞算法，TDMA在通信形式、功耗、系統(tǒng)復(fù)雜性及本錢等多個方面有著優(yōu)勢，因此，它是實際應(yīng)用當(dāng)中最為普遍的方式。讀寫器控制防碰撞法標(biāo)簽控制防碰撞法平安與隱私問題RFID研究領(lǐng)域，平安是指下面的一個或者多個元素機(jī)密性，即消息內(nèi)容的平安完整性發(fā)送方和接收方的身份認(rèn)證消息的有效性和可用性對于RFID技術(shù)而言，隱私威脅的主要問題是所有物品被唯一標(biāo)識，就可以將物品與物品持有者聯(lián)系起來。跟蹤定位私人信息的泄露推斷個人行為或習(xí)慣平安與隱私問題RFID面臨的攻擊類型分類平安與隱私問題RFID平安與隱私保護(hù)的需求特點從RF子系統(tǒng)的構(gòu)成——標(biāo)簽和讀寫器以及它們之間的通信平安考慮，平安協(xié)議應(yīng)滿足以下需求：(1)消息內(nèi)容的保密性(2)位置隱私的平安性(3)不可推理規(guī)那么(4)前向平安性(5)抗欺騙性(6)抵抗拒絕效勞攻擊(7)系統(tǒng)的工作性能平安與隱私問題解決方法1〕物理保護(hù)機(jī)制Kill命令機(jī)制靜電屏蔽機(jī)制主動干擾BlockerTag機(jī)制2〕RFID平安協(xié)議3〕物理保護(hù)與平安協(xié)議