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关键词： RFID   干簧管   磁传感   液滴相位传感   天线  

摘要： 近年来,无线通信和智能技术得到了快速的发展,越来越多的智能产品进入了人们的日常生活,超高频射频识别(UHF RFID)标签在这其中发挥到了重要的作用。经过了多年的发展,RFID技术在信息标识方面已经有了广泛的应用场景,同时在新的信息获取和传感方面仍具有较大的工程研究价值和应用潜力。在近年来的研究中,许多工作将重点放在了拓展RFID标签功能将其作为传感器进行应用。基于此背景本文从RFID标签的天线设计入手围绕RFID传感进行研究,提出了磁性二值RFID传感和RFID液滴相位传感两种技术方案并进行了实验验证。首先,本文基于磁性传感原理设计并制作了一种RFID环形传感标签,其天线辐射体引入了干簧管结构,可在磁场的控制下切换工作频率和状态。仿真分析和实验结果表明该传感标签具备动作传感功能,能够在引入磁体的动态结构上获得二值状态检测功能,可以用在需要旋转和开关状态检测的多种应用场景中。其次,本文设计和提出了一种相位对液滴变化敏感的天线,实现了UHF频段的RFID高灵敏度探测标签。该工作采用了共形RFID天线结构,其工作频率和相位对贴近的液体液位变化敏感,使之适配滴速检测的场景,能够对液滴滴落形成传感。进一步通过实物的制作和测试,为后续应用系统的实现打下了基础。最后,本文实现了基于液位敏感的RFID远距离输液传感应用,在采用前述标签天线前提下通过UHF RFID读写器的数据采集和分析获得了有效的输液液滴状态监控。本系统从软件层面提出了兼容ISO18000协议的相位信息过滤算法,从RFID读写器获取到的复杂相位数据中分离出了反应液滴滴速以及输液装置状态的信息,实现了较远距离无线、无源的输液过程检测。本文所提的新型RFID传感方法利用了商用RFID读写器和标准RFID芯片通过天线的设计和算法的改进获得了以往难以得到的RFID标签相位信息,可以在医疗健康、工业检测等应用场景有广泛的应用前景。

关键词： Location awareness   Antennas   Phased arrays   Direction-of-arrival estimation   Antenna measurements   Estimation   Three-dimensional displays   3-D localization   convolutional neural network (CNN)   deep neural network (DNN)   Internet of Things (IoT)   machine learning (ML)   phased array antennas   ultrahigh-frequency (UHF) radio frequency identification (RFID)  

摘要： With the Internet of Things (IoT) becoming widespread, there has been a rising demand for indoor location-based services. In recent trends, radio frequency identification (RFID) has become an integral part of the production of IoT. Conventional methods use prior knowledge of antenna and tag positioning along with high-precision equipment capable of collecting phase or time-of-arrival data for robust estimation of 3-D location. In this work, we propose a 3-D localization method based on deep learning that relies on the phase and received signal strength indicator (RSSI) captured by steering beams to various locations using a phased array antenna. We evaluate the efficiency of this system by estimating the 3-D location of seven RFID tags mounted on metallic surfaces placed in a naturalistic environment. To evaluate the generalization of the proposed approach, we cross-validate the localization performance in different environments. The localization performance of the proposed approach is also tested on different form factors of the RFID tag. With no prior information of either the tags or environment, the proposed system was able to achieve an average localization error as low as 1.33 cm with better system stability.

关键词： 射频识别   相位轮廓   非线性拟合   空间映射   改进鸡群算法  

摘要： 随着“万物互联”时代的来临,射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)在近十年来飞速发展,凭借低成本、非接触、耐腐蚀易部署等优势被应用于智慧图书馆、无人超市、智能仓储等新兴物联网场景中。在标签密集场景中,能否快速、准确地感知目标标签在标签群中的相对位置,是影响用户自助服务体验、资源管理效率的重要因素。因此针对标签密集应用场景,研究具有高精度、低成本的RFID相对定位方法是一项重要课题,具有重要的学术意义和实用价值。现有的相对定位方法中虽然可以获得较好的识别精度,但是存在一定的局限性,主要体现在:(1)大多相对定位方法以相位轮廓没有挤拉畸变为前提,对采集平台的稳速性能和场景的理想程度提出了较高要求。在实际应用场景中,用户和障碍物的移动和出现引起采集平台变速移动频繁,进而导致获取的相位信息呈现“非理想”特征,从而限制了定位精度的提高;(2)大多相对定位方法未考虑到标签姿态对相位轮廓的影响,在实际场景中,标签姿态的多样性导致相位信息发生改变,进而导致相位信息呈现“非理想”特征,使得相位信息的可信度下降,从而导致定位精度下降。基于上述问题,本文围绕适于非理想相位信息的UHF RFID相对定位方法开展技术研究:1)针对非理想相位采集场景中阅读器天线多为变速运动情况,首先阐述标签密集部署场景下的相对定位问题,建立阅读器天线在变速运动情况下的相位轮廓模型,然后分析阅读器天线的速度与相位轮廓估计模型之间的关系,提出了一种适于非理想载波相位采集场景的UHF RFID相对定位方法。针对阅读器天线匀速移动情况,提出了基于弱估计子的相对定位方法,弱估计子的推导以阅读器天线匀速运动为前提。为了规避阅读器匀速运动条件,针对阅读器天线变速移动情况,提出了基于稳健估计子的位置估计模型。仿真结果证明,稳健估计子能够有效克服阅读器天线变速移动条件下的相位轮廓畸变问题并且计算复杂度低,但是稳健估计子不能很好应对阅读器天线速度变化频繁和变化范围过大导致的相位轮廓畸变严重问题。基于此,本文进一步提出基于增强稳健估计子的相对定位方法,仿真结果表明,所提方法能够有效地应对阅读器变速运动致的相位轮廓畸变严重问题,具有较高的定位精度。2)针对非理想相位采集场景中标签姿态多变的情况,提出了基于相位修正的UHF RFID相对定位方法。首先分析标签姿态对相位轮廓的影响,提出了基于神经网络空间映射技术的相位修正方法,利用神经网络空间映射技术建立相位轮廓求解模型,以神经网络空间中的权重系数作为寻优变量,利用改进鸡群优化算法对其进行寻优求解,最终得到修正的相位轮廓,并利用相位修正模型求解待测标签姿态,最后利用修正的相位轮廓中的谷点时戳来获取标签的相对位置关系从而实现相对定位方法。仿真结果表明,所提算法能够有效修正相位轮廓并识别标签姿态,提高相对定位精度。

关键词： RFID   区块链   所有权转移   BAN逻辑   代理重加密  

摘要： 无线射频识别是一种不需要物理接触只需通过无线射频通信的方式即可实现对指定实体进行自动识别的技术,它是物联网的核心技术之一,被广泛应用在社会生活中的各个领域。由于RFID系统是以无线方式进行通信,所以不可避免的会受到各种攻击,因此RFID系统的安全性问题成为人们关注和研究的重点。在RFID系统中不仅要求后台服务器要安全可靠,而且标签、阅读器和后台服务器之间的通信也要实现安全和隐私保护。当前人们提出了大量的RFID系统安全和隐私保护方案,其中基于密码学安全机制是研究的重点方向,其安全性高、实现灵活、且适合大规模部署。但由于标签的硬件资源有限,又要满足低成本要求,而密码算法又具有一定的复杂性,使得当前的大部分方案均不能满足实际需求,需要继续深入研究。另一方面,后台数据库作为整个RFID系统的数据中心,不仅安全性和可靠性要求高,而且部署和维护的成本也很高,虽然人们通过租用云数据库的方式可以解决这些问题,但会面临来自云服务提供商的威胁,安全和隐私的实现也十分复杂。因此本文将重点研究基于区块链的RFID系统的安全防护问题。区块链具有分布式、去中心化、集体维护、无法改写等优势,将其作为后端数据库可以有效地解决基于云的RFID系统存在的问题,而且具有更好的安全性。本文工作取得的成果如下: 首先针对基于区块链的RFID系统的认证问题,提出一种基于区块链的轻量级RFID认证协议,并给出了区块链上RFID数据的存储、查询、更新,以及隐私保护等问题的实现方案。本协议使用轻量级哈希算法设计,实现了标签与阅读器间的双向认证,以及标签密钥的更新。对方案的非形式化分析和基于BAN逻辑的形式化分析表明该协议是安全的,也能够抵抗去同步、Do S等各种非法攻击。 其次,在认证协议的基础上,提出了一种基于区块链的轻量级RFID标签所有权转移协议。RFID标签在流通过程中其所有权将随着所属者的改变而发生转移,并且包含标签信息的数据也要随之转移。一次完整的所有权转移要进行一次标签内容信息从区块链服务器中的下载解密,以及加密上传工作。在进行连续多次所有权转移时,这种模式就会因为区块链的不可篡改特性而带来繁琐重复的数据处理问题和重复存储问题,既影响系统效率也会带来安全性问题。为此本协议引入代理重加密技术,使服务器作为代理者实现标签内容信息的密文转换,并在多次所有权转移的过程中存储多个转换密钥,可实现多次重加密一次解密便可得到标签数据。基于BAN逻辑对协议进行了形式化分析,并使用AVISPA仿真工具对该协议的安全性进行了验证,最后与同类型协议进行了对比,结果表明协议是安全的和有效的,同时也能够满足低成本要求。

关键词： Radio frequency identification (RFID)  

摘要： The toll collection is becoming a major problem on the highways leading to large waiting queues. Toll gates installed on highways result in increased waiting time and fuel usage. In this paper, a study on automated toll collection system using radio frequency identification (RFID)-based system is presented, which provides fast identification of vehicles and toll collection. Using this system, the identification can be done just by slowing down the speed of the vehicle when it is passing from the toll plaza. The RFID reader scans the RFID tag or card and deducts the amount from it. The research analysed the system by proposing a mechanism and implementing an example scenario, which considered the random arrival of different vehicles. This technique is also compared with other existing mechanisms such as number plate recognition and barcode-based passes, which showed the need to utilise this technique for toll collection. Copyright © 2022 Inderscience Enterprises Ltd.

关键词： 射频识别   标签天线   多环境   互偶效应   传输系数  

摘要： 随着新一代移动通信技术的发展,作为物联网智能感知核心技术之一的射频识别(RFID)技术在工业物联网、智慧医疗、自动零售等领域得到了广泛应用。在实际应用中,标签临近空间的环境因素会对RFID系统性能产生显著影响,具体表现在:(1)标签临近空间介质的非线性干扰;(2)临近空间密集分布标签间的互偶效应影响。探究标签临近空间的环境因素对RFID系统性能影响的耦合机理和作用规律,研究适用于多环境的标签天线设计方法,对RFID系统性能的提升和RFID技术的应用推广具有重要的理论和实际意义。首先从理论分析入手,分别分析了标签天线在临近金属环境、液体环境以及标签互偶条件下的性能变化,并通过HFSS进行仿真验证,分析标签在这三种环境下的回波损耗、阻抗、“E”“H”平面等参数的变化;提出一种基于开路短截线结构的抗金属标签天线设计方法,并对所设计标签天线的性能进行了仿真实验验证。其次,基于对临近空间单一环境下标签性能的分析,推导出无源双标签在临近金属环境以及液体环境下的阻抗模型,利用二端口网络分析方法,推导出两种环境下密集布放标签的互阻抗和传输系数。利用控制变量法对推导的公式进行分析,结果表明:临近空间的外界环境干扰主要影响标签天线的阻抗实部,临近标签之间的互偶效应主要影响标签天线的阻抗虚部;两种干扰都会破坏标签的阻抗匹配,改变标签的谐振频率,降低标签的传输系数,进而影响RFID系统性能。提出了一种基于双T匹配网络和弯折双L型臂的超宽带标签天线设计方法。仿真实验表明,所设计标签天线的-3d B工作带宽为550MHz-1300MHz,能够满足金属、液体、标签密集分布等多种临近空间工作环境的应用需求。最后,结合前文所研究内容,利用VISN-R1200射频识别综合测试仪、YND3002阅读器,在微波暗室中,测试并分析了临近金属环境以及液体环境下密集布放标签的系统性能变化,实验测试结果和前文分析结果基本吻合,研究结果为适用于多环境标签的研究提供了参考。

关键词： 协议逆向工程   多序列比对   语义推断   射频识别   有限状态机  

摘要： 射频识别RFID技术目前被广泛应用于物联网之中,RFID通信协议也是物联网中采用的主要通信协议之一。当前,针对物联网中多样化无线通信协议的安全问题,需要有效的工具对协议进行分析,从而保障各个协议安全可靠,尽可能减少恶意软件对物联网系统的攻击。因此,本文对RFID通信协议的逆向分析过程与技术进行分析和研究,提出了一种结合n-gram算法和NW(Needleman-Wunshc)算法的序列比对改进算法。本文主要做了以下三个方面的工作:(1)本文提出了一种结合n-gram和NW算法的序列比对改进算法(Needleman-Wunsch n-gram,NWN)。现有的NW算法主要针对字符空间较小、长度较长的生物信息序列,因此在长度较短的RFID报文中效果达不到预期。因此,本文利用了n-gram算法中当前字符出现概率受上下文影响的思想改进了NW算法的分类过程,通过更准确的分类结果为NW算法提供数据。同时改进了NW算法,使其在RFID报文数据上的效果更加准确,同时也降低了其在数据量较大时的时间开销。(2)基于RFID报文和从中提取的消息协议格式,针对状态机构建过程中的化简不完全问题,本文采用了一种基于扩展有限状态机(Extended Finite State Machines,EFSM)的方法构建状态机,可以得到协议行为规范的抽象化描述。并针对生成的状态机并非最简形式的问题,采用K-Tail算法和字段约束简化最终输出结果,从而输出RFID协议的状态转移过程的最简形式,为进一步的数据分析提供支撑。(3)本文以NWN算法和有限状态机算法为基础,设计并实现了一个RFID协议逆向分析原型系统。该系统能够对采集到的RFID报文数据进行自动化分析,并经过预处理、消息格式提取和状态机构建,最后输出报文数据中包含的消息格式和报文数据对应的状态转换过程。系统测试结果从工程角度验证了本文方法的可行性和实用性。

关键词： RFID认证   所有权转移   区块链   BAN逻辑  

摘要： RFID(Radio Frequency IDentification)是一种无需物理接触即可实现对指定实体自动识别的技术,它通过射频信号与附着在实体上的RFID芯片建立连接,并从中获得有关的数据信息,在物流、交通运输、医疗设备管理等多个领域得到了广泛的应用。但是在RFID系统中标签和阅读器采用无线的方式进行会话,很容易遭遇各种非法的攻击,例如追踪、截获、信息泄露、欺骗等,而且在一些应用中标签的所有者可能不止一个,安全性更为复杂,必须研究有效的安全和隐私保护技术。另外考虑到传统的RFID系统后端数据库部署和维护成本高,基于云的后端数据库又存在信任问题,本文主要研究基于区块链实现后端数据库的RFID系统。区块链具有去中心化、存储数据无法改写以及可追溯历史数据等特点,具有更高的安全性,但依然存在安全和隐私问题需要解决。同时,随着货品的流通,标签的所有权会发生转移,这个过程中需要确保原所有者和新所有者的隐私不被泄露。另外标签的硬件资源有限,又要满足低成本要求,这又使得传统复杂的密码技术很难直接应用。针对这些问题,本文对基于区块链的多所有者RFID认证和所有权转移协议进行了研究,取得的成果如下:首先,提出了一种基于区块链的多所有者RFID认证协议。该协议通过Shamir门限方案来实现标签密钥的恢复与所有者子密钥的分发,并通过区块链中的智能合约与全同态加密相结合的方式解决了密钥管理时所导致的标签计算量较大的问题,以及RFID数据隐私问题,实现了标签和多个阅读器之间的双向认证。分别通过非形式化方法和基于BAN逻辑的形式化分析方法对协议的安全性进行了分析,同时对该协议中标签计算量、通信量等性能进行了分析,并与国内外同类协议进行了对比,结果表明该协议是安全的和有效的。其次,提出了一种基于区块链的多所有者RFID标签所有权转移协议。该协议中标签只需与新所有者实现相互认证,且在区块链中实现所有者子密钥的更新,无需其他标签所有者参与通信,同时,利用轻量级的密码算法对会话消息进行加密,可以在保障RFID数据隐私的前提下减少标签的计算量和协议的通信次数。对协议前/后向安全性、不可跟踪性和双向认证等特性进行了非形式化分析,并利用BAN逻辑和AVISPA工具对协议安全性进行了证明和验证,结果表明协议是安全的。与同类协议对比,该协议在标签计算量、协议的通信次数等性能方面都有明显优势。

关键词： RFID   椭圆曲线密码体制   安全协议   双向认证   所有权转移  

摘要： 射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术作为物联网感知层的核心技术之一,对物联网技术的发展具有广泛深远的影响。随着物联网和射频识别技术的不断发展,相关技术已经广泛应用于人们的日常生活并带来了极大便利。射频识别系统中电子标签与读写器通过无线射频的方式进行非接触双向数据通信,通信所使用的信道暴露于公共环境中,因此在实际应用时容易受到各种通信攻击,从而带来安全隐患。RFID技术在一些应用场景如供应链、物流追踪的应用中,电子标签附着于物品之上,随着物品不断流通,标签会被不同的读写器拥有,在标签所有权转移的过程中也会存在会使得隐私泄露的安全问题。本文针对以上安全问题设计了一个基于椭圆曲线密码体制的双向认证协议,并在此基础上扩展了协议功能,使其支持电子标签的所有权转移。本文的主要研究内容如下:(1)基于椭圆曲线密码体制设计了一种适用于射频识别系统的双向认证协议,该协议中引入了哈希函数运算和随机生成器对执行过程中的通信消息进行加密,通过完成读写器与电子标签的密钥交换进行双向认证,认证协议执行完毕后,电子标签会更新自身身份标识符,协议每次执行时其通信消息均不具备相关性,攻击者较难通过截获通信信息对电子标签或读写器进行追踪。通过BAN逻辑分析可证明协议的安全性,通过与四种同类型的认证协议比较,本协议具有较低的计算开销与通信开销。(2)基于标签所有权转移问题描述了一个适用的隐私模型,并通过扩展上文提出的双向认证协议给出一个标签所有权转移协议。本协议利用基于椭圆曲线密码体制的双向认证协议完成标签与其原所有权持有者认证,并依托椭圆曲线加密和哈希函数运算进行标签信息的传递,最后完成电子标签所有权相关信息的更新,进而实现标签所有权的转移。通过标签所有权转隐私移模型分析可知该协议具有前向隐私安全性和后向隐私安全性,通过BAN逻辑形式化分析证明了该协议的安全性。且该协议可以抵抗常见通信攻击。通过与其他同类型协议对比发现本协议计算开销和通信开销更小。