《物联网技术》课程笔记——第三章 物联网感知技术之标识技术

物联网感知技术之标识技术

识别技术

• 自动获取被识别物体的相关信息，提供给计算机系统完成
  后续处理。
• 识别技术融合了物理世界和信息世界，是物联网的基石，是物联网区别于其他网络（如：电信网，互联网）最独特的部分。通俗讲，识别技术就是能够让物品“开口说话”的一种技术。
• 识别技术分为：语音识别、图像识别 、光学字符识别 、生物识别、标签识别 、标签识别等。
  其中生物识别分为：
  生理特征（如指纹、脸象、虹膜等）；
  行为特征（如笔迹、声音、步态等）

数据采集与自动识别技术分类

1 条形码

• 条形码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
• 条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期，以及图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息
• 在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等许多领域都得到了广泛的应用

1.1 一维条形码

• 一维条形码只是在水平方向表达信息，而在垂直方向则不表达任何信息
• 优点:编码规则简单，条形码识读器造价较低
• 缺点:数据容量较小，一般只能包含字母和数字;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，条码字符集最大所能表示的字符个数也不过是128个ASCII符

EAN-13通用商品条形码

标准尺寸是37.29mmx26.26mm，放大倍率是0.8-2.0。(以条形码6901234567892为例)

• 此条形码分为4个部分，从左到右分别为:
  • 1-3位:共3位，箭缀码，由国际上分配。
    （对应690，690-695中国大陆; 977迹续出版物;978、979图书)
  • 4-8位:共5位，制造厂商代码，由厂商申请，目家分配。
    （对应12345)
  • 9-12位:共4位，厂内商品代码，由厂商自行确定。
    （对应6789)
  • 第13位:共1位，校验码，依下列算法由前面12位数字算得。
    （对应该条码的2)

V=[(偶数位的和)*3+(奇数位的和)校验码=[10一(V的个位数)]的个位数

1.2 二维条形码

• 二维条形码是在水平和垂直方向的二维空间存储信息
  • 堆叠式/行排式二维条码（又称堆积式或层排式)
  • 矩阵式二维码（又称棋盘式二维条码)
    

二维条形码特点

• 1．高密度编码，信息容量大：可容纳多达1850个大写字母或2710个数字或1108个字节，或500多个汉字。
• 2．编码范围广：包括图片、声音、文字、签字、指纹等；可以表示多种语言文字和图像数据。
• 3．容错能力强，具有纠错功能：最高损毁面积达50%仍可恢复信息。
• 4．译码可靠性高：它比普通条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一。
• 5．可引入加密措施：保密性、防伪性好。
• 6．成本低，易制作，持久耐用。
• 7．条码符号形状、尺寸大小比例可变。
• 8．二维条码可以使用激光或CCD阅读器识读。

2 磁卡

磁卡与磁卡读写器结构

3 IC卡(集成电路卡）

4 RFID（射频识别卡）

4.1 RFID的基本概念

• RFID （Radio Frequency ldentification)是利用无线射频信号空间辆合的方式，实现无接触的标签信息自动传输与识别的技术
• RFID标签又称为“电子标签”或“射频标签”
  

4.2 RFID工作原理

4.2.1 RFID标签结构

4.2.2 RFID基本工作原理的电磁学基础

4.2.3 RFID标签工作原理

电子标签内部各模块的功能：

• ① 天线：用来接收由读写器送来的信号，并把要求的数据传
  送回给读写器。受应用场合的限制，RFID标签通常需要贴
  在不同类型、不同形状的物体表面，甚至需要嵌入到物体
  内部。RFID标签在要求低成本的同时，还要求有高的可靠
  性。
• ② 电压调节器：把由读写器送来的射频信号转换为直流电源
  ，并经大电容存储能量，再通过稳压电路以提供稳定的电
  源。
• ③ 调制器：逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载
  到天线返给读写器。
• ④ 解调器：去除载波，取出调制信号。
• ⑤ 逻辑控制单元：译码读写器送来的信号，并依据要求返回
  数据给读写器。
• ⑥ 存储单元：包括ERPROM和ROM，作为系统运行和存放识
  别数据。

4.3 RFID标签的分类

4.3.1 按供电方式分类

• 无源RFID标签—内部不带电池，靠从天线吸收能源工作。
• 有源RFID标签----内部带有电池,，由电池供电工作。
  

4.3.2 按工作模式分类

① 主动式RFID标签

依靠自身电池能量工作并向读写器发送数据

• 主动式标签接收读写器指令，然后向读写器发送标识信息
• 主动式标签工作于远场模式，传输距离可以大于一个波长
• 发送电路耗能较大，所以主动式标签的自身工作和发送信息都由内部电池供电，主动式标签也是有源标签
• 优点:传输距离远
• 缺点:体积较大，工作寿命受电池限制
• 为节约电池电量、延长工作寿命，有源标签通常不主动发送信息，接收到读写器的读写指令时，才向读写器发送信息

② 被动式RFID标签

从读写器发送的电磁波中获取能量使自身工作并向读写器发送数据

• 被动式标签本身不会发送无线电波，而是在读写器发射的无线电波的“照射”下，按照存储的标识信息改变天线阻抗，读写器感受这种变化，从而获知标识信息
• 被动式标签工作时需处于读写器天线辐射形成的近场范围内，即一个波长距离以内
• 被动式标签天线通过电磁感应产生感应电流，感应电流驱动芯片工作，因而无需电池供电，被动式标签也是无源标签

③ 半主动（半被动式）RFID标签

自身的电池能量只提供给自身的电路工作用，依靠读写器发送的电磁波向读写器发送数据

• 半主动式标签的信息传输方式同被动式标签，但芯片工作靠电池供电
• 半主动式标签发送信息不消耗电池能量，电池只为芯片电路供电，因而比主动式标签体积小、重量轻、价格低、寿命长
• 半主动式标签不需从天线取电供芯片使用，因而比被动式标签的读写距离远，通信可靠性高
• 半主动式RFID标签一般用在可重复使用的集装箱和物品的跟踪上

4.3.3 按读写方式分类

• 只读式RFID标签
  • 只读标签
  • 一次性编程只读标签
  • 可重复编程只读标签
• 读写式RFID标签

4.3.4 按工作频率分类

• 低频RFID标签
• 中高频RFID标签
• 超高频与微波段RFID标签
  
  ETC应用场景
  

4.3.5 按封装材料分类

• 纸质封装RFID标签
• 塑料封装RFID标签
• 玻璃封装RFID标签

4.3.6 按标签封装的形状分类

• 粘贴在标识物上的薄膜型的自粘贴式标签
• 用户携带、类似于信用卡的卡式标签
• 封装成能够威定在车辆或集装箱上的柱型标签
• 封装在塑料扣中，用于动物耳标的扣式标签
• 封装成钥匙扣中，用于随身携带的身份标识标签
• 封装在玻璃管中，用于人或动物的植入式标签

4.4 RFID应用系统组成与结构

4.4.1 RFID应用系统结构

4.4.2 RFID标签封装与编码/打印设备

大型仓库RFID标签编码/打印设备的应用

自动编码、打印 、打印、张贴 、张贴RFID标签工作流程

4.4.3 RFID标签读写器

各种类型的RFID标签读写器

①读写器的主要功能

• 与RFID标签通信
• 与计算机通信
• 在有效读写区城内实现对多个RFID标签同时读写的能力
• 对固定或移动RFID标签进行识别与读写
• 校验读写过程中的错误信息
• 识别有源RFID标签与电池相关的电量信息

②读写器的分类

• 1、移动式读写器
  • 适用于仓库盘点、现场货物清查、图书馆书架清点、动物识别、超市购货付款、医疗保健等应用场合
  • 一般带有液晶显示屏，配置有键盘来进行操作和数据输入,可以通过各种有线或无线接口，与计算机实现通信
  • 是一种嵌入式系统，将天线与读写模块集成在一个手持设备中
  • 一般使用在低频、中高频、超高频段
  • 是否是只读式或读/写式，以及内存的大小需要根据应
    用的需求确定
• 2、固定式读写器
  • 固定式读写器一般采取将天线与读写器模块分开设计的方法
  • 天线通过电缆与读写器模块连接。天线可以方便地安装在目定的闸门式门柱上、门禁的门榧上、不停车收费通道的顶端、仓片进出口、生产线传送带旁
  • 固定式读写器一般使用超高频与微波段，作用距离相对比较运

③ 读写器设计中需要注意的几个问题

• 标签身份识别与标签数据传输加密/解密问题
• 标签数据传输错误问题
• 多标签读取过程中的“碰撞”问题
• 有源标签电源状态管理问题
• 标签与天线位置对读写效果的影响
  

4.5 RFID的主要应用领域

• 制造业：自动化生产，生产数据的实时监控，质量追踪，仓储管理，品牌管理，单品管理，渠道管理。
• 物流：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储应用，港口应用，邮政快递。
• 零售：商品的销售数据实时统计，补货，防盗。
• 图书管理：书店，图书馆，出版社等应用。
• 汽车：制造，防盗，定位等。
• 航空：制造，旅客机票，行李包裹跟踪。
• 资产管理：各类资产（贵重的或数量大相似性高的或危险品等）。
• 交通：高速不停车收费，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等。
• 身份识别：电子护照。身份证、学生证等各种电子证件。
• 防伪：贵重物品（烟、酒、药品）的防伪，票证的防伪。
• 食品：蔬果、生鲜、食品等溯源、保鲜度管理。
• 医疗：医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗。
• 动物识别：驯养动物、畜牧牲口、宠物等识别管理。

练习与思考

• 常见的自动识别技术有哪几类？
• 常见的标识技术有哪几类？
• 什么是RFID？简述其工作原理。
• 主动式RFID标签和被动式RFID标签的区别是什么？他们各自的工作过程如何？
• 简述RFID应用系统的组成与结构。
• 举例说明RFID的应用。