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日常生活中的RFID技术
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物联网定义
最初的定义 将各种信息传感设备#xff0c;如射频识别(RFID)…第一章
日常生活中的RFID技术
身份证高频 typeB13.56MHz 一卡通高频 ISO/IEC 14443 typeA 图书馆门禁停车场门票ETC 微波段、超高频 服装快销品牌
物联网定义
最初的定义 将各种信息传感设备如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置,与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起方便识别和管理。 欧盟定义 将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络
RFID的定义 RFID是一种能够让物品“开口说话”的技术是物联网感知层的一个关键技术 RFID是一种自动识别技术它利用无线射频信号实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别 自动识别技术
常见自动识别技术看PPT了解一下 条形码磁卡IC卡RFID… RFID特点 防碰撞移动识别适应多种环境足够大内存可半永久性无源标签可靠性高非接触性可穿透物体 RFID劣势 成本问题 成本影响了RFID的拓展速度改善制造流程与提高市场规模是RFID降价的关键。 信号干扰问题 RFID主要是基于无线电波传送原理当遇到金属或是液体时信号传导会产生干扰与衰减影响数据读取的可靠性与准确度 频段管制问题 尤其是在超高频和微波频段各国开放的频率不一使得RFID在跨国应用时产生许多问题 国际标准制定隐私权问题
RFID的分类 大家重点关注于这两种按能量的分类和频率的分类。尤其是频率的分类它的特点的话我们都是要掌握的 按频率分类⭐ 低频LF 工作频段 使用的频段在30300KHz之间以125KHz、135KHz最为常见。低频RFID标签读取距离一般短于10cm低频RFID标签一般在出厂时就初始化好了不可更改的编码。 优点 信号穿透性好抗金属和液体干扰能力强不易受干扰。价格很低成本低廉。工作频率不受无线电频率管制约束。 缺点 标签存贮数据量较少**读取距离短、无法同时辨识多个标签。**一般为只读性安全性不高很容易复制完全相同的ID号。 应用范围 动物追踪与识别、门禁管理、动物芯片、汽车防盗器和其他封闭式追踪系统中。 高频(HF) 工作频段 工作频率为3MHz30MHz常见高频工作频率有6.75MHz、13.56MHz和27.125MHz。其读取距离大多在1m以内。 优点 与低频相比高频RFID标签的存储的数据量增大感应距离较长、读取速度较快而且可以同时间辨识多个标签。 缺点 除金属材料外可穿透大多数的材料但读取距离会降低抗噪音干扰性较差易受干扰。 应用范围 证、卡、票领域二代身份证、公共交通卡、门票等供应链的物品追踪、门禁管理、图书馆、医药产业、智能货架等 超高频(UHF) 工作频段 433MHz860MHz~960MHz一般以915MHz为主 优点 读取距离较远、传输速率较快、具备防碰撞性能并且具有锁定与消除标签的功能 缺点 抗金属和液体性能差。 应用范围 仓储物流、自动化管理、井下定位、智能交通、马拉松比赛赛车计时赛等。 微波 工作频段 2.45GHz、5.8GHz 优点 传输速度最快通信速率250kbps~1Mbps。 缺点 抗金属液体能力最差。 应用范围 路桥收费等。
按能量供应分类
分类是否有电池能量供应特点 ✨主要应用主要频率无源(被动式)无读写器价格低体积小读取距离近无寿命限制物流、车票、门禁125kHz、13.56MHz、915MHz有源(主动式)有电池价格高读取距离远使用寿命有限车辆管理、航运管理、矿井管理2.45GHz、5.8GHz半有源(半被动式)有电池读写器读取距离近价格适中使用寿命有限医药、食品都有可能
RFID系统组成 在读写器里面我们会注意到它有相应的射频的模块通过这个射频模块通过天线发射出去一定的能量。电子标签通过天线接收到我阅读器传过来的一些能量以及接收到阅读器发送给他的数据。通过这个射频模块获取到了一定的能量获取的能获取到能量获取到数据之后通过一定的控制模块。比如说我要完成我的编码、调制、解调等等包括防碰撞的一些部分都属于这个控制的模块。对于有一些电子标签的话它还有一定的存储器
电子标签 结构 电子标签由芯片和天线组成 天线用于收集读写器发射到空间的电磁波并把标签本身的数据信号以电磁波的形式发射出去。芯片具有一定的存储容量可以存储被识别物体的相关信息。电子标签芯片对接收的信号进行解调、解码等各种处理并对标签需要返回的信号进行编码、调制等处理。 技术参数 标签激活的能量要求标签信息的容量标签的封装尺寸标签信息的读写速度可达毫秒级标签信息的传输速率标签的读写距离标签的可靠性标签的工作频率标签的价格
读写器
功能 结构 射频模块包含发送器和接收器 产生发射功率以启动应答器并提供能量对发射信号进行调制用于将数据传送给应答器接收并解调来自应答器的射频信号 控制模块也称为读写模块 与应用系统软件进行通信并执行从应用系统软件发来的动作指令控制与应答器的通信过程信号的编码与解码防冲突算法的执行对物理读写器与应答器之间传送的数据进行加密和解密进行物理读写器与应答器之间的身份认证 天线 读写器天线的作用是发射电磁能量以激活电子标签并向电子标签发出指令同时也要接收来自电子标签的信息。 技术参数 工作频率与电子标签的工作频率保持一致可支持多协议 作用距离 数据传输速率 安全性 多电子标签同时识读性 输出功率满足应用的需要符合国家和地区对无线发射功率的许可 输出接口接口形式多样根据需要具有RS232、RS485、USB、Wifi、GSM等多种接口 读写器形式固定式、手持式、工业读写器等
天线 天线作用⭐ 承担接收能量和发射能量的作用 无源射频标签芯片要启动电路工作需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量 决定了射频标签与读写器之间的通信信道和通信方式 它在射频标签与读写器实现数据通信过程中起到了关键的作用。 广义的RFID系统阅读器、电子标签、上层的应用系统 系统高层
系统高层可以将许多读写器获取的数据信息有效地整合起来完成查询、管理与数据交换等功能 第二章 两个问题电子标签的能量是怎么获取的、数据是怎么传输的 考试射频前端电路设计单一或结合单一的话要知道其设计要求 能量获取
电子标签天线电路设计阅读器的天线电路二者耦合的过程 ⭐⭐⭐采用的电路电路的设计要求实现什么功能谐振频率会计算谐振频率看第二章PPT 阅读器 阅读器射频前端的设计要求 天线线圈的电流最大用于产生最大的磁通量功率匹配以最大限度地利用磁通量的可用能量即最大程度地输出读写器的能量足够的带宽保证载波信号的传输使读写器信号无失真输出 射频前端天线电路的结构 RFID阅读器的射频前端常采用串联谐振电路。 串联谐振回路具有电路简单、成本低激励可采用低内阻的恒压源谐振时可获得最大的回路电流等特点被广泛采用 等效阻抗 电子标签
电子标签天线的设计要求 电子标签天线上的感应电压最大使电子标签线圈输出最大的电压。功率匹配电子标签最大程度的耦合来自读写器的能量。足够的带宽使电子标签接收的信号无失真 射频前端天线电路的结构 RFID电子标签的射频前端常采用并联谐振电路。电感L由天线组成电容C与电感L并联构成并联谐振电路。实际应用中电感L和电容C有损耗并联谐振电路相当于电感L、电容C和电阻R三个元件并联而成。 导纳 电感耦合 会画图会描述 当电子标签进入阅读器产生的交变磁场时电子标签的电感线圈上就会产生感应电压当距离足够近电子标签天线电路所截获的能量可以供应答器芯片正常工作时阅读器和电子标签才能进入信息交互阶段 ⭐⭐⭐应答器直流电源电压的产生 分析题 整流器 电子标签可采用全波整流电路线圈耦合得到的交变电压通过整流后得到直流电压。 CP 电容Cp滤除高频成分同时作为储能元件 稳压电路 由于电子标签和读写器的距离不断变化使得电子标签获得交变电压也不断变化导致整流后的直流电压不是很稳定因此需要稳压电路。稳压电路的输出给电子标签的芯片提供所需直流电压 数据获取
负载调制技术 开关控制负载调制电阻Rmod的接入与否开关S的通断由二进制数据编码信号控制 第三章 编码和调制 结合具体应用出题 一般通信系统结构 RFID系统中的编码的特殊需要
电子标签能量来源 电子标签常常是无源的需要在读写器的通信过程中获得自身的能量供应编码方式必须保证不能中断读写器对电子标签的能量供应 电子标签检错能力 由于信道中干扰的存在需要根据码型的变化来判断是否发生误码或有电子标签冲突发生 电子标签时钟提取 电子标签芯片中一般不会有时钟电路电子标签芯片一般需要在读写器发来的码流中提取时钟
编码方式 ⭐写出编码规则和特点 反向不归零编码
高电平表1低电平表示0 此码型不宜传输有以下原因 有直流一般信道难于传输零频附近的频率分量接收端判决门限与信号功率有关不方便使用在连续出现“0”或“1”时难以找到同步信号即不能直接用来提取位同步信号 身份证两个方向的数据传输采用的都是反向不归零编码 曼彻斯特编码⭐⭐
负跳变表示二进制“1”半个比特周期时的正跳变表示二进制“0” 易于发现传输错误 在比特长度内“没有变化”的状态是不允许的。 容易提取时钟信号 跳变都发生在每一个码元中间接收端可以方便地利用它作为同步时钟。 容易发现碰撞位 当多个标签同时发送的数据位有不同值时则接收的上升边和下降边互相抵消导致在整个比特长度内是不间断的负载波信号由于该状态不允许所以读写器利用该错误就可以判定碰撞发生的具体位置。 校园卡S50卡使用14443 typeA 采用曼切斯特编码易于发现碰撞位 电子标签到阅读器曼彻斯特编码 阅读器到电子标签修正密勒码 曼彻斯特编码电路⭐ 密勒Miller码 调制 什么是调制什么是解调 什么是调制
调制是指将信息信号通过调制器转换为与其不同的载波信号从而实现信息的传输。调制的基本原理是在载波信号上叠加信息信号通过改变载波信号的某些特征如频率、振幅、相位等来携带信息信号并传输到接收端。在接收端通过解调器将信息信号从载波信号中分离出来恢复原始的信息信号。 为什么要调制
天线尺寸限制 当馈送到天线上的信号波长和天线的尺寸可以相比拟时天线才能有效地辐射或接收电磁波 频分复用提高通信容量 将多个基带信号分别搬移到不同的载频处从而实现在一个信道里同时传输许多信号提高信道利用率 提高信号抗干扰能力 可以扩展信号带宽提高系统抗干扰、抗衰落能力提高传输的信噪比
调制方式 需要记住英文简写✨ 会画三种调制的图✨ 数字振幅调制ASK 数字频率调制FSK 数字相位调制PSK 副载波的调制
调制到一个比较低的频率上然后再调制到一个比较高的频率
定义 电子标签将基带编码调制到低频率的副载波频率上最后再采用ASK、FSK或PSK对副载波进行二次调制。 好处 ①采用副载波信号进行负载调制时调制管每次导通时间较短对电子标签电源的影响较小②调制器的总导通时间减少总功耗下降③有用信息的频谱分布在副载波附近而不是载波附近便于阅读器对传送数据信息的提取但射频耦合回路应有较宽的频带
第四章 差错、监测 差错的控制方式⭐ 检纠错码 ⭐实现方法纠错原理 奇偶校验⭐⭐ 大概率考 实现方法 在每个被传送码的左边或右边加上1位奇偶校验位0或1奇校验需把每个编码中1的个数凑成奇数偶校验需把每个编码中1的个数凑成偶数 原理 特点 实现简单无错误定位和纠错能力多采用奇校验
CRC 了解 方法 去看湖科大的计网课 原理 合法的CRC码应当能被生成多项式整除若CRC码不能被生成多项式整除说明出现了信息的传送差错
防碰撞⭐
什么是碰撞 在RFID系统应用中因为多个读写器或多个标签造成的读写器之间或标签之间的相互干扰统称为碰撞 分类 多标签碰撞多读写器碰撞
防碰撞算法 非确定性算法标签控制法 ⭐⭐⭐帧时隙ALOHA算法**必考** 自己设计要体现出防碰撞 帧时隙ALOHA算法的特点 简化了时隙Aloha的随机退避机制当标签数远大于N时出现“饿死现象”当标签数远小于N时较多时隙空闲产生浪费
二进制搜索确定性算法 第五章 安全的漏洞、安全的解决方式 基于共享秘密和伪随机函数的安全协议(三次认证)⭐ 会画图 三次认证过程 阅读器发送查询口令的命令给应答器应答器作为应答响应传送所产生的一个随机数RB给阅读器。阅读器产生一个随机数RA使用共享的密钥K和共同的加密算法EK算出加密数据块TOKEN AB并将TOKEN AB传送给应答器。TOKEN ABEK(RA,RB)应答器接受到TOKEN AB后进行解密将取得的随机数与原先发送的随机数RB进行比较若一致则阅读器获得了应答器的确认。应答器发送另一个加密数据块TOKEN BA给阅读器TOKEN BA为 TOKEN BAEK(RB1,RA)阅读器接收到TOKEN BA并对其解密若收到的随机数与原先发送的随机数RA相同则完成了阅读器对应答器的认证。
哈希锁⭐ 会描述过程⭐⭐⭐ Hash锁是一种更完善的抵制标签未授权访问的安全与隐私技术。整个方案只需要采用Hash函数因此成本很低。Hash函数特点 给定x计算h(x)较容易硬件、软件都可以实现给定h(x)求x计算上不可行单向性对于任意x找到一个y且y≠x使得h(x) h(y)计算上是不可行的抗弱碰撞性发现一对(xy)使得h(x)h(y)计算上也是不可行的。强碰撞性 Hash-lock协议流程 ① 标签 T 进入阅读器 R 的有效范围接收到阅读器 R 发出的命令 Query请求认证② 标签 T 通过反向信道发送 metalID 作为回复。[ 注metaIDhashkey]③ 阅读器 R 将 metalID 传送给后台数据库 B数据库查询是否存在相等的metalID 值④若匹配则发送相应的标签信息(key, ID)给阅读器 R。⑤ 阅读器仅将其中的 key’发送给标签。标签验证 key’是否等于 key。⑥若 key’key 则标签将其 ID 发送给阅读器。阅读器收到标签发送过来的ID与后台应用系统传输过来的ID进行对比相同则认证成功否则认证失败 优点 解密单向Hash函数是较困难的因此该方法可以阻止未授权的阅读器读取标签信息数据该方法只需在标签上实现一个Hash函数的计算以及增加存储metaID值因此在低成本的标签上容易实现。 缺点 由于每次询问时标签回答的数据是特定的因此其不能防止位置跟踪攻击阅读器和标签问传输的数据未经加密窃听者可以轻易地获得标签Key和ID值。
第六章 三大标准体系各自的特点 三大体系 EPCglobal 由美国主导代表欧美利益全球实力最大的物联网RFID标准组织 EPCglobal标准体系面向物流供应链领域可以看成是一个应用标准。EPCglobal的目标是解决供应链的透明性和追踪性 ISO/IEC 承担制定全球多种标准的任务是最早制定RFID标准的组织 UID 日本物联网RFID标准组织
特点 特点是让AI写的PPT没找到 ISO/IEC ISO/IEC是信息技术领域最重要的标准化组织之一制定RFID标准时考虑了物流供应链领域的单品标识以及电子票证、物品防伪、动物管理、食品与医药管理、固定资产管理等应用领域。ISO/IEC的RFID标准体系突出了产品和实用但可能存在兼容性和利益操控性的问题。 EPCglobal EPCglobal标准体系是面向物流供应链领域的目标是解决供应链的透明性和追踪性。为此EPCglobal制定了EPC编码标准为所有物品提供单件唯一标识还制定了空中接口协议、读写器协议等与ISO标准体系类似的标准。EPCglobal尽量与ISO兼容但也有其局限范围如关注UHF 860930 MHz。EPCglobal非常强调供应链各方之间的信息共享为此制定了信息共享的物联网相关标准。 UID UID是日本泛在识别通信协会制定的Ucode泛在码是日本国家标准。UID的RFID标准以泛在码为核心旨在实现物品的全球唯一标识和数据共享。UID的RFID系统由数据载体、阅读器和信息服务器组成具有高精度、可扩展、安全可靠等特点。
ISO/IECEPCglobal应用领域不同领域物流供应链关注频段各个频段主要关注UHF860~930MH标准内容仅仅考虑自动身份识别与数据采集的相关标准数据采集以后如何处理、共享并没有作规定。除信息采集外还制定了EPCIS、ALE、LLRP等多个标准。
ISO/IEC 14443标准内容 看PPT第六章P35-63 ISO/IEC 14443-1 物理特性ISO/IEC 14443-2 频谱功率和信号接口ISO/IEC 14443-3 初始化和防碰撞算法ISO/IEC 14443-4 通讯协议 第八章 13.56MHz RFID技术 电子标签(S50卡)
频率型号内存可读/写支持协议13.56MHzMF1 S501024bytesRead/writeISO 14443A
交互过程⭐**会画** 存储结构⭐ 存储容量为1024×8 b字长(即1 KB)M1卡分为16扇区每扇区分为4块分别为块0、块1、块2和块3每块16字节;扇区前3块为数据块,用于存贮数据 最后1块为控制块, 存放密码A、存取控制、密码B0区0块用于存放厂商代码已经固化不可修改IC卡的读写以块为单位 数据块 读写块用作一般的数据操作可用读/写命令直接读/写整个块值块用作定值操作可以进行加值/减值INC/DEC的运算。
阅读器
设计阅读器电路需考虑的问题 阅读器是便携式还是固定式支持一种还是多种电子标签的读/写阅读器的读/写的距离阅读器和电子标签的周边环境如电磁环境、温度、湿度、安全等供电方式与节约能耗的措施、电磁兼容EMC性能与高层通信接口的方式防碰撞算法的实现方法、加密的需求选用现有的阅读器集成芯片还是自行进行电路设计若自行进行电路设计还应设计其编/解码、防碰撞处理、加/解密等电路微控制器MCU的选用收发信号的调制方式与带宽、天线的形式与匹配方法 阅读器的结构 RC522 通信协议IICSPIRS232支持的协议ISO14443AFIFO深度64 相关函数
名称函数通信函数PcdComMF522(…)复位函数PcdReset(…)寻卡函数PcdRequest(…)防碰撞函数PcdAnticoll(…)选卡函数PcdSelect(…)认证函数PcdAuthState(…)读函数PcdRead(…)写函数PcdWrite(…)中止函数PcdHalt(…)值操作初始化PcdIntPurse值操作加值PcdIncrease值操作减值PcdDecrease
第十章
中间件 架构 读写器接口位于中间件最底层包括了系统支持的所有硬件的设备驱动并管理所有的硬件相干的参数如读写器协议、空中接口、主机侧通信。数据处理和存储单元层负责处理和存储来自读写器的原始数据由本层携带的处理逻辑对数据过滤、聚合和转换。中间件管理层帮助管理射频识别中间件的配置如添加、配置、修改连接射频读写器修改应用程序级参数添加和移除射频识别中间件支持的服务等。应用程序接口提供带API的应用程序来访问、通信、配置射频识别中间件。 作用 Savant是连接标签读写器和企业应用程序的纽带。Savant系统完成的任务主要是数据校对、读写器协调、数据传送、数据存储和任务管理等。
ONS
ONS功能 ONS对象名称解析服务系统主要处理电子产品编码与对应的EPCIS信息服务器地址的映射管理和查询。利用DNS构架实现ONS服务 ONS和DNS的区别 EPCIS 功能 EPCIS是最终用户与EPCglobal网络进行数据交换的主要桥梁。 作为网络数据库来实现的EPC被用作数据库的查询指针。 EPCIS提供信息查询的接口可与已有的数据库、应用程序及信息系统相连接。 数据来源 EPCIS服务器上的数据由供应链上下游的企业共享获得的。EPC相关数据包括EPC标签和识读器获取的相关信息以及商业上一些必须的附加数据。 工作流程 EPC的工作流程 读写器从标签上识读出EPC标签的编码信息。分布式Savant软件系统处理和管理由读写器读取的EPC标签信息。Savant将EPC传给ONS。ONS指示Savant到一个保存产品文件的PML服务器的IP地址。PML服务器利用PML技术把产品信息传到供应链上
