無線射頻識別技術(RFID)隨著近年來物聯網技術的發展，在各領域中的應用日益廣泛，是物聯網技術的重要內容之一，也是高校物聯網工程專業的必修課之一。
本書先從RFID的發展歷史及現行主流標準入手，介紹RFID技術的基本工作原理及相關技術，詳細解析RFID技術編解碼及解決數據碰撞問題的方案；然后通過RFID在EPC體系及M2M技術中的重要應用，展現RFID在物聯網技術領域中的重要地位；并通過RFID中間件設計及相應網絡的安全分析，完善整個RFID技術體系的內容；最后，通過RFID的若干實際應用案例，讓讀者更加深入地理解RFID技術及其應用。
本書內容綜合了RFID的基礎知識、實際應用及與物聯網技術相關的其他領域的有關知識，由淺入深、循序漸進，涉及面廣，實用性強，可作為高校物聯網工程專業本科生、研究生的專業教材，還可供相關領域的工程技術人員參考使用。
與條碼識別、磁卡識別和IC卡識別等技術相比，射頻識別技術以特有的無接觸、抗干擾能力強、可同時識別多個物品等優點，逐漸成為自動識別領域中*優秀和應用*廣泛的技術之一，是目前*重要的自動識別技術。
本書共分為9章。
第1章主要介紹射頻識別技術的發展歷史；第2章主要介紹射頻識別技術的工作原理；第3、第4章深入討論射頻識別技術的編解碼原理和數據傳輸等問題；第5章介紹射頻識別技術與EPC體系的關系；第6章介紹射頻識別技術與M2M體系的關系；第7章介紹射頻識別技術中間件開發技術；第8章介紹射頻識別技術應用過程中涉及的信息安全問題；第9章給出大量的射頻識別技術應用實例，供讀者參考。
本書具有以下特點。
*體系清晰：對射頻識別技術與物聯網其他領域技術的關系進行完整的闡述。
*知識面廣：通過大量的應用實例，說明射頻識別技術在物聯網技術中的重要作用，及在生產、生活中的廣泛應用。
*淺顯易懂：適當減少射頻識別技術理論性的內容，增加大量實例應用，著重體現其技術性和實用性。
物聯網技術近幾年來得到了充分的發展。在物聯網技術中，自動識別是非常重要的。因為物聯網最終需要實現機器與機器之間的自主學習、自主通信和相互控制，而這就需要有自動識別技術。條形碼和二維碼是自動識別技術的一種嘗試，但由于這類識別手段有內在的缺陷，導致仍然無法實現完全的自動識別。
射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術的出現，讓自動識別有了真正實現的可能。盡管射頻技術歷史久遠，但作為自動識別手段，也只是近些年來的事情。
射頻識別技術是通過無線電波進行數據傳遞的自動識別技術，是一種非接觸式的自動識別技術。它通過射頻信號自動識別目標對象，并獲取相關數據，其識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境中。
與條碼識別、磁卡識別和IC卡識別等技術相比，射頻識別技術以特有的無接觸、抗干擾能力強、可同時識別多個物品等優點，逐漸成為自動識別領域中最優秀和應用最廣泛的技術之一，是目前最重要的自動識別技術。
本書共分為9章。
第1章主要介紹射頻識別技術的發展歷史；第2章主要介紹射頻識別技術的工作原理；第3、第4章深入討論射頻識別技術的編解碼原理和數據傳輸等問題；第5章介紹射頻識別技術與EPC體系的關系；第6章介紹射頻識別技術與M2M體系的關系；第7章介紹射頻識別技術中間件開發技術；第8章介紹射頻識別技術應用過程中涉及的信息安全問題；第9章給出大量的射頻識別技術應用實例，供讀者參考。
本書具有以下特點。
* 體系清晰：對射頻識別技術與物聯網其他領域技術的關系進行完整的闡述。
* 知識面廣：通過大量的應用實例，說明射頻識別技術在物聯網技術中的重要作用，及在生產、生活中的廣泛應用。
* 淺顯易懂：適當減少射頻識別技術理論性的內容，增加大量實例應用，著重體現其技術性和實用性。
本書的第1、5、6、7章由王佳斌編寫，第4、8章由張維緯編寫，第3章由王佳斌和張維緯聯合編寫；第2、9章由黃誠惕編寫。全書由王佳斌統稿。
本書文字打印和繪圖由宋春紅、陳麗楓完成。
本書在編寫過程中，得到清華大學出版社編輯、華僑大學工學院領導和教師的大力支持，在此表示感謝！此外，本書在編寫過程中，參考了眾多的書籍和網絡資料，在此對書籍和資料的作者一并表示感謝！
由于作者水平有限，書中難免有疏漏之處，敬請廣大讀者批評指正。
第1章 射頻識別技術概述 1
1.1 自動識別技術 2
1.1.1 自動識別技術的概念 2
1.1.2 自動識別技術的分類 2
1.1.3 RFID技術 5
1.2 射頻技術及其特點 6
1.2.1 RFID的發展簡史 6
1.2.2 RFID的發展現狀 7
1.3 RFID技術標準 8
1.3.1 全球三大標準體系的比較 8
1.3.2 超高頻RFID技術協議
標準的發展與應用 12
1.3.3 不同頻率的標簽和標準 15
本章小結 17
習題 17
第2章 RFID的工作原理 19
2.1 RFID的基本工作原理 20
2.2 RFID系統的構成 21
2.2.1 RFID的基本組成 21
2.2.2 電子標簽 24
2.2.3 讀寫器 32
2.2.4 系統高層 35
2.3 耦合方式 36
2.3.1 電感耦合方式 36
2.3.2 反向散射耦合方式 37
2.4 電感耦合方式的射頻前端 38
2.4.1 讀寫器的功能與分類 38
2.4.2 標簽的功能與類別 39
2.5 天線 42
2.5.1 天線的工作模式 42
2.5.2 天線的基本參數 43
2.5.3 天線的設計要求 45
本章小結 45
習題 45
第3章 編碼與調制 47
3.1 信號和編碼 48
3.1.1 數據和信號 48
3.1.2 信道 48
3.1.3 編碼 51
3.2 RFID中常用的編碼方式和
編/解碼器 54
3.2.1 曼徹斯特碼和密勒碼 54
3.2.2 修正密勒碼 60
3.3 脈沖調制 63
3.3.1 FSK方式 63
3.3.2 PSK方式 66
3.3.3 副載波調制和調解 70
3.4 正弦波調制 73
3.4.1 載波 74
3.4.2 調幅 74
3.4.3 數字調頻和調相 80
本章小結 81
習題 82
第4章 數據校驗和防碰撞算法 83
4.1 差錯檢測 84
4.1.1 差錯的性質和表示方法 84
4.1.2 差錯控制 85
4.1.3 檢糾錯碼 85
4.1.4 數字通信系統的性能 87
4.1.5 RFID中的差錯檢測 88
4.2 防碰撞算法 90
4.2.1 Aloha算法 91
4.2.2 二進制樹型搜索算法 92
4.3 ISO/IEC 14443標準中的
防碰撞協議 93
4.3.1 TYPE A的防碰撞協議 93
4.3.2 TYPE B的防碰撞協議 98
4.4 碰撞檢測 104
4.5 防碰撞RFID系統設計實例 105
4.5.1 無源RFID芯片MCRF250 105
4.5.2 基于FSK脈沖調制方式的
碰撞檢測方法 106
4.5.3 FSK防碰撞讀寫器的設計 107
本章小結 108
習題 109
第5章 RFID與EPC 111
5.1 EPC基礎 112
5.1.1 EPC的定義 112
5.1.2 EPC的產生 112
5.1.3 EPC系統的構成 114
5.1.4 EPC系統的特點 117
5.1.5 EPC系統的工作流程 117
5.1.6 EPC在國內外的發展狀況 118
5.2 編碼體系 121
5.2.1 EPC標準 121
5.2.2 GS1全球統一標識系統 125
5.2.3 EPC編碼體系 133
5.2.4 EPC編碼策略 134
5.2.5 EPC編碼實現 136
5.3 EPC系統網絡技術 148
5.3.1 EPCglobal網絡與全球數據
同步網絡(GDSN) 148
5.3.2 中間件 151
5.3.3 ONS的工作原理 152
5.3.4 EPC信息服務(EPCIS) 155
5.4 EPC射頻識別系統 156
5.4.1 EPC與自動識別技術 156
5.4.2 EPC與射頻識別技術 157
5.4.3 EPC標簽 158
5.4.4 EPC標簽識讀器 160
5.4.5 EPC射頻識別系統的建設 162
本章小結 165
習題 165
第6章 RFID與M2M 167
6.1 什么是M2M 168
6.1.1 M2M的發展現狀 168
6.1.2 M2M的業務模式 169
6.1.3 促進M2M技術的成熟 174
6.2 M2M高層框架及標準 176
6.2.1 M2M高層框架介紹 176
6.2.2 M2M標準 178
6.3 M2M需要RFID技術 179
6.3.1 自動識別技術是M2M
可以實施的關鍵 179
6.3.2 RFID應用于M2M技術 180
6.4 M2M技術在貿易與物流中的應用 181
6.4.1 為什么要在物流中
應用M2M 181
6.4.2 發展現狀 184
6.4.3 預測和前景 187
6.4.4 縱向M2M集成 188
本章小結 190
習題 190
第7章 RFID中間件的設計 191
7.1 為什么需要RFID中間件 192
7.1.1 背景介紹 192
7.1.2 中間件介紹 192
7.2 RFID中間件設計依賴的技術 196
7.3 RFID中間件的設計方法 198
本章小結 200
習題 200
第8章 RFID信息安全 201
8.1 信息安全概述 202
8.2 密碼學基礎 206
8.2.1 密碼學的基本概念 206
8.2.2 密碼體制的原則 207
8.2.3 對稱密碼體制 207
8.2.4 非對稱密碼體制 209
8.3 序列密碼(流密碼) 210
8.3.1 序列密碼體制的結構框架 210
8.3.2 m序列 212
8.3.3 非線性反饋移位寄存器
序列 213
8.4 密鑰管理 213
8.5 射頻識別中的認證技術 218
本章小結 222
習題 222
第9章 物聯網RFID應用實例 223
9.1 沃爾瑪全面推進RFID/EPC
在供應鏈中的應用 224
9.2 班加羅爾心臟病診療中心
應用UHF RFID標簽 227
9.3 意大利紡織商應用EPC系統追蹤
卷板布匹 228
9.4 葡萄牙家具制造商在生產線
應用無源UHF RFID標簽 231
9.5 海爾美國應用RFID超高頻
標簽標識冰箱冰柜產品 232
9.6 上海世博會采用RFID門票 235
9.7 RFID在交通領域的應用 237
9.8 上海浦東國際機場防入侵系統 240
9.9 博物館利用RFID技術拓展
參觀者體驗 243
9.10 食品物流RFID監控溯源系統 244
9.11 醫院智能管理系統 245
9.12 智慧型藥盒與RFID藥罐提醒
老年人準時服藥 247
9.13 RFID在物流管理中的應用 250
9.14 RFID無線實時定位系統 253
9.15 RFID在農業中的應用 255
9.16 RFID在畜牧業中的應用 257
本章小結 259
習題 259
參考文獻 261
第1章 射頻識別技術概述
學習目標
1. 掌握自動識別技術的種類。
2. 了解RFID技術的發展歷史及現狀。
3. 掌握RFID技術的體系及其產業發展趨勢。
知識要點
自動識別技術、射頻識別技術、射頻識別技術體系及產業發展趨勢。
1.1 自動識別技術
人類社會步入信息時代后，人們獲取和處理的信息量在不斷增大。傳統的信息采集是通過人工手段錄入的，不僅工作強度大，而且差錯率高。以計算機和通信技術為基礎的自動識別技術，可以對目標對象自動辨認，并可以工作在各種環境下，使人類能夠對大量信息進行及時、準確的處理。自動識別技術可以對每個物品進行標識和識別，并可以實時更新數據，是構建全球物品信息實時共享的基礎，是物聯網的重要組成部分。
1.1.1 自動識別技術的概念
自動識別技術，是用機器來識別不同物品的眾多技術的總稱。具體地說，就是使用識別裝置，通過被識別物品與識別裝置之間的接近運動，自動獲取被識別物品的相關信息。
自動識別技術是一種高度自動化的信息(數據)采集技術，可對記錄了字符、影像、條碼、聲音、信號等信息的載體進行自動識別，自動地獲取被標識物品的相關信息，并提供給后臺的計算機處理系統，來完成相關的后續處理。
以往的信息識別和管理中，多采用單據、憑證、傳票為載體，以手工記錄、電話溝通、人工計算、郵寄或傳真等方法，對信息進行采集、記錄、處理、傳遞和反饋，不僅極易出現差錯，也使管理者對物品在流動過程中的各個環節難以統籌協調，不能系統地控制，更無法實現系統優化和實時監控，導致效率低下和人力、運力、資金、場地的大量浪費。
近幾十年來，自動識別技術在全球范圍內得到了迅猛發展，極大地提高了數據采集和信息處理的速度，改善了人們的工作和生活環境，提高了工作效率，并為管理的科學化和現代化做出了重要貢獻。
自動識別技術可以在制造、物流、防偽和安全等多個領域中應用，可以采用光識別、電識別、射頻識別等多種識別方式，是集計算機、光、電、通信和網絡技術于一體的高技術學科。
1.1.2 自動識別技術的分類
根據應用領域和具體特征，自動識別技術可分為條碼識別技術、生物識別技術、圖像識別技術、磁卡識別技術、IC卡識別技術、光學字符識別技術和射頻識別技術等。這里介紹幾種典型的自動識別技術，分別采用了不同的數據采集技術。其中，對條碼使用光識別技術、對磁卡使用磁識別技術、對IC卡使用電識別技術、對射頻標簽使用無線識別技術。
1．條碼識別技術
條碼是由一組線條、空白條和數字符號組成的，按一定編碼規則排列的，用以表示一定字符、數字及符號的標簽信息載體。條碼是利用紅外光或可見光進行識別的。由掃描器發出的紅外光或可見光照射條碼，條碼中深色的"條痕"吸收光，淺色的"空白"將光反射回掃描器，掃描器將光反射信號轉換成電子脈沖，再由譯碼器將電子脈沖轉換成數據，最后傳至后臺，完成對條碼的識別。
目前，條碼的種類很多，大體上可以分為一維條碼和二維條碼兩種。一維條碼和二維條碼都有許多碼制。條碼中，條、空圖案對數據不同的編碼方法，構成了不同形式的碼制。不同碼制有各自不同的特點、可以用于一種或若干種應用場合。
(1) 一維條碼。
一維條碼有許多種碼制，包括Code25碼、Code128碼、EAN-13碼、EAN-8碼、ITF25碼、庫德巴碼、Matrix碼和UPC-A碼等。如圖1-1所示為幾種常用的一維條碼樣圖。
(a) EAN-13碼 (b) EAN-8碼 (c) UPC-A碼
圖1-1 幾種常用的一維條碼樣圖
目前最流行的一維條碼是EAN-13條碼。EAN-13條碼由13位數字組成，其中，前3位數字為前綴碼，目前國際物品編碼協會分配給我國并已經啟用的前綴碼為690~692。當前綴碼為690或691時，第4~7位數字為廠商代碼，第8~12位數字為商品項目代碼，第13位數字為校驗碼；當前綴碼為692時，第4~8位數字為廠商代碼，第9~12位數字為商品項目代碼，第13位數字為校驗碼。EAN-13條碼的構成如圖1-2所示。
(a) 當前綴碼為690時 (b) 當前綴碼為692時
圖1-2 EAN-13條碼的構成
(2) 二維條碼。
二維條碼技術是在一維條碼無法滿足實際應用需求的前提下產生的。二維條碼在橫向和縱向兩個方位同時表達信息，因此，能在很小的面積內表達大量信息。目前有幾十種二維條碼，常用的碼制有Data Matrix碼、QR Code碼、Maxicode碼、PDF417碼、Code49碼、Code 16K碼和Codeone碼等。如圖1-3所示為幾種常用的二維條碼樣圖。
(a) Data Matrix碼 (b) QR Code碼 (c) Maxicode碼
圖1-3 幾種常用的二維條碼樣圖
2．磁卡識別技術
磁卡，從本質意義上講，與計算機用的磁帶或磁盤是一樣的，它可以用來記載字母、字符及數字信息。磁卡是一種磁介質記錄卡片，通過黏合或熱合，與塑料或紙牢固地整合在一起，能防潮、耐磨且有一定的柔韌性，攜帶方便，較為穩定可靠。
磁卡記錄信息的方法是變化磁極。在磁性變化的地方具有相反的極性(如S-N或N-S)，識讀器材能夠在磁條內探測到這種磁性變化。使用解碼器，可以將磁性變化轉換成字母或數字的形式，以便由計算機來處理。
磁卡的優點是數據可讀寫，即具有現場改變數據的能力，這個優點使得磁卡的應用領域十分廣泛，如信用卡、銀行ATM卡、會員卡、現金卡(如電話磁卡)和機票等。
磁卡的缺點，是數據存儲的時間長短受磁性粒子極性耐久性的限制。另外，磁卡存儲數據的安全性一般較低，如果磁卡不小心接觸磁性物質，就可能造成數據的丟失或混亂。隨著新技術的發展，安全性能較差的磁卡有逐步被取代的趨勢。
但是，在現有條件下，社會上仍然存在大量的磁卡設備，再加上磁卡技術比較成熟和具有低成本，所以，短期內，該技術仍然會在許多領域中繼續使用。如圖1-4所示為一種銀行磁卡，該銀行磁卡通過背面的磁條可以讀寫數據。
(a) 銀行卡正面 (b) 銀行卡背面的磁條
圖1-4 銀行磁卡
3．IC卡識別技術
IC(Integrated Circuit)卡是一種電子式數據自動識別卡，IC卡分接觸式IC卡和非接觸式IC卡兩種，這里介紹的是接觸式IC卡。
接觸式IC卡是集成電路卡，通過卡里的集成電路來存儲信息，它將一個微電子芯片嵌入到卡基中，做成卡片的形式，通過卡片表面的8個金屬觸點與讀卡器進行物理連接，來完成通信和數據交換。IC卡使用了微電子技術和計算機技術，作為一種成熟的高技術產品，是繼磁卡之后出現的又一種新型的信息工具。
IC卡的外形與磁卡相似，區別在于數據存儲的媒體不同。磁卡是通過卡上磁條的磁場變化來存儲信息的，而IC卡是通過嵌入卡中的電擦除式可編程只讀存儲器(EEPROM)來存儲數據信息的。IC卡與磁卡相比，具有存儲容量大、安全保密性好、有數據處理能力、使用壽命長等優點。
依據是否帶有微處理器，IC卡可分為存儲卡和智能卡兩種。存儲卡僅包含存儲芯片而無微處理器，一般的電話IC卡即屬于此類。將帶有內存和微處理器芯片的大規模集成電路嵌入到塑料基片中，就制成了智能卡，它具有數據讀寫和處理功能，因而具有安全性高、可以離線操作等突出優點，銀行的IC卡通常是指智能卡。如圖1-5所示為幾種IC卡。
(a) 中國電信IC卡 (b) 中國郵政儲蓄銀行IC卡
圖1-5 IC卡
4. 射頻識別技術
射頻識別技術是通過無線電波進行數據傳遞的自動識別技術。與條碼識別技術、磁卡識別技術和IC卡識別技術等相比，它以特有的無接觸、可同時識別多個物品等優點，逐漸成為自動識別領域中最優秀和應用最廣泛的自動識別技術。
1.1.3 RFID技術
RFID技術是自動識別技術中的一種。RFID以電子標簽來標識某個物體，電子標簽包含某個芯片和天線，芯片用來存儲物體的數據，天線用來收發無線電波。電子標簽的天線通過無線電波，將物體的數據發射到附近的RFID讀寫器，RFID讀寫器就會對接收到的數據進行收集和處理。RFID與傳統的條碼識別相比，具有很大的優勢。
(1) RFID電子標簽抗污損能力強。
傳統的條碼載體是紙張，它附在物體和外包裝箱上，特別容易受到折損。條碼采用的是光識別技術，如果條碼的載體受到污染或者折損，將會影響信息的正確識別。而RFID采用電子芯片存儲信息，可以免受外部環境污損。
(2) RFID電子標簽安全性高。
條碼制作容易，操作簡單，但同時也產生了仿造容易、信息保密性差等缺點。RFID采用電子標簽存儲信息，數據可以通過編碼實現密碼保護，內容不易被偽造和更改。
(3) RFID電子標簽容量大。
條碼的標識容量有限。而RFID電子標簽的標識容量可以做到比條碼大很多，實現真正的"一物一碼"，可以滿足信息流量不斷增大和信息處理速度不斷提高的需求。
(4) RFID可實現遠距離同時識別多個電子標簽。
條碼識別一次只能有一個條碼接受掃描，而且要求條碼與讀寫器的距離比較近。射頻識別采用無線電波進行數據交換，RFID讀寫器能夠遠距離同時識別多個RFID標簽，并可以識別高速運動的標簽。
(5) RFID是物聯網的基石。
條碼印刷上去就無法更改了。而RFID采用電子芯片存儲信息，可以隨時記錄物品在任何時候的任何信息，并可以很方便地新增、更改和刪除信息。RFID通過計算機網絡可以實現對物品透明化、實時的管理，實現真正意義上的"物聯網"。
1.2 射頻技術及其特點
射頻識別是無線電頻率識別(Radio Frequency Identification，RFID)的簡稱，即通過無線電波進行識別。在RFID系統中，識別信息存放在電子數據載體中，電子數據裁體稱為應答器。應答器中存放的識別信息由閱讀器讀出。在一些應用中，閱讀器不僅可以讀出存放的信息，而且可以對應答器寫入數據，讀、寫過程是通過相互之間的無線通信來實現的。
射頻識別具有下述特點。
(1) 是通過電磁耦合方式實現的非接觸自動識別技術。
(2) 需要利用無線電頻率資源，必須遵守使用無線電頻率的眾多規范。
(3) 存放的識別信息是數字化的，因此，通過編碼技術，可以方便地實現多種應用，如身份識別、商品貨物識別、動物識別、工業過程監控等。
(4) 容易對多個應答器、多個閱讀器組合建網，以完成大范圍的系統應用，并構成完善的信息系統。
(5) 涉及計算機、無線數字通信、集成電路、電磁場等眾多學科，是一個新興的、融合了多種技術的領域。
1.2.1 RFID的發展簡史
在過去的半個多世紀中，RFID技術的發展經歷了以下幾個階段。
1941-1950年，雷達的改進和應用催生了RFID技術，1948年奠定了RFID技術的理論基礎。
1951-1960年，早期RFID技術的探索階段，主要處于實驗室研究中。
1961-1970年，RFID技術的理論得到了發展，開始了一些應用嘗試。
1971-1980年，RFID技術與產品研發處于一個大發展時期，各種RFID技術測試得到加速，出現了一些最早的RFID技術應用。
1981-1990年，RFID技術及產品進入商業應用階段，多種應用開始出現，但成本成為制約進一步發展的主要問題。國內開始關注這項技術。
1991-2000年，大規模生產使得其成本可以被市場接受，技術標準化問題和技術支撐體系的建立得到了重視，大量廠商進入，RFID產品逐漸走入人們的生活，國內研究機構開始跟蹤和研究該技術。
2001-至今，RFID技術得到了進一步豐富和完善，產品種類更加豐富，無源電子標簽、半有源電子標簽均得到了發展，電子標簽成本也不斷降低，RFID技術的應用領域不斷擴大，RFID與其他技術正在日益結合。
縱觀RFID技術的發展歷程，我們不難發現，隨著市場需求的不斷發展，人們對RFID技術的認識水平正在日益提升，RFID技術已經逐漸走入生產和生活的各個領域；RFID技術及產品的不斷開發，必將帶來其應用發展的新高潮，并引發相關應用領域新的變革。
新書資訊