RFID无线传感器网络研究应用背景意义与现状.doc

物联网综述性报告题目： RFID技术应用与发展 作者姓名 俞旭锋 指引教师 吴远 朱威 专业班级 双控3班 学 院 信息工程学院 摘要随着RFID技术迅速发展，其应用领域已经扩展到了人们工作与生活各个领域RFID应用已经成为科研机构，商业系统，信息产业和国家部委等非常注重一种重要课题。本文综述了RFID技术发呈现状和应用领域，也展望了将来趋势和挑战。特别地，咱们简介了RFID技术典型应用领域，例如RFID供应链管理RFID在医院和国防领域中应用。基于这些，咱们也总结了RFID技术在公司中一种应用框架。核心词：RFID，电子标签，阅读器，物联网，无线传感器网络。一、 引言射频辨认（Radio Frequency Identification， RFID）技术来源于第二次世界大战，使用射频电波辨认敌机和友机。RFID技术运用无线射频方式进行非接触式双向通信互换数据以达到自动辨认目，该技术具备防水、耐高温、使用寿命长、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量大、存储信息可以随意修改、可以辨认高速运动中物体，可辨认各种标签，可以在恶劣环境下工作等长处。随着该技术不断完善，在社会生产生活中应用将越来越广泛。例如商品防伪，国防军事，物联网（Internet of Things，IOT），智能交通，电子门票，身份辨认和一卡通等领域1。RFID是一种自动辨认技术，可以通过无线信号辨认特定目的，并读写关于数据。由于RFID技术具备非视距、非接触、成本低、技术成熟和定位精度高等长处，已经被广泛应用到物流和供应管理、生产制造和装配、港口码头集装箱管理、邮件快递、图书馆管理、医疗、道路收费以及门禁控制等各个方面。当前，将RFID技术应用到定位系统，并逐渐提高定位系统精度是RFID研究一种热点。二、 研究背景随着着时代进步，人们结识到了科技力量。对科学摸索永无止境，在21世纪今天，人们在科学方面摸索达到一种前所未有水平。而无线传感器网络被以为21世纪，最具备影响力变化世界10大技术之一。它是由大量节点构成面向任务分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、当代网络及无线通信、分布式信息解决等多领域技术，通过各类微型传感器对信息目的进行实时监测，由嵌入式微解决器对信息进行加工解决，并通过无线通信网络将信息传送至远程顾客，然后通过相应规则进行1。通过无规则大规模布置传感器节点至目的区域，对目的区域进行监测，无线传感器网络将会变化咱们与客观世界交互方式。其在定位、医疗、环境监测等许多方面都将给我带了巨大以便，其研究布满巨大潜力。但是在无线传感器网络详细应用中，不懂得传感器位置而感知数据是没有实际意义。传感器节点必要明确自身位置才干详细阐明“在什么位置或区域发生了特定事件”，才干实现对外部目的定位和追踪。而节点位置信息获得又可以使网络设计者优化无线传感器网络在其他方面应用，例如对路由算法优化、联合信号解决、通信开销优化、基于位置信息查询等。而人工布置和为所有网络节点安装GPS接受器都会受到成本、功耗、扩展性等问题限制，因而必要采用一定机制与算法实现。定位感知领域又诞生了一门可以引领时代迈进新技术射频辨认技术，即RFID（Radio Frequency Identification）。射频辨认技术是20世纪90年代开始兴起一种自动辨认技术，射频辨认技术是一项运用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递信息达到辨认目技术。是集计算机技术、信息采集解决技术、无线数据传播技术、网络数据通信技术和机械电子自动控制技术等多学科综合应用为一体自动化控制系统。射频辨认技术运用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动辨认目的对象，并获取有关数据，具备精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷、可辨认高速运动物体，且可同步辨认各种标签等许多长处。但是RFID抗干扰性较差，并且有效距离普通不大于10m，这对它应用是个限制。而无线传感器网络定位精准度不是太高，这对无线传感器网络应用也产生了某些影响。如果将无线传感器网络同RFID结合起来，运用RFID精准定位性能，并且运用无线传感器网络高达100m有效半径，形成RFID传感器网络。在国防安全、工农业领域各种控制、都市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都会有重要科研价值和实用价值，因而具备十分辽阔应用前景。RFID在无线传感器网络应用就是综合了RFID和无线传感器网络技术特点，它继承了RFID运用射频信号自动辨认目的特性，同步实现了无线传感器网络积极感知与通信功能。因而，RFID无线传感器网络可以更加精准得到节点甚至整个网络信息，对控制中心采用下一步办法起着莫大协助。RFID传感器网络中，传感器节点往往是随机布置在工作区域当中，大量节点位置在监测区域中是随机、未知。虽然两者结合可以极大改进系统，可以优缺陷互补，但是其依然具备某些比较严重问题，例如：工作频率选取、RFID天线研究、防冲突技术研究、安全与隐私问题。由于咱们在实际运用中，如定位、监测都必要熟知节点分布详细位置，因此，咱们要对这些节点进行良好辨认。只有明确辨认这些节点，咱们传感器网络才是故意义。所觉得了防止辨认中冲突问题，咱们必要对其算法进行研究，改进，争取提出像ALOHA 算法这样高效算法，并且可以提出更为合理，更加具备实用性算法。这样带动该项技术发展。三、 国内外研究现状当前，国内外学者都在对RFID无线传感器网络进行详细研究，但是其中还面临着许多问题，需要咱们这一代人对其进行更加进一步研究，对详细算法和构造进行优化。让该技术能真正变化咱们生活。当前，RFID 技术研究重要集中在工作频率选取、天线设计、防冲突技术和安全与隐私保护等方面1。当前国内外比较突出项目研究有：美国从20世纪90年代开始，就陆续展开分布式传感器网络(DSN)、集成无线网络传感器(WINS)、智能尘埃(Smart Dust)、无线嵌入式系统(WEBS)、分布式系统可升级协调体系构造研究(SCADDS)、嵌入式网络传感(CENS)等一系列重要无线传感器网络研究项目。自起，美国国防部远景研究筹划局(DARPA)每年都投入千万美元进行RFID无线传感器网络技术研究，并在C4ISR基本上提出了C4KISR筹划，强调战场情报感知能力、信息综合能力和运用能力，把RFID无线传感器网络作为一种重要研究领域，设立了Smart Sensor Web、机灵传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列军事传感器网络研究项目。在美国自然科学基金委员会推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多知名高校也进行了大量RFID无线传感器网络基本理论和核心技术研究。美国某些大型IT公司(如Intel、HP、Rockwell、Texas Instruments等)通过与高校合伙方式逐渐介入该领域研究开发工作，并纷纷设立或启动相应研发筹划，在无线传感器节点微型化、低功耗设计、网络组织、数据解决与管理以及WSN网络应用等方面都获得了许多重要研究成果。Dust Networks和Crossbow Technologies等公司智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段。除美国以外，日本、英国、意大利、巴西等国家也对RFID无线传感器网络体现出了极大兴趣，并各自展开了该领域研究工作。国内RFID无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，一方面被记录在1999年刊登中华人民共和国科学院知识创新工程试点领域方向研究信息与自动化领域研究报告中。，中华人民共和国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部有关单位，共同推动无线传感器网络研究。从开始，中华人民共和国国家自然科学基金委员会开始布置传感器网络有关课题。“中华人民共和国将来技术预见研究”提出157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。初发布国家中长期科学与技术发展规划纲要为信息技术拟定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接有关。最值得一提是，中华人民共和国工业与信息化部在启动“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专项“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对RFID无线传感器网络技术而设立。国内二代身份证采用了13.56MHZRFDI技术作为其内核技术，在防伪方面获得了重大突破。这些都是咱们国家在RFID无线传感器网络中详细研究。四、RFID系统构成及工作频率4.1 RFID系统构成RFID 系统重要由电子标签，天线，读写器和主机构成。电子标签（Tag），非接触式IC 卡，放在需要被辨认物体上，由耦合元件和芯片构成，标签有内置天线，可以发送和接受信号；天线（Antenna）：完毕无线信号发送和接受；读写器（Reader）可以发送和接受命令，并与主机通信，执行主机命令；主机（Host）发送顾客命令和显示接受数据。RFID 系统依照工作频段和工作方式具备不同性能，应用于不同场合2。1）标签依照标签与否有电源，分为有源和无源标签；依照标签可读写性，分为只读和读写标签；依照调制方式，分为积极式、被动式和半积极式标签；依照标签和阅读器发言顺序，分为RTF（Reader Talk First）和TTF（Tag Talk First）；依照频段不同，分为低频、高频、超高频和微波标签。2）天线天线是一种以电磁波形式把无线电收发机射频信号功率接受或辐射出去装置。天线按其工作频段可分为短波、超短波、微波等天线；按方向性可分为全向、定向等天线；按外形可分为线状、面状等天线。3）读写器读写器是RFID 系统核心，其基本作用就是作为连接前向信道和后向信道核心数据互换环节。读写器与应用系统之间通信：读写器将标签发来调制信号，通过解调解码后，通过USB、串口、网口等，将得到信息传给应用系统。应用系统可以给读卡器发送相应命令，控制读写器完毕相应任务。读写器可以将其有效射频范畴内可以激活符合原则各种电子标签，可以同步辨认各种标签，具备防碰撞功能。RFID 系统基本工作原理是： 阅读器通过天线发出具有信息一定频率调制信号；当电子标签进入到阅读器工作区时，其天线通过耦合产生感应电流，从而为电子标签提供相应能量，此时标签依照阅读器发来信息决定与否响应，与否发送数据；当阅读器接受到电子标签发送过来信号，通过解调和解码之后，将标签内部数据辨认出来。4.2 RFID工作频率射频卷标工作频率不但决定着射频辨认系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、辨认距离，还决定着射频标签及读写器实现难易限度和设备成本。从功能方面来看，RFID 标签重要分为3 种： 只读卷标、可重写卷标、带微解决器卷标。只读型卷标构造功能最简朴，包括信息较少并且不能被更改；可重写型卷标集成了容量为几十字节到几万字节闪存，卷标内信息能被更改或重写；带微解决器卷标依托内置式只读存储器中存储操作系统和程序来工作，出于安全需要，许多标签都同步具备加密电路。工作在不同频段或频点上射频标签具备不同特点。射频辨认应用占据频段或频点在国际上有公认划分，即位于ISM 波段之中。典型工作频率：125、133 kHz，13.56、27.12、433、902928 MHz，2.45、5.8 GHz 等。1）低频段射频标签其工作频率范畴为30 300 kHz。典型工作频率有125，133 kHz。低频标签普通为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位阅读器天线辐射近场区内。低频标签阅读距离普通状况下不大于1 m。2）中高频段射频标签中高频段射频标签工作频率普通为3 30 MHz。典型工作频率为13.56 MHz。该频段射频标签，从射频辨认应用角度来说，因其工作原理与低频卷标完全相似，即采用电感耦合方式工作。此外，依照无线电频率普通划分，其工作频段又称为高频，因此也称为高频标签。中频标签普通采用无源设计， 其工作能量同低频标签同样，也是通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈辐射近场中获得。中频标签有效阅读距离普通状况下不大于1 m，其典型应用有电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗等。3）超高频与微波标签超高频与微波频段射频标签，简称为微波射频卷标，其典型工作频率为433.92、862（902）928 MHz，2.45、5.8 GHz。微波射频卷标可分为有源卷标与无源卷标两类。工作时，射频卷标位于阅读器天线辐射场远区场内，标签与阅读器之间耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量， 将有源标签唤醒。相应射频辨认系统阅读距离普通不不大于1 m，典型状况为46 m，最大可达10 m 以上。阅读器天线普通均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范畴内射频标签才可被读/写。五、RFID应用领域RFID应用领域在逐渐扩宽,在咱们现实生活与工作中，门禁系统和身份辨认等对RFID技术简朴应用己经为人们所熟悉3。5.1 安全管理安全管理和个人身份辨认是RFID一种重要而广泛应用领域。咱们寻常生活当中最常用就是用来控制人员进出建筑物门禁卡。许多组织使用内嵌RFID标签个人身份卡，可以在门禁处对个人身份进行鉴别。类似，在某些信用卡和别支付卡中都内嵌了RF ID 标签。尚有某些卡片使用RFID标签自动缴纳公共交通费用，当前北京地铁和公交系统当中就应用了这种卡片。从本质上来讲，这种内嵌RFID卡片可以去代替那种在卡片上贴磁条卡片，由于磁条很容易磨损和受到磁场干扰，并且RFID标签具备比磁条更高储存能力。在图1中列举了几种应用，汽车钥匙内嵌了被动标签( 上左) 高速公路交费卡( 上右) 公共交通收费卡(下)。图1 内嵌RFID标签装置5.2 定位系统由于目的携带RFID标签移动辨认别很容易，因此RFID一种重要应用就是用来跟踪人移动。某些医院当前使用RIF D标签来保证新生婴儿身份鉴别，还可以在有人试图把婴儿带出规定区域时向医生发出警报。某些学校规定孩子们戴上内嵌RFID标签手镯或腕带，这样可以轻而易举检查出勤以及拟定她们位置。美国食品药物监督局近来批准了一种可以储存外科手术信息RFID标签使用，标签信息可以大大减少外科手术中浮现某些低档错误。同样，RFID标签也可以在一种限定区域内跟踪高速移动目的。例如，拉斯维加斯赌博业筹划在每个筹码中放置被动R F I D标签，在每个赌桌和出纳台旁边都设立阅读器。这样一来，赌场就可以轻而易举地辨认假筹码，同还可以跟踪筹码移动和赌博者某些活动。医院也可以使RFID跟踪整个医院中需要经常移动设备，这可以协助医院管理库存以及保证设备维护。图书馆也可以通过在书上贴上标签，来拟定每本书位置，防止书籍被盗以及进行自动借书。六、RFID案例分析咱们当前来分析三个RFID应用案例，这三个案例分别来源于沃尔玛公司、医疗服务领域和国防领域。6.1 沃尔玛公司RFID应用4在众多已经实行了RFID公司当中,最受媒体关注非沃尔玛公司莫属了这个零售业中巨人由于有效供应链管理获取了这个微利行业当中最大成功它时刻在全球进行成千上万种商品采购,沃尔玛在RFID应用上努力，使得被人冷落已久RFID技术又回到了聚光灯下,并且成为了供应链IT技术当中主角有预测说：沃尔玛所有履行RFID之后，其每年节约成本将高达83.5亿美元,这个数字比世界50强当中半数以上公司年收入还要高尽管这个数字是板上钉钉，沃尔玛履行RFID进程依然相称缓慢7 月11日，沃尔玛宣布它将要规定它前100名供货商在1 月份之前在所有货箱和货盘上面贴上RFID 标签这一举动直接影响到了它所有供货商,这些供货商都迅速地开始学习RFID以及如何履行RFID有关知识沃尔玛和它供货商在RFID实行过程当中，不久就发现了诸多挑战性问题。例如它们用来作为原则UHF 频率不能穿透诸多商店当中销售常用产品( 金属包装液体产品等)。这迫使沃尔玛把实行最后日期往后推了。截至1 月份，前10 名供货商只60%把它们产品贴上了RFID标签。但是，沃尔玛依然是第一家在整个供应链当中履行RFID技术，并且逼迫它供货商也履行大型零售公司。沃尔玛这种举动，使得RFID在业界履行更加有效。6.2 台湾医疗德尔RFID应用台湾对RFID履行从开始,成为全面启动一年4。台湾 “经济部”提出关于信息技术之前规划中把RFID履行也作为一种重点。她们重要在岛内医院如下几种方面应用RFID技术:应用RFID到台湾医疗产业当中，咱们总结获得了如下效益:（1） 在取药过程当中，透过即时警告，提高药物取药和用药对的性。（2） 增长原有鉴定技术所涵盖信息，当前可以包括药物剂量/ 剂型、血袋血型/ 温度、急救医疗病人位置/ 急救类型、住院病人身份确认等。（3） 提高在药物、血液、大量病人身份辨识精确性，住院病人需要急救时即时通报照护人员，强化病人安全。（4） 减少了护士工作承担、透过血液调拨有效运用贵重资源、增长急救医疗调度时效性、对住院病人护理品质。（5） 提高管制药物、血袋流向、急救医疗资源透明度，管制药物运送授权和实体验证，减少了使用假冒药物也许。6.3 美国海军基地RFID应用5月份，美国海军结束了它们在给舰船集装箱装载补给中应用被动RFID系统试运营4。这个试运营筹划是在维吉尼亚州，诺福克舰队和工业补给中心进行，最初目的是减少装载补给时，由于手工输入或者名义上自动输入中产生错误记录。在这次试运营当中，舰队和工业补给中心使用了被动标签技术，在装载过程中让叉车搬运贴上了被动标签补给物品通过一种装有特定阅读器入口，来自动获得补给货品记录。舰队和工业补给中心在这个项目上总共耗费了306,000美元,或者可以说93美分每批货品。在最后实行阶段,RFID使得货品检查程序速度大大提高。尽管试运营目的不涉及得到最优投资收益，但是最后报告显示“ 有多达12 名人员可以被安排到其他任务上” ，由于对RFID系统监控不需要和此前同样多人手。在试运营过程当中，舰队工业补给中心在应用RFID系统方面收获了诸多有价值经验。七、总结当前，国际上许多大型软件开发商和系统集成商已经开始进军RFID 软件领域，SAP、Manhattan Associates、IBM 公司以及其她某些公司都将推出各自解决方案。而国内技术力量还比较薄弱， 诸多厂商都将注意力放在RFID 芯片技术上， 对RFID 后端应用软件以及对电子标签在流通中管理软件关注还比较少。这需要放眼长远，时刻关注应用发展进展及研究方向，将RFID 推广应用真正落到实处7。据调查， 年非商标类RFID 适应器产量是3 亿单位， 年可增长到10 亿单位，商标类RFID 卡将会从3 亿单位增长到 年650 亿单位。据IDC 预测，到 年，仅用于在零售供应链中跟踪货品RFID 市场规模就将接近13 亿美元。对于将来也许成为全球制造业中心国内，RFID 市场应用更是无可限量。RFID 与手机结合使用，呈现了一项新应用领域，当把智能手机或电脑手机做成读码器， 使RFID 能进入到人们寻常工作和生活中，可以想像，其市场将会是多么巨大。Nokia 公司近来研制出合用于5140GSM 手机移动RFID 工具包， 阐明RFID大规模商用并不比3G 应用遥远。值得注意是，为适应RFID 广泛应用而建立RFID 支持验证平台，还需要有一种随时随处可接触到网络，也就是一种开放，全球地址唯一Ineternet。因而IPv6 也将是RFID 所必须。RFID 技术不像条码把产品条码号暴露在外面会引起不安全性。采用条码标签库存管理，和RFID 相比既费时，成本也不低，蓝牙技术也许是一种解决方案， 但它合用于少量高频带应用，却不能做到RFID 适当于在1 小时内可支持几百个低频带传播应用。参照文献1 赵斌.RFID技术应用及发展J.电子设计工程.，18（10）；123-1262 宋远峰.基于RFID定位系统综述J.数字通信.，40（4）； 9-133 任志宇.物联网与RPC/RFID技术J.森林工程.，22(1)； 67-694 李泉林.综述RFID技术及其应用领域Z.专家论坛.，1；51-625 周永彬.RFID安全合同设计与分析J. 计算机学报. 4；21-286 杜俊.RFID在供应链信息集中应用J. 制造业自动化. 7；67-75