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。 
　　本书先从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；最后，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。 
　　本书内容综合了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*优秀和应用*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。 

　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。因为物联网最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最优秀和应用最广泛的技术之一，是目前最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。 

第1章 射频识别技术概述 1 
1.1 自动识别技术 2 
1.1.1 自动识别技术的概念 2 
1.1.2 自动识别技术的分类 2 
1.1.3 RFID技术 5 
1.2 射频技术及其特点 6 
1.2.1 RFID的发展简史 6 
1.2.2 RFID的发展现状 7 
1.3 RFID技术标准 8 
1.3.1 全球三大标准体系的比较 8 
1.3.2 超高频RFID技术协议 
标准的发展与应用 12 
1.3.3 不同频率的标签和标准 15 
本章小结 17 
习题 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系统的构成 21 
2.2.1 RFID的基本组成 21 
2.2.2 电子标签 24 
2.2.3 读写器 32 
2.2.4 系统高层 35 
2.3 耦合方式 36 
2.3.1 电感耦合方式 36 
2.3.2 反向散射耦合方式 37 
2.4 电感耦合方式的射频前端 38 
2.4.1 读写器的功能与分类 38 
2.4.2 标签的功能与类别 39 
2.5 天线 42 
2.5.1 天线的工作模式 42 
2.5.2 天线的基本参数 43 
2.5.3 天线的设计要求 45 
本章小结 45 
习题 45 
第3章 编码与调制 47 
3.1 信号和编码 48 
3.1.1 数据和信号 48 
3.1.2 信道 48 
3.1.3 编码 51 
3.2 RFID中常用的编码方式和 
编/解码器 54 
3.2.1 曼彻斯特码和密勒码 54 
3.2.2 修正密勒码 60 
3.3 脉冲调制 63 
3.3.1 FSK方式 63 
3.3.2 PSK方式 66 
3.3.3 副载波调制和调解 70 
3.4 正弦波调制 73 
3.4.1 载波 74 
3.4.2 调幅 74 
3.4.3 数字调频和调相 80 
本章小结 81 
习题 82 
第4章 数据校验和防碰撞算法 83 
4.1 差错检测 84 
4.1.1 差错的性质和表示方法 84 
4.1.2 差错控制 85 
4.1.3 检纠错码 85 
4.1.4 数字通信系统的性能 87 
4.1.5 RFID中的差错检测 88 
4.2 防碰撞算法 90 
4.2.1 Aloha算法 91 
4.2.2 二进制树型搜索算法 92 
4.3 ISO/IEC 14443标准中的 
防碰撞协议 93 
4.3.1 TYPE A的防碰撞协议 93 
4.3.2 TYPE B的防碰撞协议 98 
4.4 碰撞检测 104 
4.5 防碰撞RFID系统设计实例 105 
4.5.1 无源RFID芯片MCRF250 105 
4.5.2 基于FSK脉冲调制方式的 
碰撞检测方法 106 
4.5.3 FSK防碰撞读写器的设计 107 
本章小结 108 
习题 109 
第5章 RFID与EPC 111 
5.1 EPC基础 112 
5.1.1 EPC的定义 112 
5.1.2 EPC的产生 112 
5.1.3 EPC系统的构成 114 
5.1.4 EPC系统的特点 117 
5.1.5 EPC系统的工作流程 117 
5.1.6 EPC在国内外的发展状况 118 
5.2 编码体系 121 
5.2.1 EPC标准 121 
5.2.2 GS1全球统一标识系统 125 
5.2.3 EPC编码体系 133 
5.2.4 EPC编码策略 134 
5.2.5 EPC编码实现 136 
5.3 EPC系统网络技术 148 
5.3.1 EPCglobal网络与全球数据 
同步网络(GDSN) 148 
5.3.2 中间件 151 
5.3.3 ONS的工作原理 152 
5.3.4 EPC信息服务(EPCIS) 155 
5.4 EPC射频识别系统 156 
5.4.1 EPC与自动识别技术 156 
5.4.2 EPC与射频识别技术 157 
5.4.3 EPC标签 158 
5.4.4 EPC标签识读器 160 
5.4.5 EPC射频识别系统的建设 162 
本章小结 165 
习题 165 
第6章 RFID与M2M 167 
6.1 什么是M2M 168 
6.1.1 M2M的发展现状 168 
6.1.2 M2M的业务模式 169 
6.1.3 促进M2M技术的成熟 174 
6.2 M2M高层框架及标准 176 
6.2.1 M2M高层框架介绍 176 
6.2.2 M2M标准 178 
6.3 M2M需要RFID技术 179 
6.3.1 自动识别技术是M2M 
可以实施的关键 179 
6.3.2 RFID应用于M2M技术 180 
6.4 M2M技术在贸易与物流中的应用 181 
6.4.1 为什么要在物流中 
应用M2M 181 
6.4.2 发展现状 184 
6.4.3 预测和前景 187 
6.4.4 纵向M2M集成 188 
本章小结 190 
习题 190 
第7章 RFID中间件的设计 191 
7.1 为什么需要RFID中间件 192 
7.1.1 背景介绍 192 
7.1.2 中间件介绍 192 
7.2 RFID中间件设计依赖的技术 196 
7.3 RFID中间件的设计方法 198 
本章小结 200 
习题 200 
第8章 RFID信息安全 201 
8.1 信息安全概述 202 
8.2 密码学基础 206 
8.2.1 密码学的基本概念 206 
8.2.2 密码体制的原则 207 
8.2.3 对称密码体制 207 
8.2.4 非对称密码体制 209 
8.3 序列密码(流密码) 210 
8.3.1 序列密码体制的结构框架 210 
8.3.2 m序列 212 
8.3.3 非线性反馈移位寄存器 
序列 213 
8.4 密钥管理 213 
8.5 射频识别中的认证技术 218 
本章小结 222 
习题 222 
第9章 物联网RFID应用实例 223 
9.1 沃尔玛全面推进RFID/EPC 
在供应链中的应用 224 
9.2 班加罗尔心脏病诊疗中心 
应用UHF RFID标签 227 
9.3 意大利纺织商应用EPC系统追踪 
卷板布匹 228 
9.4 葡萄牙家具制造商在生产线 
应用无源UHF RFID标签 231 
9.5 海尔美国应用RFID超高频 
标签标识冰箱冰柜产品 232 
9.6 上海世博会采用RFID门票 235 
9.7 RFID在交通领域的应用 237 
9.8 上海浦东国际机场防入侵系统 240 
9.9 博物馆利用RFID技术拓展 
参观者体验 243 
9.10 食品物流RFID监控溯源系统 244 
9.11 医院智能管理系统 245 
9.12 智慧型药盒与RFID药罐提醒 
老年人准时服药 247 
9.13 RFID在物流管理中的应用 250 
9.14 RFID无线实时定位系统 253 
9.15 RFID在农业中的应用 255 
9.16 RFID在畜牧业中的应用 257 
本章小结 259 
习题 259 
参考文献 261 

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，最后传至后台，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
　　目前最流行的一维条码是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所示为几种IC卡。
(a) 中国电信IC卡 (b) 中国邮政储蓄银行IC卡
图1-5 IC卡
4. 射频识别技术
　　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。与条码识别技术、磁卡识别技术和IC卡识别技术等相比，它以特有的无接触、可同时识别多个物品等优点，逐渐成为自动识别领域中最优秀和应用最广泛的自动识别技术。
1.1.3 RFID技术
　　RFID技术是自动识别技术中的一种。RFID以电子标签来标识某个物体，电子标签包含某个芯片和天线，芯片用来存储物体的数据，天线用来收发无线电波。电子标签的天线通过无线电波，将物体的数据发射到附近的RFID读写器，RFID读写器就会对接收到的数据进行收集和处理。RFID与传统的条码识别相比，具有很大的优势。
　　(1) RFID电子标签抗污损能力强。
　　传统的条码载体是纸张，它附在物体和外包装箱上，特别容易受到折损。条码采用的是光识别技术，如果条码的载体受到污染或者折损，将会影响信息的正确识别。而RFID采用电子芯片存储信息，可以免受外部环境污损。
　　(2) RFID电子标签安全性高。
　　条码制作容易，操作简单，但同时也产生了仿造容易、信息保密性差等缺点。RFID采用电子标签存储信息，数据可以通过编码实现密码保护，内容不易被伪造和更改。
　　(3) RFID电子标签容量大。
　　条码的标识容量有限。而RFID电子标签的标识容量可以做到比条码大很多，实现真正的"一物一码"，可以满足信息流量不断增大和信息处理速度不断提高的需求。
　　(4) RFID可实现远距离同时识别多个电子标签。
　　条码识别一次只能有一个条码接受扫描，而且要求条码与读写器的距离比较近。射频识别采用无线电波进行数据交换，RFID读写器能够远距离同时识别多个RFID标签，并可以识别高速运动的标签。
　　(5) RFID是物联网的基石。
　　条码印刷上去就无法更改了。而RFID采用电子芯片存储信息，可以随时记录物品在任何时候的任何信息，并可以很方便地新增、更改和删除信息。RFID通过计算机网络可以实现对物品透明化、实时的管理，实现真正意义上的"物联网"。
1.2 射频技术及其特点
　　射频识别是无线电频率识别(Radio Frequency Identification，RFID)的简称，即通过无线电波进行识别。在RFID系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据裁体称为应答器。应答器中存放的识别信息由阅读器读出。在一些应用中，阅读器不仅可以读出存放的信息，而且可以对应答器写入数据，读、写过程是通过相互之间的无线通信来实现的。
　　射频识别具有下述特点。
　　(1) 是通过电磁耦合方式实现的非接触自动识别技术。
　　(2) 需要利用无线电频率资源，必须遵守使用无线电频率的众多规范。
　　(3) 存放的识别信息是数字化的，因此，通过编码技术，可以方便地实现多种应用，如身份识别、商品货物识别、动物识别、工业过程监控等。
　　(4) 容易对多个应答器、多个阅读器组合建网，以完成大范围的系统应用，并构成完善的信息系统。
　　(5) 涉及计算机、无线数字通信、集成电路、电磁场等众多学科，是一个新兴的、融合了多种技术的领域。
1.2.1 RFID的发展简史
　　在过去的半个多世纪中，RFID技术的发展经历了以下几个阶段。
　　1941-1950年，雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。
　　1951-1960年，早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室研究中。
　　1961-1970年，RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。
　　1971-1980年，RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速，出现了一些最早的RFID技术应用。
　　1981-1990年，RFID技术及产品进入商业应用阶段，多种应用开始出现，但成本成为制约进一步发展的主要问题。国内开始关注这项技术。
　　1991-2000年，大规模生产使得其成本可以被市场接受，技术标准化问题和技术支撑体系的建立得到了重视，大量厂商进入，RFID产品逐渐走入人们的生活，国内研究机构开始跟踪和研究该技术。
　　2001-至今，RFID技术得到了进一步丰富和完善，产品种类更加丰富，无源电子标签、半有源电子标签均得到了发展，电子标签成本也不断降低，RFID技术的应用领域不断扩大，RFID与其他技术正在日益结合。
　　纵观RFID技术的发展历程，我们不难发现，随着市场需求的不断发展，人们对RFID技术的认识水平正在日益提升，RFID技术已经逐渐走入生产和生活的各个领域；RFID技术及产品的不断开发，必将带来其应用发展的新高潮，并引发相关应用领域新的变革。