物联网技术与应用第二章课件.pptx

1、物联网技术与应用第二章 RFID技术2.1RFID技术基础知识2.2RFID系统组成2.3RFID系统原理目 录C o n t e n t s本 章 学 习 重 点03（1）RFID的基本概念、特点及分类。（2）RFID系统的组成和中间件技术。（3）RFID系统的电感耦合和电磁反向散射耦合原理。0201本 章 学 习 重 点物联网的感知层是基础层，承担着信息采集的功能。在物联网中，自动识别系统可以对物品自动进行标识和识别，并可以将数据实时更新，是全球物品信息实时共享的重要组成部分。从目前的发展阶段来看，物联网发展的瓶颈就在于感知层。RFID（射频识别）技术是一种非接触式的自动识别技术，也是目前

2、最重要的自动识别系统。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。2.1 RFID技术基础知识 RFID的基本概念和特点2RFID即射频识别（Radio Frequency Identification），又称无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术。RFID常称为感应式电子芯片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。其基本原理是利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并达到识别的目的。防水耐高温使用寿命长读取距离远便签数据可以加密存储数据容量大存储

3、信息可以随意修改可识别高速运动中的物体可识别多个标签可在恶劣环境下工作随着物联网的兴起和发展，RFID正在成为全球热门的技术。目前，RFID应用范围越来越广，涉及动物芯片、商品防伪、国防军事、智能交通、电子门票、身份识别和一卡通等多种领域。RFID需要利用无线电频率资源，因此RFID必须遵守无线电频率管理的诸多规范。具体来说，与同期或早期的接触式识别技术相比较，RFID还具有如下一些特点。只要通过RFID读写器，不需要接触即可直接读取射频卡内的数据信息到数据库内，且一次可处理多个标签，也可将处理的数据状态写入电子标签。（1）数据的读写功能 RFID在读取上不受尺寸大小与形状的限制。RFID电子

4、标签正朝小型化发展，以便于嵌入到不同物品内。（2）电子标签的小型化和多样化 RFID可以非接触读写（读写距离可以从十厘米至几十米），可识别高速运动物体，抗恶劣环境，且对水、油和药品等物质具有强力的抗污性。RFID可以在黑暗或脏污的环境之中读取数据。（3）耐环境性2.1 RFID技术基础知识 由于RFID为电子数据，可以反复读写，因此可以回收标签重复使用，提高利用率，降低电子污染。（4）可重复使用 RFID即便是被纸张、木材和塑料等非金属、非透明材质包覆，也可以进行穿透性通信。但是它不能穿过铁质等金属物体进行通信。（5）穿透性 数据容量随着记忆规格的发展而扩大，未来物品所需携带的数据量会越来越大

5、。（6）数据的记忆容量大 将产品数据从中央计算机中转存到标签上将为系统提供安全保障。射频标签中数据的存储可以通过校验或循环冗余校验的方法来得到保证。（7）系统安全性2.1 RFID技术基础知识2.1 RFID技术基础知识 RFID的分类2RFID即射频识别（Radio Frequency Identification），又称无线射频识别，是一种非接触式的自动识别技术。RFID常称为感应式电子芯片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。其基本原理是利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并达到识别的目的。1根据标签的供电形式分类RFID电子标签的电能消耗是非常低的

6、（一般是1/100 mW级别）。按照获取电能的方式不同，电子标签可分为有源电子标签、无源电子标签和半有源电子标签。据专家估计，目前市场上80%为无源电子标签，不到20%为有源电子标签。有源电子标签内装有电池，无源电子标签没有内装电池。2.1 RFID技术基础知识 有源电子标签又称主动标签，通过标签自带的内部电池进行供电，其电能充足，工作可靠，信号传送距离远。有源电子标签的缺点主要是价格高，体积大，使用寿命受到限制，而且随着电子标签内电池电力的消耗，数据传输的距离会越来越小，影响系统的正常工作。（1）有源电子标签 无源电子标签又称被动标签，内部不带电池，需靠外界提供能量才能正常工作。无源电子标签

7、典型的产生电能的装置是天线与线圈，当电子标签进入系统的工作区域，天线接收到特定的电磁波，线圈就会产生感应电流，再经过整流并给电容充电，电容电压经过稳压后可作为工作电压。无源电子标签具有永久的使用期，常用于需要每天读写或频繁读写信息的场合。无源电子标签的缺点主要是数据传输的距离要比有源电子标签短，需要敏感性比较高的信号接收器才能可靠识读。（2）无源电子标签2.1 RFID技术基础知识 半有源电子标签又称半被动标签，可以使用微型纽扣电池给芯片供电，而天线接收、发射仍然通过读写器发射的电磁波获取能量，因此本身耗电很少。标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源电子标签，标签内部电池能量消耗很

8、少，因而电池可维持几年，甚至更长。当标签进入读写器的读取区域，受到读写器发出的射频信号激励而进入工作状态时，电子标签与读写器之间信息交换的能量支持以读写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。（3）半有源电子标签2.1 RFID技术基础知识2根据标签的工作频率分类电子标签的工作频率决定着射频识别系统的工作原理（电感耦合还是电磁反向散射耦合）、识别距离、电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。RFID系统主要频段标

9、准与特性2.1 RFID技术基础知识低频段电子标签简称低频电子标签，其工作频率范围为30300 kHz。典型工作频率有125 kHz，133 kHz（也有接近的其他频率的，如TI公司使用134.2 kHz）。低频标签一般为无源电子标签，其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与读写器之间传送数据时，低频电子标签需位于读写器天线辐射的近场区内。低频电子标签的读写距离一般情况下小于1 m。1）低频段电子标签低频标签存在的优势是u标签的芯片多采用普通的CMOS工艺，工作频率不受无线电频率管制约束；u比较廉价、省电；同时可以穿透水、木材、有机组织等。低频标签常适合近距离的、

10、低速度的、数据量要求较少的识别应用（如动物识别）等。低频标签的劣势主要体现在：u标签存储数据量较少；只能适合低速、近距离识别应用；u与高频标签相比，标签天线匝数更多，成本更高一些。2.1 RFID技术基础知识低频标签的典型应用有动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。低频标签有多种外观形式，应用于动物识别的低频标签外观有项圈式、耳牌式、注射式、药丸式等。（a）低频动物耳标 （b）低频动物脚环常见低频电子标签2.1 RFID技术基础知识中高频段电子标签的工作频率一般为330 MHz，典型工作频率为13.56 MHz。该频段的电子标签，从射频识别应用角度来说，因其

11、工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。2）中高频段电子标签高频标签一般也采用无源设计，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感耦合或电磁反向散射耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与读写器进行数据交换时，标签必须位于读写器天线辐射的近场区内。中频标签的读写距离一般情况下也小于1 m。2.1 RFID技术基础知识高频标签的基本特点与低频标签相似，由于其工作频率的提高，可以选用较高的数据传输速率。高频标签由于可方便地做成卡状，典型应用包括电子车票、电子身份证、电子闭

12、锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。（a）高频IC卡 （b）RFID门票常见高频电子标签2.1 RFID技术基础知识超高频与微波频段的电子标签也简称微波电子标签，其典型工作频率为433.92 MHz，902928 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz。微波电子标签可分为有源电子标签与无源电子标签两类。工作时，电子标签位于读写器天线辐射场的远区场内，电子标签与读写器之间的耦合方式为电磁反向散射耦合方式。读写器天线辐射场为无源电子标签提供射频能量，将有源电子标签唤醒。相应的射频识别系统读写距离一般大于1 m，典型情况为47 m，最大可达10 m以上。读写器天线一般均为定向天线，只有在读写器天线定向

13、波束范围内的电子标签才可被读写。3）超高频与微波电子标签2.1 RFID技术基础知识微波电子标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多电子标签读写、是否适合高速识别应用、读写器的发射功率容限、电子标签及读写器的价格等方面。微波电子标签的数据存储容量一般限定在2 Kbit以内，从技术及应用的角度来说，微波电子标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有1 Kbit，128 bit，64 bit等。微波电子标签的典型应用包括移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。（a）ETC不停车收费系统

14、（b）机场行李自动分拣系统微波电子标签应用场景2.1 RFID技术基础知识3根据标签的可读性分类（1）只读（RO）标签 只读标签内部有只读存储器（ROM）。ROM中存储有电子标签的标识信息。这些信息可以在电子标签制造过程中，由制造商写入ROM中，即电子标签在出厂时已将完整的信息写入电子标签。这种情况下，在应用过程中，电子标签一般具有只读功能。也可以在电子标签开始使用时由使用者根据特定的应用目的写入特殊的编码信息。（2）可读可写（RW）标签 可读可写标签内部的存储器，除了ROM、缓冲存储器之外，还有非活动可编程记忆存储器。这种存储器一般是EEPROM（电可擦除可编程只读存储器），它除了具有存储数

15、据功能外，还具有在适当的条件下允许多次对原有数据的擦除以及重新写入数据的功能。可读可写电子标签还可能有随机存取存储器（RAM），用于存储电子标签反应和数据传输过程中临时产生的数据。（3）一次写入多次读出（WORM）标签 一次写入多次读出（WORM）的电子标签既有接触式改写的电子标签存在，也有无接触式改写的电子标签存在。这类WORM电子标签一般大量用在一次性使用的场合，如航空行李标签、特殊身份证件标签等。2.1 RFID技术基础知识4根据标签的工作方式分类（1）主动式电子标签 一般来说，主动式RFID系统为有源系统，即主动式电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，在有障碍物的情况下，只需

16、穿透障碍物一次。由于主动式电子标签自带电池供电，它的电能充足，工作可靠性高，信号传输距离远。主要缺点是标签的使用寿命受到限制，而且随着标签内部电池能量的耗尽，数据传输距离越来越短，从而影响系统的正常工作。（2）被动式电子标签 被动式电子标签必须利用读写器的载波来调制自身的信号，标签产生电能的装置是天线和线圈。电子标签进入RFID系统工作区后，天线接收特定的电磁波，线圈产生感应电流供给电子标签工作，在有障碍物的情况下，读写器的能量必须来回穿过障碍物两次。这类系统一般用于门禁或交通系统中，因为读写器可以确保只激活一定范围内的电子标签。（3）半主动式电子标签 在半主动式RFID系统里，电子标签本身带

17、有电池，但是电子标签并不通过自身能量主动发送数据给读写器，电池只负责对电子标签内部电路供电。电子标签需要被读写器的能量激活，然后才通过反向散射调制方式传送自身数据。一般来讲，无源系统为被动式，有源系统为主动式。2.1 RFID技术基础知识 依据封装形式，RFID标签可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等；根据耦合方式、工作频率和作用距离的不同，RFID无线信号传输分为电感耦合方式和电磁反向散射耦合方式两种；按照数据在RFID读写器和标签之间的通信方式，可以分为全双工系统、半双工系统和时序系统等。RFID的种类及特点2.1 RFID技术基础知识RFID技

18、术起源于第二次世界大战时期，该技术被英军用于识别敌我双方的飞机，此系统称为敌我识别系统（Identification Friend or Foe System，IFFS）。IFFS通过雷达发射微波查询信号，英方飞机上安装的识别电子标签可以对微波信号做出相应回执，这种技术在20世纪50年代成为现代空中交通管制的基础，也是早期RFID技术的萌芽，主要应用在军事、实验室等。1948年HarryStockman的一篇具有里程碑意义的RFID研究论文“Communication by Means of Reflected Power”，以及信息技术（如晶体管集成电路、微处理芯片、通信网络等新技术）的发展

19、，拉开了RFID技术的研究序幕。20世纪60年代出现了一系列的RFID技术论文及专利文献，RFID的应用此时也应运而生，出现了商用RFID系统电子商品监视（Electronic Article Surveillance，EAS）设备。EAS被认为是RFID技术最早且最广泛应用于商业领域的系统。20世纪70年代，RFID技术成为人们研究的热门课题，各种机构都开始致力于RFID技术的开发，出现了一系列的研究成果，并且将RFID技术成功应用于自动汽车识别（Automatic Vehicle Identification，AVI）的电子计费系统、动物跟踪及工厂自动化等。0102032.1 RFID技术

20、基础知识20世纪80年代是充分使用RFID技术的十年，更加完善的RFID应用开始涌现。世界各个国家对RFID的应用兴趣不尽相同，在美国RFID技术主要应用于传输业和访问控制，在欧洲则是将短距离通信的RFID技术应用于动物监控。第一个实用的RFID电子收费系统于1987年在挪威正式投入使用。1989年美国达拉斯南部高速公路也开始使用不停车收费系统，纽约港务局和新泽西港务局在林肯路的汽车入口处也使用了RFID系统。在欧洲，微型电路（EM）从1971年开始研究超低功率的集成电路。1982年，米克朗集成微电子学开始了ASIC（专用集成电路）技术，并在1987年由其奥地利分公司开始开发识别和智能卡芯片。

21、2.1 RFID技术基础知识20世纪90年代是RFID发展史上最为重要的十年，在这期间电子收费系统在美国开始大量部署，在北美共约有3亿个RFID标签被安装在汽车尾部。1991年，世界第一个高速公路不停车收费系统在美国俄克拉何马州开始投入使用。1992年，世界第一个电子收费系统和交通管理系统的集成系统在美国休斯顿安装并使用。多个地区和公司开始注意到系统之间的互操作性，即运行频率和通信协议的标准化问题。只有提供了统一的标准，RFID才能在更广泛的领域得到应用。例如，当时E-zPass系统能够兼容美国七大地区的电子收费系统，通过这套系统，附带同一个标签的汽车在七大地区均可使用。1995年，飞利浦半导

22、体公司收购了Mikron Graz。如今微型电路和飞利浦半导体公司是欧洲的主要RFID厂商。从技术上看，数年前，所部署的RFID应用基本上都是低频（LF）和高频（HF）的被动式RFID技术。低频和高频系统都具有优先的数据传输速度和有效距离。有效距离限制了可部署性，数据传输速度则限制了其可伸缩性。因此，20世纪90年代后期，开始出现甚高频（UHF）的主动式标签技术，提供更远的传输距离，更快的传输速度。2.1 RFID技术基础知识目前，我国的RFID产业链已经逐步形成，产业链中包括如下7个主要环节：RFID标准制定；RFID芯片制造和设计 天线设计和制造 封装技术 标签材料的后续加工 系统和数据管

23、理软件平台的构建 RFID应用系统的开发标签制造商主要使用封装完毕后的标签材料进行后续加工，处于产业链中的第5个环节。目前，中国已经将RFID技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理、动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通及生产过程管理等多个领域。2.2 RFID系统组成 RFID系统组成2RFID的工作过程是标签进入磁场通过天线接收读写器发出的射频信号凭借感应电流的能量将储存在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签）发送出去，或是以自身能量源主动发送 某 频 率 的 信 号（有源标签或主动标签）读写器接收标签信息并译码后，送至中央信息系统进行相关处理2.2 RFID系统组成从RFID的工作过

24、程可以看出，最简单的RFID系统是由电子标签、读写器和天线三部分组成，完整RFID系统还应包括主机。RFID系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，系统的组成会有所不同，但从RFID系统的工作原理来看，系统一般都是由信号发射机、信号接收机、发射接收天线等几部分组成。RFID系统结构图2.2 RFID系统组成1信号发射机信号发射机典型的形式是电子标签，也即射频卡。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息。在RFID系统中，信号发射机为了不同的应用目的，会以不同的形式存在，典型的形式是标签。另外，与条码不同的是，标签必须能够自动或在外力的作用下，把存储的信息主动发射

25、出去。2信号接收机在RFID系统中，信号接收机一般叫做读写器或阅读器。读写器的基本功能：u提供与标签进行数据传输的途径。u提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能等。2.2 RFID系统组成标签中除了存储需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息，如错误校验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起，并按照特定的顺序向外发送。读写器通过接收到的信息来控制数据流的发送。一旦到达读写器的信息被正确的接收和译解后，读写器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信号重发一次，或者知道发射器停止发信号，这就是“命令响应协议”。使用这种协议，即便在很短的时间、很小的空间读写多个标签，

26、也可以有效地防止“欺骗问题”的产生。3只有可读可写标签系统才需要编程器。编程器是向标签写入数据的装置。编程器写入数据一般来说是离线完成的，也就是预先在标签中写入数据，等到开始应用时直接把标签黏附在被标识项目上。也有一些RFID应用系统，写数据是在线完成的，尤其是在生产环境中作为交互式便携数据文件来处理时。编程器2.2 RFID系统组成4天线天线是标签与读写器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。小1 m的近距离应用系统的RFID天线一般采用工艺简单、成本低的线圈型天线，它们主要工作在中低频

27、段。而1 m以上远距离的应用系统需要采用微带贴片型或偶极子型的RFID天线，它们工作在高频及微波频段。这几种类型天线的工作原理是不相同的。线圈型微带贴片型偶极子型2.2 RFID系统组成若从功能实现考虑，可将RFID系统分成边沿系统和软件系统两大部分。这种观点同现代信息技术观点相吻合。边沿系统主要是完成信息感知，属于硬件组件部分；软件系统完成信息的处理和应用；通信设施负责整个RFID系统的信息传递；2.2 RFID系统组成 RFID系统中的软件组件2RFID系统中的软件组件主要完成数据信息的存储、管理及对RFID标签的读写控制，是独立于RFID硬件之上的部分。RFID系统归根结底是为应用服务的

28、，读写器与应用系统之间的接口通常由软件组件来完成。RFID软件组件边沿接口系统中间件企业应用接口应用软件2.2 RFID系统组成1边沿接口系统边沿接口系统主要完成RFID系统硬件与软件之间的连接，通过使用控制器实现同RFID硬软件之间的通信。2.2 RFID系统组成2RFID中间件RFID中间件是介于读写器和后端软件之间的一组独立软件，它能够与多个RFID读写器和多个后端软件应用系统连接。应用程序使用中间件所提供的通用应用程序接口（API），就能够连接到读写器，读取RFID标签数据。中间件屏蔽了不同读写器和应用程序后端软件的差异，从而减轻了多对多连接的设计与维护的复杂性。使用RFID中间件的主

29、要目的 隔离应用层和设备接口；处理读写器和传感器捕获的原始数据，使应用层看到的都是有意义的高层事件，大大减少所需处理的信息；提供应用层接口用于管理读写器和查询RFID观测数据，目前大多数可用的RFID中间件都有这些特性。2.2 RFID系统组成3企业应用接口企业应用接口是RFID前端操作软件，主要是提供给RFID设备操作人员使用的，如手持读写设备上使用的RFID识别系统；超市收银台使用的结算系统；门禁系统使用的监控软件；此外还应当包括将RFID读写器采集到的信息向软件系统传送的接口软件。2.2 RFID系统组成（1）读/写功能 读功能就是从电子标签中读取数据，写功能就是将数据写入电子标签。这中

30、间涉及编码和调制技术的使用，例如采用FSK还是ASK方式发送数据。（2）防碰撞功能 很多时候不可避免地会有多个电子标签同时进入读写器的读取区域，要求同时识别和传输数据，这时就需要前端软件具有防碰撞功能。具有防碰撞功能的RFID系统可以同时识别进入识别范围内的所有电子标签，其并行工作方式大大提高了系统的效率。前端软件最重要的功能是保障电子标签和读写器之间的正常通信，通过硬件设备的运行和接收高层的后端软件控制来处理和管理电子标签和读写器之间的数据通信。2.2 RFID系统组成（3）安全功能 确保电子标签和读写器双向数据交换通信的安全。在前端软件设计中可以利用密码限制读取标签内信息、读写一定范围内的

31、标签数据及对传输数据进行加密等措施来实现安全功能，也可以使用硬件结合的方式来实现安全功能。标签不仅提供了密码保护，而且能对数据从标签传输到读取器的过程进行加密，而不仅是对标签上的数据进行加密。（4）检/纠错功能 由于使用无线方式传输数据很容易被干扰，使得接收到的数据产生畸变，从而导致传输出错。前端软件可以采用校验和的方法，如循环冗余校验（CRC）、纵向冗余校验（LRC）、奇偶校验等检测错误。可以结合自动重传请求（ARQ）技术重传有错误的数据来纠正错误，以上功能也可以通过硬件来实现。2.2 RFID系统组成4应用软件由于信息是为生产决策服务的，因此，RFID系统所采集的信息最终要向后端应用软件传

32、送，应用软件系统需要具备相应的处理RFID数据的功能。应用软件的具体数据处理功能需要根据客户的具体需求和决策的支持度来进行软件的结构与功能设计。应用软件也是系统的数据中心，它负责与读写器通信，将读写器经过中间件转换之后的数据，插入到后台企业仓储管理系统的数据库中，对电子标签管理信息、发行电子标签和采集的电子标签信息集中进行存储和处理。（1）RFID系统管理 管理系统设置及系统用户信息和权限。（2）电子标签管理 在数据库中管理电子标签序列号和每个物品对应的序号及产品名称、型号规格，芯片内记录的详细信息等，完成数据库内所有电子标签的信息更新。（3）数据分析和存储 对整个系统内的数据进行统计分析，生

33、成相关报表，对采集到的数据进行存储管理。2.2 RFID系统组成 RFID中间件技术2RFID中间件技术将企业级中间件技术延伸到RFID领域，是RFID产业链的关键共性技术。它是RFID读写器和应用系统之间的中介。RFID中间件屏蔽了RFID设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑，从而驱动更广泛、更丰富的RFID应用。1RFID中间件的组成RFID中间件（即RFID Edge Server）是EPCglobal推荐的RFID应用框架中相当重要的一环，它负责实现与RFID硬件及配套设备的信息交互与管理，同时作为一个软硬件集成的桥梁，完成与上层复杂应用的信息交换。鉴于使用中间件的3

34、个主要原因，大多数中间件应由读写器适配器、事件管理器和应用程序接口3个组件组成。2.2 RFID系统组成 读写器适配器的作用是提供读写器接口。假若每个应用程序都编写适应于不同类型读写器的API程序，那将是非常麻烦的事情。读写器适配器程序提供一种抽象的应用接口，来消除不同读写器与API之间的差别。（1）读写器适配器 事件管理器的作用是过滤事件。读写器不断从电子标签读取大量未经处理的数据，一般说来应用系统内部存在大量重复数据，因此数据必须进行去重和过滤。而不同的数据子集，中间件应能够聚合汇总应用系统定制的数据集合。事件管理器就是按照规则取得指定的数据。过滤有两种类型，一是基于读写器的过滤；二是基于

35、标签和数据的过滤。提供这种事件过滤的组件就是事件管理器。（2）事件管理器 应用程序接口的作用是提供一个基于标准的服务接口。这是一个面向服务的接口，即应用程序层接口，它为RFID数据的收集提供应用程序层语义。（3）应用程序接口2.2 RFID系统组成2RFID中间件的主要功能RFID中间件的任务主要是对读写器传来的与标签相关的数据进行过滤、汇总、计算、分组，减少从读写器传往应用系统的大量原始数据，生成加入了语义解释的事件数据。因此说，中间件是RFID系统的“神经中枢”，也是RFID应用的核心设施。RFID中间件最基本的功能是从多种不同读写器中实时采集数据。在当前的形势，RFID应用处于起始阶段，

36、特别是在物流等行业，条码等还是主要的识别方式，而且现在不同生产商提供的RFID读写器接口未能标准化，功能也不尽相同，这就要求中间件能兼容多种读写器。（1）数据实时采集2.2 RFID系统组成 RFID的特性决定了它在短时间内能产生海量的数据，而这些数据有效利用率非常低，必须经过过滤聚合处理，缩减数据的规模。此外，RFID本身具有错读、漏读和多读等在硬件上无法避免的问题，通过软件的方法弥补，事件的平滑过滤可确保RFID事件的一致性、准确性。这不但需要进行数据底层处理，也需要进行高级处理功能，即事件处理。（2）数据处理 RFID产生的数据最终的目的是数据的共享，随着部署RFID应用的企业增多，大量

37、应用出现推动数据共享的需求，高效快速地将物品信息共享给应用系统，提高了数据利用的价值，是RFID中间件的一个重要功能。这主要涉及数据的存储、订阅和分发，以及浏览器控制。（3）数据共享 RFID中间件采集了大量的数据，并把这些数据共享，这些数据可能是很敏感的数据，比如个人隐私，这就需要中间件实现网络通信安全机制，根据授权提供给应用系统相应的数据。（4）安全服务2.2 RFID系统组成3RFID中间件的工作机制及特点从理论上讲，中间件的工作机制为：在客户端上的应用程序需要从网络中的某个地方获取一定的数据或服务，这些数据或服务可能处于一个运行着不同操作系统的特定查询语言数据库的服务器中。客户/服务器

38、应用程序中负责寻找数据的部分只需访问一个中间件系统，由中间件完成到网络中寻址数据源或服务，进而传输客户请求、重组答复信息，最后将结果送回应用程序的任务。中间件作为一个用API定义的软件层，在具体实现上应具有强大的通信能力和良好的可扩展性。作为一个中间件应具备：标准的协议和接口，具备通用性、易用性；分布式计算，提供网络、硬件、操作系统透明性；满足大量应用需要；能运行于多种硬件和操作系统平台。其中，具有标准的协议和接口更为重要，因为由此可实现不同硬件、操作系统平台上的数据共享、应用互操作。2.2 RFID系统组成4RFID中间件体系结构根据RFID应用需求，中间件必须具备通用性、易用性、模块化等特

39、点。&对于通用性要求，系统采用面向服务架构（Service Oriented Architecture，SOA）的实现技术，Web Services以服务的形式接受上层应用系统的定制要求并提供相应服务，通过读写器适配器提供通用的适配接口以“即插即用”的方式接收读写器进入系统；&对于易用性要求，系统采用B/S结构，以Web服务器作为系统的控制枢纽，以Web浏览器作为系统的控制终端，可以远程控制中间件系统及下属的读写器。并发访问技术目录服务及定位技术数据及设备监控技术远程数据访问技术安全和集成技术进程及会话管理技术数据读出和写入数据过滤和聚合数据的分发数据的安全2.2 RFID系统组成例如，根据S

40、OA的分布式架构思想，RFID中间件可按照SOA类型来划分层次，每一层都有一组独立的功能及定义明确的接口，而且都可以利用定义明确的规范接口与相邻层进行交互。由此，便于把功能组件合理划分为相对独立的模块，使系统具备更好的可维护性和可扩展性。中间件系统设备管理系统（包括数据采集及预处理）事件处理数据服务接口模块按照数据流程2.2 RFID系统组成读写器传递上来的数据存在着大量的冗余信息及一些误读的标签信息，所以要对数据进行过滤，消除冗余数据。预处理内容包括集中处理所属读写器采集到的标签数据，并统一进行冗余过滤、平滑处理、标签解读等工作。经过处理后，每条标签内容包含的信息有标准EPC格式数据、采集的

41、读写器编号、首次读取时间、末次读取时间等，并以一个读周期为时间间隔，分时向事件处理子系统发送，为进一步的数据高级处理做好必要准备。1）设备管理系统设备管理系统实现的主要功能一是为网络上的读写器进行适配，并按照上层的配置建立实时的UDP连接并做好接收标签数据的准备；二是对接收到的数据进行预处理。2.2 RFID系统组成各种应用程序以不同的方式频繁地从RFID系统中取得数据2）事件处理有限的网络带宽设计一套消息传递系统设备管理系统产生事件，并将事件传递到事件处理系统中，由事件处理系统进行处理，然后通过数据服务接口把数据传递到相关的应用系统。在这种模式下，读写器不必关心哪个应用系统需要什么数据。同时

42、，应用程序也不需要维护与各个读写器之间的网络通道，仅需要将需求发送到事件处理系统中即可。基于内容的路由功能；数据分类存储功能;数据缓存功能；2.2 RFID系统组成来自事件处理系统的数据一般以临时XML文件的形式和磁盘文件方式保存，供数据服务接口使用。一方面可通过操作临时XML文件，实现数据入库前数据过滤功能；另一方面又实现了RFID数据的批量入库，而不是对于每条来自设备管理系统的RFID数据都进行一次数据库的连接和断开操作，减少了因数据库连接和断开而浪费的宝贵资源。2.2 RFID系统组成3）数据服务接口来自事件处理系统的数据最终是分类的XML文件。同一类型的数据以XML文件的形式保存，并提

43、供给相应的一个或多个应用程序使用。而数据服务接口主要是对这些数据进行过滤、入库操作，并提供访问相应数据库的服务接口。（1）将存放在磁盘上的XML文件进行批量入库操作，当XML数据量达到一定数量时，启动数据入库功能模块，将XML数据移植到各种数据库中。（2）在数据移植前将重复的数据过滤掉。数据过滤过程一般在处理临时存放的XML文件的过程中完成。（3）为企业内部和企业外部访问数据库提供Web Services接口。2.3 RFID系统原理RFID系统的基本工作原理为：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使得电子标签将自身编码信息

44、通过内置天线发射出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线的调制器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送到后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出信号控制读写器完成不同的读写操作。2.3 RFID系统原理从电子标签到读写器之间的通信和能量感应方式来看，RFID系统主要有电感耦合（磁耦合）和电磁反向散射耦合（电磁场耦合）两种。电感耦合方式一般适合于中、低频率工作的近距离RFID系统；电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作频率的远距离RFID系统。（a）电感耦合方式 （b）电磁反向散射耦合方式

45、电感耦合和电磁反向散射耦合原理图2.3 RFID系统原理电感耦合RFID系统2电感耦合的射频载波频率为13.56 MHz和小于135 kHz的频段，识别作用距离小于1 m，典型作用距离为1020 cm。电感耦合方式的电路结构2.3 RFID系统原理1应答器（电子标签）的能量供给电磁耦合方式的应答器几乎都是无源的，能量（电源）从读写器获得。由于读写器产生的磁场强度受到电磁兼容性能有关标准的严格限制，因此系统的工作距离较近。Vs为射频信号源，L1和C1构成谐振回路（谐振于Vs的频率），Rs是射频源的内阻，R1是电感线圈L1的损耗电阻。Vs在L1上产生高频电流i，谐振时高频电流i最大，高频电流产生的

46、磁场穿过线圈，并有部分磁力线穿过距离读写器电感线圈L1一定距离的应答器线圈L2。由于所有工作频率范围内的波长（13.56 MHz的波长为22.1 m，135 kHz的波长为2 400 m）比读写器和应答器线圈之间的距离大很多，所以两线圈之间的电磁场可以视为简单的交变磁场。2.3 RFID系统原理穿过电感线圈L2的磁力线通过感应，在L2上产生电压，将其通过VD和C0整流滤波后，即可产生应答器工作所需的直流电压。电容器C2的选择应使L2和C2构成对工作频率谐振的回路，以使电压V2达到最大值。电感线圈L2可以看做变压器初次级线圈，不过它们之间的耦合很弱。读写器和应答器之间的功率传输效率与工作频率、应

47、答器线圈的匝数、应答器线圈包围的面积、两线圈的相对角度，以及它们之间的距离是成比例的。因为电感耦合系统的效率不高，所以只适合于低电流电路。只有功耗极低的只读电子标签（小于135 kHz）可用于1 m以上的距离。具有写入功能和复杂安全算法的电子标签的功率消耗较大，因而其一般的作用距离为15 cm。2.3 RFID系统原理2数据传输应答器向读写器的数据传输采用负载调制方法。应答器二进制数据编码信号控制开关器件，使其电阻发生变化，从而使应答器线圈上的负载电阻按二进制编码信号的变化而改变。负载的变化通过L2映射到L1，使L1的电压也按二进制编码规律变化。该电压的变化通过滤波放大和调制解调电路，恢复应答

48、器的二进制编码信号，这样，读写器就获得了应答器发出的二进制数据信息。提示电感耦合系统是通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。电磁反向散射耦合系统，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。2.3 RFID系统原理 电磁反向散射耦合RFID系统2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433 MHz，915 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz，识别作用距离大于1 m，典型作用距离为310 m。1反向散射雷达技术为RFID的反向散射耦合方式提供了理论和应用基础。当电磁波遇到空间目标

49、时，其能量的一部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向。在散射的能量中，一小部分反射回发射天线，并被天线接收（因此发射天线也是接收天线），对接收信号进行放大和处理，即可获得目标的有关信息。2.3 RFID系统原理2RFID反向散射耦合方式一个目标反射电磁波的频率由反射横截面来确定。反射横截面的大小与一系列的参数有关，如目标的大小、形状和材料，电磁波的波长和极化方向等。由于目标的反射性能通常随频率的升高而增强，所以RFID反向散射耦合方式采用特高频和超高频，应答器和读写器的距离大于1 m。收发通信系统读写器应答器天线2.3 RFID系统原理无源应答器的能量由读写器提供，读写器天线发射的

50、功率P1经自由空间衰减后到达应答器，到达功率中被吸收的功率经应答器中的整流电路后形成应答器的工作电压。在UHF（特高频）和SHF（超高频）频率范围，有关电磁兼容的国际标准对读写器所能发射的最大功率有严格的限制，因此在有些应用中，应答器采用完全无源方式会有一定困难。为解决应答器的供电问题，可在应答器上安装附加电池。为防止电池不必要的消耗，应答器平时处于低功耗模式，当应答器进入读写器的作用范围时，应答器由获得的射频功率激活，进入工作状态。1）应答器的能量供给2.3 RFID系统原理由读写器传到应答器的功率的一部分被天线反射，反射功率P2经自由空间后返回读写器，被读写器天线接收。接收信号经收发耦合器