第5章-物联网网络技术

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1、第5章物联网之网络技术 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 Clicktoaddtitleinhere 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 Clicktoaddtitleinhere 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 RadioFrequencyIdentification 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 可工作于各种恶劣环境 RFID

2、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 1RFID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 1RFID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 5 1 1RFID分类与基本组成 2 RFI

3、D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 electricsignature 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 1RFID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 1RFID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

4、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 2RFID射频电子标签 RFID电子标签 electricsignature 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 2RFID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

5、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 Activetag 和无源电子标签 Passivetag 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 2RFID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 客户可根据需要选择或定制相应的电子标签 5 1 2RFID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

6、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 2RFID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 2RFID射频电子标签 无源电子标签在接收到阅读器发出的微波

7、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 2RFID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 2RFID射频电子标签 当标签进入阅读器的读出区域时 受到阅读

8、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 2RFID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 3RFID阅读器 射频识别系统中 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

9、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 3RFID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 3RFID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

10、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 3RFID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 20cm 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 3RFID阅读器 2 阅读

11、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 3RFID阅读器 在由EPC标签 阅读器 Savant服务器 Internet ONS服务器 PML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 3RF

12、ID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 3RFID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 PassiveTag 无源标签或被动标签 或者主动发送某一频率的信号 ActiveTag 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

13、 3RFID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

14、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

15、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 5SAVANT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Sava

16、nt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 5SAVANT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 5SAVANT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系统能够利用算法校正这些错误 3 阅读器协调如果从两个有重叠区域的阅读器读取信号 它们可能读取了同一个标签的信息 产生了相同且多余的产品电子码 Savant的一个任务就是分析已读取的信息并且删掉这些冗余的产品编码 5 1 5SAVANT系统 4 数据传送在每一层次上 Savant系统必须要决定什么样的信息需要在供应链上向上传递或向下传递 例如 在冷藏工厂的Savant系统可能只需要传送它所储存的商品的温度信息就可以了 5 数据存储现有的数据库不具