物联网工程导论笔记一：RFID及二维码技术

一、RFID标签技术特点：
- 1.种类繁多，适用场景广
- 2.数据准确性高，安全性高：
二、二维码技术特点：
- 1. 存贮密度大，数据格式多样
- 2. 拥有纠错能力
- 3. 版本众多，可应用于不同场景，自由度高
- 4. 经济便宜，易于制作
三、基于RFID或二维码的实际应用：
- 1. 基于 RFID 技术的图书馆智能管理系统
- 2. 基于ＲＦＩＤ技术的智能安防闭锁系统
- 3. 二维码技术在船舶库存管理系统中的应用
参考文献

一、RFID标签技术特点：

1.种类繁多，适用场景广

RFID按供电方式分为有源标签和无源标签。

类型	特点	优点	缺点	应用
有源标签	有内置电池供电	有较远的通信距离	寿命有限、体积较大、价格较高、不适合在恶劣环境中工作	贵重物品远距离检测
无源标签	所需能量由读写器所产生的电磁波提供	价格相对便宜	工作距离、存储容量等受到能量来源及生产成本限制	低端的RFID系统

按载波频率分为低频标签、中频标签和高频标签。

类型	运行频率	优点	缺点	应用
低频标签	125kHz、134.2kHz	用于短距离、低成本的应用中、在油渍灰尘等恶劣的环境中使用		校园卡、动物监管、货物跟踪
中频标签	13.56MHz			门禁控制系统、需传送大量数据的应用场合
高频标签	433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz	应用于需要较长的读写距离和高速识别的场合	天线波束方向较窄且价格较高	火车监控、高速公路收费等系统

表1 工作频段的优缺点

工作频段	优点	缺点
小于150KHz	标准的CMOS工艺、技术简单可靠成熟、无频率限制	通讯速度低、工作距离短(<10cm)、天线尺寸大
13.56MHz	与标准CMOS工艺兼容、和125kHz有较高的通讯速度和较长的工作距离、此频段在非接触卡应用广泛和更高的频段比和125KHz频段比有较高的通距离不够远(最大75cm左右)、天线尺寸大、受金属材料等的影响较大
UHF 860MHz - 960MHz	工作距离长(大于1m)、天线尺寸小、可绕开障碍物,无需保持视线接触、可定向识别	各国的有不同的频段的管制发射功率受限制、受某些材料影响较大
2.45GHz或5.8GHz	除UHF特点外，更高的带宽和通讯速率、更长的工作距离、更小的天线尺寸	除UHF缺点外，此频段产品拥挤,易受干扰、技术相对复杂、因共享频段,标准仍在制定中

表2 各种频率的相关标准和应用领域

按调制方式的不同可分为主动式标签和被动式标签。

类型	优点	缺点	应用
主动式标签	传输距离远、抗干扰能力强	寿命较短	用于有障碍物或传输距离要求较高的应用中
被动式标签	寿命较长	读写器与标签的作用距离较短	门禁、交通系统

按作用距离可分为密祸合标签、遥藕合标签和远距离标签。

类型	作用范围	特点
密祸合标签	0 - 1 cm	这种系统必须把标签插入读写器中或紧贴读写器，或者放置在读写器为此设定的表面上
遥藕合标签	1 cm - 1 m	在这种系统中读写器和标签之间通信是通过电感(磁)祸合
远距离标签	1 m - 10 m	这种系统是在微波波段内以电磁波方式工作，工作的频率较高，一般包括915MHz，2.45GHz，5.8GHz和24.125GHz

根据标签的读写功能来划分，可将RFID标签分为只读标签、一次写入多次读标签和可读写标签。

类型	特点
只读标签	结构功能最简单，出厂时己被写入，包含的信息较少，识别过程中数据或信息只可读出不能被更改，标签内部一般包含只读存储器ROM和随机存储器RAM
一次写入多次读标签	用户可以一次性写入数据的标签，写入后数据不变，存储器由可编程只读存储器PROM和可编程阵列逻辑PAL组成
可读写标签	可重写型标签集成了容量为几十字节到几千个字节的存储器，一般为可编程只读存储器EEPROM，标签内的信息可被读写器读取、更改或重写，因此生产成本较高，价格较贵

依据分装形式的不同标签又可以分为信用卡标签、线形标签，纸状标签、
玻璃管标签、圆形标签以及特殊用途的异形标签等。

2.数据准确性高，安全性高：

如图所示，RFID系统一般由标签、读写器和中央信息系统三个基本部分组成。

标签：由藕合天线及芯片构成，每个标签具有唯一的电子产品代码（EPC），并附着在被标识的物体或对象上。

读写器（又称阅读器）：读取或擦写标签信息的设备，可外接天线，用于发送和接收射频信号。

中央信息系统（或简称数据库）：包括了中间件、信息处理系统、数据库等，用以对读写器读取的标签信息进行处理，其功能涉及到具体的系统应用如实现信息加密或安全认证等。

基于RFID的安全问题主要有两种解决方法：物理方法和安全认证机制。

使用物理方法来保护RFID系统安全性的方法主要有如下五类:封杀标签法(Kill tag)、裁剪标签法(Sclipped tag)、法拉第罩法(Faraday cage)、主动干扰法(Active Interference)和阻塞标签法(Block Tag)。

封杀标签法：封杀标签的方法是在物品被购买后，利用协议中的Kill指令使标签失效，这是由标准化组织Auto-ID Center提出的方案。它可以完全杜绝物品的ID号被非法读取，但是该方法以牺牲了RFID的性能为代价换取了隐私的保护，使得RFID的标签功能尽失，是不可逆的操作。

裁剪标签法：IBM公司针对RFID的隐私问题，开发了一种“裁剪标签”技术，消费者能够将RFID天线扯掉或者刮除，大大缩短了标签的可读取范围，使标签不能被远端的读写器随意读取。IBM的裁剪标签法，弥补了封杀标签法的短处，使得标签的读取距离缩短到1到2英寸，可以防止攻击者在远处非法的监听和跟踪标签。

法拉第罩法：法拉第罩法根据电磁波屏蔽原理，采用金属丝网制成电磁波不能穿透的容器，用以放置带有RFID标签的物品。当我们将标签放入法拉第网罩内，可以阻止标签被扫描，被动标签接收不到信号不能获得能量，而主动标签不能将信号发射出去。利用法拉第网罩同时可以阻止隐私侵犯者的扫描。此方法是一种初级的物理方法，比较适合用于体积小的RFID物品的隐私保护。但如果此方法被滥用，还有可能成为商场盗窃的另一种手段。
主动干扰法：主动干扰法使用某些特殊装置干扰RFID读写器的扫描，破坏和抵制非法的读取过程。主动干扰无线电信号是另一种屏蔽标签的方法。主动干扰法使用比较麻烦，需要特定的无线电信号发射装置。但主动干扰实现成本比较高，不便于操作，如果其使用频率与周围的通信系统相冲突，或着干扰功率没有严格的限制，则可能影响正常的无线电通信及相关通信设备的使用。

阻塞标签法：阻塞标签法也称RSA软阻塞器，内置在购物袋中的标签，在物品被购买后，禁止读写器读取袋中所购货物上的标签。阻塞标签法基于二进制树查询算法，它通过模拟标签ID的方式干扰算法的查询过程。阻塞标签法可以有效的防止非法扫描，最大的优点是RFID标签基本上不需要修改，也不要执行加解密运算，减少了标签的成本，而且阻塞标签的价格可以做到和普通标签价格相当，这使得阻塞标签可以作为一种有效的隐私保护工具。但是缺点是阻塞标签可以模拟多个标签存在的情况，攻击者可利用数量有限的阻塞标签向读写器发动拒绝服务攻击。另外阻塞标签有其保护范围，超出隐私保护范围的标签不可能得到保护的。

表 3 RFID标签安全与隐私保护方法

尽管用于认证和识别用途的密码技术已经相对比较成熟，但将其应用于RFID领域，不得不受到标签硬件成本的严格限制。其中具有代表性的有Hash-Lock协议，随机Hash-Lock协议、Hash链协议和分布式询问-应答协议等。如下图所示，根据不同的安全性和复杂性以及实现的成本，可以将应用于RFID系统中的安全认证协议分为三类，分别是重量级、中量级和轻量级协议。

二、二维码技术特点：

1. 存贮密度大，数据格式多样

二维码可以在纵横两个方向存贮信息，大大提高了存贮密度。如果使用标准状态下的一维码EAN 13与纠错等级为M的QR二维码相比较，相同面积下二维码所表示的信启、约为一维码的80多倍。

一维条码只能表示ASCII表中的128个字符；二维码都具有自己的字符集，可以表示数字、字母、8位字节、各种语言文字以及特殊字符等。很多二维码也提供了扩展字符集，可自由扩展编码。

2. 拥有纠错能力

一维条码只有一个或数个校验位，并不能纠错。二维码信息密集，受到污损时损失也较人,因此二维码一般都具有很强的纠错机制。不同的二维码具有不同的纠错算法，同一种二维码也会有不同的纠错等级，用于不同的应用需求。

二维码的填充是以8bit为一组，由二维码右下至左上进行填充，若遇到非数据区域则跳过，如下图。

如上图所示，灰色的D区域表示的是数据区存放的区域，白色的E区域表示的是纠错码数据存放区域。最后还有部分空白的剩余位，如上右图的Remainder Bits。

二维码存在4个级别的纠错等级，纠错级别越高，可以修正的错误就越多，需要的纠错码的数量也变多，相应的可储存的数据就会减少，如下表。

纠错等级	编码	纠错水平
L	01	7%字码修正
M	00	15%字码修正
Q	11	25%字码修正
H	10	30%字码修正

3. 版本众多，可应用于不同场景，自由度高

我们平常常用的二维码为Quick Response码(简称QR码)是1994年9月日本Denso公司研制出的一种矩阵式二维码符号。QR码是最早可以对汉字进行编码的二维码，也是目前应用最广泛的二维码。除此之外，还有code49码、PDF417码、Data Matrix码、Code One码、汉信码等。

二维码存在40种尺寸，在官方文档中，尺寸又被命名为Version。尺寸与 Version 存在线性关系：Version 1是21×2121 \times 2121×21的矩阵，Version 2是25×2525 \times 2525×25的矩阵，每增加一个 Version，尺寸都会增加4，故尺寸Size与Version的线性关系为：Size=(Version−1)×4Size = (Version - 1) \times 4Size=(Version−1)×4。Version 的最大值是 40，故尺寸最大值是(40−1)×4+21=177(40 - 1) \times 4 + 21 = 177(40−1)×4+21=177，即177×177177 \times 177177×177的矩阵。

4. 经济便宜，易于制作

与其他自动识别技术相比较，推广应用条码技术，所需费用较低。条码可印刷，被称作“可印刷的计算机语言”，条码标签易于制作，对印刷技术设备和材料无特殊要求。

三、基于RFID或二维码的实际应用：

1. 基于 RFID 技术的图书馆智能管理系统

根据图1显示，基于RFID技术的图书馆智能管理系统主要分为图书借阅管理区、RFID图书编目管理区、书库馆藏架位管理区、计算机机房区。各个区域功能各异，且通过图书馆计算机网络实现统一管理。基于RFID技术的图书馆智能管理系统的功能结构图如图2所示。

由图2可知，基于RFID技术的图书馆智能管理系统的功能模块包含编目工作站、柜台工作站、RFID智能检索模块、图书整架库、智能安全门。五大核心功能模块共同协作实现图书馆智能管理。编辑工作站用来编辑图书标签、征订图书；柜台工作站可实现读书卡（RFID射频读卡器）的发放，并能够完成图书自主借还程序，柜台工作站的核心功能是为用户提供RFID借书、RFID还书、办理读者RFID射频读卡器三类。用户按照要求填写自己的基础信息，柜台工作站按照用户信息为其制定读书卡。用户使用读书卡可以实现借书、还书；图书整架库能够管理图书馆书架图书的摆放位置与收藏位置，核心任务是盘点存在标签的各类书籍；智能安全门属于图书馆门禁设备，主要使用RFID技术验证用户身份。RFID智能检索模块的功能是完成图书馆书籍自动借还。图书馆中所有图书都被RFID射频标签标识书名、出版社等信息。

2. 基于ＲＦＩＤ技术的智能安防闭锁系统

本研究的系统包括设备层、闭锁硬件层、闭锁工作层和管理层，其总体架构示意图如图１所示。与传统技术中的安防闭锁系统相比，本系统利用了ＲＦＩＤ射频识别式智能锁，实现无接触式智能控制。本系统还利用物联网技术，实现安防设备的远程、在线、实时监控，克服了常规技术中现场监测的带来的不便。在设备层中，设置了大量的安防设备，安防设备设置有智能闭锁单元，智能闭锁单元连接有闭锁控制单元和ＲＦＩＤ射频智能锁，通过闭锁控制单元对ＲＦＩＤ射频智能锁的控制，实现安防闭锁单元的智能化、无接触控制。在设备层中，还包含了各种类型的ＲＦＩＤ传感器，每个ＲＦＩＤ传感器上的信息源具有一定的时效性，按照自身工作的频率和周期，采集系统中的故障信息，不停地迭代计算从系统中获取的故障数据信息。在闭锁工作层中，还设置了支持ＩＥＣ６１８５０通信协议的通讯模块，该通讯模块采用网络组网方式为光纤和无线混合的联网方式，通信协议为ＩＥＣ６１８５０协议，通过利用这种方式，能够将通讯系统组成环网，也可单独接入到闭锁硬件层的网络结构中。通过上述通讯协议与互联网进行数据通讯，及时、有效、准确地传输安防设备的信息。在闭锁控制中，在电路中接入了ＲＦＩＤ射频智能锁，以实现故障数据的接收，这里用到了智能防误装置，该装置连接有监控装置，能够实时监控智能防误装置的工作状况，以实现远程故障监控，做到及时防误操作。在工作时，可以将ＲＦＩＤ射频智能锁控制单元通过电气通讯接口与智能闭锁控制单元连接，以构成闭合回路，有利于用户在远程实现控制。在配置ＲＦＩＤ射频智能锁时，也可以设置备份的手动设备，并对手动设备进行强制性闭锁，可以通过ＲＦＩＤ射频智能锁采集手动设备上的实时状态，并将该状态传递到智能防误装置的中，也可以通过ＩＥＣ６１８５０通信协议将实时状态传递给上层管理系统，为闭锁系统的实时逻辑判断分析提供数据依据。

3. 二维码技术在船舶库存管理系统中的应用

网络结构如图1所示。由于船舶在海上航行时无法连接互联网，而库存管理系统又必须随时可用，所以库存管理系统的服务器应设置在船舶上，并组建局域无线网，以便于仓库的手持终端随时连接到服务器。本地服务器和无线ap通过交换机组成无线局域网。仓库终端通过无线ap加入网络之中。通过这种网络结构，可以保证仓库终端在任何时候都可以连接服务器进行仓库操作，从而每一个出入库行为都被及时记录。

船舶物资管理包括物资申领和库存管理系统，两者前后衔接，覆盖了物资从申请到消耗的完整周期。整个周期的流程如图2所示。

船舶人员根据需求提出物资申请，填写物资种类、名称、型号、单位、数量、备注等必要信息。为了便于申请人员和审批人员初步了解物资消耗情况，每个物资条目的详细信息页会显示当前物资库存数量和上一次购买的时间和数量。申请单经船舶领导审核后，由上一级的船舶管理部门和归口部门审批，各个审批节点都有权利对申请单进行修改、退回或终止操作。归口部门审批之后，负责安排采购人员购买。采购人员根据金额大小，采取不同的采购方式，申请单的任何审批和操作记录都会显示在订单详情之中。以供相关人员及时了解申请进度。确定价格和供应商之后，采购人员补充价格信息，并对采购物资进行最后的确认。

待采购员确认物资信息后，船舶人员可随时将物资信息导入到库存管理系统，每一项物资都会生成对应的二维码，每张二维码存储的信息包括：物资编号（编号体现了物资分类，名称和型号）、名称、型号、备注等必要信息。同时每张二维码下面都附有物资名称，以便于船舶人员能准确将二维码匹配到对应物资。

待供应商将货物送上船后，由船舶库管人员打印物资清单和对应的二维码粘贴，和供应商以及申请物资的人员一起清点物资并将二维码贴到物资包装上、粘贴时要注意要选择容易发现且不易接触的区域，以避免二维码因受到过多的磨损而失效。对于规格相同的小型散件，如螺丝螺母，只需放入包装盒，在包装盒上贴一个二维码即可，手动输入需入库的数量即可。清点完毕后，船舶库管人员开始将物资分别入库，通过各个仓库配备的手持终端登录库存管理系统，进入到“入库”程序界面，选择目标仓库和操作人员，在物资列表中选择需入库的物资，也可以扫描物资上的二维码自动选择，对于外形难于辨别或者型号比较复杂的物资，扫描二维码是非常高效的物资选取方式。入库物资选择完毕后点击“确认入库”完成入库操作。

当物资需要出库时，可在仓库手持终端进入“出库”界面，选择出库仓库、目标仓库和操作人员后，界面会显示出所有在库物资，此时既可以手动选择需出库的物资，也可以扫描物资上的二维码来自动选择，一般情况下扫描二维码应该更便捷更准确，尤其是当对物资名字不清楚的时候。

参考文献

[1]丁治国. RFID关键技术研究与实现[D].中国科学技术大学,2009.
[2]吴永祥.射频识别(RFID)技术研究现状及发展展望[J].微计算机信息,2006(32):234-236+230.
[3]李泉林,郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域[J].中国电子商情(RFID技术与应用),2006(01):51-62.
[4]杨军,刘艳,杜彦蕊.关于二维码的研究和应用[J].应用科技,2002(11):11-13.
[5]潘继财.二维条码技术及应用浅析[J].商场现代化,2009(09):118-120.
[6]于英政. QR二维码相关技术的研究[D].北京交通大学,2014.
[7]林存艳. 基于Android平台的QR二维码生成与解码的研究与实现[D].山东师范大学,2015.
[8]许锴.基于RFID技术的图书馆智能管理系统[J].现代电子技术,2020,43(23):6-10.
[9]马钟.基于RFID物流信息安全保障系统的研究与设计[J].科学技术创新,2020(35):104-106.
[10]陈志明,李澄,程华明,蒋超,陆玉军,官国飞.基于RFID技术的智能安防闭锁系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2020,28(11):182-186.
[11]刘兴华,李孟桥.二维码技术在船舶库存管理系统中应用的探讨[J].中国水运,2020(11):62-64.
[12]Android二维码原理与优化方向 https://blog.csdn.net/yinhaide/article/details/104551458