作者：曾宝国,程远东
出版社：重庆大学出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
RFID技术及应用试读：
前言
物联网（The Internet of things）就是“物物相连的互联网”，是继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，并将发展成为一个万亿元级的新兴产业。2009年1月奥巴马把“智慧地球”上升为美国国家战略，2009年9月温家宝总理提出了“感知中国”，把物联网确定为国家战略性新兴产业之一。
RFID技术是物联网的支撑技术，其应用也是目前物联网技术最为直观和广泛的应用之一，因此编写教材介绍和推广RFID技术及应用是适时之需。本教材结合了RFID产业链上的生产制造企业、系统集成企业、应用维护企业的RFID技术岗位对知识技能的需求和RFID技术应用情况，以工业和信息化部通信行业职业技能鉴定指导中心“自动识别（RFID）专项技术证书（中级）”对“RFID技术及应用”课程的要求为指导，联合四川维诚信息技术有限公司、成都道惟尔科技有限公司、重庆三马腾科技有限公司等企业，采用“项目导向、任务驱动”模式，精选接触式逻辑加密卡系统（SLE4442）和125 kHz、13.56 MHz、900 MHz 3个频段的RFID系统和企业典型应用项目，力求通过标签存储结构与安全特性认识、读写器电路设计与实现、读写器（下位机）软件设计与实现、上位机应用系统开发等核心任务，让读者在真实案例中学习和实践，更好地理解和掌握这门技术。
本书的项目1、项目3、项目4由曾宝国编写，项目5及前言由程远东编写，项目2及附录由曾妍编写，项目6由胡钢、刘美岑、胡德清、姜莉编写。全书由曾宝国、程远东负责统稿，并担任主编，曾妍、胡钢担任副主编。成都睿尔科技有限责任公司总经理杨勇对本教材进行了审阅，并提出了许多宝贵意见。四川维诚信息技术有限公司、成都道惟尔科技有限公司、重庆三马腾科技有限公司、四川信息职业技术学院广嵌工作室为教材编写提供了大量案例，四川信息职业技术学院张万良老师、四川邮电职业技术学院李玲老师、成都职业技术学院刘洪涛老师等参与了教材的编审及修订。在此我们致以衷心的感谢。
限于作者水平，书中难免有错误和不妥之处，诚恳希望国内外专家与读者批评指正，意见请致scitczbg@scitc.com.cn或swjtuzbg@sohu.com。编者2014年5月项目1认识RFID【项目导读】
RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术，它与条形码、磁卡、IC卡等一同构成了物联网的物品标识技术。RFID技术与互联网技术、通信技术相结合，可实现对被标识物品的快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。目前，RFID已广泛应用于物流、制造、公共信息服务等行业，构成了物联网产业链中最活跃的一个产业环节。
本项目从物联网的物品标识技术出发，介绍RFID的产生背景及发展现状、RFID的工作原理及应用系统的组成、RFID的应用领域及典型案例，并分析了RFID产业链的构成及发展概况。
通过本项目的学习，达到以下目标：
●能描述物联网中主要物品标识技术的特点及发展概况；
●能解释RFID的工作原理，并分析其特点；
●能结合具体案例，分析RFID应用系统的组成及各组成部分的作用；
●能说明RFID的主要应用领域，并结合案例说明其商业运作模式；
●能描述RFID产业链的构成及发展概况。任务1认识物联网的自动识别技术【案例呈现】
从2009年开始，国内掀起了物联网的发展热潮，基于条形码、磁卡、IC卡、RFID、指纹识别、图像识别等自动识别技术的各类应用系统深入到人们的日常生活中。图1.1所示为常用自动识别技术的应用情况。在超市中，条形码被用于标识商品、管理箱包；在银行中，磁卡被用于金融消费；在公交中，IC卡被用于电子钱包；在地铁中，RFID被用于票证鉴别；在安防中，指纹识别被用于身份认证；在人员识别中，图像识别被用于人脸识别……
当各类自动识别技术广泛应用于日常生活的时候，了解它们的基本原理，不仅是学习相关技术的需要，也是提高生活品质的需要。图1.1 自动识别技术在日常生活中的应用【任务描述】
自动识别技术以多种形式应用于日常生活，对它的学习可有不同的层次。从了解技术的角度看，仅仅需关注各类技术的概念、历史、特点及应用系统的构成；从掌握技术的角度看，需关注各类技术的国际标准、工作原理、实现方法；从推广技术的角度看，需关注各类应用系统的商业模式。本任务主要从了解和掌握技术角度来介绍各类自动识别技术。请结合图1.1所示案例，查阅有关资料，理解下述问题：（1）自动识别主要有哪些技术方式？（2）一维条形码和二维条形码的编码方式有哪些？两类条形码各有什么特点？条形码的识读设备有哪些类型，各有什么特点？（3）说明磁卡的存储结构及国际标准，并分析磁卡的特点。（4）IC卡如何分类？各有什么特点？（5）什么是RFID技术？RFID技术与其他自动识别技术有何区别？RFID应用系统由哪些部分组成？【任务解读与实现】1．物品识别技术的发展过程
物品识别方式主要有人工识别和自动识别两种，其发展过程如图1.2所示。在不同的历史阶段及针对不同的应用领域，可以使用不同的技术手段。
自动识别技术是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。它又分为“无生命”识别技术和“有生命”识别技术两种，前者主要有条形码技术、IC卡技术、射频识别技术；后者主要有语音识别技术、指纹识别技术、人脸识别技术、虹膜识别技术。图1.2 物品识别方式的发展过程示意图
本任务主要学习“无生命”识别技术。从条形码到磁卡，从IC卡到RFID，各种“无生命”自动识别技术以超市收费系统、乘车检票系统、图书借阅系统、快递物流系统、银行存取系统、医疗结算系统、公交刷卡系统、不停车自动收费系统、工厂仓储管理系统等多种载体，逐渐深入到人们日常生活中的每一个领域，大大提升了社会信息化水平和人民的生活质量。2．条形码技术
1）条形码的产生历史及概念
条形码（Barcode）技术产生于20世纪20年代，威斯汀豪斯（Westing House）实验室的一位名叫约翰· 科芒德（John Kermode）的发明家希望对邮政单据实现自动分检，他的想法是在信封上做条形码标记，条形码中的信息是收信人的地址，就像今天的邮政编码。科芒德的设计方案非常简单，用一个“条”表示数字“1”、两个“条”表示数字“2”，依次类推。然后，他又发明了条形码识读设备，包括一个能够发射光并接收反射光的扫描器和一个能测定反射信号条和空的译码器，这就构成了最早的条形码系统。
科芒德的条形码编码方案所包含的信息量很低，并且很难编出10个以上的不同代码。直到1949年的专利文献中，第一次有了诺姆· 伍德兰（Norm Woodland）和伯纳德·西尔沃（Bernard Silver）发明的全方位条形码符号的记载。诺姆· 伍德兰和伯纳德· 西尔沃的想法是利用垂直的“条”和“空”，并使之弯曲成环状，非常像射箭的靶子。这种扫描器通过扫描图形的中心，能够对条形码符号解码，而不用关心条形码符号方向的朝向。
现在，条形码已经广泛应用于日常生活，用于标识图书、车票、设备等。对条形码通俗的定义是：将宽度不等的多个黑条（或黑块）和空白，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。根据用途的不同，条形码可以标识出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期，以及图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息。
2）条形码的类型
目前使用的条形码有一维条形码和二维条形码两种。从图1.3的对比示意图可知，一维条形码只是在一个方向（一般是水平方向）表达信息，而二维条形码是在二维空间的水平方向和垂直方向存储信息。图1.3 条形码火车票对比示意图（1）一维条形码
一维条形码的优点是编码规则简单、识读器造价较低，缺点是数据容量小、空间利用率低。多数一维条形码所能表示的字符集不过是10个数字、26个英文字母及一些特殊字符，条形码字符集最大所能表示的字符个数也只是128个ASCII符。
一维条形码的编码方法有宽度调节编码法和模块组配编码法两种，二者对比如图1.4所示。图1.4 一维条形码编码方法
宽度调节编码法用宽、窄两种单元表示条形码符号中的条和空，尺寸较小的称为窄单元，尺寸较大的单元称为宽单元，宽单元的宽度通常是窄单元的2～3倍。窄单元表示逻辑值“0”，宽单元表示逻辑值“l”，而不管它是条还是空。以图1.4（a）为例，从左至右的第5、6个单元是宽单元，条和空都表示“1”。对于两个相邻的二进制数位，由条到空或由空到条，均存在着明显的印刷界限。采用这种编码方案的条形码有交叉25条形码、39条形码、93条形码、库德巴条形码。
模块组配编码法中，每一个条或空是由若干个模块构成，每一个模块具有相同的宽度。每一个条的模块表示一个数字“1”，每一个空的模块表示一个数字“0”。以图1.4（b）为例，按从左至右的顺序，第一个条由一个模块组成，表示“1”；接下来的空由两个模块组成，表示“00”；第二个条由三个模块组成，表示“111”；再往右是第二个空和第三个条，均由一个模块组成，分别表示“0”和“1”。EAN条形码、UPC条形码均属于模块组配型条形码。
商品条形码模块的标准宽度是0.33 mm，它的一个字符由两个条和两个空构成，每一个条或空由1～4个标准宽度的模块组成，每一个条形码字符的总模块数为7。凡是在字符间用空分开的条形码，称为非连续性条形码；凡是在条形码字符间不存在空的条形码，称为连续性条形码。（2）二维条形码
二维条形码是在一维条形码的基础上扩展出另一维具有可读性的条形码，使用黑白矩形图案表示二进制数据，其优点是信息容量大、译码可靠性高、纠错能力强。
二维条形码的编码方法有矩阵式二维条形码和行列式二维条形码两种。
短阵式二维条形码（又称棋盘式二位条形码）是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵元素位置上，出现方点、圆点或其他形状点表示二进制的“1”，不出现点表示二进制的“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维条形码所代表的意义。矩阵式二维条形码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式二维条形码有Code One、Maxi Code、QR Code、Data Matrix等。
行排式二维条形码（又称堆积式二维条形码或层排式二维条形码）的编码原理是在一维码基础上，按需要堆积成两行或多行，它在编码设计、校验原理、识读方式等方面继承了一维码的一些特点，识读设备、条形码印刷与一维码技术兼容。但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件就不完全相同于一维码。具有代表性的行排式二维条形码有CODE49、CODE 16K、PDF417等。（3）一维条形码与二维条形码的性能比较
一维条形码与二维条形码在存储容量与密度、检错及纠错能力、网络依赖性等方面有一定差异，其性能对比见表1.1。表1.1 一维条形码和二维条形码的性能比较
3）条形码数据采集设备
图1.5所示为市面流行的条形码数据采集设备。从结构上看，有手持式、小滚筒式、平台式扫描器；从原理上看，主要有光扫描器、光电转换扫描器、激光扫描器3种类型。光扫描器是最先出现的一种条形码读写器（也称光笔），使用时需将光笔接触条形码编码并按条形码排列方向移动，利用光的反射信号强弱来识别条和空。光电转换扫描器是以LED作为发光源的扫描器，典型产品是CCD读写器，它适合近距离和接触识别条形码，成本也较为低廉。激光扫描器是以激光作为发光源，多用于手持式扫描器，识读范围远、准确性高，是各种扫描器中性能指标最高的，但成本也相对较高。但是，无论哪种类型的条形码扫描器，都只适用于近距离、可视、小数据量的应用领域，如图书馆图书借阅管理、超市物品销售、仓库物资管理等。图1.5 条形码数据采集设备3．磁卡技术
1）磁卡的类型及存储结构
磁卡（Magnetic Card）是一种卡片状的磁性记录介质，利用磁性载体记录字符与数字信息，与各种读卡器配合，用来标识身份或作其他用途。
按照使用基材的不同，磁卡可分为PET卡、PVC卡和纸卡3种；根据磁层构造的不同，又可分为磁条卡和全涂磁卡2种。
通常，磁卡的一面印刷有说明提示性信息，如插卡方向；另一面则有磁层或磁条，用于记录有关信息数据。磁条是一层薄薄的由排列定向的铁性氧化粒子组成的材料，从本质意义上讲和计算机用的磁带或磁盘是一样的，可以用来记载字母、字符及数字信息。
磁条上一般有3个磁道，称为TK1、TK2、TK3。TK1与TK2是只读磁道，在使用时磁道上记录的信息只能读出而不允许写入或修改。TK3为读写磁道，在使用时可以读出，也可以写入。TK1可记录数字（0～9）、字母（A～Z）和其他一些符号（如括号、分隔符等），最大可记录79个数字或字母。TK2和TK3所记录的字符只能是数字（0～9）, TK2最大可记录40个字符，TK3最大可记录107个字符。
2）磁卡的国际标准
磁卡采用ISO7810和ISO7811系列国际标准，规定了卡的物理特性和记录技术：
●ISO7810：该标准是1985识别卡物理特性部分，规定了卡的材料、构造、尺寸。标准卡的尺寸：宽度为85.47～85.72 mm、高度为53.92～54.03 mm、厚度为0.76 ±0.08 mm、卡片四角的圆角半径为3.18 mm，一般采用85.5 mm ×54 mm ×0.76 mm。
●ISO7811-1：该标准是1985识别卡记录技术第1部分，规定了卡上凸印字符的要求（字符集、字体、字符间距和字符高度）。
●ISO7811-2：该标准是1985识别卡记录技术第2部分，规定了卡上磁条的特性、编码技术和编码字符集。
●ISO7811-3：该标准是1985识别卡记录技术第3部分，规定了ID-1型卡上凸印字符的位置。
●ISO7811-4：该标准是1985识别卡记录技术第4部分，规定了只读磁道的第1、2磁道位置。
●ISO7811-5：该标准是1985识别卡记录技术第5部分，规定了读写磁道的第3磁道位置。
3）磁卡的识读原理
图1.6所示为磁卡及磁卡读卡器，识读磁卡的过程包括记录和工作两个环节。图1.6 磁卡与磁卡读卡器（1）记录原理
磁卡读卡器中，记录磁头由内有空隙的环形铁芯和绕在铁芯上的线圈构成。在识读磁卡时，首先为磁头的线圈通电，在空隙处产生与电流成比例的磁场，然后将磁卡的磁性面以一定的速度沿读卡器移动，于是磁卡与空隙接触部分的磁性体就被磁化。如果记录信号电流随时间而变化，则当磁卡上的磁性体通过空隙时，便随着电流的变化而不同程度地被磁化。磁卡被磁化之后，离开空隙的磁卡磁性层就留下相应于电流变化的剩磁。（2）工作原理
磁卡上面剩余磁感应强度Br在磁卡工作过程中起着决定性的作用。磁卡以一定的速度通过装有线圈的工作磁头，磁卡的外部磁力线切割线圈，在线圈中产生感应电动势，从而传输被记录的信号。
4）磁卡的特点及应用
磁卡使用方便，造价便宜，用途极为广泛，可用于制作信用卡、银行卡、地铁卡、公交卡、门票卡、电话卡、电子游戏卡、车票、机票以及各种交通收费卡等。
但是，磁卡受压、被折、长时间磕碰、暴晒、长期处于高温环境、磁条划伤弄脏，或者受到外部磁场的影响，都会造成磁卡消磁，丢失数据而不能使用。除了上述缺点外，磁卡在应用中还存在下述问题：
[1]磁卡的保密性和安全性较差。磁条上的信息比较容易读出，非法修改磁条上的内容也较容易，所以大多情况下磁卡都是作为静态数据输入使用。虽然第3磁道可读写，并且有金额字段，也只是用于小金额的应用领域，如电话卡。
[2]使用磁卡的应用系统需要可靠的计算机系统和中央数据库的支持。在金融行业，作为金融交易卡的磁卡，一般需配合强大、可靠的计算机网络系统使用，金额、交易记录等信息，均保存在金融机构计算机的数据库中，用户所持的卡片只是提供用户的主账号等索引信息，便于在数据库中迅速找到用户数据。
随着磁卡应用的不断扩大，有关磁卡技术，特别是安全技术已难以满足越来越多对安全性要求较高的应用需求。以前在磁卡上应用的安全技术，如水印技术、全息技术、精密磁记录技术等，随着时间的推移其相对安全性已大为降低。其工作的基本原理是依靠自身“卡的号码”来识别不同磁卡，在读卡时卡号相对公开，所以比较容易复制。为加强安全性，银行金融业目前已在磁卡的基础上，大量引入了IC卡。4．IC卡技术
1）IC卡的概念
IC卡（Integrated Circuit Card，集成电路卡）是继磁卡之后出现的又一种信息载体，是指将一个微电子芯片嵌入符合ISO 7816标准的卡基中封装而成的一种集成电路卡，又称为智能卡（Smart Card）、智慧卡（Intelligent Card）、微电路卡（Microcircuit Card）或微芯片卡等。
1969年12月，日本的有村国孝（Kunitaka Arimura）提出了一种制造安全可靠的信用卡的方法，并于1970年获得专利，那时叫ID卡（Identification Card）。1974年，法国的罗兰· 莫雷诺（Roland Moreno）发明了带集成电路芯片的塑料卡片，并取得了专利，这就是早期的IC卡。1976年法国布尔（Bull）公司研制出世界上第一枚IC卡。1984年，法国的PTT（Posts Telegraphs and Telephones）公司将IC卡用于电话卡，由于IC卡良好的安全性和可靠性，获得了意想不到的成功。随后，国际标准化组织（International Standardization Organization, ISO）与国际电工委员会（International Electrotechnical Commission, IEC）组成的联合技术委员会为之制订了一系列的国际标准和规范，极大地推动了IC卡的研究和发展。
2）IC卡的类型
IC卡的分类方法主要有3种：
[1]依据IC卡与IC卡读卡器是否需要接触才能够读写数据来分类，IC卡可分为接触式IC卡和非接触式IC卡。
所谓接触式IC卡，就是在使用时，通过有形的金属电极触点将卡内的集成电路与外部接口设备直接接触连接，从接口设备获取工作供电及进行数据交换的IC卡，其特点是在卡的表面有符合ISO/IEC 7816标准的多个金属触点，如图1.7所示。
非接触式IC卡，又称射频卡、感应卡，通信时不需要触点接触。其内部结构如图1.8所示，由芯片、天线、卡基3部分构成，芯片和天线被密封在一个标准尺寸的卡片中而无外露部分，卡的读、写是通过射频电磁波的发射与接收来完成。
根据识读距离不同，非接触式IC卡又分为密耦合卡（CICC卡，Close-Couple ICC）、近耦合卡（PICC卡，Proximity ICC）、疏耦合卡（VICC卡，Vicinity ICC），它们对应的识读距离及其他信息见表1.2。图1.7 接触式IC卡的触点图1.8 非接触式IC卡的内部结构表1.2 非接触式IC卡的识读距离及相关信息
[2]依据IC卡是否有微处理器来分类，分为存储器卡、逻辑加密卡、CPU卡3类。
如果IC卡中有存储芯片，但没有微处理器和逻辑加密电路，则称为存储器卡。存储器卡一般采用EEPROM或Flash存储芯片，无安全逻辑，对卡内信息可任意存取，因此安全性极低，但由于价格低廉、开发方便，在网吧卡、会员卡等对安全性要求不高的领域中获得了大量应用。
如果IC卡内有存储芯片和逻辑加密电路，但没有微处理器，则称作逻辑加密卡。逻辑加密卡具有安全控制逻辑，安全性能较好，同时采用ROM、PROM、EEPROM等存储技术，从芯片制造到交付使用，均采取了较好的安全保护措施，如使用了运输密码TC（Trans-port Card）、写保护认证。逻辑加密卡具有一定的安全保证，可适用于IC卡电话、医保卡、小额电子钱包等领域。
CPU卡又称智能卡，通常由CPU、存储器（含RAM、ROM、EEPROM等）、卡与读写器通信的I/O接口及加密运算协处理器CAU组成，ROM中还存放有片内操作系统（Chip Operation System, COS）。CPU卡具有很高的数据处理和计算能力，并且在硬件结构、操作系统、制作工艺上采取了多层次的安全措施，因此可广泛应用于对数据安全保密性特别敏感的领域，如金融信用卡、手机SIM卡等。
[3]依据IC卡的应用领域来分类，IC卡可以分为金融卡和非金融卡。金融卡是指应用于银行领域的信用卡和现金储值卡；非金融卡是指应用于公共交通、医疗社保、会员证卡等领域的IC卡。
3）IC卡的特点
●存储容量大。磁卡的存储容量大约为200个字符，而IC卡的存储容量根据型号不同，小的有几百个字符，大的可以达到上百万个字符。
●安全保密性好。IC卡在使用时，卡上的数据能够被读取、修改、擦除，但一般需要通过与读写设备间特有的双向密钥进行认证。
●IC卡读写方便，使用寿命长。由于磁卡的磁条划伤、磨损、弄脏或者受到外部磁场磁化的影响，都会造成磁卡失效；而IC卡的数据至少可以保持10年，读写次数能够达到10万次以上。
4）IC卡的国际标准（1）接触式IC卡的国际标准
接触式IC卡的国际标准为ISO/IEC 7816，它包括10个部分：
●ISO 7816-1，物理特性；
●ISO 7816-2，触点尺寸和位置；
●ISO/IEC 7816-3，电信号和传输协议；
●ISO/IEC 7816-4，行业间交换用命令；
●ISO/IEC 7816-5，应用标识符号系统和注册过程；
●ISO/IEC 7816-6，行业间数据元；
●ISO/IEC 7816-7，关于结构化卡询问语言的行业间命令；
●ISO/IEC 7816-8，与安全有关的行业间命令；
●ISO/IEC 7816-9，附加的行业间命令和复位应答；
●ISO/IEC 7816-10，用于同步卡的电信号和复位应答。（2）非接触式IC卡的国际标准
非接触式IC卡的国际标准有3类：ISO/IEC 10536、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 15693。
5）IC卡应用系统的构成
一个典型的IC卡应用系统包括IC卡、IC卡读写器、数据管理系统，其结构如图1.9所示。IC卡由持卡人掌管，内部记录有持卡人的个人信息及文件资料等。IC卡读写器也称为接口设备（Interface Device, IFD），是IC卡与数据管理系统交互的桥梁，也是IC卡的能量来源。IFD与IC卡之间遵循ISO/IEC国际标准的通信协议，通过自身的机械卡座或射频、红外等信道，以接触式或非接触式方式对卡读写，并通过RS232串行接口、RS485总线接口等与数据管理系统通信，实现IC卡与数据管理系统的数据传送。在同一个应用系统中，IFD依据使用领域不同可分为发卡器和读卡器，前者的功能一般强于后者。数据管理系统是整个应用系统的核心，完成信息汇总、统计、处理、报表生成、卡片发行、卡片注销、卡片挂失等操作，一般包括数据库服务器、B/S服务器、计算机网络系统3部分。图1.9 IC卡应用系统的组成
图1.10所示是一套开放实验室管理系统中基于IC卡和WSN（Wireless Sensor Net-work，天线传感器网络）的实验室刷卡考勤子系统，它由学生IC卡、刷卡终端（学生机、IC卡读卡器、CC2430终端节点）、考勤管理系统（教师机、CC2430协调器、考勤软件）3部分构成。学生进入教室后，首先通过IC卡读卡器读取学生卡，经认证通过后，开启本地计算机，并上传考勤信息到考勤管理系统的协调器，然后经串口送入PC进行分析并插入数据库系统。图1.10 基于IC卡和WSN的实验室刷卡考勤系统
6）IC卡在中国的应用
我国从1993年开始启动以电子货币为重点的各类IC卡应用系统工程，即著名的“金卡工程”，当时计划用10年时间，在400个城市，覆盖3亿人口，发卡2亿张。“金卡工程”采用“先试点，后推广”的方针在国内实施，1994年6月确定了首批12个试点省市。
如今20年过去了，IC卡在中国已进入高速、健康有序的发展时期。2011年，中国IC卡行业发行IC卡24.3亿张，实现销售收入约90亿元，比2010年增长11.1%。2011—2013年，中国IC卡行业持续以14%左右速度增长。
目前，电信卡、社保卡以及二代身份证等领域是中国IC卡的主要需求市场。截至2011年底，中国电信领域采购的IC卡累计达60亿张左右，是中国IC卡第一消费市场。换发二代身份证累计发放超过10亿张IC卡。随着二代身份证换发完毕，IC卡市场增长将放缓。不过，2014年首批二代身份证（10年有效期）到期将又一次带动中国身份证IC卡市场的增长。
截至2011年底，中国社保卡累计发行量仅为1.9亿张，渗透率不足14%；根据人社部规划，“十二五”期间中国社保卡的发行量有望达到6.1亿张。所以，预计2015年前，中国社保卡发行量将有较大幅度的增长。
除此之外，中国金融IC卡、健康卡、移动支付、城市通卡等IC卡细分市场，在政府政策的支持和市场的推动下，也有望产生较大幅度的增长。5．RFID技术
1）RFID技术的概念及发展历史
RFID是利用射频信号经空间耦合实现非接触式信息传递，并通过所传递的信息达到识别的目的。识别的过程无须人工干预，也无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触，是一种非接触式的自动识别技术，也是物联网的重要支撑技术之一。
RFID起源于20世纪40年代，最早的应用要追溯到第二次世界大战时期，主要是用来辨识友方的飞机。RFID的具体发展过程为：
1941—1950年，雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年哈里· 斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了RFID的理论基础。
1951—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应用。
1981—1990年，RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用出现。
1991—2000年，RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。
2001年至今，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半有源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。
RFID技术和应用在我国也发展迅速。2006年6月，由国家科技部、信息产业部等10多个部委共同编写的《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》公布。这份白皮书，给出了中国标准制定的大致时间表：在培育期（2006—2008年），按照国家RFID标准体系框架，制定相应的技术标准与应用标准；在成长期（2007—2012年），基本形成中国RFID标准体系。目前，RFID在我国已广泛应用于交通、物流、军事、医疗、安全与产权保护等各种领域，可以实现各种产品、物资流动过程中的动态、快速、准确地识别与管理。
2）RFID系统的组成
RFID系统是指采用RFID电子标签为识别标志的应用系统，通常由电子标签、RFID读写器、RFID中间件、RFID数据管理系统4部分组成，如图1.11所示。中间件是RFID系统的神经中枢，负责联系RFID读写器和数据管理系统。在小型的RFID应用系统中，也可能不会用到RFID中间件。（1）电子标签
电子标签（Tag，也称射频标签、标签）的内部结构如图1.12所示，由RFID芯片、射频天线以及相关电路组成。RFID芯片内部存储有一个全球唯一的UID号码（User Identifi-cation）和用户数据（Data）。UID在制作芯片时固化在ROM中，无法修改，用作待识别物品的标识信息。用户数据可以进行读写、修改、加减操作，用于存储与被标识物品相关的信息。图1.11 RFID系统的组成图1.12 RFID标签结构示意图
根据供电方式、工作模式、工作频率、封装形状不同，电子标签可以按图1.13所示进行分类。图1.13 RFID标签的分类
[1]按标签的供电方式分类
按标签供电方式分类，可以分为无源RFID标签、有源RFID标签、半有源RFID标签3类。
●无源RFID标签内部不含电源，它的工作能量需要从RFID读写器获取。无源标签产生电能的典型装置是天线或线圈，当标签进入RFID读写器激励范围后，天线或线圈接收到特定的电磁波，产生感应电流，再经升压、整流、滤波、稳压后形成标签工作电压，激活标签中的芯片，并将标签中的数据发送到RFID读写器。无源RFID标签的优点是体积小、重量轻、成本低、寿命长，支持长时间的数据传输和永久性的数据存储，常用于标签信息需要频繁读写的领域。但是，由于依靠天线的电磁感应供电通常只能获得微弱的供电，因此无源标签数据传输的距离和信号强度大受限制，需要灵敏度比较高的读写器才能可靠识读。
●有源RFID标签由内部电源提供能量。内部电源一方面用于标签内部芯片和相关电路的工作供电，另一方面还转换为标签与读写器通信所需的射频能量。有源RFID标签的优点是信号传送距离远、工作可靠性高，还可以通过设计电池的不同寿命对标签的使用时间或使用次数进行限制；缺点是标签的使用寿命受电池电量限制，随着标签内电池电能的消耗，标签传输的距离会越来越小，从而影响系统的正常工作。
●半有源RFID标签带有内部电源，但该电源仅用于维持数据或辅助支持标签芯片工作。进入读写器的激励范围前，标签一直处于休眠状态，相当于无源标签，内部电源能量消耗很少，因而可维持数年。当进入读写器的激励范围后，标签利用“反向散射”调制方式与读写器进行信息交换，若标签因所处位置的射频场强不足而导致芯片供电不稳时，内部电源可对芯片工作提供辅助供电，但电源能量并不直接转换为射频能量。
[2]按标签的工作模式分类
标签的工作模式是指标签通过何种方法与读写器进行数据交换。根据工作模式不同，RFID可以分为主动式、半主动式、被动式标签。
●主动式RFID标签依靠自身的内部电源主动向RFID读写器发送数据，具有穿透障碍物能力强、传输距离较远的特点，一般用于有障碍物的环境中。
●被动式RFID标签从RFID读写器发送的电磁波中获取能量，激活标签芯片后才能够向读写器发送数据。在有障碍物的情况下，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。被动式RFID标签传输距离近，一般适合用在门禁、公交等短距离识别领域。
●半主动式RFID虽然本身带有内部电源，但是标签并不通过自身能量主动发送数据给读写器，内部电源只负责对标签内部电路供电，因此标签需要被读写器的能量激活，然后才通过反向散射调制方式传送自身数据。
[3]按标签的工作频率分类
RFID电子标签的工作频率不仅决定着射频识别系统的工作原理、识别距离，还决定着电子标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。工作在不同频段的电子标签具有不同的特点，占据的频段或频点应位于ISM波段之中，从低频到微波频段典型的工作频率有125 kHz、134.2 kHz、13.56 MHz、860～960 MHz，以及2.45 GHz、5.8 GHz等。
a．低频RFID标签
工作频段与工作方式：
低频RFID标签一般为无源标签，工作频段为30～300 kHz，典型的工作频率有125 kHz、134.2 kHz。低频RFID主要是通过电感耦合方式进行工作，也就是在读写器线圈和标签天线线圈间存在着变压器耦合作用，通过读写器交变场的作用在标签天线线圈中感应出电流，并经整流、稳压后供给标签芯片工作。
主要特性：
●低频RFID标签的工作能量是从读写器耦合线圈的辐射近场中获得，由于辐射近场的磁场强度随区域距离的增加下降很快，所以标签的读写距离较短，一般在几十厘米以内。
●除金属材料外，低频RFID能够穿过其他材料的障碍物而不会降低读写距离。
●相对于其他频段的RFID产品，低频RFID的数据传输速率比较慢，而且不具备防冲突能力。
●工作在低频的RFID读写器在全球范围内没有任何特殊的频率许可限制。
●低频RFID标签很容易被封装为不同形状。
主要国际标准：
●ISO11784:RFID畜牧业的应用——编码结构。
●ISO11785:RFID畜牧业的应用——技术理论。
●ISO14223-1:RFID畜牧业的应用——空中接口。
●ISO14223-2:RFID畜牧业的应用——协议定义。
●ISO18000-2：定义低频的物理层、防冲突和通信协议。
●DIN30745：主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准。
典型应用：
●畜牧业管理系统；
●汽车防盗和无钥匙启动系统；
●自动停车场收费和车辆管理系统；
●酒店门禁管理系统；
●企业安监巡更系统。
b．高频RFID标签
工作频段与工作方式：
高频段RFID标签一般也为无源标签，工作频段为3～30 MHz，典型工作频率为13.56 MHz。高频标签的天线不再需要向低频标签那样绕制成线圈，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作成PCB天线。标签一般通过负载调制的方式进行工作，也就是通过标签上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离标签对天线电压进行振幅调制。如果通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从标签传输到读写器。
从射频识别应用角度来说，该频段的电子标签因为其工作原理与低频标签完全相同，所以宜将其归为低频标签。但根据无线电频率的通用划分规划，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。
主要特性：
●除金属材料外，高频RFID的波长可以穿过大多数的材料，最大读取距离在1 m以内，但容易因为障碍物而缩短读写距离。若需使用于金属环境，则需要专门的抗金属标签。
●高频RFID的数据传输速率较快，并且具备防冲突能力。
●高频RFID读写器在全球范围内没有任何特殊的频率许可限制。
●高频RFID标签价格较便宜，而且可以将数据信息写入标签中。
●高频RFID标签也可方便封装为各种形状。
主要国际标准：
●ISO/IEC 14443：近耦合IC卡，最大的读取距离为10 cm。
●ISO/IEC 15693：疏耦合IC卡，最大的读取距离为1 m。
●ISO/IEC 18000-3：定义了13.56 MHz RFID系统的物理层、防冲突算法和通信协议。
●13.56 MHz ISM Band Class 1：定义了13.56 MHz频率用于EPC的接口，是13.56 MHz频率用于EPC应用的专用标准。
典型应用：
●一卡通系统（如校园一卡通系统、公交一卡通系统）
●图书管理系统
●瓦斯钢瓶管理系统
●智能三表收费系统
●智能货架管理系统
●智能物流管理系统
●固定资产管理系统
●自动停车场收费和车辆管理系统
●酒店门禁管理系统
●固定资产管理系统
c．超高频RFID标签
工作频段与工作方式：
超高频RFID标签的工作频段在860～960 MHz，欧洲、亚洲使用的典型工作频率为868 MHz，北美使用的典型工作频段在902～905 MHz，日本使用的典型工作频段为950～956 MHz。超高频RFID标签工作时位于读写器天线辐射场的远场区内，标签与读写器之间的耦合方式为电磁耦合方式。超高频RFID系统中，无源标签和有源标签均有应用。
超高频RFID系统通过电场（电容耦合）来传输能量，电场能量下降速率不快，但是读取的区域并不好定义。相对低频和高频RFID，该频段的RFID读取距离比较远，无源标签的读写距离一般大于1m，典型情况为4～7m，最大可达10m。
主要特性：
●超高频RFID的电波不能通过许多材料，特别是水、灰尘、浓雾等悬浮颗粒物质，但该频段标签抗金属性能强，使用时无需将标签与金属分开。
●超高频RFID标签的天线一般是长条和标签状，天线有线性极化和圆极化两种设计，以满足不同应用的需求。
●超高频RFID标签具有读取距离远、传输速率快、防冲突能力强的优点，在短时间内可以读取大量的电子标签。
主要国际标准：
●ISO/IEC 18000-6：定义了超高频RFID的物理层和通信协议；空中接口定义了Type A和Type B两部分；支持可读和可写操作。
●EPCglobal：定义了电子物品编码的结构、超高频RFID的空中接口和通信协议，如Class 0、Class 1、UHF Gen2。
●Ubiquitous ID：是日本的组织，定义了UID编码结构和通信管理协议。
典型应用：
●供应链上的管理和应用
●生产线自动化的管理和应用
●航空包裹的管理和应用
●集装箱的管理和应用
●铁路包裹的管理和应用
●后勤管理系统的应用
d．微波RFID标签
工作频段与工作方式：
微波RFID标签的典型工作频率为2.45 GHz、5.8 GHz，一般为带纽扣电池供电的半有源标签，读写距离可达几十米。工作时，射频标签位于读写器天线辐射场的远场区，通过电磁耦合方式进行数据交换。读写器天线一般为定向天线，只有在读写器天线定向波束范围内的射频标签可被读写。
主要特性：
微波RFID标签的典型特性主要体现在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用、读写器的发射功率容限、射频标签及读写器的价格等方面。典型的微波RFID标签的识读距离为10 m左右，有的可达30 m以上。对于可无线写入的标签，通常情况下，写入距离要小于识读距离，其原因是写入标签所需能量更多。
主要国际标准：
微波RFID的主要标准有ISO 10374、ISO 18000-4（2.45GHz）、ISO 18000-5（5.8GHz）、ANSI NCITS 256-1999。
典型应用：
微波RFID的读写距离远，典型应用有：移动车辆识别、高速公路不停车收费系统（ETC）、仓储物流应用、车库电子遥控门锁控制器等。
[4]按标签的封装形状分类
根据应用需求，RFID标签可封装成卡片、腕带、耳钉、钥匙扣、螺钉、不干胶等多种形式，如图1.14所示。在公交等普通民用领域，一般用卡片式标签；在矿井作业领域，一般用腕带式标签；在动物标识领域，一般用耳钉式或植入式标签；在设备巡检领域，一般用不干胶式或螺钉式标签。图1.14 RFID电子标签（2）RFID读写器
RFID读写器的功能是对电子标签的读写，具体操作有3类，即读取UID时的识别（Identify）操作、读取用户数据的读取（Read）操作、写入用户数据的写入（Write）操作。
[1]读写器的机械结构
由图1.11可知，RFID读写器在功能部件上包括控制主机和射频天线2个部分，将二者在机械结构和电路结构上融合在一起的读写器称为RFID一体机，将二者分别置于不同的机械部件中并通过馈线连接的读写器称为RFID分体机。图1.15所示为市面流行的一些RFID读写器。图1.15 RFID读写器实物图
图1.16所示为高速公路和开放式停车场中常用的RFID汽车收费系统示意图。因应用环境对天线覆盖角度、覆盖距离的需求各异，这类系统一般采用RFID分体机，将功能需求相对统一的控制主机安装于收费室内，将特殊选配的天线安装于收费站台屋顶或停车场入口立杆上，控制主机与天线间通过射频馈线连接，控制主机与本地计算机通过基于RS485、TCP/IP、Modbus等协议的总线连接。
图1.17所示为RFID图书馆应用示意图。管理员可以通过手持式RFID一体机在电子标签内写入详细的图书资料信息，然后把电子标签粘贴在相应的图书资料上，当需要对图书资料进行借还、查找、盘点等操作时，可以直接读取电子标签的信息并将信息传送到服务器上，从而实现对图书资料的管理。图1.16 RFID在汽车收费系统中的应用示意图图1.17 RFID在图书管理系统中的应用示意图
[2]读写器的电路结构
RFID读写器的电路结构如图1.18所示，包括天线、射频通信模块、控制处理模块，以及I/O接口模块。图1.18 RFID读写器的电路结构
a．天线
天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系统中，天线是读写器与电子标签的空间接口设备，读写器必须通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别。因此，读写器天线所形成的电磁场范围即为读写器的可读区域。
在低频RFID系统中，天线一般用线圈绕制而成；在高频RFID系统中，天线可以用印刷PCB天线；在超高频和微波频段，天线需采用微波器件。图1.19所示为不同频段RFID的天线实物图。图1.19 不同频段RFID的天线实物图
b．射频通信模块
射频通信模块是RFID读写器的前端，也是影响系统性能和成本的关键。如图1.18所示，射频通信模块主要由射频发射器、射频接收器、时钟发生器、电压调节器等组成。在射频通信模块中有两个分隔开的信号通道，分别用于电子标签和读写器收发两个方向的数据传输。
射频通信模块的主要功能是：
●产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。
●对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。
●接收并解调来自电子标签的射频信号。
在高频和超高频RFID领域，射频通信模块通常采用集成芯片辅以少量的外围器件实现。典型的集成芯片有13.56 MHz频段的MF RC500/522/532/562及复旦微电子FM172/1725、UHF频段的Impinj R500/2000。
c．控制处理模块
控制处理模块主要由微控制器处理单元（含MCU、时钟电路及看门狗电路等）、存储单元、接口驱动3个部分组成。
射频处理模块的主要功能是：
●对读写器和标签的身份进行验证。
●与RFID中间件或RFID数据管理系统进行通信，执行从它们发送来的指令。
●控制读写器与电子标签的通信过程。
●信号的编码与解码。
●对读写器和标签之间传输的数据进行加密和解密。
●执行防碰撞算法。
d.I/O接口模块
I/O接口模块用于实现RFID读写器与RFID中间件或数据管理系统的数据传输。从电路或机械结构上看，常用的I/O接口类型有：
●RS232串行接口：它是计算机的标准串行通信接口，可实现双向数据传输。其优点是标准接口，为很多外设所兼容；缺点是通信距离短、速率低。
●RS422/RS485串行接口：它也是标准串行接口，采用差分数据传输方式，抗干扰能力较强，支持远距离通信，传输距离可达1200 m。
●以太网接口：提供RFID读写器直接入网接入端口，一般支持TCP/IP协议。该类通信传输距离远、抗干扰能力强，是应用最广的一种接口。
●USB接口：标准短距离、高速率传输接口，一般用于桌面RFID读写器。
物理上的I/O接口并不足以完成数据传输，还需基于相应的通信协议，才可有效完成RFID读写器与数据管理系统的通信。常见的接口协议有：
●RS232/422/485传输协议。
●USB传输协议。
●TCP/IP传输协议。
●韦根传输协议：是由摩托罗拉公司制定的一种国际标准传输协议，有26-bit、34-bit、37-bit等格式。26-bit格式是一种广泛使用的工业标准，并且对所有HID的用户开放，几乎所有的门禁控制系统都接受标准的26-bit格式。
●Modbus传输协议：是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。Modbus协议支持传统的RS232、RS422、RS485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC、DCS、智能仪表等都在使用Modb-us协议作为他们之间的通信标准。（3）RFID数据管理系统
在RFID应用系统中，电子标签是物品标识，读写器是前端设备，数据管理系统是系统的核心，其功能因应用领域不同而各异。在RFID图书管理系统中，管理系统被赋予图书注册、查询、借阅、盘点等功能；在RFID公交管理系统中，管理系统被赋予证卡注册、充值、消费、挂失等功能。总之，RFID数据管理系统是RFID广泛应用的直接价值体现。（4）RFID中间件
[1]中间件的发展背景及定义
在分布式异构系统中，通常存在多种硬件系统平台（如PC、工作站、小型机等），这些硬件平台上又存在各种各样的系统软件（如不同的操作系统、数据库，语言编辑器等），及各种风格的用户界面，这些硬件系统平台可能采用不同的网络协议和网络体系结构连接。为了将这些系统集成起来，人们提出了中间件（Middleware）的概念。
如图1.20所示，中间件是位于硬件及操作系统和应用之间的通用服务，它使用系统软件提供的基础服务，衔接网络上应用系统的各个部分或衔接不同的应用系统，以达到资源共享、功能共享的目的。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]