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关键词： RFID   未知标签   丢失标签   时间效率  

摘要： 射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式的自动识别技术,通过无线射频方式获取物品的相关数据,广泛应用于物流追踪、仓库管理、供应链管理等领域。例如在仓库管理中,利用RFID技术可以对所有入库的物品进行盘点。但在盘点过程中可能出现未知标签和标签丢失带来的安全隐患、财产损失等问题,因此如何有效的识别这些未知标签并及时找出丢失的标签具有重要的研究意义。本文针对RFID系统中存在未知标签和标签丢失问题,展开了以下两方面的研究:(1)针对现有的RFID未知标签识别方案大多侧重于有效提高帧的利用,时隙中的冲突信息将被直接丢弃,导致大量有用信息浪费的问题。本文提出一种基于位跟踪的未知标签识别(Bit-Tracking Based Strategy for Unknown Tag Identification,BTUTI)方法,通过对冲突时隙中信息的有效利用进行快速高效的识别,从而避免由这些未知标签带来的隐患问题。实验结果表明,相比于现有的方案,BTUTI在执行时间、时隙利用和时间效率方面分别提高了34.53%、10.6%和28.9%。(2)针对未知标签发生丢失的复杂场景,例如不属于某区域的未知物品可能会发生丢失的问题。本文提出一种基于优先策略的未知标签丢失识别(Priority Based Strategy for Missing Unknown Tag Identification,PMUTI)方法,通过优先策略的方式提高识别进程,对于发生丢失的未知标签进行顺序标记的方式,以方便仓库管理人员进行快速的判断处理。实验结果表明PMUTI方法优于现有的方案,在时隙利用和时间效率方面分别提高了14.13%和24.2%。

关键词： 物联网   RFID   超轻量级   安全协议   群组认证  

摘要： 射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术是物联网的核心技术之一,利用射频信号实现对物体的非接触式识别和跟踪。其中,低成本RFID无源标签因其体积小、使用寿命长、维护成本低等优势,而被广泛应用于物流、交通、医疗以及供应链等领域。然而,由于标签和阅读器之间的通信是在无线信道下进行的,存在窃听、篡改、重放等安全风险,可能导致隐私信息泄露和非法写入等严重后果。 近年来,研究人员提出了许多加密通信和身份认证协议,以应对RFID通信安全问题。然而,现有协议普遍存在两个问题:一是加密算法对标签的计算和存储能力有较高要求,不适用于资源受限的低成本无源标签;二是现有安全协议难以抵抗某些特定攻击,如去同步攻击、重放攻击等。因此,在满足低成本标签资源受限的前提下,如何有效保障RFID系统的安全性,已成为产业界和学术界共同关注的问题之一。 本文针对现有协议存在的问题,提出新的适用于低成本无源标签的超轻量级认证方案,并进行相关研究。主要研究内容如下: 1.针对现有超轻量级认证协议存在的隐私泄露和数据安全问题,设计了一种适用于超轻量级认证方案的混合移位交叉运算Msc,并基于该运算提出了一种超轻量级RFID认证协议MURMAP。使用BAN逻辑和Scyther工具验证了协议的正确性,并与现有同类型协议进行了性能对比,结果表明该认证方案在安全性、标签存储和通信性能方面具有显著优势。 2.针对现有RFID群组认证协议不适用于低成本无源标签的问题,设计了一种基于混合移位交叉运算Msc的超轻量级群组认证协议MURGP。使用BAN逻辑和Scyther工具验证了协议的正确性,并对方案进行了安全性和性能分析。结果表明,在保障系统安全性的前提下,该方案适用于低成本的无源标签。 3.设计并开发了基于RFID技术的危化品安全智能化管理系统,实现了对危化品使用情况的自动化记录、追溯等功能。同时对系统进行了功能测试,验证了系统的可用性。针对系统中存在的标签和阅读器间的通信安全问题,将本文提出的MURMAP协议和MURGP协议进行了仿真应用,仿真结果验证了协议的可行性。

关键词： Protocols   Security   Authentication   Privacy   Resists   Servers   Hash functions   Radiofrequency identification   Homomorphic encryption   Authentication protocol   anonymity set   group homomorphism   MDS code   privacy   RFID system   security  

摘要： Privacy and security are central issues in the deployment of an RFID system. It is vulnerable to several attacks, such as replay attacks, location tracking, man-in-middle attack, de-synchronization attack, etc., due to the inherent weaknesses of underlying wireless communications. In order to tackle these privacy and security concerns, this paper presents an ultralightweight authentication protocol based on group homomorphism and maximum distance separable (MDS) code. We use group homomorphism properties to make a server lookup table that reduces searching complexity and overcomes scalability issues. We develop an ultralightweight protocol using MDS code properties that employs only bit-wise operators. Formal and informal security analysis of the proposed protocol shows that our proposed protocol resists various attacks. In addition, we use automated security protocol verification tools, AVISPA and Scyther, to validate the security features of the proposed protocol. We demonstrate the correctness proof of the proposed protocol using BAN logic. To measure the level of privacy of the proposed protocol, we use two benchmark metrics to simulate the proposed protocol. The performance analysis indicates that the proposed protocol is efficient for a low-cost environment.

关键词： 装配式建筑   智能盘点   RFID   目标检测   路径规划  

摘要： 随着世界环保进程的不断推进,传统密集型建筑行业也在快步向着绿色建筑的方向发展。装配式建筑则是目前绿色建筑理念中发展最快、应用最广的一种新型建筑形式。由于目前装配式建筑项目数逐渐增加,构件的数量井喷式增长,对于装配式建筑预制构件堆场的盘点管理要求也不断提升。由于堆场内的构件型号多、规格迥异、数量大,导致堆场在盘点过程中存在数据采集困难、盘点路径规划不合理、人工成本过高等问题。如何对堆场中的构件进行快速有效的盘点管理,这是当前装配式建筑行业亟需解决的难题。 当下,物联网和人工智能技术在堆场盘点管理领域中广泛使用,基于该技术的堆场智能盘点方法具有成本低、管理效率高等特点,能够适应装配式建筑堆场向智能化转型的要求。由此,本文从装配式建筑堆场盘点过程中的数据采集和路径规划两个问题出发,使用物联网和人工智能技术,从软硬件结合的角度进行研究,分别设计了相应的智能盘点方法,并将其嵌入堆场智能盘点系统中,实现功能性闭环,进一步提高在堆场中的构件盘点效率,降低堆场盘点人工成本。 本文主要针对基于RFID与目标检测的堆场智能盘点信息采集装置及方法、堆场智能盘点路径规划方法和装配式建筑堆场智能盘点系统三个方面进行设计和研究。本文的主要工作如下: (1)针对堆场盘点过程中的构件数据采集问题,设计了一种基于RFID与目标检测的堆场智能盘点信息采集装置及方法。其中,盘点数据采集装置和采集方法两者之间相互配合,先由盘点数据采集装置扫描构件的各种数据,然后交由采集方法进行实时计算,从而实现堆场盘点过程中构件的数据采集与获取。此外,为了能适应雨雪等恶劣天气,提高数据采集装置对构件定位的准确率,使用目标检测方法对构件定位铆钉点(April Tag码)进行检测和处理,以提升构件数据采集方法的识别效果。经实验对比,本文提出的智能堆场盘点方法,相较于传统堆场盘点过程中的构件数据采集方法,可以在盘点数据采集的角度极大提高盘点效率和精度,实现降本增效。 (2)针对盘点过程中的路径规划问题,提出了一种堆场智能盘点路径规划方法。该方法将堆场盘点路径规划问题进行建模,充分考虑盘点过程中,堆场的实际堆放环境以及构件在堆场的出入库时间窗约束,先使用A*算法得到盘点过程的局部路径距离矩阵,再通过遗传粒子群算法对局部路径矩阵进行计算,实现在堆场盘点过程中的路径规划方法。为了更直观的对盘点路径规划方法进行验证,本文将上述盘点数据采集装置作为实验的路径规划对象,使盘点路径规划过程更加具体。相较于盘点过程中传统的路径规划方法,本文充分考虑盘点构件时间窗和盘点实际道路环境,将A*算法与遗传粒子群算法相结合,制定合理高效的路径规划方案,提高堆场盘点效率。 (3)针对于装配式建筑堆场难以接入信息化,预制构件数据难以快速获取,数据孤岛严重,堆场盘点路径难以规划等问题,本文设计并实现了一套堆场智能盘点系统。该系统软硬件结合,充分考虑了堆场盘点过程中的功能性和非功能性需求,不仅可以对堆场中的工作人员进行综合管理,还整合了基于RFID与目标检测的堆场智能盘点信息采集装置及方法和堆场智能盘点路径规划方法,极大提高了堆场盘点效率和降低堆场盘点成本,为堆场盘点管理智能化打下基础。 本文将无线射频技术和目标检测技术和路径规划技术应用到堆场智能盘点工作中,软硬结合,针对堆场管理中的构件盘点数据获取问题和盘点路径规划问题,设计并实现了堆场盘点方法及系统,让堆场盘点工作能够更加高效。

关键词： 反向散射通信   环境反向散射   低功耗蓝牙   无源通信   物联网   射频识别   调制  

摘要： 新兴的环境反向散射通信技术在近十年迅速发展,成为大规模无源物联网的关键使能技术。与主动式无线电生成本地载波调制信息并发送射频信号的方式相比,反向散射标签利用环境信号作载波调制信息并反射信号的方式大幅度降低了物联网节点通信所需的功耗。当前,包括手机、智能手表、无线耳机在内的低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE)设备在日常生活中被越来越广地使用,但基于蓝牙的反向散射通信工作还未完全在物理层兼容商用BLE收发设备,并且还未关注和研究BLE反向散射通信的可靠性问题。解决这个问题的关键挑战在于如何在已经调制信息的BLE激励信号上进行标签的二次调制,并利用商用BLE接收机的固有解调机制解调出标签二次调制的信息。 针对BLE反向散射通信难以完全兼容商用BLE收发设备的问题,本文提出了对逆白化的BLE激励信号进行直接频移调制生成反向散射BLE信号的方法作为解决方案,并提供了基本的抗干扰能力。在此基础上设计和实现了与商用BLE发送机、单个商用BLE接收机的固有解调机制同时兼容的反向散射通信系统RBLE。RBLE在误码率和吞吐量方面相比于经典蓝牙反向散射通信系统FreeRider有了显著的性能提升,但同时也发现RBLE和主动式BLE相比仍存在较大的通信可靠性差距。 针对BLE反向散射通信可靠性不高的问题,从改进物理层调制方案的角度入手,从根本上解决反向散射通信的可靠性问题。运用微积分思想为BLE反向散射通信系统提出了瞬时相移(IPS)调制和近似高斯频移键控(GFSK)调制两种调制方案,实验结果表明,这两种调制方案不仅大幅提高了 BLE反向散射通信的可靠性,还提升了反向散射信号的带宽效率。 针对以上方案均要求控制激励信号数据内容的问题,本文深入分析了调制方案影响BLE反向散射通信可靠性的具体机理,利用正交解调器的解调鲁棒性对BLE反向散射通信的激励信号进行了扩展,提出使用载有未知数据的GFSK调制信号作为激励实现BLE反向散射通信,此举将进一步降低BLE反向散射通信系统的部署要求。 通过研究基于BLE的反向散射通信系统中关键的兼容性和可靠性问题,本文设计实现了在物理层与BLE兼容的反向散射通信系统,并通过设计物理层技术提升了 BLE反向散射通信的可靠性。本文提出的技术、方法和通信可靠性分析对于后续的BLE反向散射通信研究具有参考意义。本文的研究是朝着让BLE反向散射通信走入日常生活的愿景迈出的重要一步。

关键词： RFID   室内定位   纸管卷材   信号强度  

摘要： 射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID),是一种通过射频信号自动识别并获取目标信息的非接触式系统,用于存储和传输数据。该技术在物流、供应链管理、库存管理、交通运输、安全管理等领域得到广泛应用,其优势包括自动化、高效性、实时性、非接触式、多标签识别、抗干扰性强等。然而,其缺点也是不容忽视的,包括通信距离短、传输速率慢、标签存储容量小、抗干扰能力有限等。本文的研究目标是基于RFID技术实现纸管卷材的识别定位。为了实现这一目标,本文将对基于RFID的纸管卷材识别定位技术进行研究。主要工作包括:(1)针对RFID技术在纸管卷材识别定位方面的应用,多要素会影响识别定位效果的准确性问题,本文对卷材直径、测试角度、标签嵌合方式、标签种类和信号强度等要素对RFID无源标签的通信影响进行了实验测试。通过对多要素影响标签识别效果的实验分析,证明了无源RFID技术在纸管卷材识别定位方向应用的可行性。(2)针对传统RSSI路径损耗定位方式受室内环境影响大,噪声干扰的容忍性差的问题,本文提出了将集成学习算法随机森林和指纹定位算法相结合的定位方式。本文将利用该定位方式构建81个特征指纹标签,并对标签特征进行二分类来构建辨识模型。结果表明,该模型的指纹识别准确率高于98.4%。(3)针对指纹坐标空间限制问题,为满足更广泛场景应用需求,本文通过概率相位角修正预测坐标来提高RFID标签在纸管卷材上应用的定位精确性。该方式在随机森林与指纹定位算法结合后进行二次修正,使待测标签坐标位置减少了27.9%的定位误差,并有效提高了识别定位系统的鲁棒性。结果表明,该定位方法可以满足实际生产需求,对于提高纸管卷材的生产效率和质量控制具有重要意义。

关键词： 射频识别   超高频   蜂窝物联网   远距离通信  

摘要： 蜂窝物联网（Cellular Internet of Things,CIo T）作为物联网无线通信系统的重要研究领域,以其低功耗广覆盖、低延时高可靠性的业务特征受到广泛关注。射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）作为构建物联网系统的关键技术之一,具有可快速扫描、数据记忆容量大、应用成本低等特点,在物流环节尤其是运输和仓储领域具有重要的应用价值,但当前仍无法满足市场对标签大容量接入及长距离可靠通信的应用需求。本文针对此诉求,设计一种可远距离通信的蜂窝物联网系统,在传统基站读写器与标签构成的RFID系统基础下,添加辅助基站作为中继转发,使得基站与标签的有效识别距离增加,进一步提升基站读写器对标签的覆盖范围及可接入容量。本文的主要工作和成果如下:1、用自由空间中能量传输的路径损耗对超高频RFID系统上、下行通信链路的有效距离进行分析,阐述了限制当前RFID系统通信距离的主要因素,提出蜂窝物联网系统架构并解析其工作原理,通过引入辅助基站、改进系统架构来提升蜂窝物联网系统的通信距离。2、提出了一种远距离蜂窝物联网系统的技术实现方案,通过基站与多个辅助基站组网通信,控制多个辅助基站工作状态来构建蜂窝物联网,增加终端标签的能量供给来解除系统下行链路的传输距离限制,从而提升系统的通信距离及有效覆盖范围。3、使用射频读写器芯片、射频收发芯片以及通用型微型处理器芯片等器件设计实现出满足ISO/IEC 18000-6C协议的高性能基站以及辅助基站的硬件电路,并在此基础上搭建了蜂窝物联网系统的测试验证平台,对基站和辅助基站的样机功能以及系统的主要性能指标进行了测试分析,验证了远距离蜂窝物联网系统基站-辅助基站协同工作的可行性。结果显示基站与辅助基站P1d B压缩点为31d Bm,最大输出功率为32 d Bm,系统对接入标签的通信识别距离可达100 m,通过配置构建多个辅助基站的多蜂窝网络,可实现大容量标签的接入通信。本文研究的远距离蜂窝物联网系统,将传统的超高频RFID系统覆盖距离提升了一倍,且支持大容量的标签无漏识别通信。在物流管理、公共交通等领域具有较高的应用价值。