自動識別技術與RFIDv.ppt

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1、第2章 自動識別技術與RFID,內容提要,感知識別技術融合物理世界和信息世界，是物聯網區(qū)別于其他網絡最獨特的部分。 本篇從自動識別技術與RFID開始，逐一介紹多樣化的信息生成方式。,內容回顧,第1章介紹了物聯網的基本概念，核心技術，主要特點和應用前景。把物聯網分為感知識別層、網絡構建層、管理服務層和綜合應用層四層。 本章介紹自動識別技術和RFID，重點討論RFID組成，分類等，并簡要介紹防止RFID標簽沖突算法。,2.1 自動識別技術 2.2 RFID的歷史和現狀 2.3 RFID技術分析 2.4 RFID標簽沖突* 2.5 RFID和物聯網 自動識別技術是模式識別理論的典型應用，選取不同的特

2、征產生了多樣的自動識別技術。,本章內容,光符號識別&語音識別,光學字符識別（Optical Character Recognition，OCR），是模式識別（Pattern Recognition，PR）的一種技術，目的是要使計算機知道它到底看到了什么，尤其是文字資料。OCR技術能使設備通過光學機制識別字符。 語音識別研究如何采用數字信號處理技術自動提取及決定語言信號中最基本有意義的信息，同時也包括利用音律特征等個人特征識別說話人。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,語音識別框架：典型的模式識別系統(tǒng),虹膜識別：合適的生物特征,虹膜識別是當前應用最方便精

3、確的生物識別技術，虹膜的高度獨特性和穩(wěn)定性是其用于身份鑒別的基礎。 虹膜識別的特點： 生物活性: 虹膜處在鞏膜的保護下，生物活性強。 非接觸性: 從無需用戶接觸設備,對人身沒有侵犯。 唯一性: 形態(tài)完全相同虹膜的可能性低于其他組織。 穩(wěn)定性: 虹膜定型后終身不變，一般疾病不會對虹膜組織造成損傷。 防偽性: 不可能在對視覺無嚴重影響的情況下用外科手術改變虹膜特征。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,指紋識別技術,從實用角度看，指紋識別是優(yōu)于其他生物識別技術的身份鑒別方法。因為指紋具有各不相同、終生基本不變的特點，且目前的指紋識別系統(tǒng)已達到操作方便、準確可

4、靠、價格適中的階段，正逐步應用于民用市場。 指紋識別的處理流程： 通過特殊的光電轉換設備和計算機圖像處理技術，對活體指紋進行采集、分析和比對，可以迅速、準確地鑒別出個人身份。系統(tǒng)一般主要包括對指紋圖像采集、指紋圖像處理、特征提取、特征值的比對與匹配等過程。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,指紋特征有哪些（總體特征）？,指紋特征有哪些（局部特征）？,終結點（Ending）：一條紋路在此終結。,分叉點（Bifurcation) ：一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路。,分歧點（Ridge Divergence）：兩條平行的紋路在此分開。,孤立點（Dot

5、or Island） : 一條特別短的紋路，以至成為一點。,環(huán)點（Enclosure）: 一條紋路分開成為兩條之后，立即有合并成為一條，這樣形成的一個小環(huán)稱為環(huán)點。,短紋（Short Ridge）: 一端較短但不至于成為一點的紋路。,IC卡技術,IC卡（Integrated Circuit Card），即“集成電路卡”在日常生活中已隨處可見。實際上是一種數據存儲系統(tǒng)，如有必要還可附加計算能力。 一個標準的IC卡應用系統(tǒng)通常包括：IC卡、IC卡接口設備（IC卡讀寫器）、PC，較大的系統(tǒng)還包括通信網絡和主計算機等，如圖所示。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形

6、碼,IC卡：基本組成,IC卡：由持卡人掌管，記錄持卡人特征代碼、文件資料的便攜式信息載體。 接口設備：即IC卡讀寫器，是卡與PC信息交換的橋梁，且常是IC卡的能量來源。核心為可靠的工業(yè)控制單片機，如Intel的51系列等。 PC：系統(tǒng)的核心，完成信息處理、報表生成輸出和指令發(fā)放、系統(tǒng)監(jiān)控管理以及卡的發(fā)行與掛失、黑名單的建立等。 網絡與計算機：通常用于金融服務等較大的系統(tǒng)。,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,IC卡：分類,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,IC卡：按芯片分類,IC卡：按芯片分類,IC卡：按芯片分類

7、,CPU卡：按交換界面分類,CPU卡：按應用領域分類,根據應用領域的不同可將智能卡分為金融卡和非金融卡（即銀行卡和非銀行卡）。金融卡又分為信用卡和現金卡。前者用于消費支付時，可按預先設定額度透支資金，后者可用做電子錢包和電子存折，但不得透支。而非金融卡的涉及范圍極廣，實質上囊括了金融卡之外的所有領域，如門禁卡、組織代碼卡、醫(yī)療卡、保險卡、IC卡身份證、電子標簽等。,CPU卡：按數據傳輸形式分類,條形碼技術,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,條碼技術是在計算機應用發(fā)展過程中，為消除數據錄入的“瓶頸”問題而產生的，可以說是最“古老”的自動識別技術。 條形碼

8、是由一組規(guī)則排列的條、空以及對應的字符組成的標記。當使用專門的條形碼識別設備如手持式條碼掃描器掃描這些條碼時，條碼中包含的信息就轉化為計算機可識別的數據。 目前市場上常見的是一維條形碼，信息量約幾十位數據和字符；二維條形碼相對復雜，但信息量可達幾千字符。,條形碼技術：一維條形碼,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,一維條碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對應的字符組成的標記。普通的一維條碼在使用過程中僅作為識別信息，它的意義是通過在計算機系統(tǒng)的數據庫中提取相應的信息而實現的。 一個完整的條碼的組成次序依次為：靜區(qū)（前）、起始符、數據符、（中間分割符，主要用于

9、EAN碼）、(校驗符)、終止符、靜區(qū)（后）。,一維條形碼：幾個基本概念,模塊：構成條碼的基本單位是模塊，模塊是指條碼中最窄的條或空，模塊的寬度通常以mm或mil（千分之一英寸）為單位。構成條碼的一個條或空稱為一個單元，一個單元包含的模塊數是由編碼方式決定的，有些碼制中，如EAN碼，所有單元由一個或多個模塊組成；而另一些碼制，如39碼中，所有單元只有兩種寬度，即寬單元和窄單元，其中的窄單元即為一個模塊。,密度（Density）：條碼的密度指單位長度的條碼所表示的字符個數。模塊尺寸越小，密度越大，所以密度值通常以模塊尺寸的值來表示（如5mil）。通常7.5mil以下的條碼稱為高密度條碼，15mil

10、以上的條碼稱為低密度條碼。 寬窄比：對于只有兩種寬度單元的碼制，寬單元與窄單元的比值稱為寬窄比，一般為2-3左右（常用的有2：1，3：1）。寬窄比較大時，閱讀設備更容易分辨寬單元和窄單元，因此比較容易閱讀。,一維條形碼：幾個基本概念（續(xù)）,對比度（PCS）：條碼符號的光學指標，PSC值越大則條碼的光學特性越好PCS=（RL-RD）/RL100% （RL：條的反射率 RD：空的反射率） 條碼長度: 從條碼起始符前緣到終止符后緣的長度 條碼密度:單位長度的條碼所表示的字符個數 雙向條碼：條碼的兩段都可以作為掃描起點的。 中間分隔符：在條碼符號中，位于兩個相鄰的條碼符號之間且不代表任何信息的空。 連

11、續(xù)性條碼：在條碼字符中，兩個相鄰的條碼字符之間沒有中間分隔符的條碼。 非連續(xù)性條碼：在條碼字符中，兩個相鄰的條碼字符之間存在中間分隔符的條碼。,一維條形碼：譯碼原理,激光掃描儀通過一個激光二極管發(fā)出一束光線，照射到一個旋轉的棱鏡或來回擺動的鏡子上，反射后的光線穿過閱讀窗照射到條碼表面，光線經過條或空的反射后返回閱讀器，由一個鏡子進行采集、聚焦，通過光電轉換器轉換成電信號，該信號將通過掃描期或終端上的譯碼軟件進行譯碼。,一維條形碼：典型一維條形碼制比較,條形碼技術：二維條形碼,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,二維碼利用某種特定的幾何圖形按一定規(guī)律在平面

12、（二維方向上）分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息的；在代碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個與二進制相對應的幾何形體來表示文字數值信息，通過圖象輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理。 二維碼具有條碼技術的一些共性：每種碼制有其特定的字符集；每個字符占有一定的寬度；具有一定的校驗功能等。同時還具有對不同行的信息自動識別功能、及處理圖形旋轉變化等特點。,條形碼技術：二維條形碼,自動識別技術舉例 光符號識別 語音識別 虹膜識別 指紋識別 IC卡 條形碼,目前，世界上應用最多的二維條碼符號有Aztec Code、PDF147、DataMatri

13、x、QR Code、Code16K等。,Code 16K,DataMatrix,PDF147,Aztec Code,QR Code,一維條形碼與二維條形碼的比較,一維條形碼特點： 可直接顯示內容為英文、數字、簡單符號； 貯存數據不多，主要依靠計算機中的關聯數據庫： 保密性能不高； 損污后可讀性差。,二維條形碼特點： 可直接顯示英文、中文、數字、符號、圖型； 貯存數據量大，可存放1K字符，可用掃描儀直接讀取內容，無需另接數據庫； 保密性高（可加密）， 安全級別最高時，損污50%仍可讀取完整信息。,2.1 自動識別技術 2.2 RFID的歷史和現狀 2.3 RFID技術分析 2.4 RFID標簽沖

14、突* 2.5 RFID和物聯網 RFID對于計算機自動識別技術而言是一場革命，極大地提高了信息處理效率和準確度。,本章內容,2.2 RFID的歷史與現狀,RFID是射頻識別技術（Radio Frequency Identification）的英文縮寫,利用射頻信號通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的。 它是上世紀90年代興起的自動識別技術，首先在歐洲市場上得以使用，隨后在世界范圍內普及。 RFID較其它技術明顯的優(yōu)點是電子標簽和閱讀器無需接觸便可完成識別。射頻識別技術改變了條形碼依靠有形的一維或二維幾何圖案來提供信息的方式，通過芯片來提供存儲在其中的

15、數量巨大的無形信息。,2.2 RFID的歷史與現狀,2.2 RFID的歷史與現狀,目前RFID技術應用己經處于全面推廣的階段。特別是對于IT業(yè)而言，RFID技術被視為IT業(yè)的下一個“金礦”。各大軟硬件廠商包括IBM、Motorola、Philips、TI、Microsoft、Oracle、Sun、BEA、SAP等在內的各家企業(yè)都對RFID技術及其應用表現出了濃厚的興趣，相繼投入大量研發(fā)經費，推出了各自的軟件或硬件產品及系統(tǒng)應用解決方案。 在應用領域，以Wal-Mart，UPS，Gillette等為代表的眾多企業(yè)已經開始全面使用RFID技術對業(yè)務系統(tǒng)進行改造，以提高企業(yè)的工作效率、管理水平并為客

16、戶提供各種增值服務。,2.1 自動識別技術 2.2 RFID的歷史和現狀 2.3 RFID技術分析 2.4 RFID標簽沖突* 2.5 RFID和物聯網 RFID系統(tǒng)的基本組成是什么？有哪些重要參數？,本章內容,2.3 RFID技術分析,RFID系統(tǒng)由五個組件構成，包括：傳送器、接收器、微處理器、天線、標簽。傳送器、接收器和微處理器通常都被封裝在一起，又統(tǒng)稱為閱讀器(Reader)，所以工業(yè)界經常將RFID系統(tǒng)分為為閱讀器、天線和標簽三大組件，這三大組件一般都可由不同的生廠商生產。,2.3 RFID技術分析：閱讀器,閱讀器是RFID系統(tǒng)最重要也是最復雜的一個組件。因其工作模式一般是主動向標簽詢

17、問標識信息，所以有時又被稱為詢問器（Interrogator）。下圖顯示不同類型的閱讀器。閱讀器可以通過標準網口、RS232串口或USB接口同主機相連，通過天線同RFID標簽通信。有時為了方便，閱讀器和天線以及智能終端設備會集成在一起形成可移動的手持式閱讀器。,2.3 RFID技術分析：天線,天線同閱讀器相連，用于在標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號。閱讀器可以連接一個或多個天線，但每次使用時只能激活一個天線。RFID系統(tǒng)的工作頻率從低頻到微波，這使得天線與標簽芯片之間的匹配問題變得很復雜。,2.3 RFID技術分析：標簽,標簽（Tag）是由耦合元件、芯片及微型天線組成，每個標簽內部存有唯一的電子編

18、碼，附著在物體上，用來標識目標對象。標簽進入RFID閱讀器掃描場以后，接收到閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的電子編碼（被動式標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（主動式標簽）。,電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）：一般射頻識別系統(tǒng)主要采用EEPROM方式。這種方式的缺點是寫入過程中的功耗消耗很大，使用壽命一般為100,000次 鐵電隨機存取存儲器（FRAM）: 與EEPROM相比，FRAM的寫入功耗消耗減小100倍，寫入時間甚至縮短1000倍。FRAM屬于非易失類存儲器。然而，FRAM由于生產方面的問題至今未獲得廣泛應用。 靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）: S

19、RAM能快速寫入數據，適用于微波系統(tǒng)，但SRAM需要輔助電池不間斷供電，才能保存數據。,標簽：存儲方式,被動式標簽（Passive Tag）：因內部沒有電源設備又被稱為無源標簽。被動式標簽內部的集成電路通過接收由閱讀器發(fā)出的電磁波進行驅動，向閱讀器發(fā)送數據。 主動標簽（Active Tag）:因標簽內部攜帶電源又被稱為有源標簽。電源設備和與其相關的電路決定了主動式標簽要比被動式標簽體積大、價格昂貴。但主動標簽通信距離更遠，可達上百米遠。 半主動標簽（Semi-active Tag）:這種標簽兼有被動標簽和主動標簽的所有優(yōu)點，內部攜帶電池，能夠為標簽內部計算提供電源。這種標簽可以攜帶傳感器，可用

20、于檢測環(huán)境參數，如溫度、濕度、是否移動等。然而和主動式標簽不同是它們的通信并不需要電池提供能量，而是像被動式標簽一樣通過閱讀器發(fā)射的電磁波獲取通信能量。,標簽分類,體積小且形狀多樣：RFID標簽在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制，不需要為了讀取精度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質。 耐環(huán)境性：紙張容易被污染而影響識別。但RFID對水、油等物質卻有極強的抗污性。另外，即使在黑暗的環(huán)境中，RFID標簽也能夠被讀取。 可重復使用：標簽具有讀寫功能，電子數據可被反復覆蓋，因此可以被回收而重復使用。 穿透性強：標簽在被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質包裹的情況下也可以進行穿透性通訊。 數據安全性：標簽

21、內的數據通過循環(huán)冗余校驗的方法來保證標簽發(fā)送的數據準確性。,RFID標簽與條形碼相比的優(yōu)點？,2.3 RFID技術分析：頻率,RFID頻率是RFID系統(tǒng)的一個很重要的參數指標，它決定了工作原理、通信距離、設備成本、天線形狀和應用領域等因素。RFID典型的工作頻率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)集中在低頻、高頻和超高頻三個區(qū)域,低頻（LF）范圍為30kHz-300kHz，RFID典型低頻工作頻率有125kHz和133kHz兩個，該頻段的波長大約為2500m。低頻標

22、簽一般都為無源標簽，其工作能量通過電感耦合的方式從閱讀器耦合線圈的輻射場中獲得，通信范圍一般小于1米。除金屬材料影響外，低頻信號一般能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離。 高頻（HF）范圍為3 MHz -30 MHz，RFID典型工作頻率為13.56MHz,該頻率的波長大概為22米，通信距離一般也小于1米。該頻率的標簽不再需要線圈繞制，可以通過腐蝕活著印刷的方式制作標簽內的天線，采用電感耦合的方式從閱讀器輻射場獲取能量。,RFID頻率,超高頻（UHF）范圍為300MHz-3GHz，3GHz以上為微波范圍。采用超高頻和微波的RFID系統(tǒng)一般統(tǒng)稱為超高頻RFID系統(tǒng)，典型的工作頻率為：433

23、MHz，860-960MHz，2.45GHz，5.8GHz，頻率波長大概在30厘米左右。嚴格意義上，2.45GHz和5.8GHz屬于微波范圍。 超高頻標簽可以是有源標簽與無源標簽兩種，通過電磁耦合方式同閱讀器通信。通信距離一般大于1米，典型情況為4-6米，最大可超過10米。,RFID頻率（續(xù)）,2.1 自動識別技術 2.2 RFID的歷史和現狀 2.3 RFID技術分析 2.4 RFID標簽沖突* 2.5 RFID和物聯網 多個標簽同時處于閱讀器識別范圍之內或多個標簽同時向閱讀器發(fā)送標志信號時，將發(fā)生標簽信號沖突。,本章內容,2.4 RFID標簽沖突,標簽信號沖突：隨著閱讀器通信距離的增加其識

24、別區(qū)域的面積也逐漸增大，這常常會引發(fā)多個標簽同時處于閱讀器的識別范圍之內。但由于閱讀器與所有標簽共用一個無線通道，當兩個以上的標簽同一時刻向閱讀器發(fā)送標識信號時，信號將產生疊加而導致閱讀器不能正常解析標簽發(fā)送的信號。這個問題通常被稱為標簽信號沖突問題（或碰撞問題），解決沖突問題的方法被稱為防沖突算法（或防碰撞算法，反沖突算法）。 現有的基于時分多址防沖突算法可以分為基于ALOHA機制的算法和基于二進制樹兩種類型，而這兩種類型又包括若干種變體。,純ALOHA防沖突算法 算法簡單，易于實現，但信道利用率僅為18.4%，性能非常不理想。,基于ALOHA的防沖突算法,分時隙的ALOHA防沖突算法（S-

25、ALOHA）,基于ALOHA的防沖突算法,S-ALOHA算法將純ALOHA算法的時間分為若干時隙，每個時隙大于或等于標簽標識符發(fā)送的時間長度，并且每個標簽只能在時隙開始時刻發(fā)送標識符。由于系統(tǒng)進行了時間同步，S-ALOHA協議的信道利用率達到36.8%，是純ALOHA的兩倍。,基于幀的分時隙ALOHA防沖突算法（FSA）,基于ALOHA的防沖突算法,在S-ALOHA基礎上，將若干個時隙組織為一幀，閱讀器按照幀為單元進行識別。優(yōu)點在于邏輯簡單，電路設計簡單，所需內存少，且在幀內只隨機發(fā)送一次能夠更進一步降低了沖突的概率。FSA成為RFID系統(tǒng)中最常用的一種基于ALOHA的防沖突算法。,Q算法,基

26、于ALOHA的防沖突算法,動態(tài)自適應設置幀長度的算法可以解決FAS算法固定幀的局限性。目前流行的方法有兩種：一種根據前一幀通信獲取的空的時隙數目，發(fā)生碰撞的時隙數目和成功識別標簽的時隙數目的數量估計當前的標簽數并設置下一幀的最優(yōu)的長度；另一種根據前一時隙的反饋動態(tài)調整幀長為2的整數倍，這種方法最具代表性的是EPCglobal Gen2標準中設計的Q算法。,隨機二進制樹,基于二進制樹的防沖突算法,隨機二進制樹算法要求每個標簽維持一個計數器，計數器初始值設定為0。在每一個時隙開始時，如果標簽的計數器為零則立即發(fā)送自己的標識符號，否則該時隙不回復。凡是被成功識別的標簽都處于沉默狀態(tài)，對以后時隙的閱讀

27、器命令均不回復。 如果該時隙有沖突發(fā)生，發(fā)送表示符號的標簽就會從0或1兩個數字中隨機選擇一個，并將其加到自己的計數器上。 整個識別過程就像是對二叉樹中序遍歷。,查詢二進制樹,基于二進制樹的防沖突算法,查詢二進制樹算法是無狀態(tài)協議，不需標簽內部維持任何狀態(tài)，標簽只需根據閱讀器廣播的標識符前綴作比較即可。 閱讀器內部維持一個二進制前綴，初始值為0。每一個時隙開始時，閱讀器廣播該二進制前綴，電子標簽將自己的標識符號前幾位與此二進制前綴進行比較，若相同則立即發(fā)送標識符號。 如果閱讀器探測到沖突發(fā)生，則在下次查詢中在原來的二進制前綴后面增加0或1，重新查詢，如此循環(huán)直到識別完所有的標簽。,2.1 自動識

28、別技術 2.2 RFID的歷史和現狀 2.3 RFID技術分析 2.4 RFID標簽沖突* 2.5 RFID和物聯網 基于RFID標簽對物體唯一標識特性引發(fā)了對物聯網研究的熱潮。,本章內容,2.5 RFID與物聯網,基于RFID標簽對物體的唯一標識特性，引發(fā)了人們對實物互聯網（物聯網）研究的熱潮。 物聯網是通過給所有物品貼上RFID標簽，在現有互聯網基礎之上構建所有參與流通的物品信息網絡。 物聯網的建立將對生產制造、銷售、運輸、使用、回收等物品流通的各個環(huán)節(jié)以及政府、企業(yè)和個人行為帶來深刻影響。 通過物聯網，世界上任何物品都可以隨時隨地按需被標識、追蹤和監(jiān)控。物聯網被視為繼Internet后I

29、T業(yè)的又一次革命。,本章小結,內容回顧 本章對常見的自動識別方法和技術做了介紹，包括：光學符號識別技術、語音識別技術、生物計量識別技術、IC卡技術、條形碼技術和RFID射頻技術 本章重點講述了RFID技術，包括RFID歷史和現狀、RFID技術剖析和RFID標簽沖突問題。,本章小結,重點掌握 光學符號識別技術的基本概念，語音識別的流程，虹膜識別的特點，指紋的整體特征和局部特征。 IC卡系統(tǒng)的構成及分類方法。 條形碼的分類，一維條形碼的組成，條形碼模塊的概念；一維條形碼的基本參數及工作原理，二維條形碼與一維條形碼的比較，常見的一維條形碼和二維條形碼編碼。,本章小結,重點掌握（續(xù)） RFID的概念與現狀。 RFID系統(tǒng)的組成，RFID標簽的優(yōu)點和特點，RFID標簽的存儲方式及分類，RFID系統(tǒng)的常見頻率及其優(yōu)缺點。 RFID標簽沖突及防沖突算法的概念，防沖突算法分類，詳細描述基于幀的分時隙的ALOHA協議，Q協議、隨機二進制樹協議和查詢二叉樹協議。以上各種協議的優(yōu)缺點。,Thank you!,