关于RFID的研究从电子标签走向识别技术.docx

关于rfid的研究从电子标签走向识别技术第六组，张硕06311110 引言1.由来随着经济的高速发展和科技的进步，尤其是数字化、网络化进程的加快，一门集计算机技术、光学技术、网络技术、无线电技术、通信技术于一体的高新数据采集技术无线射频识别技术（radio frequency identification，rfid）自20世纪80年代中期开始应用。沃尔玛、ibm、hp、微软、美国国防部、中国国家标准委员会，均开展了基于rfid技术的研究。rfid系统逐渐应用于物流、航空、邮政、交通、票务、金融、军事、医疗保险、跟踪、矿井、设备和资产管理等领域。2.名词释义：rfid 射频识别；一种利用无线射频进行非接触双向通信的识别方式tag 电子标签；reader 读写器；antenna 天线rfid技术综述1.rfid的概念及结构rfid技术是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。rfid系统由电子标签、天线、读写器3部分组成，如图所示。1）电子标签：由耦合元件和芯片组成，且每个电子标签具有全球唯一的id，无法修改也无法仿造。电子标签保存有约定格式的电子数据，附着在物体上标识目标对象。2）天线：在电子标签和读写器间以射频信号的形式传递电子标签的数据信息。3）读写器：读取并识别电子标签中所保存的电子数据，分为手持式和固定式。2.rfid的工作原理rfid读写器向一定范围发射射频信号，当rfid标签进入读写器的射频场后，标签天线就会获得感应电流，从而为rfid芯片提供能量，芯片就会通过内置天线以射频信号的形式向读写器发送存储在芯片内的信息，读写器对接收的信号进行解调和解码，然后通过rs232，rs422，rs485或无线方式送至计算机系统进行有关的数据处理，其工作原理如图2所示。3.rfid技术的特点rfid具有如下技术特点： 1）耐环境性。防水，防磁，耐高温，不受环境影响，无机械磨损，寿命长，不需要以目视可见为前提，可以在那些条码技术无法适应的恶劣环境下使用，如高粉尘污染、野外等。2）可反复使用。rfid标签上的数据可反复修改，既可以用来传递一些关键数据，也使得rfid标签能够在企业内部进行循环重复使用，将一次性成本转化为长期摊销的成本。3）数据读写方便。rfid标签无需像条码标签那样瞄准读取，只要被置于读取设备形成的电磁场内就可以准确读到，同时减少甚至排除因人工干预数据采集而带来的效率降低和纠错的成本。rfid每秒钟可进行上千次的读取，能同时处理许多标签，高效且准确，从而能使企业大幅度提高管理的精细度，让整个作业过程实时透明，创造巨大的经济效益。4）安全性。rfid芯片不易被伪造，在标签上可以对数据采取分级保密措施。读写器无直接对最终用户开放的物理接口，能更好地保证系统的安全。4. rfid技术的发展历程1）1940-1950年，雷达的改进和应用催生了射频识别技术，为射频识别技术奠定了理论基础。2）1951-1960年，早期rfid技术的探索阶段，主要是实验室实验研究。3）1961-1970年，出现了一系列的rfid技术论文及专利文献，并进行了一些应用尝试，如最早且最广泛应用于商业领域的电子商品监视（eas）设备等。4）1971-1980年，rfid技术及产品研发处于一个大发展时期。各种机构都开始致力于rfid技术的开发，出现了一系列的研究成果，如自动汽车识别（avi）的电子计费系统、动物跟踪等。5）1981-1990年，进入商业应用阶段，各种封闭系统应用开始出现，是充分使用rfid技术的10年。尤其在1987年，第1个实用rfid电子收费系统出现在了挪威。6）1991-2000年，rfid技术繁荣发展的10年，rfid产品进入商业应用阶段。1991年，在俄克拉荷马州建成了世界上第1个开放的公路不停车收费系统。2000年前后，rfid技术中的一个重大突破是微波肖特基（schottky）二极管可以被集成在cmos集成电路上，使得微波rfid标签只含有一个集成芯片成为可能。7）2001年至今，rfid的理论得到不断丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。5.发展现状目前我国的射频识别技术以低频和高频应用为主，主要用于第2代身份证和智能交通卡等项目。我国在超高频芯片的研发上比较薄弱，不过，政府非常重视超高频标准的制定和芯片的研发。中国国家无线电管理局正式颁布实施无线电频率方面的规定，为rfid技术在中国的发展提供了法律保障。国内企业如上海华虹、上海复旦微电子、上海贝岭、北京华大、大唐微电子、深圳毅能达等部门主要研究芯片设计与制造。中国电子科技集团第五十研究所等专业院所正在对不同频段的天线进行研究。上海华申智能、深圳远望谷等企业，已经开发出900mhz电子标签超高频的读写器。上海交通大学和auto-id中国实验室正在与sap合作进行电子标签中间件的开发。国内生产和研究rfid产品的主要厂商集中于北京、上海、广东三地。目前rfid在中国大陆、香港、台湾的发展远远落后于美国及欧洲，国内企业的市场占有率尚不足20%，还有很大的提升空间。rfid技术在美国、欧洲、日本、韩国这些比较发达的国家和地区已经被广泛应用于工业自动化、智能交通、物流管理和零售业等领域。1996年1月，韩国在汉城的600辆公共汽车上安装了用于电子月票的射频识别系统；德国汉莎航空公司则开始试用射频卡作为飞机票。2005年讯宝、abi、易腾迈等10多家技术企业组建了rfid专利联盟。2007年2月，日立公司推出了规格仅有0.005cm0.005cm的rfid标签。日本丰田、美国福特、日本三菱汽车和韩国现代汽车的欧洲车型已将rfid技术用于汽车防盗系统。2007年丹麦rfidsec公司开发了无源rfid隐私增强技术用于跟踪。三星电子成功研制了手机rfid芯片。法国航空公司、dhl和新加坡航空公司等多家大型运输企业开始试行rfid技术。ibm目前已经在日本、美国和法国建立了三大rfid研发中心，除了做相关rfid的基础研发工作外，还向市场推销rfid中间件产品。rfid射频识别技术组成及分类依据不同的标准，我们可以对rfid标签进行分类。不同的参数下组成器件会有变换，应用环境也不同。1）按标签供电方式分类。可以分为无源rfid和有源rfid标签两类。无源rfid标签内不含电源，它的能量要从读写器获取。其优点是体积小、重量轻、成本低、寿命长，可根据应用环境制成多种形状，但由于无源rfid没有内部电源，这就需要使用功率较大的rfid读写器。有源rfid标签由内部电源供电，作用距离远，但体积大、成本高，使用时间受到电池寿命的限制。2）按标签工作频率分类。可以分为低频、中高频、超高频与微波等。低频rfid标签工作在30-300khz，典型工作频率为125khz与133khz，成本低，保存数据量小，读写距离近，一般用于门禁、考勤、电子计费、电子钱包和畜牧业与动物管理。中高频rfid标签工作频率在3-30mhz，典型工作频率为13.56mhz，成本比较低，读写距离10m左右，存储数据量较大。第二代身份证、北京公交“一卡通”、广州公交“羊城通”及大多数校园卡和门禁系统采用的都是中高频rfid系统。超高频与微波rfid标签的典型工作频率为860-960mhz，2.45ghz与5.8ghz，主要用于远距离识别与快速移动物体的识别，如铁路运输识别与管理，高速公路不停车电子收费系统等。主流参数：低频（lf） 高频（hf） 超高频（uhf） 微波（mw）低频135khz以下 高频13.56mhz 超高频860m960mhz 微波2.4g3）按标签工作模式分类。可以分为主动式、被动式与半主动式等。主动式依靠自身能量主动向读写器发送数据。被动式要从读写器发射的电磁波中吸收能量，然后才向读写器发送数据。半主动式自身的能量只提供给自己内部的电路使用，当它收到读写器发射的电磁波后，才向读写器发送数据。4）按标签封装的形状分类。根据应用场合、成本与环境等因素的影响，rfid标签可以被制作成各种各样的形状，如，可以粘贴在标识物上的薄膜型自粘贴式标签，可以让用户携带的信用卡式标签，能够固定在车辆或集装箱上的柱型标签，可作为动物耳标的扣式标签，封装在玻璃管中的植入式标签等。应用rfid技术在社会生活的各个方面得到了广泛的应用，具体涉及领域如图3所示。传统的rfid应用领域（高频、近距离）v 门禁等，身份识别v 交通一卡通等，小额支付和电子钱包v 二代身份证等，法定证件新兴的rfid应用领域（超高频、远距离）v 商品防伪，如酒、烟、贵重物品v 物流管理，如大型超市、航空包裹、邮政包裹v 智能仓储，如大型仓库、港口、码头、机场v 人员管理， 如大型展会、大型景区、煤矿井下v 食品药品管理， 如食品安全、高危药品v 安全生产管理，如危险物品1. 商品防伪 2. 物流管理3. 仓储管理4. 人员管理与会人员代表证会场人员管理系统5. 药品溯源管理对药品生产、流通、使用全程跟踪和可追溯监管，实施对问题药品快速、可控的召回；通过在电子标签上实现低成本安全认证，提供药品的防伪、防假技术手段实例分析基于基于rfid技术的公交防盗系统工作示意图：当用户下车时，如若没有失窃，则a与b同时被阅读器识别，则情况正常，并清空相应的存储信息。用户上车时，携带物品a与b被阅读器识别并记录。当用户失窃（即a与b分开），如若b单独在后门处被阅读器识别，则发出警报，反之亦然。 工作原理：同一个用户的物品（ic卡与手机、钱包等）会带有相同或者想关联的标签（应答器），当这些带有相同或相关联标签的物品进入某一个阅读器的识别范围的时候，阅读器会对这些物品的标签信息进行识别，如果这些相关联的物品被阅读器识别的时间在允许范围之内，则情况正常，否则会发出警报。实际运用：在公交车的前门处设置一个阅读器，这样用户在上车的时候设备会自动识别用户所携带的被标记物品的信息并存储。在公交车的后门处设置一个阅读器，这样用户在下车的时候阅读器会自动识别用户携带的被标记物品的信息并与之前存储的信息核对。如若信息相符则自动清空内存中存储的信息，如不相符则发出警报。实现：1. 远距离uhf-rfid开发1.1 读写器系统体系（as3992模块）1.1.1 as3992读写器系统结构as3992读写器读写模块的核心部分包括一个微处理器和一个rfid基站芯片。它能独立完成对电子标签的所有操作，具有与主系统的命令数据通信能力，可按照提供的命令完成对电子标签的读写操作，并将所得数据返回给系统，这个系统可以是一个主控板或pc机。as3992读写模块提供usb或uart通信方式与系统进行通信，极大地方便了我们的联接和应用。as3992读写器/读写模块硬件主要由c8051f340中央微处理器、rfid基站芯片（as3992）、高频电路、模块天线、复位电路、led状态显示电路等组成。它具有集成度更高、性能更稳定、性价比更好等特点。其硬件结构图为：1.1.2 as3992读写器功能说明as3992读写器/读写模块可以完成对电子标签的所有读写操作，其操作由连接的主控系统发出的读写命令控制完成，具体可以完成如下功能：u 模块操作完成对读写器提供led显示控制以及外部i/o的控制。u 读写器/模块系统参数设置完成对读写器系统的参数进行设置，如发射机功率、天线状态以及接受部分灵敏度等参数的设置。u 电子标签的访问操作完成对电子标签的所有访问操作，包括轮询标签、唤醒标签、读标签数据、写标签数据、灭活标签、锁定标签、休眠标签等功能。u 与外部主机的通信提供与外部主机的通信方式，包括uart ttl电平通信、usb通信接口。应用这些通信方式，可以实现与as3992读写器/模块的通信，发送相关的命令来完成对电子标签的操作。读写器/模块可以很方便地嵌入到应用系统中，较快地完成系统的功能。可以在一个通信总线上同时加装多台读写器/模块，分别进行控制。1.1.3 as3992读写器性能标签协议：支持iso18000-6c（epc gen2）、iso18000-6a/b协议工作频率：920.625924.375mhz，符合国家rfid标准 902.75927.25mhz，美国rfid标准 865.7867.5mhz，欧洲rfid标准 可设置840960mhz之间的可用工作频段跳频方式：fhss自动跳频发射机功率：可由软件设置，最大20dbm，100mw工作电压：dc +3.3v 2a；+5.5v可选天线接口：1个天线匹配电阻：50 ohm与主机接口：ttl usb通信波特率：115200bps, 9600bps n，8,1,0输入/输出接口：2个输入接口，2个输出接口状态指示驱动：3个led灯显示主要器件：c8051f340 as399x rcp890a05工作温度：-20+80度1.2 epc uhf g2电子标签1.2.1 标准接口参数对于每间公司生产的符合epc g2 uhf标准的电子标签，其功能和性能均应符合epc g2 uhf相关无线接口性能的标准。从用户应用标签的角度来说，我们不需要详细了解该标准的各项参数及读写器与电子标签之间的无线通信接口的协议。但对以下参数有一个大致的了解，对于用户应用电子标签会有较大的帮助。以下为epc g2 uhf物理接口概念以及其简明说明，以帮助用户对该标准有一个了解。详细说明请参考epc g2 uhf标准文本。系统介绍 epc系统是一个针对电子标签应用的使用规范。一般系统包括有读写器、电子标签、天线以及上层应用接口程序等部份。每家厂商提供的产品应符合国家的相关标准，所提供的设备在性能上有不同，但功能会是相似的。无线通信过程 读写器向一个或一个以上的电子标签发送访问命令信息，发送方式是采用无线通信的方式调制射频载波信号。标签通过相同的调制射频载波接收功率。 读写器通过发送未调制射频载波和接收由电子标签发射（反向散射）的信息来接收电子标签中的数据。工作频率：920.125mhz924.875mhz,20个频道（国家标准） 865.7mhz867.5mhz，4个频道（欧洲标准） 902.75mhz927.25mhz，50个频道（美国标准）等 epc g2 uhf的标准文本所规定的无线接口频率为：860mhz960mhz，但每个国家在确定自己的使用频率范围时，会根据自己的情况选择某段频率作为自己的使用频段。 我国目前暂订的使用频率为：920mhz925mhz。 用户在选用电子标签和读写器时，应选用符合国家标准的电子标签及读写器。一般来说，电子标签的频率范围较宽，而读写器在出厂时会严格按照国家标准规定的频率来限定。频道工作模式：跳频扩频模式 读写器在有效的频段范围内，将该频段分为20个或4个或50个频段，在某个使用的时刻读写器与电子标签的通信只占用一个频道进行通信。为防止占用某个频道时间过长或该频道被其他设备占用而产生的干扰，读写器应用fhss自动跳频技术动态跳到下一个频道。 用户在使用读写器时，如发现某个频道在某地已被其他的设备所占用或某个频道上的信号干扰很大，可在读写器系统参数设定中，先将该频道屏蔽掉，这样读写器在自动跳频时，会自动跳过该频道，以避免与其他设备的应用冲突。发射功率：最大20dbm 读写器的发射功率是一个很重要的参数。读写器对电子标签的操作距离主要会由该发射功率来确定，发射功率越大，则操作距离越远。 读写器的发射功率可以通过系统参数的设置来进行调整。可分为几级或连续可调，用户需根据自己的应用调整该发射功率，使读写器能在用户设定的距离内完成对电子标签的操作。对于满足使用要求的，将发射功率调到较小，会较少能耗。天线：50ohm,范围为900930 mhz 天线是读写系统中非常重要的一部份，它对读写器与电子标签的操作距离有很大的影响。天线的性能越好，则操作距离可能会越远，操作的稳定性会更好。 天线的选择参数包括：天线增益，驻波比及天线的方向性和天线尺寸。一般应选择天线驻波比低的，应小于1.5。用户在选用时需作较多的关注。 读写器与天线的连接有二种情况，一种是读写器与天线装在一起，称为一体机，另一种是通过50ohm的同轴电缆与天线相连，称为分体机。 一个读写器可以同时连接多个天线或只有一个天线，在使用这种含多个天线的读写器时，用户需先设定天线的使用顺序。密集读写器环境（drm） 在实际应用场合，可能会同时存在多个读写器在一个空间范围内同时运行，这种情况被称为密集读写器环境，各个读写器会占用各自的操作频道对自己的某类电子标签自行操作。用户在使用时，需根据需要选用可在drm环境下可靠运行的读写器。数据传输速率：读写器与标签之间交换数据，有高/低两种传输速率。对于一般的厂商提供的标签，我们都首先选择高速数据传输速率。1.2.2 电子标签的操作命令集在对于电子标签的操作中，有三组命令集，用于完成对电子标签的访问。这三组命令分别是：选择、盘存及访问，他们分别由一个或多个命令组成。1） 选择（select）由一条命令组成。读写器对电子标签的进行访问操作前，需应用选择（select）命令，选择符合用户定义的标签。使符合用户定义的标签进入相应的工作就绪状态，而其他不符合用户定义的标签仍处于非活动状态，这样可有效地先将所有的标签按各自的应用分成几个不同的类，以利于进一步的标签操作命令。主机读写器字节0字节1字节2字节3字节n+4字节n+5字节63帧头0x33字节长度epc编号字节长度n+1epc字节0epc字节n保留位读写器主机字节0字节1字节2帧头0x34字节长度错误字节 例如，要选中epc为01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23的标签发送：33 0f 0c 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23接收：34 03 09 表示此标签无法读写 34 03 00 表示可以读写此标签了（error byte为0x00表示no error）2） 轮询（盘存，inventory）由多条命令组成。轮询是将所有符合选择（select）条件的标签循环扫描一遍，标签将分别返回其epc号。用户利用该操作可以首先将所有符合条件的标签的epc号读出来。盘存操作中有许多参数，并且是一个循环的扫描的过程，在一个盘存扫描中，会组合应用到几条不同的盘存命令，故一个盘存又被称为一个盘存周期或轮询周期。我们模块的盘存周期最小为50ms，轮询间隔时间也可调整。因为读写器与标签之间对于盘存命令的数据交换的时间响应有严格的要求，故读写器会将一个盘存周期操作设计成一个盘存循环命令，提供给用户使用。而不需要用户去自己设计盘存算法及盘存步骤。一般读写器会为各种不同的盘存需求设计几个优化的盘存算法命令，供用户使用。下面是两种盘存指令： command inventory主机读写器字节0字节1字节2帧头0x31字节长度开始盘存0x01读写器主机字节0字节1字节2字节3字节4字节xx字节xx+1字节63帧头0x32字节长度找到的标签数目epc字节长度epc 1x保留位例如，发送：31 03 01接收：32 04 00 00 表示未识别到标签 32 12 01 0e 34 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23 表示识别到标签，epc：01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23 command inventory with rssi :主机读写器字节0字节1字节2帧头0x43字节长度开始盘存0x01读写器主机字节0字节1字节2字节3字节4字节6字节7字节8字节21帧头0x44字节长度找到的标签数目rssi工作频率epc和pc字节长度pc+epc例如，发送：43 03 01 接收：44 05 00 00 00 表示未识别到标签 44 16 01 90 a4 35 0d 0e 34 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23 表示识别到标签，epc：01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 23注：90rssia4 35 0d工作频率0d16 | 35读写器字节0字节1字节2字节3字节4字节58id 0x37字节长度存贮体标签内存字地址数据字长保留位读写器主机字节0字节1字节2字节3字节4nid 0x38字节长度错误显示读出数据字长数据 .写标签主机读写器字节0字节1字节2字节3字节47字节8字节99+2*nid 0x35字节长度存贮体标签内存字地址访问口令数据字长n数据读写器主机字节0字节1字节2字节3id 0x36字节长度错误显示写入数据字长 .锁定标签主机读写器字节0字节1字节2字节3字节47id 0x3b字节长度锁定状态内存区访问指令字节2的锁定状态选择：valuedescription0x00unlock0x01lock0x02permalock0x03lock&permalock锁定的内存区选择-字节3：valuememory space0x00kill password0x01access password0x02epc0x03tid0x04user读写器主机字节0字节1字节2id 0x3c字节长度错误显示注：被锁定的内存区内容将不可读。 .灭活标签主机读写器字节0字节1字节25字节6id 0x3d字节长度灭活指令032保留位读写器主机字节0字节1字节2id 0x3e字节长度错误显示注：被灭活的标签将废掉，无法使用和再激活。2. 基于msp430单片机构建防盗控制系统2.1 主标签与副标签的判别与分类将as3992开发模块与pc连接，利用开发软件对标签进行写操作。将主标签的epc与副标签的epc进行关联。例如：将主标签的epc定义为 00 01 00，则副标签epc定义为 00 01 xx。这样再利用