射频识别(RFID)原理总结

大纲

一、编码和调制

1.曼彻斯特码

编码

一个周期(两两一组)内必是跳转电平(01或10)

• 1：10
• 0：01

信息块

• 两位起始位：10

• 编码

• 两位结束位：00

解码

每bit解码再组合

• 10：1
• 01：0

判断

各种干扰和多设备同时发送可能会使收到的编码错误。

在判断编码数据是否正确时，我们需要检查每组数据（每两位）是否符合曼切斯特编码规则（1表示为10，0表示为01）。

案例

正确案例:

原始数据：1101

曼彻斯特编码：10 10 01 10

信息块(起始+编码+结束)：10 10 10 01 10 00

错误案例:

编码：10 10 11 01

判断：第3组（11）不符合曼彻斯特编码规则。

编码：10 10 11 10

判断：第3组（11）不符合曼彻斯特编码规则。

编码：10 10 00 10

判断：第3组（00）不符合曼彻斯特编码规则。

求NRZ码值

对编码部分解码即NRZ码值

曼彻斯特码读入串(信息块)：10 10 01 01 10 01 00

去除起始位和结束位：10 01 01 10 01

NRZ(解码)：10010

---

2.密勒码

编码

跳转与前一个的编码有关。编码规则与原数据有关，跳变即0->1或1->0

每个数字被编码为一个字节，第一个是起始位置，后一个为中间位置。

信息块

• 两位起始位：10

• 编码

• 两位结束位：00

解码

每bit解码再组合。密勒码解码有两种。

10或01：1

11或00：0

案例

原数据：10110010

编码[假设开始时bit (i-1)=1(与第一个数相同)]：注意看表规则

• 原数据第一位是1，根据表格前一位不需要，而bit(i-1)是1，起始位不跳转还是1，中间位跳转是0，则第一位编码为10
• 原数据第二位是0，前一位是1，根据前一位的编码(10)末尾0,此时的bit(i-1)更新为0，根据编码规则，起始位不跳转还是0，中间位不跳转是0，则第二位编码为00
• 原数据第三位是1，根据表格前一位不需要，根据前一位的编码(00)末尾0,此时的bit(i-1)为0，起始位不跳转还是0，中间位0跳转是1，则第三位编码为01
• 其余同理….…
• 原数据最后一位是0，前一位是1，根据前一位的编码(10)末尾0,此时的bit(i-1)为0，起始位不跳转还是0，中间位不跳转是0，则最后一位编码为00

编码结果：10 00 01 10 00 11 10 00

即下方图片：

求NRZ码值

对编码部分解码即NRZ码值

密勒码读入串(信息块)：10 00 01 10 00 11 10 00

去除起始位和结束位：00 01 10 00 11 10

NRZ(解码)：011001

二、数据校验

1.分类

2.CRC循环冗余码

点此查看CRC详细内容

算法步骤

注意多项式和信息码的转换

如：$M(X)=X^6+X^4+x^3+1$即$1\ast X^6+0\ast X^5+1\ast X^4+1\ast x^3+0\ast X^2+0\ast X^1+1\ast X^0$

则信息码为系数：1011001

• 根据多项式$M(X)$,得到K位信息码A

• 根据多项式$G(X)$,得到r位信息码B

• 在信息码A后面附加r-1个0，得到信息码C，保证总位数为k + r

• 用模2除法(异或)计算:信息码C/信息码B,余数即校验码

• 结果：信息码A+校验码有效位

• 校验码有效位：一般去除前缀0即可，有效位满足k+r,不足再往前补0，长度一般为r-1

案例

• k-1阶多项式$M(X)=X^6+X^4+x^3+1$,则信息码A为：1011001

• r阶生成多项式$G(X)=X^4+X^3+1$,信息码B：11001

• 则信息码C:10110010000

• 计算(注意每次都是非0左对齐)

三、防碰撞算法

点此查看ALOHA详细内容

1.纯Aloha

无冲突

发送时间没有冲突，都可以发送成功。

有冲突

发生冲突：$\mid 发送时间1-发送时间2\mid <帧长(用时间描述)$

解决冲突

• 冲突的帧等待一个随机时间后重新发送
• 重发后也可能会继续冲突

信道吞吐率

$S=G{e}^{-2G}$

G为帧产生率，当G=0.5时，$S_{max}=1/(2e)=18.4\%$

帧发送成功的概率

$P=S/G=e^{-2G}$

帧时越长，G越大，成功率越低

---

2.时隙Aloha

• 把信道时间划分成离散的时间隙，隙长为一个帧所需的发送时间,每个站点只能在时隙开始时才允许发送。
• 即这里的随时可发是有限制的。

无冲突

发送时间没有冲突，都可以发送成功。

有冲突

发生冲突：两个终端发送帧的时间相同

解决冲突

• 冲突的帧随机等待k个时隙后重新发送
• 重发后也可能会继续冲突

信道吞吐率

$S=G{e}^{-2G}$

G为帧产生率，当G=1时，$S_{max}=1/e=36.8\%$，是纯Aloha的两倍

帧发送成功的概率

$P=S/G=e^{-2G}$

帧时越长，G越大，成功率越低

3.其它

二进制树形搜索算法、混合算法(EB-FSA,FSAPB等)

四、信息安全

1.加密模型和密码模型

明文m，加密算法E，加密密钥K,密文c，解密算法D，解密密钥$K^{-}1$

2.信息安全的技术特征

• 可靠性
• 可用性
• 保密性
• 完整性
• 不可抵赖性
• 可控性

3.对称加密

即单钥体制，加密密钥和解密密钥相同。

点此了解移位密码

点此了解仿射密码

点此了解希尔密码

点此了解S-DES加密算法

4.非对称加密

• 即公钥体制、双钥体制，加密密钥和解密密钥不同，并且不能从加密密钥得到解密密钥。

• 产生主要是因为密钥分配问题和对数字签名的需求。

• E和D需要满足：

  • D(E(m))=m
  • E推导D非常困难
  • 使用明文攻击不能破译

点此了解RSA加密

点此了解ECC加密

---

5.RFID三次认证

点此查看三次认证详细内容

三次认证的过程

• 阅读器发送查询口令的命令给应答器，应答器作为应答响应传送所产生的一个随机数RB给阅读器。
• 阅读器产生一个随机数RA使用共享的密钥K和共同的加密算法$E_k$ ,算出加密数据块TOKENAB,并将TOKENAB传送给应答器。
  TOKENAB = $E_k$(RA,RB)
• 应答器接受到TOKENAB后，进行解密，将取得的随机数与原先发送的随机数RB进行比较，若一致，则阅读器获得了应答器的确认。
• 应答器发送另一个加密数据块TOKENBA给阅读器，TOKENBA= $E_k$(RB1,RA)
• 阅读器接收到TOKENBA并对其解密，若收到的随机数与原先发送的随机数RA相同，则完成了阅读器对应答器的认证。

---

6.二维码识别原理

点此了解二维码详细内容

• 通过黑(1)、白像素(0)在矩阵中的不同分布进行编码，扫二维码时将色块转为1和0。

• 码元结构”是指二维码中的码元数，越大存储信息越多。最小21X21，最大177*177，每隔一个横纵加4，共40个版本

1.定位

• 下方的三个大框、一个小框和两个横条用于定位

2.了解基本信息

• 红色区域：二维码的版本信息、数据编码信息等

3.存储区域和纠错等级

• 下方绿色区域，包含纠错和实际数据

• 黄色是纠错区域，随着纠错等级增加，可存储区域减小
  • 在不同的纠错等级下，QR码所能存储的真实数据容量并没有太大差异
• 存储数据较多时，可以选择较低的纠错等级

4.掩码

• 可以看到：
  • 二维码并没有出现大面积的黑和白，黑和白的分配较为均匀
  • 为了方便扫描，对二维码进行了掩码操作
  • 一般会在下面的款式选择一个对二维码处理使其均匀

五、M1卡存取控制

点此查看M1卡访问控制详情

1.概述

1.整体情况

• 16 个扇区，每个扇区分为 4 个块。一个块包含 16 字节

2.制造商块

• 第一扇区（0 扇区）的第一数据块（0 块）。
• 其中包含 IC 制造商数据。该块在生产测试中编程并实施写保护
• 用于存放厂商代码，已经固化，不可更改。

3.数据块

• 所有扇区的0，1，2三个块，用于存储数据。
• 但它们的访问权限是由块3中的访问控制位控制的。

4.尾块

• 即：一个扇区中的最后一个块–块 3

• 组成：

  • 密钥 A（强制）和密钥 B（可选）
  • 该扇区块的访问条件(字节 6 至字节 9 )，对应16进制控制字4个值

2.访问条件(6~9字节)

1.概述

• 每个扇区的尾块（块3）包含访问控制信息，这些信息由称为访问控制位（C1, C2, C3）的三位组成

  它们的组合定义了对数据块的读、写、增加、减少等操作的访问权限

• 以下是这些访问控制位的表示方法

  块类型	访问控制位
  数据块0（块0）	C10, C20, C30
  数据块1（块1）	C11, C21, C31
  数据块2（块2）	C12, C22, C32
  尾块（块3）	C13, C23, C33

• 对于每个数据块，都有一组访问控制位。块3负责块数据块的权限控制，同时，块3中还包含了一组访问控制位，用于控制尾块本身的访问权限

2.存取控制

字节位
字节6	C23	C22	C21	C20	C13	C12	C11	C10
字节7	C13	C12	C11	C10	C33	C32	C31	C30
字节8	C33	C32	C31	C30	C23	C22	C21	C20
字节9

• 字节9是备用字节,一般不用
• Cxx代表需要取反

3.数据块访问条件参照表

4.尾块的访问条件参照表

5.案例

案例1

块3的控制字是FF 07 80 69

• 根据16进制转2进制(8，4，2，1)和存取控制可以得到下表：(字节 9一般不用)

字节位
	C23	C22	C21	C20	C13	C12	C11	C10
FF – 字节6	1	1	1	1	1	1	1	1
	C13	C12	C11	C10	C33	C32	C31	C30
07 – 字节7	0	0	0	0	0	1	1	1
	C33	C32	C31	C30	C23	C22	C21	C20
80 – 字节8	1	0	0	0	0	0	0	0

• 按照要求取反和根据数据块访问控制表、尾块访问控制表有

块	三位访问控制位	权限(注意两个权限表)
0	C10,C20,C30 — 000	通过A或者B密码认证后可读，可写，可进行加值和减值操作
1	C11,C21,C31 — 000	通过A或者B密码认证后可读，可写，可进行加值和减值操作
2	C12,C22,C32 — 000	通过A或者B密码认证后可读，可写，可进行加值和减值操作
3	C13,C23,C33 — 001	A密码不可读，验证A或者B密码后可改写A密码。验证A或者B密码后，可读可改写存取控制 。 验证A密码或者B密码后，可读可改写B密码

---

案例2

块3的控制字是E8 73 C1 69

• 根据16进制转2进制(8，4，2，1)和存取控制可以得到下表：(字节 9一般不用)

字节位
	C23	C22	C21	C20	C13	C12	C11	C10
E8– 字节6	1	1	1	0	1	0	0	0
	C13	C12	C11	C10	C33	C32	C31	C30
73 – 字节7	0	1	1	1	0	0	1	1
	C33	C32	C31	C30	C23	C22	C21	C20
C1– 字节8	1	1	0	0	0	0	0	1

• 按照要求取反和根据数据块访问控制表、尾块访问控制表有

块	三位访问控制位	权限(注意两个权限表)
0	C10,C20,C30 — 110	通过A或者B密码认证后可读、减值，通过B密码认证后可写、加值
1	C11,C21,C31 — 100	通过A或者B密码认证后可读，通过B密码认证后可写，不可进行加值和减值操作
2	C12,C22,C32 — 101	通过B密码认证后可读，不可进行写、加值和减值操作
3	C13,C23,C33 — 001	A密码不可读，验证A或者B密码后可改写A密码。验证A或者B密码后，可读可改写存取控制 。 验证A密码或者B密码后，可读可改写B密码

---

六、物联网寻址ONS

点此了解ONS详细信息

1.EPC编码

通过长度确定EPC编码类型，注意版本号长度有2和8两种。

2.对象域名解析ONS

• 阅读器将读到的EPC编码上传到本地服务器。有本地服务器安装的Savant软件对信息集中处理。

• 本地服务器通过本地ONS服务器或路由器到达远程ONS服务器，查找所需EPC编码对应的EPCIS服务器地址，然后本地服务器就可以与对应的EPCIS服务器通信。

3.案例

七.读取RFID标签

这里联系前面的M1卡存取控制理解

arduino UNO + RC522，详细内容点此查看

1.代码

#include       // 包含 SPI 总线库
#include   // 包含 RFID 读卡器库

#define SS_PIN 10  // 从选择引脚
#define RST_PIN 5  // 复位引脚

MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN);  // 实例化 MFRC522 读卡器对象
MFRC522::MIFARE_Key key;          // 创建一个名为 'key' 的 MIFARE_Key 结构体，用于保存卡片信息

int block = 2;  // 要写入和读取的块号(这里只能选数据块【0，1，2】)

byte blockcontent[16] = {"Last-Minute-Engg"};  // 定义一个包含 16 字节的数组，用于写入卡片的一个块
//byte blockcontent[16] = {0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};  // 全部为零。可以用来删除一个块。

byte readbackblock[18];  // 用于读取一个块的数组

void setup()
{
    Serial.begin(9600);  // 初始化与电脑的串行通信
    SPI.begin();         // 初始化 SPI 总线
    mfrc522.PCD_Init();  // 初始化 MFRC522 读卡器（PCD 代表 proximity coupling device，即近场耦合设备）
    Serial.println("Scan a MIFARE Classic card");

    // 为读取和写入功能准备安全密钥。
    for (byte i = 0; i < 6; i++)
    {
        key.keyByte[i] = 0xFF;  // keyByte 在库的 .h 文件中的 "MIFARE_Key" 结构体定义中已经定义
    }
}

void loop()
{
    // 寻找新的卡片
    if (!mfrc522.PICC_IsNewCardPresent())
    {
        return;
    }

    // 选择一张卡片
    if (!mfrc522.PICC_ReadCardSerial())
    {
        return;
    }
    Serial.println("card selected");

    // 将 blockcontent 数组写入卡片块
    writeBlock(block, blockcontent);

    // 读取块数据
    readBlock(block, readbackblock);
    // 如果要查看写入整个 1k 存储器的内容，请取消下面一行的注释。
    //mfrc522.PICC_DumpToSerial(&(mfrc522.uid));

    // 打印块内容
    Serial.print("read block: ");
    for (int j = 0; j < 16; j++)
    {
        Serial.write(readbackblock[j]);
    }
    Serial.println("");
}

// 写入指定块，参数为块的编号和写入块的内容
int writeBlock(int blockNumber, byte arrayAddress[])
{
    // 这确保我们只写入数据块。每 4 个块中有一个用于访问/安全信息的尾块。
    int largestModulo4Number = blockNumber / 4 * 4;
    int trailerBlock = largestModulo4Number + 3;  // 确定扇区的尾块
    if (blockNumber > 2 && (blockNumber + 1) % 4 == 0)
    {
        Serial.print(blockNumber);
        Serial.println(" is a trailer block:");
        return 2;
    }
    Serial.print(blockNumber);
    Serial.println(" is a data block:");

    // 对所需块进行身份验证以访问
    byte status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid));
    if (status != MFRC522::STATUS_OK)
    {
        Serial.print("PCD_Authenticate() failed: ");
        Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
        return 3;  // 返回 "3" 作为错误消息
    }

    // 写入块数据
    status = mfrc522.MIFARE_Write(blockNumber, arrayAddress, 16);
    //status = mfrc522.MIFARE_Write(9, value1Block, 16);
    if (status != MFRC522::STATUS_OK)
    {
        Serial.print("MIFARE_Write() failed: ");
        Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
        return 4;  // 返回 "4" 作为错误消息
    }
    Serial.println("block was written");
}

// 读取指定块，参数是一个是块号，另一个是读取的存内容
int readBlock(int blockNumber, byte arrayAddress[])
{
    int largestModulo4Number = blockNumber / 4 * 4;
    int trailerBlock = largestModulo4Number + 3;  // 确定扇区的尾块(块3)

    // 对所需块进行身份验证以访问
    byte status = mfrc522.PCD_Authenticate(MFRC522::PICC_CMD_MF_AUTH_KEY_A, trailerBlock, &key, &(mfrc522.uid));

    if (status != MFRC522::STATUS_OK)
    {
        Serial.print("PCD_Authenticate() failed (read): ");
        Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
        return 3;  // 返回 "3" 作为错误消息
    }

    // 读取块数据
    byte buffersize = 18;  // 我们需要定义一个带有读取缓冲区大小的变量，因为下面的 MIFARE_Read 方法需要一个指向包含大小的变量的指针...
    status = mfrc522.MIFARE_Read(blockNumber, arrayAddress, &buffersize);  // &buffersize 是指向 buffersize 变量的指针；MIFARE_Read 需要一个指针而不仅仅是一个数字
    if (status != MFRC522::STATUS_OK)
    {
        Serial.print("MIFARE_read() failed: ");
        Serial.println(mfrc522.GetStatusCodeName(status));
        return 4;  // 返回 "4" 作为错误消息
    }
    Serial.println("block was read");
}

2.模拟结果

Scan a MIFARE Classic card  //表示正在寻找卡片
card selected   //表示找到了卡片
block was written //执行了写入块的操作
block was read //执行了读取块的操作
read block: Last-Minute-Engg //成功读取了块，并显示了块的内容

3.流程解析

    +------------------+
    |     开始         |
    +------------------+
            |
            V
    +------------------+
    |  初始化设置     |
    +------------------+
            |
            V
    +------------------+
    |     主循环       |
    +------------------+
            |
            V
    +------------------+
    |   检查新卡片     |
    +------------------+
            |
            V
    +--------------+
    |   有新卡片？  |<-------+
    +--------------+        |
            |                 |
            V                 |
    +--------------+        |
    |  选择卡片    |        |
    +--------------+        |
            |                 |
            V                 |
    +--------------+        |
    | 卡片选择成功? |--------+
    +--------------+
            |  否
            V
    +------------------+
    |   返回主循环     |
    +------------------+
            |
            V
    +--------------+
    |   写入块     |
    +--------------+
            |
            V
    +--------------+
    |  写入成功?  |---------+
    +--------------+         |
            |  否            |
            V               |
    +-------------------+    |
    |   返回主循环      |    |
    +-------------------+    |
            |                |
            V                |
    +--------------+         |
    |   读取块     |         |
    +--------------+         |
            |                 |
            V                 |
    +--------------+        |
    |  读取成功?  |---------+
    +--------------+
            |  否
            V
    +-------------------+
    |   返回主循环      |
    +-------------------+
            |
            V
    +--------------+
    | 打印块内容   |
    +--------------+
            |
            V
    +------------------+
    | 继续主循环?  |
    +------------------+
            |
            V
    +------------------+
    |     结束         |
    +------------------+