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部分资料来自我们博士的PPT,借助反射的 Wi-Fi 信

来源:http://www.chenghua543.com 作者:太阳娯乐城登录网址 时间:2019-10-07 02:04

原标题:万能标签,借助反射的 Wi-Fi 信号,让一切物品皆可”触控”

部分资料来自我们博士的PPT,部分来自网络和他人的论文。*

尽管今天的电子设备已经广泛采用了触控屏,大多数家用和商用物品仍然不具备触控功能。现在,一种利用反射 Wi-Fi 信号的新型智能标签可以让这些非触控物品具备触控功能。

我们使用的教材是清华大学出版社出版的《智能卡技术(第四版)——IC卡、RFID标签与物联网(清华大学计算机系列教材)》(王爱英 主编)*

智能标签不算是个新点子,但是大多数之前的智能标签若不借助电池或者复杂内置芯片,则功能会严重受限,只能做存储和在被访问时被动提供数据之用。

我仅仅整理了下边的内容*

近日推出的 LiveTag 智能标签在被贴在物品、墙壁以及其他任何东西上之后,允许进行交互式控制。人们可以用它远程控制音乐播放器或者获知房屋蓄水池中有多少水。

 

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射频识别技术


射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术是一种非接触自动识别技术,利用射频信号通过空间耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的传输特性,实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。射频识别技术在国内最广泛的应用是射频识别卡。

扩展 常见的自动识别方法和技术包括:光学符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、IC卡技术、条形码技术和RFID射频技术等。

RFID较其它技术明显的优点是电子标签和阅读器无需接触便可完成识别。
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图丨研究人员展示单薄柔韧的 LiveTag,并将其与最左边的一张相纸进行对比(来源:Xinyu Zhang/UC San Diego)

智能卡(IC卡)


智能卡("Smart Card"),也称作集成电路卡(Integrated Circuit card,即 IC 卡)。它一般指将集成电路芯片嵌装于塑料等基片上制成的卡片,外形与磁卡相似,芯片具有存储、加密及数据处理等功能。现在,IC 卡产品已经进入到金融、电信、交通、医疗、身份证明等各种领域 。

根据读写方法的不同,IC 卡可以分为接触式 IC 卡和非接触式 IC 卡。两种卡的集成电路均密封在塑料卡基片内部,可防水,防尘,防磁。接触式 IC 卡的表面可以看到一个方型镀金接口,共有八个或六个镀金触点,用于与读写器接触,通过电流信号完成读写。非接触式 IC 卡的卡内除了包含 IC 卡电路,还含有相关射频收发电路及天线线圈。IC 卡在一定距离内即可接收读写器的信号,实现非接触读写。

 

加州大学圣迭戈分校电子和计算机工程助理教授张鑫宇(音译,Xinyu Zhang)表示,该标签可以对包括人在内的诸多日常物品的日常状态进行测定,并允许用户通过标签与这些物品进行互动。

射频识别卡


射频识别卡(简称射频卡、RFID 卡), 也被称作非接触式 IC 卡(Contactless Smart Card)或非接触 IC 卡、非接触卡、感应卡。可广泛应用于物流、个人身份识别、智能停车场、门禁系统、防伪系统及生产过程控制等多种无线射频识别系统。

 

张教授和他在威斯康星-麦迪逊大学的同事在一次关于如何将日常物品融入物联网而无需附加昂贵电池和专用芯片的头脑风暴会议上,构思出了 LiveTag 技术。

RFID 卡的优点

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LiveTag 的设计和早期原型相关论文:

style="font-size: 16px;">

RFID 卡的应用

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LiveTag 的基本功能看上去平淡无奇:轻质柔韧基底上附加的铜印刷电路,没有附加电池或者其他电子器件。但是电路的设计使得 LiveTag 可以吸收特定频率的 Wi-Fi 信号,特别针对运行在 2.4GHz 与 5GHz Wi-Fi 技术专用频率上的信号。

RFID系统


RFID系统由五个组件构成,包括:传送器、接收器、微处理器、天线、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起,又统称为阅读器,所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器(Reader)、天线(Antenna)和标签(Tag)三大组件。

 

  • 阅读器:读取或读/写电子标签信息的设备,主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号,并接收标签的应答,对标签的对象标识信息进行解码,将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。
  • 天线:标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。
  • 电子标签(或称射频标签、应答器):由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据,作为待识别物品的标识性信息,是射频识别系统真正的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。

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每个特征电路对 Wi-Fi 信号的吸收将会令 Wi-Fi 信号在特定频谱产生可识别的特征,这种特征能被 Wi-Fi 接收机读取,每个标签的可识别特征不同,因此具备可识别性。

工作原理

电子标签进入天线磁场后,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(无源标签),或者主动发送某一频率的信号(有源标签),阅读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理 。

 

此外,人如果触碰标签的不同点,就会改变该标签的 Wi-Fi 频谱特征,这相当于按下了某个按钮。比如,LiveTag 可以用作具备启动-暂停按钮和音量控制滑动钮的音乐播放器控制器,只要附近的 Wi-Fi 支持这一功能。

工作流程

  1. 阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号

2. 当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流,射频卡获得能量被激活

  1. 射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去

4. 系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号,经天线调节器传送到阅读器,阅读器对接收的信号进行解调和解码,然后送到后台主系统进行相关处理;

5. 主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性,针对不同的设定作出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构动作

 

不过,设计电路不是一件容易的事情。张教授和他的同事尝试了大量的形状、大小和材料组合,然后通过计算机仿真验证效果。

射频信号的耦合


阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种:
(Ⅰ) 电感耦合。变压器模型,通过空间高频交变磁场实现耦合,依据的是电磁感应定律。
(Ⅱ) 电磁反向散射耦合。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。

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电感耦合

电磁反向散射耦合

模型

变压器模型

雷达原理模型

原理

电磁感应定律

电磁波的空间传播规律

典型工作距离

10~20cm

3~10m

典型工作频率

125kHz, 225kHz, 13.56MHz

433MHz, 915MHz, 2.45GHz, 5.8GHz

标签

具有环形天线的典型低频、高频标签

具有双极天线的超高频和微波标签

针对上述两种耦合方式而采用的两种调制方式为负载调制和反向散射调制。

 

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RFID频率


RFID频率是RFID系统的一个很重要的参数指标,它决定了工作原理、通信距离、设备成本、天线形状和应用领域等因素。RFID典型的工作频率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作频率的不同,RFID系统集中在低频、高频和超高频三个区域。

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频率越高,传播距离越远,但是绕射或穿透能力较弱。

 

图丨基于 LiveTag 制作的音乐播放器控制器,通过对反射 Wi-Fi 信号的频谱调制实现控制(来源:Xinyu Zhang/UC SanDiego)

双频标签与双频系统

利用高频和低频的各自长处设计识别距离较远和穿透能力较强的双频产品,可用于动物识别、导体材料干扰和潮湿的环境。

双频RFID系统主要应用于距离要求较远、多卡识别和高速识别的场合,如:供应链管理、人员流动跟踪、动物跟踪与识别、采矿作业和地下路网管理及运动计时等。

 

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