射频识别技术--原理、协议及系统设计--详细介绍

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 当前位置:本科及研究生教材 射频识别技术--原理、协议及系统设计
   
射频识别技术--原理、协议及系统设计
作者:陆桑璐,谢磊
书名:射频识别技术--原理、协议及系统设计
定价:¥38 元
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标准书号: 978-7-03-040017-8
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出版日期: 2014-3-31
发行号: TP-6560.0101
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获奖情况
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图书介绍
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  本书从射频识别的原理、协议以及系统设计三个方面入手,系统、全面地介绍了RFID 相关的基础知识、关键技术、研究进展以及实践应用等方面的内容。全书共分为六篇。第1 篇结合物联网的背景概述了RFID 的发展历史、主要特点与核心技术。第2 篇从原理层面对RFID 的无线通信原理、系统组件进行详细的阐述,剖析了RFID 的实现机理。第3 篇从协议层面介绍了RFID 的防冲突算法与协议,对超高频射频识别(UHF RFID)协议标准EPC C1G2 进行了具体的阐述,并对其设计思路进行分析与探讨。第4 篇从系统设计层面出发,介绍了系统设计时需要权衡考虑的关键因素,并且对实际环境下系统性能的测试与评估结果进行了详细的阐述与剖析。第5 篇介绍了当前RFID 的研究与进展,从RFID 识别与轮询、标签数目估算、RFID 定位等方面对相关研究成果进行了重点介绍。第6 篇介绍了RFID 方面的实践与应用,对RFID 的多种应用模式进行了综述,并针对几个典型的应用案例进行了分析。
  本书适合高等院校计算机、电子和物联网相关专业作为专业教材使用,也适合其他专业作为选修教材使用。本书也可作为对射频识别、物联网感兴趣的研究人员和相关企业人员等各类读者的参考用书。
 
前言
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  计算机科学是从数学发展出来的一个分支,近60 年的发展,其研究深度、应用广度在不断拓展,对人类文明、社会生活的演进起到了显著的推动作用,在很多方面反过来推动着数学的发展。例如蒙特卡洛法(Monte Carlo Method),这是一种用随机蛮力来对抗算法逻辑的方法,其基本思想很早以前就被人们所发现和利用。早期它被用来计算不规则图形的面积,用大量的小球随机打击图形,通过计算小球的数量,就可以得到图形的面积。这是典型的计算机似思维,可以交给硅芯片重复动作的事情,等同于“零代价”。由此出发,我们大大简化了算法的复杂性,同时,也最大限度地发挥了计算机的优势能力。
  随着现代计算机科学的发展,计算机不再局限于数学运算,更重要的是如何让计算机能够真正地为人类服务,也就是信息世界必须和物理世界有机地结合起来。对物理世界的宏观描述,可以通过牛顿经典力学的公式、麦克斯韦电磁方程描述其规律,同样也可以通过类似蒙特卡洛法进行简化,穷究其细节来构建模型和体系。大千世界,恒河沙数,通过“沙化”的思维方法,将复杂结构的自然世界细碎成结构和特性单一的沙粒,通过有限的规则和海量的计算能力构建与之镜像的数字世界。无穷小的作用无限大!伟大的近未来科幻小说家弗诺文奇在他的《彩虹尽头》一书中详细地描述过一种“沙化”场景:对传统图书馆的数字化工程,是将浩瀚无边的书海一本一本丢进巨大的碎纸机中粉碎,过程中对所有的碎片进行三维数字化扫描,利用巨大的计算能力进行拼图式重新组合,重构数字世界里的图书馆。这是一种何等壮观的计算机思维!
  我们一直执着地梦想着未来世界中无处不在的机器智能,我们也许的确正在朝着“超人类智能”的奇点迈进,然而当我们通过复杂的演绎、推理、算法逻辑去实现人工智能遇到困境时,是否可以将人类的思维换成计算机的思维?如果我们的物理世界中布满了足够可用的感知器件,那么所谓机器眼睛、耳朵、鼻子的看、听、嗅等能力将是那么容易实现!以需要极高人工智能判断的自动驾驶系统为例,如果道路上布满了传感元件,那么通过车载计算机与道路的实时交互,车辆驾驶逻辑将会变得超级简单,由无穷多简单的傻动作将会组成纷繁复杂的驾驶动作,无数这样的智能车辆将会构成自然驾驶环境中无法想象的汽车洪流,将会实现理想中交通场景:最大化的车流,最小的等待和拥堵,几乎为零的事故率。那时的自动驾驶汽车只需要最普通的“智能”,只要会简单地接收数据、处理数据、反馈指令就可以实现了……
  计算机科学发展到今天,我们已尝到了太多甜头,计算机思维的现实应用坚定了我们对物理世界的数字化进程,建立物理世界和信息世界的通道,加大人类对模拟量的数字化能力,从而提升数字世界的镜像水平。这其间起到离散作用的关键设备,也可以说沙化工作的关键技术,就是物理世界和信息世界的接口技术。一个个RFID 标签是否会是蒙特卡洛的一个个小球?大千世界会不会通过这一个个小球的随机击打,被沙化、数字化、建模、镜像……
  随着“物联网”时代的来临,新一代IT 技术将被充分运用在各行各业之中。射频识别(RFID)作为物联网应用的核心支撑技术,在学术界与工业界已经得到广泛的关注。本书紧密结合当前RFID 最新的发展趋势与研究成果,本着务实具体、确保深度、启发创新的指导思想,系统、全面地介绍了RFID 各个层面的基本原理与实践应用知识,从物联网以及计算机科学学科的视角,有所侧重地对RFID 相关的基础原理、算法协议、系统设计以及前沿研究成果进行介绍。本书的特色及创新之处主要表现在如下几个方面:
  1. 全方位系统地介绍了RFID 的原理、协议与系统设计方面的知识,包括底层的通信原理、MAC 层的协议与算法、系统设计层面的性能考虑、研究进展以及实践应用,以便读者对RFID 有个全面的了解。
  2. 深入地剖析了RFID 相关的问题、机理、设计思路,通过对原理与本质的分析与思考,更好地指导读者对RFID 在系统层面性能的理解,以务实的科学精神来认知、分析与处理实际系统应用中遇到的种种问题。
  3. 在对RFID 的原理、协议与系统设计方面的阐述过程中,引入了当前最前沿研究成果的介绍,使得读者能够更为深入、透彻地理解RFID 的本质与特性,并在此基础上更好地进行创造性的研究工作。
  本书针对的读者群体是本科生和研究生,其中,第1~7 章以及第15、16 章属于基础性内容,适合本科生与研究生阅读;第8~14 章属于提高内容,适合研究生阅读。
  本书由南京大学计算机软件新技术国家重点实验室组织编写。分布式计算实验室的同学殷亚凤、姬浩、王楚豫、陈曦、鲁翔、周伟以及王炜老师为本书的编写提供了大力协助与支持,他们都为本书的编写做出了重大贡献,在此对他们的辛勤付出表示深深的感谢!

                                                     陆桑璐 谢 磊
                                                       2014 年2 月

 
图书目录
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第1章 RFID概述  003
1.1 自动识别技术 005
1.1.1 指纹识别技术  005
1.1.2 人脸识别技术  006
1.1.3 语音识别技术  006
1.1.4 一维码识别技术  007
1.1.5 二维码识别技术  007
1.1.6 自动识别技术小结  008
1.2 RFID的主要特点  009
1.3 RFID的核心技术  010
1.4 RFID的历史与现状  013
1.4.1 RFID的发展历史 013
1.4.2 RFID的现状 014
1.5 RFID的发展趋势  015
1.6 RFID与物联网  017
第2章 RFID系统组件原理 021
2.1 阅读器  021
2.1.1 阅读器的功能  021
2.1.2 阅读器的分类  022
2.1.3 阅读器的操作规范  025
2.1.4 阅读器的组成  027
2.1.5 信号处理与控制模块  028
2.1.6 射频模块  029
2.2 射频标签 031
2.2.1 标签的功能  031
2.2.2 标签的分类  032
2.2.3 标签的操作规范  036
2.2.4 标签的组成  036
2.2.5 标签天线  037
第 2 篇 感 知 识 别
第 1 篇 概  述
vi 射频识别技术——原理、协议及系统设计
2.2.6 标签芯片  039
2.2.7 标签唤醒电路  041
2.2.8 标签的制造  041
2.3 软件系统组成 043
2.3.1 概述  043
2.3.2 工作流程  043
2.3.3 Alien RFID Java中间件  045
2.3.4 阅读器使用完整示例  051
2.4 小结  053
第3章 RFID的无线通信原理  056
3.1 射频频谱与电磁信号传输 058
3.2 信号的电压与能量  059
3.3 阅读器信号的调制与复用 061
3.4 反向散射机制与标签编码 063
3.5 链路预算 066
3.5.1 阅读器传输能量  067
3.5.2 路径损耗  068
3.5.3 标签激活能量  069
3.6 天线增益与极化对传输范围的影响  071
3.6.1 天线增益的影响  071
3.6.2 线性极化与圆极化  078
3.7 真实环境下的信号传输 079
3.8 小结  083
第4章 RFID的标签识别协议  089
4.1 基于ALOHA的防冲突算法  090
4.1.1 纯ALOHA算法 090
4.1.2 时隙ALOHA算法 090
4.1.3 基于帧的时隙ALOHA算法 091
4.2 基于二进制树的防冲突算法 094
4.2.1 基于随机二进制树的防冲突算法  094
4.2.2 基于查询二进制树的防冲突算法  097
4.3 防冲突算法的性能分析 099
4.4 小结  100
第 3 篇 协 议
第5章 超高频RFID协议标准  102
5.1 EPCglobal Class 0  102
5.2 EPCglobal Class 1 Generation 1  104
5.3 EPCglobal Class 1 Generation 2  105
5.3.1 物理层的通信机制  105
5.3.2 标签的状态机  106
5.3.3 读取标签  110
5.3.4 选择指定的标签  115
5.3.5 性能的权衡  117
5.4 小结  120
第6章 系统设计的关键因素 125
6.1 应用系统配置 125
6.1.1 应用系统硬件配置  125
6.1.2 应用系统软件配置  126
6.1.3 应用系统其他配置  127
6.1.4 实际应用系统设计要点举例  127
6.2 频带选择 131
6.3 能量与通信范围  133
6.4 链路的能量预算限制  134
6.4.1 前向链路能量预算  135
6.4.2 反向链路能量预算  135
6.5 冲突避免 138
6.5.1 单阅读器多标签间冲突  139
6.5.2 阅读器与标签间冲突  139
6.5.3 阅读器间冲突  140
6.6 标签读取的可靠性  141
6.7 标签漏读率 142
6.7.1 系统中的标签漏读现象  142
6.7.2 多标签冗余方案  143
6.7.3 多阅读器/天线冗余方案 144
6.8 移动中的标签读取  145
6.8.1 移动速度  145
6.8.2 信号传输功率  146
6.9 小结  147
第 4 篇 系 统 设 计
第7章 实际环境下系统性能的测试与分析 149
7.1 实际系统中的标签识别算法 149
7.2 发射功率对系统性能的影响 151
7.3 天线辐射角度对系统性能的影响  153
7.3.1 标签位置不变,改变天线角度  153
7.3.2 天线位置不变,改变标签角度  154
7.4 距离对系统性能的影响 155
7.5 标签部署密度对系统性能的影响  156
7.6 调整设备位置对系统性能的影响  156
7.7 影响标签识别时间的因素 157
7.8 问题与启发 158
7.8.1 实际系统与理论模型的差异  158
7.8.2 实际系统中的方针策略  159
7.9 小结  159
第8章 RFID标签识别机制研究  163
8.1 基于ALOHA的防冲突算法研究拓展 164
8.1.1 动态调整帧长  164
8.1.2 计算最优帧长  166
8.2 基于二进制树的防冲突算法研究拓展 169
8.3 复杂环境下的标签识别问题 171
8.3.1 阅读器移动时的识别机制  171
8.3.2 标签移动时的识别机制  172
8.3.3 多阅读器场景下的识别机制  173
8.4 小结  175
第9章 RFID标签轮询机制研究  177
9.1 基本的轮询机制  177
9.2 基于时隙ALOHA协议的轮询机制  178
9.3 轮询机制的应用研究  179
9.3.1 大规模标签中查找丢失的标签  179
9.3.2 实时收集主动标签的信息  182
9.3.3 大规模场景下搜索指定标签集合  185
9.3.4 基于轮询机制实现批处理认证  187
9.4 小结   188
第 5 篇 研 究 进 展
第10章  RFID的标签数目估算机制研究 190
10.1 标签数目估算的概率模型  190
10.1.1 基于二项分布的概率模型估算方法  190
10.1.2 基于几何分布的概率模型估算方法  194
10.2 标签数目估算机制的应用研究 195
10.2.1 快速查找热门标签  195
10.2.2 流量追踪  197
10.3 小结 198
第11章  基于RFID的定位机制研究  200
11.1 RFID定位技术的背景现状及趋势  200
11.2 RFID定位原理 201
11.2.1 室内无线电传播概述  201
11.2.2 RFID定位原理分类  202
11.3 当前RFID定位技术的分类详解 202
11.3.1 TOA/TDOA定位技术 202
11.3.2 AOA定位技术  205
11.3.3 基于参考标签的定位  206
11.3.4 基于空间指纹的定位  208
11.3.5 基于经验建模的定位  209
11.4 小结 211
第12章  基于RFID的移动行为识别研究 214
12.1 移动行为识别概述 214
12.2 传统的移动行为识别机制  215
12.3 基于RFID的移动行为识别 215
12.3.1 原理及挑战性问题  215
12.3.2 原理介绍与案例分析  217
12.4 小结 220
第13章 RFID的安全机制研究 222
13.1 RFID的安全现状 223
13.2 RFID的安全及隐私问题  224
13.2.1 RFID的安全问题  224
13.2.2 RFID的隐私问题  226
13.3 RFID的安全机制研究  226
13.3.1 基于物理方法的安全机制  226
13.3.2 基于对称密钥的安全机制  228
13.3.3 基于哈希函数的安全机制  230
13.3.4 主要安全机制的性能比较  233
13.3.5 其他安全机制  234
13.4 小结 236
第14章 RFID与传感网的集成研究 239
14.1 传感网简介  239
14.2 集成RFID和传感器技术的优势 241
14.3 集成RFID和传感网技术所需的条件  242
14.4 可行的集成架构 243
14.4.1 标签和传感器节点的集成架构  244
14.4.2 标签和无线传感器节点的集成架构  245
14.4.3 阅读器和无线传感器节点的集成架构  246
14.4.4 混合集成架构  247
14.5 小结 248
第15章  RFID的应用模式  253
15.1 RFID的技术特点及优势  253
15.2 RFID的应用模式 256
15.2.1 标签识别  256
15.2.2 信息检索与集成  261
15.2.3 目标定位与追踪  263
15.2.4 基于RFID的移动行为感知研究  265
15.2.5 NFC技术 267
15.3 小结 274
第16章  对RFID的新型应用模式进行研究与探索  278
16.1 以低成本方式提升现有应用模式 278
16.2 深度挖掘,探索创新的应用模式 285
16.3 小结 288
 
 
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