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第4章_相关识别技术及射频电子标签应用 《物联网技术与应用(第2版)》课件

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第4章_相关识别技术及射频电子标签应用物联网技术与应用(第2版)课件
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Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 物联网 武奇生 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 第四章 相关识别技术及射频电子标签应用 本章内容 射频电子标签及相关的自动识别技术 应用RFID的事项 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 4 1射频电子标签及相关的自动识别技术 4 1 1条形码简介 1 条形码技术产生的背景 早期的信息系统大部分数据是通过人工的方式输人到 计算机系统之中 由于数据量庞大 数据输入的劳动 强度大 人工输入的误差率高 严重地影响到生产与 决策的效率 很多发达国家的企业每天要产生非常大 的数据量 而人工录入的费用又很高 因此他们往往 将数据录入的工作外包到发展中国家 在这种背景下 如何解决数据的快速 自动识别问题已经成为交通 物流 安全与防伪领域中大型信息系统发展和运行 的瓶颈 基于条形码 磁卡 IC卡 射频标签 RFID 的数据采集与自动识别技术的研究就是在这样的背景 下产生的 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 图4 1 数据采集方式的发展过程示意图 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 2 条形码基本工作原理 条形码或条码 barcode 是将宽度不等的多个黑条 或黑 块 和空白 按照一定的编码规则排列 用以表达一 组信息的图形标识符 常见的一维条形码是由黑条 简称条 和白条 简称空 排成的平行线图案 当条形码 识读器中的扫描器光源发出的光在条形码上反射后 反射光照射到条码扫描器内部的光电转换器上 光电 转换器根据强弱不同的反射光信号 转换成相应的电 信号 电信号输出到条码扫描器的放大电路之后 再 送到整形电路将模拟信号转换成数字信号 条形码图 形中的白条 黑条的宽度不同 相应的电信号持续时 间长短也不同 译码器测量脉冲数字电信号 0 与 1 的数字的数目和顺序 识读器根据编码规则对 条形码的 0 与 1 的数字序列值 将条形码的图 形信息换成相应的数字 字符信息 然后送到计算机 系统进行数据处理 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 3 条形码的类型 一维条形码 指在一个方向 一般是水平方向 表达信 息 而在垂直方向不表达任何信息一维条形码 但是 它的优点是编码规则简单 条形码识读器造价较低 但是它的缺点是 数据容量较小 一般只能包括字母 和数字 条形码尺寸相对较大 空间利用率较低 条 形码一旦出现损坏将被拒读 多数一维条形码所能表 示的字符集不过是10个数字 26个英文字母及一些特 殊字符 条码子符集最大所能表示的字符个数为128 个ASCII符 二维条形码 在二维空间水平和垂直方向存储信息的 条形码 它的优点是信息容量大 译码可靠性高 纠 错能力强 制作成本低 保密与防伪性能好 条形码 的信息容量与编码规则相关 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 2009年12月10日 我国铁道部对火车票进行了升级改 版 新版火车票最明显的变化是车票下方的一维条码 变成二维防伪条码 火车票的防伪功能更强 进站口 检票时 检票人员通过二维条码识读设备对车票上的 二维条形码进行识读 系统自动辨别车票的真伪并将 相应信息存入系统中 图4 2我国使用的一维条形码与二维条形码火车票的比较 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 4 条形码数据采集设备 条形码数据的采集是通过固定的或手持的条形码扫描 器完成的 光扫描器 它需要手工移动光笔 并且还要与条形码 图形区域接触 光电转换器 是以LED作为发光光源的扫描器 在一 定范围内 可以实现自动扫描 并且可以阅读各种材 料 不平表面上的条码 成本也较为低廉 激光扫描器 是以激光作为发光源 多用于手持式扫 描器 范围远 准确性高 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 1 磁卡的特点与应用 磁卡 magnetic card 是一种卡片状的磁性记录介质 利 用磁性载体记录字符与数字信息 与各种读卡 读写 器配合 用来标识身份或其他用途 4 1 2磁卡与I C卡简介 图4 3磁卡与磁卡读卡器示意图 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 2 IC卡的特点与应用 IC卡 integrated circuit card 也叫做智能卡 smart card 它是通过在集成电路芯片中写的数据来进行识别的 IC卡与IC卡读写器 以及后台计算机管理系统组成了 IC卡应用系统 优点 存储容量大 安全保密性好 IC卡读写方便 使用寿命长 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 图4 4 IC卡与读卡器 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 分类 根据IC卡读卡器是否需要接触才能够读写数据分为接 触式IC卡与非接触式IC卡两类 根据IC卡是否有微处理器来分为存储卡和智能卡 根据应用领域来分类 IC卡可以分为金融卡和非金融 卡两种 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 接触式IC卡在使用时必须将IC卡插入到IC卡读卡器中 完成IC卡与读卡器之间的物理连接之后 才能读取 写入数据 非接触式IC卡又称射频卡 它是以无线通信的方式与 读卡器进行能信 当读卡器向IC卡发出一组固定频率 的电磁波时 卡内电路将收电磁波能量转换成电能 驱动IC卡的电路 当读卡器发出 读取 数据的指令 时 卡内的电路将数据发射到读卡器 如果读卡器发 出 写入 的指令时 卡内的电路接收读卡器写入数 据 非接触式IC卡可以分为主动式和被动式两类 主动式 非接触式IC卡需要使用者主动将卡靠近读卡器 用户 需要将卡在读卡器上晃过才能够完成数据交换的过程 被动式则不用出示卡片 只要走过读卡器的范围 即可完成数据交换的过程 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 射频标签由标签天线 芯片等采用特殊的封装工艺封 装而成 4 1 3 射频电子标签 图4 5 典型的射频电子标签结构图 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 表4 1 射频识别系统的各种区别特征 技术特征分 类 工作方式全双工系统 半双工系统 时序系 统 数据量大于1bit 1bit电子标签 可否编程读头 编程器 数据载体EEPROM FRAM SRAM 状态模式状态机 微处理器 能量供应有源系统 无源系统 电池供电 射频 场供电 频率范围低频 中高频 超高频 微波 标签 读头数据应答频率次谐波 反向散射 负载调 制 其他 标签应 答频率n 1 n 倍 1 1 多样化 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 补充 1 全双工和半双工系统来讲 标签的响应是在读头 接通高频电磁场的情况下送出去的 和读头本身的信 号相比 标签的信号在接收天线上非常弱 所以必须 使用合适的方法来进行数据传输 以便将标签信号与 读头信号区分开 这种传输方法包括负载调制 有副 载波的负载调制以及读头发射频率的谐波 在时序方 法中 读头的电磁场周期性断开 这些间隔被标签识 别出来 用于标签到读头的数据传输 因此 在这个 间隔里 读头对标签的能量供应中断 这样 标签就 必须配置足够大的补偿电容来存储能量 以便标签能 够连续工作 2 射频标签的数据储存量在几字节到几千字节之间 但是 作为电子物品监视系统 EAS 使用的标签 只有一个比特的容量 因为其工作状态只需说明是否 在电磁场中 而不需要芯片 当1比特标签标识的商 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 合法地离开卖场时 收款员对商品进行灭活处理 否 则 报警器就会通知卖场 有未经付款的商品非法离 场 3 在一般情况下 射频识别标签只需具有被识别的 功能 即只读功能 但是 有的情况下 也需要具有 可写的功能 即可编程的功能 但是无论如何 标签 的ID号是出厂时就赋予的 终身不得更改 4 存储数据主要有电可擦可编程只读存储器 EEPROM 铁电随机存取存储器 FRAM 和静态 随机存取存储器 SRAM 一般射频标签采用 EEPROM方式存储数据 FRAM与EEPROM相比 具 有写入功耗小 写入速度快等特点 但由于生产问题 未得到广泛应用 SRAM写入速度更快 但是要长久 保存数据 必须用辅助电池供电 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 5 使用状态机可用来完成对电子标签内部逻辑的控 制功能 也可采用微处理器来控制 采用状态机模式 成本较低 采用微处理器模式更加灵活 可以调整以 适合各种专门应用 利用各种物理效应也可以存储电 子标签的数据 例如声表面波射频标签 6 无源的射频标签没有自己的电源 其工作所需的 能量必须从读头发出的电磁场中获取 有源的电子标 签内含有一个电池 为电子标签提供全部或部分能量 7 工作在不同频率的标签具有不同的特点 电子标 签的工作频率决定了射频识别系统是电感耦合还是电 磁耦合 还决定了系统的识别距离 并直接影响着标 签和读头的实现成本和难易程度 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 8 射频标签回送到阅读器的数据传输方式多种多样 一种是利用负载调制或反向散射调制方式 另一种 是利用阅读器发送频率的次谐波传送标签信息 标签 反射波频率为阅读器发射频率的高次谐波 n倍 或 分谐波 1 n倍 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 无线射频识别系统的工作频率对系统的工作性能具有 很强的支配作用 低频具有较强的穿透能力 能够穿透水 金属 动物 包括人的躯体等导体材料 但是在同样功率下 传播 的距离很近 但高频或超高频则具有较远的传播距离 但是也很容易被上述导体媒介所吸收 因此 对于 可导障碍物 其敏感性很强 混频特别是双频产品 既具有低频的穿透能力 又有 高频的识别距离 能够广泛地运用在动物识别 导体 材料干扰的环境及潮湿的环境中 混频或双频产品的工作形式有两种 有源系统和无源 系统 双频标签与双频系统 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 一 有源系统 1 中国深圳世纪潮双频产品 对于标签来说 所谓上行就是接收 下行就是发送 在这种双频系统中 发送和接收采用不同的工作频率 发射天线 用于发射低频无线电信号以激活双频标签 接收天线 接收双频标签发出的高频无线电信号 读头 不断产生低频编码电磁波信号 经发射天线发 射出去 用来激活进入该区域的双频标签 同时把接 收天线接收来的双频标签的高频载波信号经过 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 放大后 进行解调 解码 提取有效的数字信号 通过标准串口 RS232或RS485给下一级工作站 双频标签 由嵌入式处理器及其软件 卡内发射和接 收天线 收发电路和高能电池组成 其工作在两个频 点上 全双工通信 双频标签平时处于睡眠状态 当 进入系统工作区后 被发射天线发出的低频无线电信 号激活 发射出惟一的加密识别码无线电信号 卡内 高能电池为标识卡正常工作和发射高频电磁波提供能 量 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 图4 6 有源双频系统 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 工作原理 读头将低频的加密数据载波信号经发射天 线向外发送 双频标签进入低频的发射天线工作区域 后被激活 同时将加密的载有目标识别码的高频加密 载波信号经标签内高频发射模块发射出去 接收天线 接收到射频卡发来的载波信号 经读头接收处理后 提取出目标识别码送至计算机 完成预设的系统功能 和自动识别 实现目标的自动化管理 2 Savi公司的EchoPoint 反射点 双频产品 EchoPoint采用了多频率设计和三元素系统结构来同 时实现可靠的长距离通信与短距离定位功能 与传统的标签 读头二元素系统相比较 EchoPoint 增加了一个第三元素 路标 Signpost 由路 标在123kHz激活标签 Tag 发现标签 标签和 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 读头 Reader 之间在长距离的UHF频段 433 92MHz 进行通信 发送其位置信息以及特殊标 志 路标可以固定在某个地点 可以移动也可以手持 当标志物的标签通过路标标识区域时 路标可以识 别标签的位置 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial a Savi公司的路标 b Savi公司的双频产品工作原理图 图4 7 Savi公司的双频产品 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 二 无源系统 与有源双频系统相比 无源双频系统具有体积小 系 统紧凑 成本低廉等特点 a 双频读头 b 双频标签 图4 8无源双频系统 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 图4 9 双频读写器及其天线 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 标签的封装 图4 10 各种信用卡标签 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 图4 11 各种动物标签 图4 12 信用卡纸标签 图4 13 耐高温纽扣标签 图4 14 抗金属电子标签 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 图4 15 高性能陶瓷标签 图4 16 微型标签 图4 17 多频复合卡电子标签 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 图4 18 UHF塑料电子标签 图4 19 螺栓型电子标签 图4 20 螺栓型电子标签 图4 21 一次性电子标签 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 电子标签的天线 作为射频电子标签的天线必须满足以下的性能要求 1 足够的小以至于能够嵌入制造到本来就很小的电子 标签上 2 有全向或半球覆盖的方向性 3 提供最大可能的信号给标签的芯片 并给标签供应 能量 4 无论标签处于什么方向 天线的极化都能与读头的 询问信号相匹配 5 具有鲁棒性 6 作为耗损件的一部分 天线的价格必须非常便宜 标签的使用有两种基本形式 一种是标签移动 通过 固定式读头来进行识别 一种是标签不动 通过手持 机等移动的读头来进行识别 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 天线模式类型 自由空间带宽 尺寸 波长 阻抗 双偶极子全向10 150 550 80 折叠偶极子全向15 200 5 0 05100 300 印刷偶极子方向性10 150 5 0 5 0 150 100 微带面方向性2 30 5 0 530 100 对数螺旋方向性100 0 3 高 0 25 底 直径 50 100 表4 2可选的几种标签天线 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 4 22 偶极子天线的变种 图4 23 贴上对数螺旋天线的瓶子 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 4 2 应用RFID的事项 4 2 1RFID的基本技术参数 1 工作频率 2 作用距离 3 数据传输速率 1 只读速率 2 无源读写速率 3 有源读写速率 4 安全要求 5 存储容量 6 RFID系统的连通性 7 多电子标签同时识读性 8 电子标签的封装形式 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 4 2 2 RFID系统的选择标准与性能评估 对于一个RFID系统的选择与评价 我们可以从以下 几个方面来考虑 1 工作频率 2 作用距离 3 安全要求 4 存储容量 5 多标签同时识读性 6 标签的封装形式 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 频率低频 LF 高频 HF 超高频 UHF 微波 WF 载波频率 135kHz13 56MHz860 930MHz2 45GHz 国家和地区所有大多数大多数 大多数 数据传输速 率 低 8kbps 高 64kbps 高 64kbps 高 64kbps 识别速度低 1m s 中 5m s 高 50m s 中 10m s 标签结 构线圈印刷线圈双极天线线圈 传播性能可穿透导体可穿透导体线性传播 防冲撞性能有限好好好 识别距离 60cm10cm 1 0m1 6m 25 50cm 被动 式 1 15m 主动式 表4 3 典型RFID系统技术参数比较 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 适用领域具体应用RFID频段 SCM 供应链管理 物品 托盘 集装箱 仓库 纸卷 气罐 啤酒桶 行李箱 灭火器 纺织与成衣 商标保护 跟踪与防盗 医疗 试管 仪器 汽车零件等 UHF WF DF UHF UHF WF UHF WF 交通与物流管理 存货与铁路 运输车辆 拖车 车库管理 轮胎 航空行李跟踪 电子交通识别 数字影碟和许可 UHF UHF UHF UHF WF UHF WF UHF 生物学应用 家禽识别与跟踪 容易腐烂的食品 水果和蔬菜 DF UHF DF 工业与采矿 传送带撕裂监测与管理 矿山应用 人员与设备跟踪 地下管网标识 电缆 给排水等 UHF DF DF DF 人员 动物与资产 管理跟踪 门禁 设施管理 电子呼救 财产安全与防盗 出租物品管理 产品鉴定与知识产权 管理 智能卡 信用卡识别 DF DF DF DF UHF WF DF UHF 档案 包裹与行李 跟踪 邮递与速递服务 存贷管理 图书馆 系统 DF WF DF DF 休闲与体育 运动计时 与图像 运动计时 摩托车 越野车拉力赛 遥控车 玩具 手推车 DF UHF UHF 表4 4 不同的应用选择不同频率的RFID系统 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 4 2 3 RFID应用系统发展趋势 1 系统向高频化发展 2 系统的网络化 3 系统对不同厂家的设备提出了兼容性要求 4 RFID大量数据处理需求 5 RFID技术的发展趋势 Five weeks of practice ended in this way and my feelings can only be summed up in eight words although hard but very substantial 4 3本章小结 本章主要介绍了射频电子标签及其使用的事项 RFID技术已经 逐步发展称为一个独立的跨学科的专业领域 它将大量来自完 成不同专业领域的技术综合到一起 如高频技术 电磁兼容性 半导体技术 数据保护和密码学 电信 制造技术等 RFID 技术所能应用和发挥效应的主要方面包括节省人工成本 提高 作业精确性 加快处理速度 有效跟踪物流动态等 目前RFID 技术已被广泛应用于工业自动化 商业自动化 交通运输控制 理论等众多领域 2008年 RFID电子标签 阅读器和相关软件 与服务的销售额已增至30亿美元 RFID技术市场在未来五年内 将有数万亿美元的市场空间 随着社会信息化程度的提高 科 学技术的进步 尤其是在众多商家的大力推动下 RFID技术的 应用将会渗透到社会生活的方方面面 它将具有广阔的发展前 景
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