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1、第 5 章 网络技术 学习任务 非接触射频识别系统 RFID EPC信息网络系统 无线传感器网络 Click to add title in here 1 2 3 本章主要涉及 学习任务 宽带网络技术 无线网格网 云计算网络 Click to add title in here 1 2 3 本章主要涉及 5 1 非接触射频识别系统 RFID 无线射频识别技术 Radio Frequency Identification RFID 即射频识别 射频识别技术的基本原理是电磁理论 RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术 它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数 据 识别工作无须人工干预 可工
2、作于各种恶劣 环境 RFID技术可识别高速运动物体并可同时识 别多个标签 操作快捷方便 5 1 1 RFID分类与基本组成 1 RFID的分类 RFID按使用频率的不同分为低频 LF 高频 HF 超高频 UHF 微波 MW 相对应 的代表性频率分别为 低频135kHz以下 高频13 56MHz 超高频860M 960MHz 微波2 4G 5 8G 5 1 1 RFID分类与基本组成 RFID按照能源的供给方式分为无源RFID 有源 RFID 以及半有源RFID 无源RFID读写距离近 价格低 有源RFID可以提供更远的读写距离 但是需要电 池供电 成本要更高一些 适用于远距离读写的应 用场合
3、5 1 1 RFID分类与基本组成 2 RFID系统的基本组成部分 RFID电子标签网络系统由标签 阅读器和数 据传输和处理系统三部分组成 1 标签 Tag electric signature 由耦 合元件及芯片组成 每个标签具有唯一的电子 编码 附着在物体上标识目标对象 带有天线的标签 5 1 1 RFID分类与基本组成 2 天线 Antenna 通常和标签组装在一 起 在标签和读取器间传递射频信号 3 阅读器 Reader 读取 写入标签信息 的设备 可设计为手持式或固定式 阅读器 5 1 1 RFID分类与基本组成 最常见的是被动射频系统 当阅读器遇见RFID标 签时 发出电磁波 周围
4、形成电磁场 标签从电 磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路 芯片 转换电磁波 然后发送给阅读器 阅读器把它转 换成为相关数据 控制计算器就可以处理这些数据从而进行管理控 制 在主动射频系统中 标签中装有电池在有效 范围内活动 5 1 2 RFID射频电子标签 RFID电子标签 electric signature Tag 是射频识 别 RFID 的通俗叫法 标签也被称为电子标签 或智能标签 它是内存带有天线的芯片 芯片中存 储有能够识别目标的信息 RFID标签具有持久性 信息接收传播穿透性强 存储信息容量大 种类多等特点 有些RFID标签 支持读写功能 目标物体的信息能随时被更新 5 1 2
5、RFID射频电子标签 1 电子标签基本构造 电子标签由天线 集成电路 连接集成电路与天 线的部分 天线所在的底层四部分构成 96 位或 者64 位产品电子码是存储在RFID 标签中的唯一 信息 电子标签可以分为有源电子标签 Active tag 和 无源电子标签 Passive tag 有源电子标签内 装有电池 无源射频标签没有内装电池 目前市场上80 为无源电子标签 不到20 为有 源电子标签 5 1 2 RFID射频电子标签 2 各类标签 采用不同的天线设计和封装材料可制成多种形式 的标签 如车辆标签 货盘标签 物流标签 金 属标签 图书标签 液体标签 人员门禁标签 门票标签 行李标签等
6、客户可根据需要选择或 定制相应的电子标签 5 1 2 RFID射频电子标签 3 电子标签工作原理 有源电子标签 又称主动标签 标签的工作电源完全由内部电 池供给 同时标签电池的能量供应也部分地转 换为电子标签与阅读器通信所需的射频能量 主动标签自身带有电池供电 读 写距离较远 约在100 1500m 体积较大 与被动标签相 比成本更高 也称为有源标签 一般具有较远 的阅读距离 能量耗尽后需更换电池 5 1 2 RFID射频电子标签 无源电子标签 又称被动标签 没有内装电池 在阅读器的读 出范围之外时 电子标签处于无源状态 在阅 读器的读出范围之内时 电子标签从阅读器发 出的射频能量中提取其工作
7、所需的电源 无源电子标签一般均采用反射调制方式完成电 子标签信息向阅读器的传送 5 1 2 RFID射频电子标签 无源电子标签在接收到阅读器发出的微波信号后 将部分微波能量转化为直流电供自己工作 一般可做到免维护 成本很低并具有很长的使用 寿命 比主动标签更小也更轻 读写距离则较近 约在1mm 30mm 也称为无源标签 相比有源系统 无源系统在阅读距离及适应物体 运动速度方面略有限制 5 1 2 RFID射频电子标签 半无源射频标签 也有内装电池 但标签内的电池供电仅对标签 内要求供电维持数据的电路或者标签芯片工作 所需电压的辅助支持 本身耗电很少的标签电 路供电 标签未进入工作状态前 一直处
8、于休眠状态 相当于无源标签 标签内部电池能量消耗很少 因而电池可维持几年 甚至长达10年有效 5 1 2 RFID射频电子标签 当标签进入阅读器的读出区域时 受到阅读器 发出的射频信号激励 进入工作状态时 标签 与阅读器之间信息交换的能量支持以阅读器供 应的射频能量为主 反射调制方式 标签内部电池的作用主要在于弥补标签所处位 置的射频场强不足 标签内部电池的能量并不 转换为射频能量 5 1 2 RFID射频电子标签 4 降低电子标签成本举措 EPC 标签能在单品追踪中发挥作用的关键之一 就是大幅度降低标签的成本 缩小芯片 开发新型天线 寻找硅的替代品 5 1 3 RFID阅读器 射频识别系统中
9、 阅读器又称为读出装置 扫描器 通信器 阅读器 取决于电子标签是否可以无线 改写数据 RFID阅读器通过天线与RFID电子标签进行无线通 信 可以实现对标签识别码和内存数据的读出或写 入操作 典型的阅读器包含有高频模块 发送器和接收器 控制单元以及阅读器天线 5 1 3 RFID阅读器 1 阅读器基本工作原理 阅读器基本工作原理是阅读器使用多种方式与 标签交互信息 近距离读取被动标签中信息最常 用的方法就是电感式耦合 只要贴近 盘绕阅读器的天线与盘绕标签的天线 之间就形成了一个磁场 标签就是利用这个磁场发送电磁波给阅读器 这 些返回的电磁波被转换为数据信息 即标签的 EPC 编码 5 1 3
10、RFID阅读器 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 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合 类型有两种 1 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 2 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 同时携带回来目 标信息 依据的是电磁波的空间传播规律 5 1 3 RFID阅读器 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 2
11、0cm 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 作用距离大于1m 典型作 用距离为3 l0m 5 1 3 RFID阅读器 2 阅读器的类型 阅读器分为手持和固定两种 由发送器 接收 仪 控制模块和收发器组成 收发器和控制计算机或可编程逻辑控制器 PLC 连接从而实现它的沟通功能 阅读器也 有天线接收和传输信息 数据传输和处理系统 阅读器通过接收标签发 出的无线电波接收读取数据 5 1 3 RFID阅读器 在由EPC 标签 阅读器 Savant 服务器 Internet ONS 服务器 PML
12、服务器以及众多 数据库组成的实物互联网中 阅读器读出的 EPC 只是一个信息参考 指针 由这个信息 参考从INTERNET 找到IP 地址并获取该地址中 存放的相关的物品信息 而采用分布式Savant 软件系统处理和管理由阅 读器读取的一连串EPC 信息 5 1 3 RFID阅读器 由于在标签上只有一个EPC 码 计算机需要知 道与该EPC匹配的其它信息 这就需要ONS 来 提供一种自动化的网络数据库服务 Savant将EPC 传给ONS ONS 指示Savant 到一个保存着产品文件的PML 服务器查找 该 文件可由Savant 复制 因而文件中的产品信息 就能传到供应链上 5 1 3 RF
13、ID阅读器 3 标签的识读 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 无源标签或 被动标签 或者主动发送某一频率的信号 Active Tag 有源标签或主动标签 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 5 1 3 RFID阅读器 一套完整的RFID系统 是由阅读器 Reader 与电子标签 TAG 也就是所谓的应答器 Transponder 及应用软件系统三个部份所组 成 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线 电波能量给Transponder 用以驱动 Transponder电路将内部
14、的数据送出 此时 Reader 便依序接收解读数据 送给应用程序做 相应的处理 5 1 4 阅读器关键技术 1 避免阅读器冲突 利用阅读器遇到的一个问题就是 从一个阅读 器发出的信号可能与另一个覆盖范围重叠的阅 读器发出的信号互相干扰 这种现象叫做阅读器冲突 可以利用一种叫做 时分多址 TDMA 机制来避免冲突 简而言之 就是阅读器被指示在不同时段读取 信息 而不是在同一时刻都试图读取信息 这 保证了它们不会互相干扰 5 1 4 阅读器关键技术 2 避免标签冲突 阅读器遇到的另一个问题就是在同一范围内要 读取多个芯片的信息 当在同一时刻超过一个 芯片向阅读器返回信号 这样标签冲突就发生 了 它
15、使阅读器不能清晰判断信息 目前已经采用了一个标准化的方法来解决这个 问题 5 1 4 阅读器关键技术 阅读器只要求第一位数符合它所要求的数字的 标签回应阅读器 从本质上来讲 就是 阅读器提出要求 产 品电子码以0 开头的标签回应阅读器 如果超过一个标签回应 则阅读器继续要求 产品电子码以00 开头的标签回应阅读器 这样操作直到仅有一个标签回应为止 这一过程非常迅速 一个阅读器在1 秒之内可 以读取50个标签的信息 5 1 4 阅读器关键技术 3 读取距离 阅读器读取信息的距离取决于阅读器的能量和 使用的频率 通常来讲 高频率的标签有更大的读取距离 但是它需要阅读器输出的电磁波能量更大 一个典型
16、的低频标签必须在一英尺内读取 而 一个超高频UHF 标签可以在10 到20 英尺的距 离内被读取 5 1 5 SAVANT 系统 1 分布式结构 Savant 与大多数的企业管理软件不同 它不是一 个拱形结构的应用程序 而是利用了一个分布式 的结构 以层次化进行组织 管理数据流 Savant 将被利用在商店 分销中心 地区办公室 工厂 甚至有可能在卡车或货运飞机上应用 每一个层次上的Savant 系统将收集 存储和处理 信息 并与其他的Savant系统进行交流 5 1 5 SAVANT 系统 例如 一个运行在商店里的Savant 系统 可能要通知分销中心还需要更多的产品 在分 销中心运行的Savant 系统可能会通知商店的 Savant 系统一批货物已于一个具体的时间出 货了 Savant 系统需要完成的主要任务是数据 校对 阅读器协调 数据传送 数据存储和任 务管理 5 1 5 SAVANT 系统 2 数据校对 处在网络边缘的Savant 系统 直接与阅读器进 行信息交流 它们会进行数据校对 并非每个标 签每次都会被读到 而且有时一个标签的信息可 能被误读 Savant 系统能够利用
