2022年物联网与RFID简介 .pdf
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1、物联网与 RFID 简介一. 概念物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称叫“The Internet of things”。顾名思义,物联网就是“ 物物相连的互联网” 。这有两层意思:第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二, 其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间,进行信息交换和通信。因此,物联网的定义是:通过射频识别(RFID ) 、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的英文名称为The Int
2、ernet of Things” ,简称: IOT 。物联网通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息,通过各类可能的网络接入,实现物与物、物与人的泛在链接,实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。联网是通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用,被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。与其说物联网是网络,不如说物联网是业务和应用,物联网也被视为互联网的应用拓展。因此应用创新是物联网发展的核心,以用户体验为核心的创新2.0 是物联网发展的灵魂简单来说,物联网
3、可以看作是能让所有的物品都能上网的一种新技术。物” 的涵义这里的 “ 物” 要满足以下条件才能够被纳入“ 物联网 ” 的范围:1、要有相应信息的接收器;2、要有数据传输通路;3、要有一定的存储功能;4、要有 CPU;5、要有操作系统;6、要有专门的应用程序;7、要有数据发送器;8、遵循物联网的通信协议;9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。二. 原理物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID 、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中,物品(商品 )能够彼此进行 “ 交流 ” ,而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)
4、 技术,通过计算机互联网实现物品(商品 )的自动识别和信息的互联与共享。物联网中非常重要的技术是射频识别(RFID)技术。RFID 是射频识别 (Radio Frequency Identification )技术英文缩写,是20 世纪 90 年代开始兴起的一种自动识别技术,是目前比较先进的一种非接触识别技术。以简单RFID 系统为基础,结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等,构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的,比Internet 更名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -
5、 - - - 第 1 页,共 8 页 - - - - - - - - - 为庞大的物联网成为RFID 技术发展的趋势。而 RFID ,正是能够让物品“ 开口说话 ” 的一种技术。在“ 物联网 ” 的构想中, RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息,通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统,实现物品 (商品 )的识别,进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享,实现对物品的 “ 透明 ” 管理。物联网产业链可以细分为标识、感知、 处理和信息传送四个环节,每个环节的关键技术分别为 RFID 、传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。三. 核心内容 RFID 什么是 RFID 技术
6、 ?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 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。RFID 是一种简单的无线系统,只有两个基本器件,该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器(或标签)组成。RFID 的分类RFID 按应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860M960MHz 、微波 2.4G,5.8G
7、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。无源 RFID的电子标签上不带电池,其工作所需要的全部电源都依靠转换接收到的阅读器发送的电磁波而获得,所以其阅读器的发射功率一般较大。与之相反,有源 RFID 的电子标签自身具备电池,可提供全部器件工作的电源,因而相应阅读器的发射功率要求不高,而且有效阅读距离也较前者有所增加。有源标签:大,价格贵,而且因为是用电池的,寿命相对短。无源标签:小,价格便宜,寿命长。RFID 的基
8、本组成部分?RFID 标签俗称电子标签,也称应答器(tag, transponder, responder) ,根据工作方式可分为主动式(有源)和被动式(无源)两大类,被动式RFID 标签由标签芯片和标签天线或线圈组成,利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。RFID 标签中存储一个唯一编码,通常为64bits、96bits 甚至更高,其地址空间大大高于条码所能提供的空间,因此可以实现单品级的物品编码。当RFID 标签进入读写器的作用区域,就可以根据电感耦合原理 (近场作用范围内)或电磁反向散射耦合原理(远场作用范围内)在标签天线两端产生感应电势差,并在标签芯片通路中形成微弱
9、电流,如果这个电流强度超过一个阈值,就将激活RFID标签芯片电路工作,从而对标签芯片中的存储器进行读/写操作,微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。RFID 标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM 存储单元四部分。读写器也称阅读器、询问器(reader, interrogator) , 是对 RFID 标签进行读写操作的设备,主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。读写器是RFID 系统中最重要的基础设施,名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 -
10、- - - - - - 第 2 页,共 8 页 - - - - - - - - - 一方面,RFID 标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号,再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形,最后从中解调出返回的信息,完成对RFID 标签的识别或读/写操作;另一方面,上层中间件及应用软件与读写器进行交互,实现操作指令的执行和数据汇总上传。在上传数据时,读写器会对RFID 标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤,将其加工为读写器事件后再上传,以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量,因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统,实现一部分中间件的功能, 如信
11、号状态控制、 奇偶位错误校验与修正等。未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势,还将具备更加强大的前端控制功能,例如直接与工业现场的其它设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。在物联网中, 读写器将成为同时具有通讯、控制和计算( communication, control, computing )功能的C3 核心设备。天线(antenna)是 RFID 标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。 RFID 系统中包括两类天线,一类是RFID 标签上的天线,由于它已经和RFID 标签集成为一体, 另一类是读写器天线,既可以内置于读写器中,也可以通过同轴电缆与读写器的射
12、频输出端口相连。目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。天线在RFID 系统中的重要性往往被人们所忽视,在实际应用中,天线设计参数是影响RFID 系统识别范围的主要因素。高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性,还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门设计。中间件( middleware )是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。中间件在 RFID 应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准造成的可靠性和稳定性问题,还可以为上层应用软件
13、提供多层、分布式、 异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。 中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过滤、 聚合和计算, 抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业务事件,以满足来自多个客户端的检索、发布/订阅和控制请求。应用软件 (application software )是直接面向RFID 应用最终用户的人机交互界面,协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置,逐级将 RFID 原子事件转化为使用者可以理解的业务事件,并使用可视化界面进行展示。由于应用软件需要根据不同应用领域的不同企业进行专门制定,因此很难具有通用性。从应用评价标准来说,使用者在应用软
14、件端的用户体验是判断一个RFID 应用案例成功与否的决定性因素之一。RFID 技术的基本工作原理: RFID 技术的基本工作原理并不复杂: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。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
15、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。RFID 工作频率特征:一、低频(从125KHz到134KHz) 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 8 页 - - - - - - - - - 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
16、过读写器交变场的作用在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。特性:1. 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. 2. 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。3. 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。4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。5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。6相对于其他频段的RFID 产品,该频段数据传输速率
17、比较慢。7感应器的价格相对与其他频段来说要贵。低频段射频标签,其工作频率范围为30kHz300kHz 。典型工作频率有125KHz和133KHz 。低频标签一般为无源标签,其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。 低频标签与阅读器之间传送数据时,低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1 米。优点是标签靠近金属或液体的物品时标签受到影响较小,同时低频系统非常成熟,读写设备价格低廉。但是缺点是读取距离短、无法同时进行多标签读取(抗冲突 )以及信息量较低,一般存储容量在128 位到 512 位。主要应用于门禁系统、动物芯片、汽车防盗器和玩具等。虽
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