第2章 物联网的关键技术

2.1 “物”的标识：RFID技术

2.1.1 自动识别技术简介

自动识别技术是将信息数据自动识读、输入计算机的重要方法和手段，它是以计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术。当今信息社会离不开计算机，而自动识别技术的崛起，为计算机提供了快速、准确地进行数据采集输入的有效手段，解决了计算机通过键盘手工输入数据速度慢、错误率高所造成的“瓶颈”难题。因此，自动识别技术作为一种先导性的高新技术，正迅速地为人们所接受。

自动识别技术的主要特点是：（1）准确，自动数据采集，极大地降低人为错误；（2）高效，数据采集快速，信息交换实时进行；（3）兼容，以计算机技术为基础，可与信息管理系统无缝融合。目前常用的自动识别技术包括：条码技术、光学字符识别技术、磁条（卡）识别技术、光卡识别技术、生物识别技术、声音识别技术、视觉识别技术、射频识别技术等。

（1）条码技术。

条码技术的核心是条码符号，我们所看到的条码符号是由一组规则排列的条、空及相应的数字字符组成的。这种用条、空组成的数据编码可以供机器识读，而且很容易译成二进制数和十进制数。这些条和空可以有各种不同的组合方法，从而构成不同的图形符号，即各种符号体系（也称码制）。不同码制的条码，适用于不同的应用场合。

（2）光学字符识别技术。

光学字符识别（Optical Character Recognition，OCR）技术，是模式识别（Pattern Recognition，PR）中的一种技术，其目的就是要让计算机知道它到底看到了什么，尤其是文字资料。OCR技术能够使设备通过光学的机制来识别字符。

一个OCR识别系统的处理流程如下：首先将标的物的影像输入，然后经过影像前处理、文字特征抽取、比对识别等过程，最后经人工校正将认错的文字更正，将结果输出。

（3）磁条（卡）识别技术。

磁条是一层薄薄的由定向排列的铁性强化粒子组成的磁性材料（也称为涂料），用树脂黏合剂将这些磁性粒子严密地黏合在一起，并黏合在诸如纸或者塑料这样的非磁性基片媒介上，就构成了磁卡或者磁条卡。磁卡属于磁记录介质卡片。

（4）光卡识别技术。

利用半导体激光材料组成的能够存储记录并再生大量情报的卡式媒介体来实现识别过程，具有容量大、安全性高、保密性强等特点。

（5）生物识别技术。

生物识别技术是指利用可以测量的人体生物学或行为学特征来识别、核实个人身份的一种自动识别技术。能够用来鉴别身份的生物特征应该具有以下特点：广泛性；唯一性；稳定性；可采集性。

美国一家高技术公司研制出的虹膜识别系统已经应用在美国得克萨斯州联合银行的三个营业部内。储户来办理银行业务，无须银行卡，更没有回忆密码的烦恼。（虹膜能够控制瞳孔大小，并给人们的眼球带来颜色。在胎儿发育阶段，虹膜就已形成复杂独特的结构，在整个生命历程中保持不变。这就是以虹膜为基础的生物识别系统的有效性真实原因，每个人的虹膜都各不相同。）

（6）声音识别技术。

声音识别的迅速发展及高效可靠的应用软件的开发，使声音识别系统在很多方面得到了应用，这种系统可以用声音指令和应用特定短句实现“不用手”的数据采集，其最大特点就是不用手和眼睛，这对那些采集数据同时还要完成手脚并用的工作场合，以及标签仅为识别手段，数据采集不实际或不合适的场合尤为适用。

（7）视觉识别技术。

视觉识别技术可以看作这样的技术：它能获取视觉图像，而且通过一个特征抽取和分析的过程，能自动识别限定的标志、字符、编码结构或其他可作为确切识断基础呈现在图像内的特征。随着自动化的发展，视觉识别技术可与其他自动识别技术结合起来应用。

（8）射频识别技术。

射频识别技术的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不局限于视线、识别距离比光学系统远，射频识别卡可具有读/写能力，可携带大量数据、难以伪造和有智能等。

射频识别技术适用的领域：物料跟踪、运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的场合。目前，最流行的应用是在交通运输（汽车、货箱识别）、路桥收费、保安（进出控制）、自动生产和动物标签等方面。射频识别技术在物流领域中应用较为广泛。

2.1.2 RFID的特点和分类

1.RFID的特点

RFID是一项易于操控、简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术，识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式，也可支持读/写工作模式，且无须接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下：短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距离射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。其所具备的独特优越性是其他识别技术无法企及的。

它主要有以下几个方面特点。

1）读取方便快捷：数据的读取无须光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30m以上。

2）识别速度快：标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别。

3）数据容量大：数据容量最大的二维条形码（PDF417），最多也只能存储2725个数字；若包含字母，存储量则会更少；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数十KB。

4）使用寿命长，应用范围广：无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且封闭式包装使得其寿命长于印刷的条形码。

5）标签数据可动态更改：利用编程器可以向标签写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更少。

6）更好的安全性：不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性。

7）动态实时通信：标签以每秒50～100次的频率与解读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态地追踪和监控。

2.RFID系统的分类

RFID系统的分类有很多种。

按射频卡中有无电池可分为有源系统和无源系统两类。无源系统一般识别距离短，使用寿命较长。有源系统一般识别距离长，使用寿命取决于电池容量。

根据系统工作频率的不同可分为高频、中频及低频系统。低频系统一般工作在100kHz～500kHz；中频系统工作在10MHz～15MHz左右；而高频系统则可达850MHz～950MHz，甚至达到2.4GHz～5.8GHz的微波段。高频系统应用于需要较长的读/写距离和高的读/写速度的场合，像火车监控、高速公路收费等系统。但天线波束较窄，在实际使用中需视距传播识别，并且价格较高；中频系统在13.56MHz的范围。这个频率用于门禁控制和需传送大量数据的应用；低频系统用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、动物监管、货物跟踪。

按工作方式分类可分为主动式系统和被动式系统。主动式系统中，射频卡用自身的能量主动地发送数据给读/写器，例如，动物识别。被动式系统中，射频卡是在收到读/写器发出的射频信号后才被唤醒，这样可以避免互相之间的干扰。

按读/写方式将射频卡分成三种：可擦写（R/W）、一次写入多次读出（WORM）和只读（RO）。R/W卡比WORM卡和RO卡成本高，如电话卡、信用卡等。WORM卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变。RO卡存有一个唯一的号码，不能更改，比较便宜。

按工作距离分为密耦合、近耦合、疏耦合系统。密耦合射频识别系统工作距离在0～1cm范围，可用介于直流和30MHz交流之间的任意频率进行工作。近耦合射频识别系统工作距离可达1m，读/写器和射频卡之间通过电磁耦合，工作频率可以是125kHz、6.75MHz、13.56MHz。疏射频识别系统的工作距离可以从1m到10m，其使用频率为微波段，典型的工作频率有915MHz、2.45GHz、5.8GHz。

2.1.3 RFID的技术原理

一般来说，射频识别系统包含射频标签（Tag）、读/写器（Reader）、RFID中间件和应用系统软件四部分。射频标签由天线及芯片组成，每个芯片都含有唯一的识别码，一般保存有约定格式的电子数据。在实际应用中，射频标签一般粘贴在待识别物体的表面，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；读/写器是可非接触地读取和写入标签信息的设备，它通过网络与计算机系统进行通信，从而完成对射频标签信息的获取、解码、识别和数据管理，可设计为手持式或固定式，读/写器又称为读出装置，例如，扫描器、通信器、阅读器；中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机/服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信；RFID应用系统软件是针对不同行业的特定需求而开发的应用软件。

RFID的基本工作原理是：标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（即无源标签，也称为被动标签），或者主动发送某一频率的信号（即有源标签，也称为主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至后台处理系统进行相关处理。电子标签和阅读器通过各自的天线，构建非接触的信息传输信道，如图2.1所示。

从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分成两类：电感耦合（Inductive Coupling）系统和电磁反向散射耦合（Backscatter Coupling）系统。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。

电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统，典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13.56MHz。利用电感耦合方式的识别系统作用距离一般小于1m，典型的作用距离为10～20cm。

电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统，典型的工作频率有：433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz。识别作用距离大于1m，其典型的作用距离为4～6cm。

2.1.4 RFID的关键技术

从产业化方面来看，RFID的关键技术包括芯片设计与制造、天线设计与制造、电子标签封装技术与装备、RFID标签集成、读/写器设计与制造技术等。从应用来看，RFID关键技术包括RFID应用体系架构、RFID系统集成与中间件、RFID公共服务体系、RFID测试技术与规范、RFID安全与隐私保护技术等。这些关键技术的发展，是支撑RFID技术产业化和大规模应用的前提和保障。下面我们主要介绍RFID天线技术、RFID软件中间件技术、RFID防碰撞协议及RFID的安全与隐私保护技术。

1.RFID天线技术

从RFID系统的工作原理不难看出，在RFID卡和读/写器进行通信的过程中，天线起到了重要的作用，标签天线的性能对提高系统的性能有着重要的意义。由于标签附着在被标识物体上，标签天线会受到所标识物体的形状及物理特性的影响，如标签到贴标签物体的距离、贴标签物体的介电常数、金属表面的反射、局部结构对辐射模式的影响等。这些因素给标签天线的设计提出了很高的要求，同时也带来了巨大的挑战。

2.RFID软件中间件技术

作为企业RFID应用与底层RFID硬件采集设施之间的连接纽带，RFID中间件技术拓展了基础中间件的功能，将中间件技术延伸到RFID领域，是整个RFID产业的关键共性技术，RFID中间件屏蔽了RFID基础设施的异构性和复杂性，能够为后台RFID应用系统提供强大的支撑，从而驱动RFID技术更广泛、更丰富的应用。

RFID应用系统使用RFID中间件提供的一组通用应用程序接口（API），能实现与RFID底层设施之间的连接。使用这种调用机制，可使得在存储RFID标签数据的数据库软件或上层RFID应用系统有所改动或是被其他软件取代时，又或是读/写RFID底层设施种类增加等情况发生时，RFID应用系统不需做很大的改动。这样，RFID应用系统可以不做大的修改就可运行于不同的RFID中间件之上，解决了多对多连接的维护复杂性问题。对于海量数据的处理，也可大大减轻上层RFID应用系统及网络数据通信的负担。RFID中间件技术重点研究的内容包括：海量数据的处理，并发访问技术，目录服务及定位技术，数据及设备监控技术，远程数据访问，安全和集成技术，进程及会话管理技术，等等。

3.RFID防碰撞协议

随着有源标签的出现和RFID技术在高速移动物体中的应用，迫切需要阅读器在有限时间内高效快速地识别大量标签。RFID系统中的碰撞问题包括阅读器碰撞和标签碰撞。阅读器碰撞是指某个标签处于多个阅读器作用范围内，多个阅读器同时与一个标签进行通信，致使标签无法区分信号来自哪个阅读器，也包括相邻的阅读器同时使用相同的频率与其阅读区域内的标签通信而引起的频率碰撞。但由于阅读器能检测碰撞并且相互之间可以通信，故阅读器碰撞较容易解决。

4.RFID的安全与隐私保护技术

随着RFID技术的发展和广泛应用，RFID的安全问题也成为人们日益关注的重点。在RFID系统的应用过程中，怎样对信息数据进行合理的使用，怎样对用户关心的敏感数据进行安全有效的保护等都是值得深入研究的问题，也是RFID技术能推广应用的前提和基础。

RFID系统的安全与隐私威胁主要表现在以下几个方面：数据安全威胁、个人隐私威胁和克隆威胁。数据安全威胁之一是可能出现竞争对手非法搜集企业的RFID数据，严重危及商业机密；威胁之二是RFID本身具有脆弱性，容易受到一系列安全攻击，如重写标签信息、欺骗攻击、窃听攻击和拒绝服务等。对个人隐私的威胁，一方面表现在对标签信息未经授权的访问可能会泄露个人的私人信息；另一方面，RFID的位置追踪能力，可能会危及个人的“位置隐私”。