物联网之RFID一

RFID的意义：物联网的核心技术：传感、RFID、无线、云计算感知层：传感器、RFID、NFC底层高速发展，推动物联网发展物联网三层架构：RFID应用：内容总纲：1、认识射频识别技术（RFID）2、射频技术的应用3、ISO14443-A4、S50卡5、RC5226、PN532RFID基本原理内容概要：1、RFID概念-掌握1、...

许新天

24830人浏览 · 2018-08-19 00:15:32

许新天 · 2018-08-19 00:15:32 发布

RFID的意义：

物联网的核心技术：传感、RFID、无线、云计算

感知层：传感器、RFID、NFC

底层高速发展，推动物联网发展

物联网三层架构：

RFID应用：

内容总纲：

1、认识射频识别技术（RFID）

2、射频技术的应用

3、ISO14443-A

4、S50卡

5、RC522

6、PN532

RFID基本原理

内容概要：

1、RFID概念-掌握

1、RFID组成-掌握

3、RFID中间件-了解

4、RFID分类及其应用-熟悉

5、RFID发展历史-了解

RFID的概念：

射频识别，即RFID是Radio Frequency Identification的缩写，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

一套完整 RFID硬件统由 Reader 与 Transponder 两部份组成 ,其动作原理为由 Reader 发射一特定频率之无限电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将內部之ID Code送出，此时Reader便接收此ID Code。 Transponder的特殊在于免用电池、免接触、免刷卡故不怕脏污，且晶片密码为世界唯一无法复制，安全性高、长寿命。

RFID的工作原理：

射频识别系统的基本模型如图所示。其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。

RFID中间件的概念：

为解决分布异构问题，人们提出了中间件(middleware)的概念。中间件是位于平台（硬件和操作系统）和应用之间的通用服务，这些服务具有标准的程序接口和协议。针对不同的操作系统和硬件平台，它们可以有符合接口和协议规范的多种实现。

RFID中间件具有以下特点：

• 独立于架构（Insulation Infrastructure）RFID中间件独立并介于RFID读写器与后端应用程序之间，并且能够与多个RFID读写器以及多个后端应用程序连接，以减轻架构与维护的复杂性。

• 数据流（Data Flow）RFID的主要目的在于将实体对象转换为信息环境下的虚拟对象，因此数据处理是RFID最重要的功能。RFID中间件具有数据的搜集、过滤、整合与传递等特性，以便将正确的对象信息传到企业后端的应用系统。

• 处理流（Process Flow）RFID中间件采用程序逻辑及存储再转送（Store-and-Forward）的功能来提供顺序的消息流，具有数据流设计与管理的能力。

RFID中间件的意义：

RFID中间件是一种面向消息的中间件，信息（Information）是以消息（Message）的形式，从一个程序传送到另一个或多个程序。信息可以以异步（Asynchronous）的方式传送，所以传送者不必等待回应。面向消息的中间件包含的功能不仅是传递（Passing）信息，还必须包括解译数据、安全性、数据广播、错误恢复、定位网络资源、找出符合成本的路径、消息与要求的优先次序以及延伸的除错。

RFID频率划分：

目前定义的RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频（甚高频）、微波等频率范围。不同频段的RFID产品有不同的特性。具体的划分方法如下图：

从上图可以看到：

• 125KHz~134KHz属于低频；

• 13.56MHz为高频；

• 860MHz~915MHz为超高频（甚高频）；

• 2.4GHz~5.0GHz为微波；

RFID低频

RFID低频特性：

• 工作在低频的感应器的一般工作频率从 120KHz 到 134KHz, TI 的工作频率为134.2KHz。该频段的波长大约为 2500m.

• 除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。

• 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。

• 低频产品有不同的封装形式。好的封装形式就是价格太贵，但是有 10 年以上的使用寿命。

• 虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

• 相对于其他频段的 RFID 产品，该频段数据传输速率比较慢。

• 感应器的价格相对与其他频段来说要贵。

RFID低频的主要应用：（距离短）

• 畜牧业的管理系统

• 汽车防盗和无钥匙开门系统的应用

• 马拉松赛跑系统的应用

• 自动停车场收费和车辆管理系统

• 自动加油系统的应用

• 酒店门锁系统的应用

• 门禁和安全管理系统

• ……

RFID低频符合的国际标准：

• ISO 11784 RFID 畜牧业的应用－编码结构

• ISO 11785 RFID 畜牧业的应用－技术理论

• ISO 14223-1 RFID 畜牧业的应用－空气接口

• ISO 14223-2 RFID 畜牧业的应用－协议定义

• ISO 18000-2 定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议

• DIN 30745 主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准

RFID高频

RFID高频特性：

• 工作频率为 13.56MHz，该频率的波长大概为 22m。

• 除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。感应器需要离开金属一段距离。

• 该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。

• 感应器一般以电子标签的形式。

• 虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

• 该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。

• 可以把某些数据信息写入标签中。

• 数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。

RFID高频主要应用：

• 图书管理系统的应用

• 瓦斯钢瓶的管理应用

• 服装生产线和物流系统的管理和应用

• 三表预收费系统

• 酒店门锁的管理和应用

• 大型会议人员通道系统

• 固定资产的管理系统

• 医药物流系统的管理和应用

• 智能货架的管理

RFID高频符合的国际标准：

• ISO/IEC 14443 近耦合 IC 卡，最大的读取距离为 10cm.

• ISO/IEC 15693 疏耦合 IC 卡，最大的读取距离为 1m.

• ISO/IEC 18000-3 该标准定义了 13.56MHz 系统的物理层，防冲撞算法和通讯协议。

• 13.56MHz ISM Band Class 1 定义 13.56MHz 符合 EPC 的接口定义。

RFID超高频

RFID超高频特性：

• 在该频段，全球的定义不是很相同－欧洲和部分亚洲定义的频率为 868MHz，北美定义的频段为 902 到 905MHz 之间，在日本建议的频段为 950 到 956 之间。该频段的波长大概为 30cm 左右。

• 目前，该频段功率输出目前统一的定义(美国定义为 4W，欧洲定义为 500mW)。可能欧洲限制会上升到 2W EIRP。

• 甚高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水，灰尘，雾等悬浮颗粒物资。相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标签不需要和金属分开来。

• 电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。

• 该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。

• 有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。

RFID超高频主要应用：

• 供应链上的管理和应用

• 生产线自动化的管理和应用

• 航空包裹的管理和应用

• 集装箱的管理和应用

• 铁路包裹的管理和应用

• 后勤管理系统的应用

RFID超高频符合的国际标准：

• ISO/IEC 18000-6 定义了甚高频的物理层和通讯协议；空气接口定义了Type A 和 Type B 两部分；支持可读和可写操作。

• EPCglobal 定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通讯的协议。例如：Class 0, Class 1, UHF Gen2。

• Ubiquitous ID 日本的组织，定义了 UID 编码结构和通信管理协议。

RFID微波

RFID微波段的性能：

• 它是一个全球性的频段，开发产品具有全球通用性；

• 它整体的频宽胜于其他ISM频段，这就提高了整体数据传输速率，允许系统共存；

• 2.4GHz无线电和天线的体积相当小，产品体积也更小。

RFID微波2.4GHz频段的主要应用：

• 船舶管理系统

• 煤矿人员定位系统

• 动态车辆识别系统

• 微型胶囊内窥镜系统

• ……

RFID微波2.4GHz频段的无线技术标准I：

• ZigBee/IEEE 802.15.4：ZigBee技术是一项新兴的短距离无线通信技术，主要面向的应用领域是低速率无线个人局域网（LRWPAN），典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率，主要适用于自动控制以及远程控制领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。

• Wi-Fi/IEEE 802.11b：Wi-Fi 即无线局域网，工作在2.4GHz 频段，用于学校、商业等办公区域的无线连接技术，传输速率可达11Mbit/s，工作距离100m，采用直接序列扩频（DSSS）的方式。采用Wi-Fi 的主要推动因素是数据吞吐量，Wi-Fi一般用来将计算机与本地局域网相连或直接与互联网相连。

RFID微波2.4GHz频段的无线技术标准II：

• 蓝牙（Bluetooth）/IEEE 802.15.1：一项由蓝牙特别利益小组（SIG）制定的用于无线个人区域网（WPAN）的标准，采用跳频扩频（FHSS）方式，支持语音、数据传输。蓝牙可对多达8个连接成皮网（Piconet）的设备以及多个连接成散射网的皮网提供支持。蓝牙有79个信道，信道间隔均为1MHz。通信距离为10～100 m。

• 无线USB（WirelessUSB）：WirelessUSB技术在3m距离的最大传输速率达到480Mbit/s，而性能与现有的USB2.0相同。WirelessUSB规定10m的速率为110Mbit/s，使用全球通用的2.4GHz ISM频段，通信距离高达10m，可连接8个设备。WirelessUSB并非联网解决方案，因此没有相关成本或功率开销，支持USB的即插即用，无需驱动程序和标准/认证过程。

了解RFID历史

RFID的发展历程I：

RFID直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的AIDC新技术——RFID技术。1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础。

RFID技术发展的历程表。在20世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。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。

RFID发展历程II：

• 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—今。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。

RFID标签

内容总纲：

1、电子标签的概念-掌握

2、电子标签工作原理-掌握

3、防冲突机制-掌握

4、各频段标签介绍-了解

电子标签的概念：

电子标签又称射频标签、应答器、数据载体；是一种存储数据识别资料的装置，可以透过无线电波与读写器之间互相传递资讯，用来回应识别资料给读写器。无须人工干预，RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签，操作快捷方便。

RFID电子标签的分类：

• 有源、无源，半有源半无源标签等种类；有源标签即该标签需要额外供电，如ETC（无人收费）卡片；无源标签的能量直接是由耦合电路传递的，不需要额外的电源；

• 依据频率的不同可分为低频、高频、超高频和微波电子标签。

• 依据封装形式的不同可分为信用卡、线形、纸状、玻璃管、圆形及特殊用途的异形标签等。

RFID标签的原理：

射频识别标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag,无源或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

RFID标签的组成：

• RFID晶片（包含逻辑控制单元、记忆体和收发器，进行解码、解密和错误检查等运算功能）

• 天线（用于接收读取器发送的射频资料或传送出本身的识别资料）

• 电力来源（主动式：由标签内部所附电源所提供；被动式：由读写器送出的无线电波提供）

• 以下是电子标签内部结构:芯片+天线与RFID系统组成示意图

RFID的工作原理：

阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：

• 电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cra。

• 电磁反向散射耦合。雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m。

RFID电子标签的数据存储：

标签根据商家种类的不同能储存从512字节到4兆不等的数据。标签中储存的数据是由系统的应用和相应的标准决定的。例如，标签能够提供产品生产，运输，存储情况，也可以辨别机器，动物和个体的身份。这些类似于条形码中存储的信息。标签还可以连接到数据库，存储产品库存编号，当前位置，状态，售价，批号的信息。相应的，射频标签在读取数据时不用参照数据库可以直接确定代码的含义。

RFID低频简介：

其实 RFID 技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作,也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。通过读写器交变场的作用的感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用。磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。

RFID高频简介：

在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀活着印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。

RFID超高频简介：

RFID超高频系统通过电场来传输能量。电场能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好的进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。主要通过电容耦合的方式进行实现。

RFID微波段简介：

2.4G是一种无线技术，由于其频段处于2.400GHz~2.4835GHz之间，所以简称2.4G无线技术。2.4GHz无线技术的传输距离可以达到10米，这就比27MHz无线技术占有很大优势。所谓的2.4GHz所指的是一个频段，2.4GHz ISM（Industry Science Medicine）是全世界公开通用使用的无线频段，蓝牙、ZigBee等技术即工作在这一频段，在2.4GHz频段下工作可以获得更大的使用范围和更强的抗干扰能力。随着产品向高端化发展，越来越多的2.4GHz无线游戏外设开始在市场里销售。

RFID电子标签的防冲撞机制：

RFID读写器正常情况下一个时间点只能对磁场中的一张RFID卡进行读或写操作，但是实际应用中经常有当多张卡片同时进入读写器的射频场，读写器怎么处理呢？读写器需要选出特定的一张卡片进行读或写操作，这就是标签防碰撞。

防碰撞机制是RFID技术中特有的问题。在接触式IC卡的操作中是不存在冲突的，因为接触式智能卡的读写器有一个专门的卡座，而且一个卡座只能插一张卡片，不存在读写器同时面对两张以上卡片的问题。常见的非接触式RFID卡中的防冲突机制主要有以下几种：

• 面向比特的防冲突机制；

• 面向时隙的防冲突机制；

• 位和时隙相结合的防冲突机制；

面向比特的防冲突机制：

卡片有一个全球唯一的序列号。比如Mifare1卡，每张卡片有一个全球唯一的32位二进制序列号。显而易见，卡号的每一位上不是“1”就是“0”，而且由于是全世界唯一，所以任何两张卡片的序列号总有一位的值是不一样的，也就说总存在某一位，一张卡片上是“0”，而另一张卡片上是“1”。

面向时隙的防冲突机制：

这里的时隙(timeslot)其实就是个序号。这个序号的取值范围由读写器指定，可能的范围有1-1、1-2、1-4、1-8、1-16。当两张以上卡片同时进入射频场，读写器向射频场发出卡呼叫命令，命令中指定了时隙的范围，让卡片在这个指定的范围内随机选择一个数作为自己的临时识别号。然后读写器从1开始叫号，如果叫到某个号恰好只有一张卡片选择了这个号，则这张卡片被选中胜出。如果叫到的号没有卡片应答或者有多于一张卡片应答，则继续向下叫号。

RFID读写器

内容总纲：

1、读写器基本组成-掌握

2、读写器发展趋势-了解

3、EPC电子编码-了解

4、RFID应用-了解

5、总结

RFID读写器：

读写器又称阅读器或者询问器，是读取和写入电子标签内存信息的设备。RFID读写器通过天线和电子标签进行无线通信，同时读写器还可以和计算机网络进行连接，完成数据的存储和管理。

读写器的组成：射频模块、控制处理模块、天线

RFID读写器的发展趋势：

• 兼容性。射频的频段和标准有很多种，因此期望读写器能兼容更多的频段和标准

• 接口多样化。读写器要与计算机网络通信，因此需要有更多的接口，例如USB\RS232\WIFI等

• 采用新的技术。随着射频技术的广泛应用，对处理能力、通信标准、信息安全等有更高的要求

• 模块化和标准化。

EPC电子产品编码：

射频识别通过EPC来表示物品，EPC容量非常大，全球每个商品都可以通过EPC

① 1999年10月，MIT Sanjey Sarma，David Brock提出；

② EPC，为每一个产品提供唯一电子标识符；

③ 存储在射频识别电子标签上的唯一信息；

④ 对EPC的解释通过互联网上的服务器来完成；

⑤ A公司于B时间，C地点，生产的D类产品的第E件，而通常的条码只能表示A公司的B类产品

EPC编码体系是新一代的与GTIN兼容的编码标准，它是全球统一标识系统的延伸和拓展，是全球统一标识系统的重要组成部分，是EPC系统的核心与关键。EPC代码使由标头、厂商识别代码、对象分了代码、序列号等数据字段组成的一组数字。

RFID潜在的商业利益：

• 提高差异点与竞争优势：制造商需要快速采用RFID，以便对零售要求作出响应。

• 提高生产率：RFID使得不再需要对库存记录进行手动的条形码扫描。

• 提高供应链的可视性：零售商通过使其货架具有RFID功能，可以减少脱销情况。

• 降低成本：查明制造过程在何处中断，尽量减少召回产品的数量。

• 最大化资产回报：在医院中随时随地跟踪贵重资产（医疗设备、轮椅等）

• 防止盗窃、欺诈和伪造：据称，制药业每年因为伪造药物而损失大约2-7%的利润。RFID可以通过为每个药品提供ID而消除伪造产品。

• 减少风险和可能性：畜牧业通过使用RFID跟踪其牲畜，可以尽量减少肉类制品相关疾病爆发的风险。

供应链中的RFID：

Oracle-RFID应用软件包：

RFID启动货运与接收：

RFID产业的现状及未来趋势：

计算机的发明形成了信息技术的第一次产业化浪潮；互联网和移动网络的发展创造了第二次信息技术产业化浪潮；而今，以物联网为代表的信息获取技术的突破，将从虚拟信息空间、人人互联发展到对现实物理世界的感知，为信息传输和信息处理提供更为丰富的需求源泉和强大的发展助力，将掀起第三次产业化浪潮。射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是物联网感知的核心技术，在物联网发展中充当着重要的角色。

• 国内外RFID行业现状及规模

从国际市场看，RFID市场包括RFID标签和应用，即主动标签、被动标签、阅读器、软件、服务、网络等相关产品。据咨询机构IDTechEx统计，2012年全球RFID及应用的市场价值为76.7亿美元，较2011年的65.1亿美元上升17.8%。

RFID技术在国内的未来发展方向：

RFID技术的运用已经在国内延伸到各个细分行业，比如汽车防盗系统、火车班次识别、医疗状况跟踪、图书馆书籍管理、固定资产查收、门禁系统等。RFID技术运用范围非常之广，市场前景十分广阔。针对国内发展现状，下面主要阐述三个RFID技术应用具有巨大潜力的方向。

RFID技术在国内的未来发展方向：

• 物流及零售领域

物流和零售业领域可谓是RFID技术腾飞的起点，早在2003年，德国的最大零售商麦德龙（Metro）就已经利用RFID技术对商品流通进行跟踪管理。而美国沃尔玛是目前运用RFID技术管理商品最娴熟的零售企业之一，据Sanford C. Bernstein公司的零售业分析师估计，通过采用RFID技术，沃尔玛每年可以节省83.5亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。“研究表明，采用RFID技术的商场或大型超市补充脱销货物的效率比普通的高63%”。沃尔玛常务副总裁及信息总管林达·迪尔曼说。

• 物流及零售领域

因为高昂的成本，国内大规模采用RFID技术进行零售业商品管理的企业较少。海尔集团在其新建的7200平方米全自动物流中心搭建RFID技术平台，使海尔集团不仅减少了20万平方米仓库，同时呆滞物资降低了90%，库存资金减少了63%，极大的降低了运营成本。随着RFID技术的日益完善，物流和供应链领域的需求规模将会日益扩大。RFID的终极目标是实现对单个产品的追踪，届时对电子标签的需求会以天文数字来计量。

• 食品安全领域

近年来，国内食品安全是民生关注的重大问题之一。奶粉，食用油等食品安全让国人谈之色变，近几个月，假羊肉事件也在各地掀起风波，食品安全已逐渐成为影响社会稳定的因素之一。

利用RFID技术可以有效的追踪问题食品，通过给商品，食物贴电子标签，对其生产、运送、流通过程全程追踪，可以有效的缓解食品安全的困境。消费者和食品质检人员只需在指定阅读器读写电子标签，即可获悉食品的来源，加工过程等信息，直接追溯到食品的源头厂家。

以畜牧业食品为例，国家金卡工程RFID试点工程“牲畜通”系统在四川运营获得成功后，将正式推向全国。防疫和质检部门通过此系统可对生猪种群品种及饲养、防疫、检疫过程进行全程监管。

• 高速公路收费系统

随着中国高速公路网络逐渐建立和国内人均汽车保有量不断提高,在拥挤路段,特别是进出市区的高速公路收费关卡,工作人员的收费速度极大影响交通的通畅程度。

国外许多高速公路收费都实现了不停车收费，不停车收费系统是利用RFID技术的电子收费系统，解决了因停车收费排队而造成的道路拥挤状况。从车辆经过，阅读车辆电子标签，至核对正确后从客户账户上扣除应付费用，整个过程不到一秒钟。同时因为收费系统只需要射频卡、阅读器、感应圈、数据库等系统单元既能组成简单的不停车收费系统，并且无需人工操作，不仅降低了硬件、软件的采购成本，同时减少人工运营成本。

• 高速公路收费系统