与射频识别技术课件

学习任务 概 述 一维条形码技术 1 2 二维条形码技术3 EPC与RF技术4 3.4 EPC与RF技术 3.4.1 EPC系统结构 3.4.2 EPC编码体系 3.4.3 射频识别系统 3.4.4 信息网络系统 3.4.1 EPC系统结构 条码的缺点 信息容量有限。 依赖于可视传播技术。 条码在被撕裂、污损或脱落的情况下，将无法 扫描到这些商品。 无法实现对唯一产品的识别。 3.4.1 EPC系统结构 EPC（Electronic Product Code）的产生 1999年，美国麻省理工大学Auto-ID中心在美 国统一代码委员会（UCC）的支持下，对RFID 技术进行研发，将RFID技术与Internet网络相 结合，提出了电子产品编码（EPC）的概念。 EPC最终目标是为每一个商品建立全球的、开 放的编码标准。 3.4.1 EPC系统结构 EPC系统 EPC系统是在计算机互联网基础上，利用射频识别技 术，并借助于互联网来实现信息传递的系统。 EPC的载体是RFID电子标签，EPC规定了将编码以数 字信息的形式存储于附着在物品上的标签中。 阅读器通过无线空中接口读取标签中的EPC码，并经 计算机网络传送至信息控制中心，进行相应的数据处 理。 EPC系统是一个非常先进的、综合性的和复杂的系统 。 3.4.1 EPC系统结构 装载有EPC编码，它应 附着在物品上 用于读或读写EPC标 签，并能连接于本地 网络之中。 连接阅读器和应用程序的软件，亦称为中间 件，它是物联网中的核心技术，可认为是该 网络的神经系统，故称为Savant。 类似于Internet中的域名 解析服务（DNS），它给 Savant指明了EPCIS 存储产品有关信息 1 ONS ( Object Naming Service) 对象名称解服务器 ，它用来把EPC转化成IP地 址，用来定位相应的计算 机和完成相应的信息交互 服务。 2 PML ( Physical Markup Language) 实体标识语言服 务器中，存储用PML语言描 述的实物信息，如实物名称 、种类、性质、生产日期、 生产厂家信息、实物存放位 置、实物的使用说明等。 3.4.1 EPC系统结构 EPC系统的构成表 3.4.1 EPC系统结构 EPC系统的特点： 采用了EPC编码方法，可以识别物体到个体； 信息系统的网络基础是Internet网络，将Intranet， RFID和Internet有机的结合起来； 着眼于全球的系统； 目前仍需要较多的投入，对于低价值的识别对象，必 须考虑由此引进的成本。 3.4.2 EPC编码体系 What is EPC？ EPC is a common acronym for electronic product code. An electronic product code is a unique serial number that identifies an item while it is moving through the supply chain. When a product is moving through various people and businesses it is important to be able to track the items. The electronic product code allows companies, businesses and trading partners to track inventory and supplies and ensure it is going to the correct place. 3.4.2 EPC编码体系 What is EPC? EPC is a radio frequency identification code (RFID) tag that attached to a product which contains a wide range of information unique to that item including the manufacturer, SKU, product information and serial number when applicable. This allows tracking a particular item throughout all stages of the supply. 3.4.2 EPC编码体系 EPC的定义 EPC（Electronic Product Code，电子产品编 码）是一种编码系统。它建立建立在EAN- UCC（即全球统一标识系统）条形编码的基础 之上，并对该条形编码系统做了一些扩充，用 以实现对单品进行标识。 我们身边的EPC EPCEPC 3.4.2 EPC编码体系 EPC的编码原则 足够的编码容量 编码的永久性 编码的简单性 编码的可扩展性 编码的安全性 编码的兼容性 编码的组织保证 编码的无歧视性 科学性： 结构明确，易于使用、维护。 兼容性： EPC编码标准与目前广泛应用的EAN.UCC编码标准是兼容的， GTIN是EPC编码结构中的重要组成部分，目前广泛使用的GTIN、SSCC、 GLN等都可以顺利转换到EPC中去。 全面性： 可在生产、流通、存储、结算、跟踪、召回等供应链的各环节全 面应用。 合理性： 由EPCglobal、各国EPC管理机构（中国的管理机构称为 EPCglobal China）、被标识物品的管理者分段管理、共同维护、统一应用 ，具有合理性。 国际性： 不以具体国家、企业为核心，编码标准全球协商一致，具有国际 性。 无歧视性： 编码采用全数字形式，不受地方色彩、语言、经济水平、政治 观点的限制， 是无歧视性的编码。 当前，出于成本等因素的考虑，参与EPC测试所使用的编码标准采用的是 64位数据结构，未来将采用96位的编码结构。 3.4.2 EPC编码体系 EPC的编码方案 EPC码的通用结构是一个二进制比特串，由一个分层 次、可变长度的标头以及一系列数字字段（ EPC 管理 者、对象分类、序列号）组成，码的总长、结构、功 能完全由标头的值决定。 标头数字字段 2位8位 3.4.2 EPC编码体系 版本号域名管理对象分类序列号 EPC-64TYPE2211724 TYPE2151334 TYPE2261323 EPC-96TYPE8282436 EPC-256TYPE83256160 TYPE86456128 TYPE81285664 EPC码64位、96位和256位的编码结构 1）EPC 的头字段 (EPC Header) 头字段标识 EPC 的版本号。设 计者采用版本号标识 了EPC 的结构，其 指出了EPC 中编码 的总位数和其他三部 分中每部分的位数。 各类EPC 版本号详细情况 3.4.2 EPC编码体系 EPC 编码结构 2）EPC 管理者(EPC Manager) 不同版本的EPC 管理者编码因为长度的可变性，使 得更短的EPC 管理者编号变得更为宝贵。EPC-64II 型有 最短的EPC 管理者部分，它只有15 位。因此，只有EPC 管理者编号小于21532768 的才可以由该EPC 版本表示 。 出于特殊考虑两个EPC 管理者编号已经留做备用：0 和167 842 659（十进制）。零（0）已经分配给MIT； 167 842 659（十进制）已经留做私人使用。 3）对象分类(Object Class) 对象分类部分用于一个产品电子码的分类编号，标识 厂家的产品种类。对于拥有特殊对象分类编号者来说，对 象分类编号的分配没有限制。 4）序列号(Serial Number) 序列号部分用于产品电子码的序列号编码。此编码只 是简单的填补序列号值的二进制0。 一个对象分类编号的 拥有者对其序列号的分配没有限制。但是AUTO-ID 中心 建议第0 号序列号不要作为产品电子码的一部分来使用。 3.4.2 EPC编码体系 下面详细介绍EPC-96编码结构.EPC编码是由一 个版本号和另外三段数据（依次为域名管理、对 象种类、序列号）组成的一组数字。其中版本号 标识EPC的版本号，它使得以后的EPC可有不同 的长度或类型；域名管理是描述与此EPC相关的 生产厂商的信息，例如“可口可乐公司”；对象种 类记录产品精确类型的信息，例如：“美国生产的 330ml罐装减肥可乐（可口可乐的一种新产品）” ；序列号唯一标识货品，它会精确的告诉我们所 说的究竟是哪一罐330ml罐装减肥可乐。 位数允许存在的最大容量 版本号8 域名管理者代码28268 435 455 （2.68亿） 对象分类代码2416 777 215 （1678万） 序列号3668 719 476 735 （687亿） 最多允许存在的商品总数309 484 990 217 175 959 785 701 375 EPC-96码的容量 3.4.3 射频识别系统 RFID基本概念 RFID工作原理 RFID关键技术 RFID技术应用 3.4.3 射频识别系统 What is RFID? Short for Radio Frequency IDentification, RFID is a generic term for technologies that use radio waves to automatically identify people or objects. Unlike barcode technology, RFID does not require contact or line of slight for communication. video RFID的定义 RFID是一种利用射频信号通过空间耦合（交变磁 场或电磁场）实现无接触双向数据传递，并通过 所传递的数据来获取相关信息，从而达到自动识 别目标对象的目的的技术。 RFID是无线自动识别技术的一种，其特点是以无 接触方式，在不知不觉中自动完成识别过程。 3.4.3 射频识别系统 射频识别系统发展过程 1941-1950年，雷达的改进和应用催生了RFID技 术，1948年，Harry Stockman发表的论文 “Communication by means of reflected power ” 奠定了无线射频识别技术的理论基础。 1951-1960，RFID技术的初步探索阶段，以实验 室内实验研究为主。 1961-1970，RFID技术的理论研究取得了进展， 开始了一些应用尝试。 1971-1980，RFID技术与产品研发处于一个快速 发展时期，出现了一些最早的RFID商业应用。 1981-1990，RFID技术更加成熟，各种封闭独立 的RFID系统应用开始出现。 1991-2000，RFID技术标准化问题日趋得到重视 ，RFID产品得到广泛采用。 2001-今，RFID技术逐渐普及，产品种类更加丰 富。 RFID是一种突破性技术： 信息存储容量大； 可识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样 只能识别一类物体； 采用无线电射频，可以穿透外部材料读取数据，而条 形码必须靠激光来读取信息； 可识别高速运动物体并可同时识别多个物体，而条形 码只能一个一个地读。 3.4.3 射频识别系统 u此外，RFID技术还具有以下特点： u使用寿命长，应用范围广 无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污 染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大 超过印刷的条形码。 u标签数据可动态更改 利用编程器可以向标签写入数据，从而赋予RFID标 签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条 形码更少。 uRFID的技术特点 u更好的安全性 不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而 且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的 安全性。 u动态实时通信 标签以50100次/秒的频率与解读器进行通信，所以 只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范 围内，就可以对其位置进行动态追踪和监控。 RFID技术具有体积小、信息量大、寿命长、可读 写、保密性好、抗恶劣环境、不受方向和位置影 响、读写速度快、识读距离远、可识别高速运动 物体、可重复使用等特点，支持快速读写、非可 视识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。 RFID技术与网络定位和通信技术相结合，可实现 全球范围内物资的管理跟踪与信息共享。 3.4.3 射频识别系统 3.4.3 射频识别系统 RFID基本概念 RFID工作原理 RFID关键技术 RFID技术应用 射频概念 u射频是一种高频交流变化电磁波，通常所指的频率范围 为100 kHz30 GHz。 u我们把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频；将 电信号（模拟或数字的）用高频电流进行调制（调幅或 调频），形成射频信号，经过天线发射到空中；远距离 将射频信号接收后进行解调，还原成电信息，这一过程 称为无线传输。 RFID的工作原理 u射频识别系统的工作原理是利用射频标签与射频 读写器之间的射频信号及其空间耦合、传输特性 ，实现对静止的、移动的待识别物品的自动识别 。 u电感耦合 低频和高频RFID的工作波长较长，采用电感耦合识别 方式，电子标签处于读写器天线的近区，电子标签与 读写器之间通过感应而不是通过辐射获得信号和能量 u电磁耦合 微波波段RFID的工作波长较短，电子标签基本都处于 读写器天线的远区，电子标签与读写器之间通过辐射 获得信号和能量 RFID电感耦合方式 读写器线圈和电子标签线圈的电感耦合 u读写器和电子标签的天线是线圈，读写器的线圈在它周围 产生磁场，当电子标签通过时，电子标签线圈上会产生感 应电压，整流后可为电子标签上的微型芯片供电，使电子 标签开始工作。 u电感耦合方式的RFID系统，一般采用低频和高频频率， 典型的频率为125 kHz、135 kHz、6.78 MHz、 13.56 MHz和27.125 MHz。 video RFID电磁反向散射方式 读写器天线和电子标签天线的电磁辐射 u电磁反向散射的RFID系统，采用雷达原理模型，发射出去 的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标的信息。 u该方式一般适合于微波频段，典型的工作频率有433 MHz 、800/900 MHz、2.45 GHz和5.8 GHz，属于远距离RFID 系统。 RFID系统结构 典型的射频识别系统包括以下三个部分：电子标签、读写 器和计算机通信网络。RFID系统组成如图所示。 3.4.3 射频识别系统 RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场 后，接收解读器发出的射频信号，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（Passive Tag，无 源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并 解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 RFID系统的基本工作原理： 标签与阅读器利用各自携带的天线构筑了一条两者之间进行 数据传递的非接触式的通道； 当标签处于阅读器的工作范围内时，阅读器利用自身的天线 发送射频信号； 标签天线收到信号以后会产生感应电流，从而激活内部的电 路向阅读器回送信号（无源标签），或者主动向阅读器发送 信号（有源标签）； 阅读器收到信号以后，对接收到的信号做一些必要的处理， 然后将处理后的数据上传到控制系统进行下一步的处理。 3.4.3 射频识别系统 RFID系统的内部结构图如下图所示。 3.4.3 射频识别系统 1、RFID标签俗称电子标签，也称应答器（Tag, Transponder），由耦合元件及芯片组成，每个标签具有 唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。 标签载有可用于认证识别其所附着的目标物的相关信息数 据。 3.4.3 射频识别系统 EPC 标签基本构造及原理 EPC 标签由天线、集成电路、连接集成电路与天线 的部分、天线所在的底层四部分构成。96 位或者64 位产 品电子码是存储在RFID 标签中的唯一信息。 控制器是（电子标签）应答器系统的核心部 分，对于可读可写应答器，需要内部逻辑控制对 读写的使能，读写的操作的支持，对于有密码的 答器，要求控制器能进行数字验证操作。 图中黑色区域就是该应答器的CPU、存储器 、编解码功能单元，外围印制铜模线即为应答 器的天线单元。 RFID的应答器的存储容量一般在几字节到几千 字节之间，存储器存储的数据量一般为产品的序 列号，如EPC编码。 根据获取电能的方式不同，分为： Passive Tag（被动式） Passive 感应器本身并无电源，其电源来自Reader，由 Reader发射一种频率使感应器产生能量而将数据回传给 Reader。 体积比较轻薄短小，有相当长的使用年限。 感应的距离较短。 Active Tag（主动式） 价格较高；因内建电池，所以体积比Passive Tag大。 有使用年限； 且有较远的感应距离。 Semi-Passive Tag（半被动式） 根据内部使用存储器的不同，分为： Read-Only Memory（只读） 成本最低，其程序及数据编码于制造时便写入，使用 者无法更改数据内容。 One Time Programming（单次写入多次读出） 允许使用者单次写入数据，在写入数据后便成为只读 ，数据无法更改。（目前市面上此规格芯片较少） EEPROM（多次读写） 价格最为昂贵，可以让使用者多次写入。 根据作用距离的不同，分为： 密耦合卡：作用距离小于1cm 近耦合卡：作用距离小于15cm 疏耦合卡：作用距离约1米 远距离卡：作用距离从1米到10米，甚至更远。 根据内部使用频率的不同，分为： Low Frequency（低频率）：100500kHz 低频率感应距离较短，读取速度较慢，以125k， 134.2K为主。穿透能力好。 High Frequency（高频）：1015MHz 高频率的感应距离略长，读取速度也较低频率的快， 以13.56MHz为主。 Ultra High Frequency（超高频率） 介于850950MHz（UHF）。 感应距离最长，速度也最快。穿透性差。 Microwave微波：2.45GHz, 5.8GHz RFID主要频段和特性 2、读写器也称阅读器（Reader, Transceiver），是对 RFID标签进行读/写操作的设备。 它的任务是控制射频收发器发射射频信号；通过射频收发 器接收来自标签上的已编码载波信号，对标签的认证识别 信息进行解调和译码；将认证识别信息连带标签上其它相 关信息传输到主机以供处理。 读写器负责连接电子标签和计算机通信网络，与标签进行 双向数据通信，读取标签中的数据，或者按照计算机的指 令对标签中的数据进行改写。 读写器的工作频率决定了整个射频识别系统的工作频率， 读写器的功率大小决定了整个射频识别系统的工作距离。 典型的读写器终端一般由天线、射频接口模块和逻辑控制 模块三部分构成，其结构图如下所示： 阅读器的性能参数 RFID阅读器(Reader) u被动RFID标签无须电池，由RFID读写器产生的磁场获得工 作所需的能量，但是读取距离较近。 u过去，RFID主动标签体积大、功耗大、寿命短，而采用最新 技术制造的主动RFID标签不仅读取距离远，而且具有被动标 签寿命长、性能可靠的优点。 一种RFID读写器 3、天线（Antenna）：在标签和读写器间传递射频信号 。 任一RFID系统至少应包含一根天线（不管是内置还是外 置）以发射和接收射频信号。 有些RFID系统是由一根天线来同时完成发射和接收；而 另一些RFID系统则是由一根天线来完成发射而另一根天 线来承担接收，所采用天线的形式及数量应视具体应用而 定。 RFID天线及工作频率 u在无线通信系统中，需要 将来自发射机的导波能量 转变为无线电波，或者将 无线电波转换为导波能量 ，用来辐射和接收无线电 波的装置称为天线。 uRFID天线负责在标签和 读写器之间传递射频信号 RFID 天线 3.4.3 射频识别系统 RFID基本概念 RFID工作原理 RFID关键技术 RFID技术应用 l关键技术RFID天线 l对不同RFID系统的天线选择和设计，直接影响读写距离 、功率等系统性能指标。 l天线性能受天线结构、所标识物体的形状及物理特性、天 线周围物体和环境等因素的影响。 l目前RFID天线的研究重点放在阻抗匹配、降低损耗、减 小体积、增加增益和辐射效率等方面，以及天线在不同使 用环境下的有效作用距离、读写速率、误读率和相关软件 的研究。 l未来的RFID天线将朝着成本低、速率高、印刷集成化、 环境适应性强、误读率小和保密性好的方面发展。 uRFID的天线防金属技术 u若电子标签使用于金属表面，为使标签正常工作 ，通常采用的办法是将标签安装在距金属表面一 定高度（如1 cm以上）的位置上，而这样会带来 标签成本增加和使用受限的问题。 u可采取增加电子标签基板金属涂层的面积，在标 签基板中引入电磁带隙（EBG）结构等方法，以 降低金属使用环境的影响 uRFID的天线小型化技术 u由于电子标签尺寸的限制，射频天线的小型化成 为决定电子标签性能的重要因素。长期以来，标 签天线小型化一直是RFID技术应用领域的研究热 点之一。 u研究者提出了分形天线、V形偶极子、弯折偶极 子、环天线、PIFA天线等天线新技术。 uRFID的天线低成本技术 u构造低成本电子标签的关键在于降低天线的成本 。随着信息技术的进一步发展，标签天线的成本 有望大幅降低。 u有研究者提出了在可降解的纸基材料上电镀标签 天线的方案，分别设计了分形天线和小环天线， 取得了良好的效果。纸基材料的应用不仅可以降 低天线制造成本，而且纸基材料可回收，减少环 境污染。 uRFID的天线一体集成化 u对电子标签而言，采用与芯片相对独立的天线， 其优点是天线品质因素Q值较高，易于制造，缺 点则是体积较大，使用受限。 u若能将天线集成在标签芯片上，则会使整个标签 体积更小、使用更方便。因此，将标签天线与标 签芯片集成在一起，成为标签天线技术的主要趋 势之一。业界也将此技术称为片上天线技术。 关键技术RFID系统防碰撞 RFID系统中有两种类型的通信碰撞存在。 第一种：阅读器碰撞是指多个阅读器同时与一个标签 通信，致使标签无法区分阅读器的信号，导致碰撞的 发生； 第二种：电子标签碰撞是指多个标签同时响应阅读器 的命令而发送信息，引起信号碰撞，使阅读器无法识 别标签； 由于阅读器能检测碰撞并且阅读器之间能相互通信， 所以阅读器碰撞能很容易得到解决。因而，射频识别 系统中的碰撞一般是指电子标签碰撞。 下图是标签碰撞示意图： 下图是阅读器碰撞示意图： 当发生碰撞的时候，阅读器不能正确读取电子标签 中的数据，造成通信的失败。发生失败的标签将会 重新发送，这样会浪费时间，增加电子标签与阅读 器的通信量，严重影响RFID系统的效率，限制着 RFID的发展。 为了解决这些问题，就需要使用防碰撞技术。防碰 撞研究主要解决如何快速和准确地从多个标签中选 出一个与阅读器进行数据交换，而其他的标签同样 可以在接下来的防碰撞循环中被选出来与阅读器通 讯。 为了防止碰撞的发生，射频识别系统中需要设计相应的防碰 撞技术，在通信中这种技术也称为多址技术，多址技术主要 分为以下四种： 空分多址法(SDMA-Space Division Multiple Access) 频分多址法(FDMA-Frequency Division Multiple Acess) 码分多址法(CDMA-Code Division Multiple Access) 时分多址法(TDMA-Time Division Multiple Access) 防碰撞技术频分多址 u FDMA是把若干个使 用不同载波频率的传 输通路同时供给通信 用户使用的技术。 uFDMA的缺点是读写 器昂贵，因为在每个 接收通路上都必须有 自己单独的接收器。 FDMA射频识别举例 防碰撞技术空分多址 u一种方法是使单个阅读器的距离明显减小，而把大量的读 写器和天线覆盖面积并排安置在一个阵列中，当电子标签 经过这个阵列时与之最近的读写器就与之交换信息。 u第二种方法是在读写器上利用一个自适应控制的天线，直 接对准某个电子标签。不同的电子标签可以根据其在读写 器作用范围内的角度位置区分开来。 uSDMA技术的缺点是天线比较复杂，不易于实现，并且造 价较高。 防碰撞技术时分多址 uTDMA法是把整个可供使用的通道容量按时间分配给多个 用户的技术。 u对于RFID系统，TDMA成为防碰撞算法的最大的一族。相 比其他种类的防碰撞算法，TDMA在通信形式、功耗、系 统复杂性及成本等多个方面有着优势，因此，它是实际应 用当中最为普遍的方式。 u时分多址法可以分为基于概率的ALOHA算法和确定的 Binary算法（二进制算法）。 码分多址法是把若干个使用不同码的传输通路同时提供给 通信用户使用的技术。 码分多址法中存在着很多的缺点:频带的利用率低、通道 容量小、地址码的选取困难且捕获所需的时间长； 码分多址法虽然在移动通信中应用非常广泛，但目前在射 频识别系统中尚未得到普遍应用。 防碰撞技术码分多址 ALOHA算法简介 1、Pure ALOHA Algorithm 采用标签先发言（Tag-Talk-First）的方式，标签一旦 进入阅读器的工作范围获得能量后，便向阅读器主动发 送自身的序列号。 在某个电子标签向阅读器发送数据的过程中，如果有其 它电子标签也同时向该阅读器发送数据，此时阅读器接 收到的信号就会产生重叠，导致阅读器无法正确识别和 读取数据。 阅读器通过检测并判断接收到的信号是否发生碰撞， 一旦发生碰撞，阅读器则向标签发送指令使电子标签 停止数据的传送，电子标签接到阅读器的指令后，便 随机的延迟一段时间再重新发送数据。 由于各个标签等待的时间是随机的，因此一定程度 上避开了标签数据的碰撞，阅读器就能够在不同的时 间段上分别选取不同的电子标签进行读操作。 显然，碰撞的次数与通信业务量有关，通信量越大 ，碰撞的可能性也越大。 算法特点：各个标签发射时间不需要同步，是完全随机 的，实现起来比较简单，当标签不多时它可以很好的工 作。 缺点：数据帧发送过程中碰撞发生的概率很大。 在纯ALOHA算法中，假设电子标签在t时刻向阅读器发 送数据，与阅读器的通信时间为To，则在t+To和t-To的 时间内都不能有其他标签发送数据，也就是说碰撞时间 为2To。 2、Slotted ALOHA Algorithm 算法：把时间划分为多段等长的时隙，时隙的长 度由系统时钟确定，并且规定电子标签只能在每 个时隙的开始时才能向阅读器发送数据帧。 根据上述规定可得，数据帧要么成功发送，要么 完全碰撞，避免了纯ALOHA算法中部分碰撞的发 生，使碰撞周期变为To； 它是纯ALOHA算法的简单改进，也属于时分多址 法，它的缺点是需要同步时钟的控制。 3、Frame Slotted ALOHA（FSA） 算法：把 N 个相同的时隙组成一帧，且在整个电子标 签识别过程中，帧的大小是固定的，帧中的每个时隙 足够一个电子标签与阅读器进行完整通信，该算法也 称为固定帧时隙 ALOHA 算法。 该算法比较适用于传输信息量较大的场合，和 Slotted ALOHA 算法一样，帧时隙 ALOHA 算法同 样需要一个同步开销。 FSA算法步骤如下： 首先由阅读器把帧长度 N 发送给电子标签，电子标签则产生 1，N之间的随机数； 如果当前时隙与电子标签随机产生的数相同，电子标签则响 应阅读器的命令；若不同，标签则继续等待； 假如当前时隙内仅有一个电子标签响应，阅读器就读取该标 签发送的数据，读取完了以后就使该标签处于“无声”状态； 如果当前时隙内有多个标签响应，则该时隙内的数据就出现 了碰撞，此时阅读器会通知该时隙内的标签，让它们在下一 轮帧循环中重新产生随机数参与通信； 逐帧循环，直到识别出所有电子标签为止。 4、Dynamic FSA 根据统计信息，当碰撞时隙数达到规定的上限时，读 写器增大下一帧的长度；当碰撞时隙数少于规定的下 限时，读写器减少下一帧时隙数。 当标签规模不大时，读写器使用较短的帧长度就能快 速识别标签，而当标签数量很多时，读写器不得不增 加帧长度以减少碰撞次数。 采用ALOHA系列算法，假设阅读器射频工作范围内存 在 n 个标签，理论上阅读器至少需要 n 个时隙的时间 才能成功识别完，最坏的情况下，阅读器经过多次搜 索也未能识别出某个标签，导致出现“饿死现象”。 Binary-Tree系列算法并不会采取退避原则，而是直接 进行解决。当多标签同时发送信息而碰撞时，读写器 利用碰撞位将碰撞的标签分为两个或更多子集，对每 个子集分别识别。如果存在碰撞则继续再划分，直到 标签被完全识别为止。从而有效地避免了标签的“饿死 现象”。 在 RFID 防碰撞算法中，二进制树算法是目前应用最广 泛的一族，之所以称为“二进制树”，是因为在算法执行 过程中，读写器要多次发送命令给电子标签，每次命令 都把标签分成两组，多次分组后最终得到唯一的一个标 签，在这个分组过程中，将对应的命令参数以节点的形 式存储起来，就可以得到一个数据的分叉树，而所有的 这些数据节点又是以二进制的形式出现的，所以称为“ 二进制树”。 Binary-Tree(二进制树)算法简介 Binary-Tree算法规定： 每个标签都要有唯一的序列号，以区别不同标签； 各标签必须同步发送序列号，即在同一时刻开始传送 他们的序列号。只有这样阅读器才能检测出碰撞位。 1、Basic Binary-Tree Algorithm 算法步骤如下： 1）首先，读写器向电子标签发送一个最大序列号，所有小于 或等于该序列号的电子标签向读写器回送其序列号； 2）由于标签序列号的唯一性，当标签数目不小于两个时， 必然发生碰撞。发生碰撞时，读写器将最大序列号中对应 的碰撞起始位设置为 “0”，高于该位者不变，低于该位者 设置为 “1”； 3）读写器将处理后的序列号发送给标签，标签序列号与该值 比较，小于或等于该值者, 将自身序列号返回给读写器； 4）循环此过程，直到选出一个最小序列号的标签。 5）读写器与最小序列号对应的标签进行正常通信，通信结 束以后发出命令使该标签进入休眠状态，即除非重新上 电，否则不再响应读写器请求命令。也就是说，下一次 读写器再发最大序列号时，该标签不再响应； 6）重复步骤1） 5），即可按序列号从小到大依次识别 出各个标签。 85 Basic Binary-Tree算法操作过程示例： Basic Binary-Tree算法的缺点： 需要很长的搜索时间； 标签和阅读器每次都要传送完整长度的序列号，数据量 大； 传输时间长，易造成识别延迟，降低系统效率。 2、Dynamic Binary-Tree Algorithm 为减少标签和阅读器之间传输的数据量，提高阅读器 的识别效率，提出了一种改进的算法Dynamic Binary-Tree 算法。 在算法中，阅读器只传送最高碰撞位及其之后的信息 给电子标签，标签返回信息时，只返回序列号的剩余 部分； 优点在于避免了序列号中多余部分的传输，数据传输 时间明显缩短，与Basic Binary-Tree算法相比，减少 可达一半。 在搜索次数和Basic Binary-Tree算法是一样的，并没 有减少。 3、后退式Binary-Tree算法 为了减少搜索次数，当识别出一个标签时，不是从根节点 开始循环，而是直接后退至父节点继续查询，即为后退式 Binary-Tree算法。 该算法的改进思路是：当阅读器识别完一个标签以后，不 是从头开始发送Request（11111111）命令进行查询，而 是直接后退到上一层Request 命令处进行查询。 与Basic算法进行比较，该算法缩短了搜索次数，但数据 传输量没有得到改善。 下图是阅读器发送的Request命令流程图： Basic Binary-Tree 算法中，阅读器和电子标签每次发出的 寻呼中发送的是整个序列号，含有的冗余信息太大。 Dynamic Binary-Tree算法在Basic Binary-Tree算法的基础 上减除了一半的冗余信息，但也没有达到最优化。 Improved Binary-Tree算法就是在此基础上继续减除寻呼 中信息冗余位，以减少传输时延和能耗。 4、Improved Binary-Tree 算法 思路： 阅读器在发送寻呼指令之后，阅读器工作区域范围内的 所有电子标签对此寻呼作出应答，如果阅读器译码得到 有k 个位置发生冲突，显然只有这k 个比特位对于阅读 器来说是未知的，其它的比特位对于标签来说已经是已 知的。 Improved Binary-Tree 算法新增的指令 ： Request（UID，0） UID 的取值为：阅读器在判断出发生碰撞的准确位置之 后，将发生碰撞的几位提取出来，并将碰撞位置“1”， 未发生碰撞位置“0”，组成新的指令的序列号。 阅读器将这个指令发送给所有标签，标签在接到这个指 令后，将自己ID中的数据位与接收到的序列号进行比较 ，将UID 位中值为“1”所对应的比特位进行锁定。 算法步骤： 首先，阅读器向电子标签发送一个最大序列号，所有小于 或等于该序列号的电子标签向读写器回送其序列号； 阅读器译码后，将发生碰撞的几位提取出来，并将碰撞位 置“1”，未发生碰撞位置“0”，组成新的指令Request(UID,0) 发送。 标签将碰撞位锁定，在接下来的防碰撞处理中，参与数据 发送和比较的仅仅是这几个被锁定的比特位。 只有电子标签锁定的所有比特位中最高位的值为0 的回送 自己的 ID 给阅读器，并且返回除锁定的位中除最高位的其 它几位，最高位与 X 值一样的不响应。 循环步骤2,3,4，直到选出一个最小序列号的标签。 举个例子来说明一下上述指令的使用方法： 假设阅读器周围有 5 个电子标签，它们的 ID 为 8 位，且在阅读器在发送第一个 Request（11111111 ）指令之后，阅读器对这 8 个电子标签做出的响应 进行译码后为 0X0X101X，则阅读器发出的命令为 Request（01010001，0），这 5 个电子标签将自 己的 ID 中的 D6、D4 和 D0 三位进行锁定，下次参 与防碰撞算法的仅仅是这三位。这 5 个标签中这三 个锁定的位中最高位为 0 的对此命令作出应答。返 回这三个锁定的位中除了最高锁定位所剩下的 2 位 。 算法操作流程示例图： 算法流程图如右图所示： 3.4.3 射频识别系统 RFID基本概念 RFID工作原理 RFID关键技术 RFID技术应用 RFID应用领域 RFID物流系统 RFID门禁 RFID动物跟踪 RFID 图书管理 RFID 运动计时 RFID移动消费 RFID不停车收费系统（ETC） 1、Savant：核心功能是屏蔽不同厂家的RFID阅读器等硬 件设备、应用软件系统以及数据传输格式之间的异构性 ，从而可以实现不同的硬件（阅读器等）与不同应用软 件系统间的无缝连接与实时动态集成。 3.4.4 信息网络系统 106 EPC中间件 EPC中间件具有一系列特定属性的“程序模块” 或“服务”，并被用户集成以满足他们的特定需 求，EPC中间件以前被称为SAVANT。 EPC中间件是加工和处理来自读写器的所有信 息和事件流的软件，是连接读写器和企业应用 程序的纽带，主要任务是在将数据送往企业应 用程序之前进行标签数据校对、读写器协调、 数据传送、数据存储和任务管理。 中间件规范 中间件由读写器接口、程序模块、应用程序接口 三个部分组成。 读写器接口提供与标签读写器和传感器的连接 应用程序接口是中间件与外部应用程序连接，通 常为企业正在使用的程序 下图描述EPC中间件组件与其它应用程序通讯。 SAVANT 系统 分布式结构 Savant 与大多数的企业管理软件不同，它不是一 个拱形结构的应用程序。而是利用了一个分布式的结构 ，以层次化进行组织、管理数据流。Savant 将被利用 在商店、分销中心、地区办公室、工厂，甚至有可能在 卡车或货运飞机上应用。每一个层次上的Savant 系统 将收集、存储和处理信息，并与其他的Savant系统进行 交流。例如，一个运行在商店里的Savant 系统可能要通知 分销中心还需要更多的产品，在分销中心运行的Savant 系 统可能会通知商店的Savant 系统一批货物已于一个具体的 时间出货了。Savant 系统需要完成的主要任务是数据校对 、解读器协调、数据传送、数据存储和任务管理。 SAVANT 系统 数据校对 处在网络边缘的Savant 系统，直接与解读器进行信息 交流，它们会进行数据校对。并非每个标签每次都会被读到 ，而且有时一个标签的信息可能被误读，Savant 系统能够利 用算法校正这些错误。 解读器协调 如果从两个有重叠区域的解读器读取信号，它们可能读 取了同一个标签的信息，产生了相同且多余的产品电子码。 Savant 的一个任务就是分析已读取的信息并且删掉这些冗余 的产品编码。 数据传送 在每一层次上，Savant 系统必须要决定什么样的信息 需要在供应链上向上传递或向下传递。例如，在冷藏工厂的 Savant 系统可能只需要传送它所储存的商品的温度信息就可 以了。 SAVANT 系统 数据存储 现有的数据库不具备在一秒钟内处理超过几百条事务的 能力，因此Savant系统的另一个任务就是维护实时存储事件 数据库(RIED)。本质上来讲，系统取得实时产生的产品电子 码并且智能地将数据存储，以便其他企业管理的应用程序有 权访问这些信息，并保证数据库不会超负荷运转。 任务管理 无论Savant 系统在层次结构中所处的等级是什么，所 有的Savant 系统都有一套独具特色的任务管理系统(TMS)， 这个系统使得他们可以实现用户自定义的任务来进行数据管 理和数据监控。例如，一个商店中的Savant 系统可以通过编 写程序实现一些功能，当货架上的产品降低到一定水平时， 会给储藏室管理员发出警报。 2、对象名称解析服务（ONS） 在EPC系统中，需要将EPC编码与相应的商 品信息相匹配，而相应的商品信息存储在对 应的EPCIS服务器中，ONS服务提供与EPC 编码对应的EPCIS服务器的地址，它的作用 类似于因特网的域名解析服务。 对于EPC系统这样一个全球开放的、可追逐物品生命周期轨迹的网络系 统，需要一些技术工具，将物品生命周期不同阶段的信息与物品已有的 信息实时动态整合。 帮助EPC系统动态的解析物品信息管理中心的任务就由对象名称解 析服务（ONS）实现的。 112 ONS系统架构 ONS服务器网络 ONS解析器 负责分层管理ONS记录，并对 所提出的ONS记录查询请求作 出响应 ONS解析器向ONS服务器提交查询 请求以获得所需PML服务器的网络 位置 DNS工作流程 域名系统（Domain Name System，DNS）负责有意义的网名字母与IP地址 数字间的转换。 例如，当我们登录百度网进行信息搜索时，往往最容易记住的是 ，而不是百度的IP地址211.