RFID技术及应用 9787302448891

前    言
　　物联网技术近几年来得到了充分的发展。在物联网技术中，自动识别是非常重要的。因为物联网终需要实现机器与机器之间的自主学习、自主通信和相互控制，而这就需要有自动识别技术。条形码和二维码是自动识别技术的一种尝试，但由于这类识别手段有内在的缺陷，导致仍然无法实现完全的自动识别。
　　射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术的出现，让自动识别有了真正实现的可能。尽管射频技术历史久远，但作为自动识别手段，也只是近些年来的事情。
　　射频识别技术是通过无线电波进行数据传递的自动识别技术，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，其识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境中。
　　与条码识别、磁卡识别和IC卡识别等技术相比，射频识别技术以特有的无接触、抗干扰能力强、可同时识别多个物品等优点，逐渐成为自动识别领域中秀和应用广泛的技术之一，是目前重要的自动识别技术。
　　本书共分为9章。
　　第1章主要介绍射频识别技术的发展历史；第2章主要介绍射频识别技术的工作原理；第3、第4章深入讨论射频识别技术的编解码原理和数据传输等问题；第5章介绍射频识别技术与EPC体系的关系；第6章介绍射频识别技术与M2M体系的关系；第7章介绍射频识别技术中间件开发技术；第8章介绍射频识别技术应用过程中涉及的信息安全问题；第9章给出大量的射频识别技术应用实例，供读者参考。
　　本书具有以下特点。
* 体系清晰：对射频识别技术与物联网其他领域技术的关系进行完整的阐述。
* 知识面广：通过大量的应用实例，说明射频识别技术在物联网技术中的重要作用，及在生产、生活中的广泛应用。
* 浅显易懂：适当减少射频识别技术理论性的内容，增加大量实例应用，着重体现其技术性和实用性。
　　本书的第1、5、6、7章由王佳斌编写，第4、8章由张维纬编写，第3章由王佳斌和张维纬联合编写；第2、9章由黄诚惕编写。全书由王佳斌统稿。
　　本书文字打印和绘图由宋春红、陈丽枫完成。
　　本书在编写过程中，得到清华大学出版社编辑、华侨大学工学院领导和教师的大力支持，在此表示感谢！此外，本书在编写过程中，参考了众多的书籍和网络资料，在此对书籍和资料的作者一并表示感谢！
　　由于作者水平有限，书中难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正。

　　无线射频识别技术（RFID）随着近年来物联网技术的发展，在各领域中的应用日益广泛，是物联网技术的重要内容之一，也是高校物联网工程专业的必修课之一。
　　《RFID技术及应用/高等院校物联网专业规划教材》先从RFID的发展历史及现行主流标准入手，介绍RFID技术的基本工作原理及相关技术，详细解析RFID技术编解码及解决数据碰撞问题的方案；然后通过RFID在EPC体系及M2M技术中的重要应用，展现RFID在物联网技术领域中的重要地位；并通过RFID中间件设计及相应网络的安全分析，完善整个RFID技术体系的内容；后，通过RFID的若干实际应用案例，让读者更加深入地理解RFID技术及其应用。
　　《RFID技术及应用/高等院校物联网专业规划教材》内容综合了RFID的基础知识、实际应用及与物联网技术相关的其他领域的有关知识，由浅入深、循序渐进，涉及面广，实用性强，可作为高校物联网工程专业本科生、研究生的专业教材，还可供相关领域的工程技术人员参考使用。

第1章 射频识别技术概述
1．1 自动识别技术
1．1．1 自动识别技术的概念
1．1．2 自动识别技术的分类
1．1．3 RFID技术
1．2 射频技术及其特点
1．2．1 RFID的发展简史
1．2．2 RFID的发展现状
1．3 RFID技术标准
1．3．1 全球三大标准体系的比较
1．3．2 超高频RFID技术协议标准的发展与应用
1．3．3 不同频率的标签和标准
本章小结
习题

第2章 RFID的工作原理
2．1 RFID的基本工作原理
2．2 RFID系统的构成
2．2．1 RFID的基本组成
2．2．2 电子标签
2．2．3 读写器
2．2．4 系统高层
2．3 耦合方式
2．3．1 电感耦合方式
2．3．2 反向散射耦合方式
2．4 电感耦合方式的射频前端
2．4．1 读写器的功能与分类
2．4．2 标签的功能与类别
2．5 天线
2．5．1 天线的工作模式
2．5．2 天线的基本参数
2．5．3 天线的设计要求
本章小结
习题

第3章 编码与调制
3．1 信号和编码
3．1．1 数据和信号
3．1．2 信道
3．1．3 编码
3．2 RFID中常用的编码方式和编/解码器
3．2．1 曼彻斯特码和密勒码
3．2．2 修正密勒码
3．3 脉冲调制
3．3．1 FSK方式
3．3．2 PSK方式
3．3．3 副载波调制和调解
3．4 正弦波调制
3．4．1 载波
3．4．2 调幅
3．4．3 数字调频和调相
本章小结
习题

第4章 数据校验和防碰撞算法
4．1 差错检测
4．1．1 差错的性质和表示方法
4．1．2 差错控制
4．1．3 检纠错码
4．1．4 数字通信系统的性能
4．1．5 RFID中的差错检测
4．2 防碰撞算法
4．2．1 Aloha算法
4．2．2 二进制树型搜索算法
4．3 ISO/IEC 14443标准中的防碰撞协议
4．3．1 TYPE A的防碰撞协议
4．3．2 TYPE B的防碰撞协议
4．4 碰撞检测
4．5 防碰撞RFID系统设计实例
4．5．1 无源RFID芯片MC
4．5．2 基于FSK脉冲调制方式的碰撞检测方法
4．5．3 FSK防碰撞读写器的设计
本章小结
习题

第5章 RFID与EPC
5．1 EPC基础
5．1．1 EPC的定义
5．1．2 EPC的产生
5．1．3 EPC系统的构成
5．1．4 EPC系统的特点
5．1．5 EPC系统的工作流程
5．1．6 EPC在国内外的发展状况
5．2 编码体系
5．2．1 EPC标准
5．2．2 GS1全球统一标识系统
5．2．3 EPC编码体系
5．2．4 EPC编码策略
5．2．5 EPC编码实现
5．3 EPC系统网络技术
5．3．1 EPCglobal网络与全球数据同步网络（GDSN）
5．3．2 中间件
5．3．3 ONS的工作原理
5．3．4 EPC信息服务（EPCIS）
5．4 EPC射频识别系统
5．4．1 EPC与自动识别技术
5．4．2 EPC与射频识别技术
5．4．3 EPC标签
5．4．4 EPC标签识读器
5．4．5 EPC射频识别系统的建设
本章小结
习题

第6章 RFID与M2M
6．1 什么是M2M
6．1．1 M2M的发展现状
6．1．2 M2M的业务模式
6．1．3 促进M2M技术的成熟
6．2 M2M高层框架及标准
6．2．1 M2M高层框架介绍
6．2．2 M2M标准
6．3 M2M需要RFID技术
6．3．1 自动识别技术是M2M可以实施的关键
6．3．2 RFID应用于M2M技术
6．4 M2M技术在贸易与物流中的应用
6．4．1 为什么要在物流中应用
6．4．2 发展现状
6．4．3 预测和前景
6．4．4 纵向M2M集成
本章小结
习题

第7章 RFID中间件的设计
7．1 为什么需要RFID中间件
7．1．1 背景介绍
7．1．2 中间件介绍
7．2 RFID中间件设计依赖的技术
7．3 RFID中间件的设计方法
本章小结
习题

第8章 RFID信息安全
8．1 信息安全概述
8．2 密码学基础
8．2．1 密码学的基本概念
8．2．2 密码体制的原则
8．2．3 对称密码体制
8．2．4 非对称密码体制
8．3 序列密码（流密码
8．3．1 序列密码体制的结构框架
8．3．2 m序列
8．3．3 非线性反馈移位寄存器序列
8．4 密钥管理
8．5 射频识别中的认证技术
本章小结
习题

第9章 物联网RFID应用实例
9．1 沃尔玛全面推进RFID/EPC在供应链中的应用
9．2 班加罗尔心脏病诊疗中心应用UHF RFID标签
9．3 意大利纺织商应用EPC系统追踪卷板布匹
9．4 葡萄牙家具制造商在生产线应用无源UHF RFID标签
9．5 海尔美国应用RFID超高频标签标识冰箱冰柜产品
9．6 上海世博会采用RFID门票
9．7 RFID在交通领域的应用
9．8 上海浦东国际机场防入侵系统
9．9 博物馆利用RFID技术拓展参观者体验
9．10 食品物流RFID监控溯源系统
9．11 医院智能管理系统
9．12 智慧型药盒与RFID药罐提醒老年人准时服药
9．13 RFID在物流管理中的应用
9．14 RFID无线实时定位系统
9．15 RFID在农业中的应用
9．16 RFID在畜牧业中的应用
本章小结
习题

参考文献

　　无线射频识别技术（RFID）随着近年来物联网技术的发展，在各领域中的应用日益广泛，是物联网技术的重要内容之一，也是高校物联网工程专业的必修课之一。
　　《RFID技术及应用/高等院校物联网专业规划教材》先从RFID的发展历史及现行主流标准入手，介绍RFID技术的基本工作原理及相关技术，详细解析RFID技术编解码及解决数据碰撞问题的方案；然后通过RFID在EPC体系及M2M技术中的重要应用，展现RFID在物联网技术领域中的重要地位；并通过RFID中间件设计及相应网络的安全分析，完善整个RFID技术体系的内容；后，通过RFID的若干实际应用案例，让读者更加深入地理解RFID技术及其应用。
　　《RFID技术及应用/高等院校物联网专业规划教材》内容综合了RFID的基础知识、实际应用及与物联网技术相关的其他领域的有关知识，由浅入深、循序渐进，涉及面广，实用性强，可作为高校物联网工程专业本科生、研究生的专业教材，还可供相关领域的工程技术人员参考使用。

与条码识别、磁卡识别和IC卡识别等技术相比，射频识别技术以特有的无接触、抗干扰能力强、可同时识别多个物品等优点，逐渐成为自动识别领域中秀和应用广泛的技术之一，是目前重要的自动识别技术。
　　本书共分为9章。
　　第1章主要介绍射频识别技术的发展历史；第2章主要介绍射频识别技术的工作原理；第3、第4章深入讨论射频识别技术的编解码原理和数据传输等问题；第5章介绍射频识别技术与EPC体系的关系；第6章介绍射频识别技术与M2M体系的关系；第7章介绍射频识别技术中间件开发技术；第8章介绍射频识别技术应用过程中涉及的信息安全问题；第9章给出大量的射频识别技术应用实例，供读者参考。
　　本书具有以下特点。
* 体系清晰：对射频识别技术与物联网其他领域技术的关系进行完整的阐述。
* 知识面广：通过大量的应用实例，说明射频识别技术在物联网技术中的重要作用，及在生产、生活中的广泛应用。
* 浅显易懂：适当减少射频识别技术理论性的内容，增加大量实例应用，着重体现其技术性和实用性。

第1章  射频识别技术概述

学习目标
　　1. 掌握自动识别技术的种类。
　　2. 了解RFID技术的发展历史及现状。
　　3. 掌握RFID技术的体系及其产业发展趋势。

　　
知识要点
　　自动识别技术、射频识别技术、射频识别技术体系及产业发展趋势。

1.1  自动识别技术
　　人类社会步入信息时代后，人们获取和处理的信息量在不断增大。传统的信息采集是通过人工手段录入的，不仅工作强度大，而且差错率高。以计算机和通信技术为基础的自动识别技术，可以对目标对象自动辨认，并可以工作在各种环境下，使人类能够对大量信息进行及时、准确的处理。自动识别技术可以对每个物品进行标识和识别，并可以实时更新数据，是构建全球物品信息实时共享的基础，是物联网的重要组成部分。
1.1.1  自动识别技术的概念
　　自动识别技术，是用机器来识别不同物品的众多技术的总称。具体地说，就是使用识别装置，通过被识别物品与识别装置之间的接近运动，自动获取被识别物品的相关信息。
　　自动识别技术是一种高度自动化的信息(数据)采集技术，可对记录了字符、影像、条码、声音、信号等信息的载体进行自动识别，自动地获取被标识物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统，来完成相关的后续处理。
　　以往的信息识别和管理中，多采用单据、凭证、传票为载体，以手工记录、电话沟通、人工计算、邮寄或传真等方法，对信息进行采集、记录、处理、传递和反馈，不仅极易出现差错，也使管理者对物品在流动过程中的各个环节难以统筹协调，不能系统地控制，更无法实现系统优化和实时监控，导致效率低下和人力、运力、资金、场地的大量浪费。
　　近几十年来，自动识别技术在全球范围内得到了迅猛发展，极大地提高了数据采集和信息处理的速度，改善了人们的工作和生活环境，提高了工作效率，并为管理的科学化和现代化做出了重要贡献。
　　自动识别技术可以在制造、物流、防伪和安全等多个领域中应用，可以采用光识别、电识别、射频识别等多种识别方式，是集计算机、光、电、通信和网络技术于一体的高技术学科。
1.1.2  自动识别技术的分类
　　根据应用领域和具体特征，自动识别技术可分为条码识别技术、生物识别技术、图像识别技术、磁卡识别技术、IC卡识别技术、光学字符识别技术和射频识别技术等。这里介绍几种典型的自动识别技术，分别采用了不同的数据采集技术。其中，对条码使用光识别技术、对磁卡使用磁识别技术、对IC卡使用电识别技术、对射频标签使用无线识别技术。
1．条码识别技术
　　条码是由一组线条、空白条和数字符号组成的，按一定编码规则排列的，用以表示一定字符、数字及符号的标签信息载体。条码是利用红外光或可见光进行识别的。由扫描器发出的红外光或可见光照射条码，条码中深色的"条痕"吸收光，浅色的"空白"将光反射回扫描器，扫描器将光反射信号转换成电子脉冲，再由译码器将电子脉冲转换成数据，后传至后台，完成对条码的识别。
　　目前，条码的种类很多，大体上可以分为一维条码和二维条码两种。一维条码和二维条码都有许多码制。条码中，条、空图案对数据不同的编码方法，构成了不同形式的码制。不同码制有各自不同的特点、可以用于一种或若干种应用场合。
　　(1) 一维条码。
　　一维条码有许多种码制，包括Code25码、Code128码、EAN-13码、EAN-8码、ITF25码、库德巴码、Matrix码和UPC-A码等。如图1-1所示为几种常用的一维条码样图。
          
                   (a) EAN-13码         (b) EAN-8码          (c) UPC-A码
图1-1  几种常用的一维条码样图
　　目前流行的一维条码是EAN-13条码。EAN-13条码由13位数字组成，其中，前3位数字为前缀码，目前国际物品编码协会分配给我国并已经启用的前缀码为690~692。当前缀码为690或691时，第4~7位数字为厂商代码，第8~12位数字为商品项目代码，第13位数字为校验码；当前缀码为692时，第4~8位数字为厂商代码，第9~12位数字为商品项目代码，第13位数字为校验码。EAN-13条码的构成如图1-2所示。

              (a) 当前缀码为690时                         (b) 当前缀码为692时
图1-2  EAN-13条码的构成
　　(2) 二维条码。
　　二维条码技术是在一维条码无法满足实际应用需求的前提下产生的。二维条码在横向和纵向两个方位同时表达信息，因此，能在很小的面积内表达大量信息。目前有几十种二维条码，常用的码制有Data Matrix码、QR Code码、Maxicode码、PDF417码、Code49码、Code 16K码和Codeone码等。如图1-3所示为几种常用的二维条码样图。
   
                (a) Data Matrix码         (b) QR Code码         (c) Maxicode码
图1-3  几种常用的二维条码样图
　　

2．磁卡识别技术
　　磁卡，从本质意义上讲，与计算机用的磁带或磁盘是一样的，它可以用来记载字母、字符及数字信息。磁卡是一种磁介质记录卡片，通过黏合或热合，与塑料或纸牢固地整合在一起，能防潮、耐磨且有一定的柔韧性，携带方便，较为稳定可靠。
　　磁卡记录信息的方法是变化磁极。在磁性变化的地方具有相反的极性(如S-N或N-S)，识读器材能够在磁条内探测到这种磁性变化。使用解码器，可以将磁性变化转换成字母或数字的形式，以便由计算机来处理。
　　磁卡的优点是数据可读写，即具有现场改变数据的能力，这个优点使得磁卡的应用领域十分广泛，如信用卡、银行ATM卡、会员卡、现金卡(如电话磁卡)和机票等。
　　磁卡的缺点，是数据存储的时间长短受磁性粒子极性耐久性的限制。另外，磁卡存储数据的安全性一般较低，如果磁卡不小心接触磁性物质，就可能造成数据的丢失或混乱。随着新技术的发展，安全性能较差的磁卡有逐步被取代的趋势。
　　但是，在现有条件下，社会上仍然存在大量的磁卡设备，再加上磁卡技术比较成熟和具有低成本，所以，短期内，该技术仍然会在许多领域中继续使用。如图1-4所示为一种银行磁卡，该银行磁卡通过背面的磁条可以读写数据。
   
                   (a) 银行卡正面                       (b) 银行卡背面的磁条
图1-4  银行磁卡
3．IC卡识别技术
　　IC(Integrated Circuit)卡是一种电子式数据自动识别卡，IC卡分接触式IC卡和非接触式IC卡两种，这里介绍的是接触式IC卡。
　　接触式IC卡是集成电路卡，通过卡里的集成电路来存储信息，它将一个微电子芯片嵌入到卡基中，做成卡片的形式，通过卡片表面的8个金属触点与读卡器进行物理连接，来完成通信和数据交换。IC卡使用了微电子技术和计算机技术，作为一种成熟的高技术产品，是继磁卡之后出现的又一种新型的信息工具。
　　IC卡的外形与磁卡相似，区别在于数据存储的媒体不同。磁卡是通过卡上磁条的磁场变化来存储信息的，而IC卡是通过嵌入卡中的电擦除式可编程只读存储器(EEPROM)来存储数据信息的。IC卡与磁卡相比，具有存储容量大、安全保密性好、有数据处理能力、使用寿命长等优点。
　　依据是否带有微处理器，IC卡可分为存储卡和智能卡两种。存储卡仅包含存储芯片而无微处理器，一般的电话IC卡即属于此类。将带有内存和微处理器芯片的大规模集成电路嵌入到塑料基片中，就制成了智能卡，它具有数据读写和处理功能，因而具有安全性高、可以离线操作等突出优点，银行的IC卡通常是指智能卡。如图1-5所