（通信与信息系统专业论文）超高频rfid标签数字系统的研究与设计.pdf

中文摘要 射频识别技术( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是一项利用射频信号通 过空间耦合实现非接触信息传递，以达到目标识别和数据交换目的的技术。它具 有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，该技术与互联网、通讯等技术 相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。r f i d 技术是一个崭新的技术 应用领域，它不仅涵盖了射频技术，还包含了密码学、通信原理和半导体集成电 路技术，是一个多学科综合的新兴学科，具有广阔的应用前景。 本文对超高频( u h f ) 频段的r f i d 系统设计中的一些关键技术进行了重点 研究，并完成了无源超高频射频识别标签基带系统设计，包括防碰撞算法以及安 全验证机制。首先，系统地介绍了r f i d 的产生、发展以及国内外的发展现状， 接着论述了r f i d 的系统组成及其基本工作原理，并对相关协议标准进行了分析 比较。其次，深入研究了r f i d 系统关键技术防碰撞算法。在其原理基础上， 分析比较了各种防碰撞算法协议的性能。重点分析了r f i d 领域u h f 频段主流 标准e p c g l o b a l 的c l a s s 1g e n 2 中的标签识别层所使用的防碰撞方案及相关指 令，并在其基础上对q 算法提出改进方案，通过使用稳定缓变的帧长度适应现 场标签数量，大大降低了标签防碰撞过程总动态功耗，约8 0 。此外，本文还对 r f i d 标签的安全性分别在应用层、协议层和电路层进行了研究和设计。在e p c c l a s s 1g e n 2 标准的框架下实现t e a ( t i n ye n c r y p t i o na l g o r i t h m ) 加解密算法，并 评估了t e a 算法的性能，可以防止标签被跟踪和数据被窃听。 最后，本文基于e p cc l a s s 1g e n 2 标准完成了标签基带系统的架构设计与 r t l 代码实现，重点论述了标签设计的关键模块，包括动态功耗管理单元、发送 模块、防碰撞模块和安全模块，并且通过f p g a 原型验证平台，测试结果符合标 准规范。 关键词：超高频射频识别标签防碰撞安全e p cc l a s s 1g e n 2 a b s t r a c t r f i di sat e c h n o l o g yt h a ti n c o r p o r a t e st h eu s eo fe l e c t r o m a g n e t i co re l e c t r o s t a t i c c o u p l i n gi nt h er a d i of r e q u e n c y ( r f ) p o r t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u mt o u n i q u e l yi d e n t i f ya no b j e c t i th a st h ea d v a n t a g e so f s m a l ls i z e ，h i g hv o l u m e ，l o n gl i f e a n dr e u s a b l e i ft h et e c h n o l o g yi sc o m b i n e dw i t ht h ei n t e r a c ta n dc o m m u n i c a t i o n s ，i t w i l lb er e a l i z e do nt h eg l o b a lg o o d st r a c i n ga n di n f o r m a t i o ns h a r i n g r f i di san e w t e c h n o l o g yt h a t c o v e r sn o to n l yr a d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g yb u ta l s oc r y p t o g r a p h y , c o m m u n i c a t i o nf u n d a m e n t a l sa n ds e m i c o n d u c t o ri n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g i e s ，a n d h a sab r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n da n dc o m m e r c i a lv a l u e s t h et h e s i sh a sd o n er e s e a r c h e si ns o m ek e yt e c h n o l o g i e so fu h fr f i d f i r s t ，t h e h i s t o r y , e v o l u t i o na n dt h ec u r r e n td e v e l o p m e n ts t a t u sa b o u tr f i di nc h i n aa n dt h e w o r l da r ei n t r o d u c e d t h e n t h er f i ds y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ef u n d a m e n t a l sa r e d i s c u s s e d ，a n dt h er e l e v a n tp r o t o c o l sa r ec o m p a r e d s e c o n d l y , t h ep i v o t a lt e c h n o l o g y ： a n t i c o l l i s i o nm e t h o do fr f i di sr e s e a r c h e d b a s e do ni t sp r i n c i p l e s e v e r a l a n t i - c o l l i s i o np r o t o c o l sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d m e a n w h i l e ，e m p h a s i si sp u to n t h er e s e a r c ho fa n t i c o l l i s i o ns c h e m ea n dr e l a t e dc o m m a n d su s e di nt a g i d e n t i f i c a t i o n l a y e ro fm a i n l ys t a n d a r di nr f i df i l e da tu h f ：e p c g l o b a lc l a s s - 1 g e n - 2 s o m e i m p r o v e m e n t sa b o u tq a l g o r i t h mh a v eb e e nd o n ea c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s e a r c h ， w h i c ha d a p tt ot h en u m b e r so ft a g si n f i e l db yu s i n gs t e a d yf r a m e s ，s ot h a tt o t a l d y n a m i cp o w e ri sd e c r e a s e db y8 0 d u r i n gt h ea n t i c o l l i s i o n m o r e o v e r , as t u d yo f s e c u r i t yi nr f i dt a gh a sb e e ni n t r o d u c e df r o ma p p l i c a t i o nl a y e r , p r o t o c o ll a y e ra n d c i r c u i tl a y e ri n t h i sp a p e r t e a ( t i n ye n c r y p t i o na l g o r i t h m ) o nt h eb a s i so fe p c c l a s s - 1g e n 一2i si m p l e m e n t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft e ai se v a l u a t e dt op r e v e n t t a g sf r o mb e i n gt a i l e da n d a v o i db e i n gw i r e t a p e d f i n a l l y , t h ed e s i g no fs t r u c t u r ei nt h eb a s e b a n ds y s t e mb a s e do ne p cc l a s s 一1 g e n - 2a n dr t l - l e v e ll o g i cd e s i g na r ei m p l e m e n t e di n t h i st h e s i s s e v e r a lk e y m o d u l e si nat a ga l ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gd y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n tu n i t , t r a n s m i t t e r , a n t i - c o l l i s i o nm o d u l e ，s e c u r i t ym o d u l e b yu s i n gf p g av e r i f i c a t i o n d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t e s t i n g r e s u l t sm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g n s p e c i f i c a t i o n k e y w o r d s ：u h f , r f i d ，t a g ，a n t i - c o l l i s i o n ，s e c u r i t y , e p cc l a s s - 1g e n - 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：舞掘韦签字蹶三少矿罗年5 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠苤鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：靠报钸 导师签名： 签字同期：如口7 年占月孑日 彳獬 签字日期：劬y 年r 月多b 第一章绪论 第一章绪论 r f i d 是r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 的缩写，即射频识别。射频识别技术 是2 0 世纪9 0 年代开始兴起的一种自动识别( a u t oi d e n t i f i c a t i o n ，简称a u t o i d ) 技术，其利用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实现非接触信息传递， 以达到目标识别和数据交换目的。近年来，a u t o i d 技术在许多服务领域，诸如 在货物销售与后勤分配、商业物流贸易、生产制造加工和安全控制等领域获得了 快速普及和推广。自动识别方法的任务和目的是提供关于个人、动物、货物和商 品的信息1 1 | 。 1 1 射频识别技术的发展及应用 尽管r f i d 技术在近几年才逐步开始实现广泛应用，其技术本身还在不断发 展与完善之中，但该技术的历史却可以追溯到上个世纪四十年代。射频识别技术 的发展经历了以下几个阶段【2 】： 1 9 4 0 - - 一1 9 5 0 在对雷达进行改进和应用的基础上产生r f i d 技术，1 9 8 4 年 h a r r ys t o c k m a n 发表了“c o m m u n i c a t i o nb ym e a n so fr e f l e c t e dp o w e r 一文奠定了 r f i d 技术的理论基础。 1 9 5 0 - 1 9 6 0 年，早期r f i d 技术的探索阶段，主要出于实验室实验研究。 1 9 6 0 - - 1 9 7 0 年，r f i d 技术的理论得到了进一步发展，开始了一些应用尝试。 1 9 7 0 - - 一1 9 8 0 年，r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技 术测试得到加速，并出现了一些最早的r f i d 的应用。 1 9 8 0 - 1 9 9 0 年，r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出 现。 1 9 9 0 - 2 0 0 0 年，r f i d 技术标准化问题目趋得到重视，r f i d 产品得到了广 泛应用，r f i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 2 0 0 4 年，超高频r f i d 已经开始广泛应用在国外的生活领域。 在应用方面，r f i d 射频识别技术有着广阔的前景。r f i d 射频识别技术被认 为最终将取代条形码，然而，它的应用不会仅仅局限在供应链、物流零售等方面， 随着r f i d 射频识别技术的进一步发展和市场化，它会在多领域、多行业中大显 身手。 第一章绪论 物流仓储是r f i d 最有潜力的应用领域之一，u p s ，d h l ，f e d e x 等国际物流 巨头都在积极试验r f i d 技术，以期在将来大规模应用提升其物流能力。可 应用的过程包括：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储管理应用， 港口应用，邮政包裹，快递等。 由沃尔玛、麦德隆等大超市一手推动的r f i d 应用，可以为零售业带来包括 降低劳动力成本、商品的可视度提高，降低因商品断货造成的损失，减少商 品偷窃现象等等好处。可应用的过程包括：商品的销售数据实时统计，补货， 防盗等。 r f i d 作为一种识别技术，顺理成章地可以用来验证和检查人群与物品的身 份。其显著的优点之一，就是它的无线读取方式大大提高了有效识别的距离， 从而更加高效地处理有关数据，或者为对特殊情况做出反应赢得更多的时 间。r f l d 技术具有很难伪造的特性，可以应用在贵重物品( 烟，酒，药品) 的防伪，票证的防伪等领域。r f i d 技术由于天生的快速读取与难伪造性， 而被广泛应用于个人的身份识别证件。如现在世界各国现在开展的电子护照 项目，我国的第二代身份证，学生证等其它各种电子证件。 准时制等现代生产方式对各个环节的协同提出了越来越高的要求，任何一个 环节的脱节，都可能导致整条生产线乃至整个生产流程的瘫痪。如何管理并 且准确找到规格纷繁复杂的零部件，并将其及时运送到生产线上，这不仅困 扰着复杂设备的生产商，同时也是困扰着所有采用流水线作业的企业的一个 难题。借助r f i d 技术就能够实现存货管理的自动化。不仅零部件的位置一 目了然，其数量也全在掌控之中当任何一处的存货水平降低到设定值以 下时，系统就会自动发出补货指令。 在高速公路收费及智能交通方面，装有射频标签的汽车能被自动识别，无须 停车缴费，大大提高了行车速度和效率。虽然我国很多地区高速公路都采用 了射频卡，但是大部分还是应用人工停车收费的方式。利用射频识别技术的 不停车高速公路自动收费系统是将来的发展方向，人工收费包括i c 卡的停 车收费方式也终将被淘汰。 在医疗领域，可以应用于医院的医疗器械管理，病人身份识别，婴儿防盗等 领域，同时可大大减少处方、药品配送和服药等方面的错误。医疗行业对标 签的成本比较不敏感，所以该行业将是r f i d 应用的先锋之一。 在动物的跟踪及管理方面，许多发达国家采用射频识别技术，通过对牲畜个 别识别，保证牲畜大规模疾病爆发期间对感染者的有效跟踪及对未感染者进 行隔离控制。还可应用在训养动物，畜牧牲口，畜牧牲口的个性化养殖等领 域。 第一章绪论 在服装行业，可以应用于服装的自动化生产，仓储管理，品牌管理，单品管 理，渠道管理等过程，随着标签价格的降低，这一领域将有很大的应用潜力。 但是在应用时，必须得仔细考虑如何保护个人隐私的问题。 1 2 射频识别技术国内外研究状况 1 2 1 国外研究状况 在发达国家，由于r f i d 工作起步比较早，在标准、技术、产业链以及应用 方面都己相当完备并且仍在不断发展中。在核心技术，尤其是芯片技术上，发达 国家目前己提供了相对完备的产品线，并且由于技术的不断进步，电子标签工艺 的提升，其成本不断降低，应用扩展进入了一个良性循环。随着2 0 0 4 年底全球 产品电子代码中心( e p c g l o b a l ) 推出第二代r f i d 标准( e p cg e n 2 ) 作为欧美地区 的新标准，各大供应商的e p cg e n 2 芯片纷纷亮相。飞利浦公司推出了u c o d e e p cg e n 2 芯片，首批工程样片已通过测试；i m p i n j 公司宣布推出m o n z a 芯片和 与读写器平台：t i 也推出其e p cg e n 2 产品并实现量产。美国c a b o t 公司正在研 究开发可印刷的传导材料，该材料将能够与目前现有的印刷工序一起提升r f i d 在包装中的应用。与此同时，亚洲国家也不甘落后，新加坡正在计划推动一项射 频识别技术，以实现零售物品的标签电子化；日本也于2 0 0 4 年在物流系统中开 始大规模的试用电子标签，主要目的是将读取物流信息的方法标准化。 就研究热点来讲可分为两大类| 3 j ：智能安全技术，增强通讯安全性，即r f i d 电子标签芯片增加各种加密解密算法，将原来在接触卡中才能使用的各种加密解 密算法移植到非接触电子标签芯片上，或者开发适合于非接触r f i d 电子标签芯 片应用的加密解密算法；超高频低成本单品级技术，超高频频段r f i d 射频识别 系统具有识别距离远、识别速度快、多标签识别效率高和标签成本低等优点，尤 其是低成本和单品级产品适合物流控制与管理领域。 1 智能安全技术 r f i d 电子标签体积虽然小，但是其潜在的安全问题却不容忽视。有些厂商 对r f i d 电子标签的安全问题做出了很大的努力，针对r f i d 电子标签前端无线 装置和协议面临的威胁，部份厂商考虑采用设置标签记忆体密码、设置标签记忆 体开关键、加强对r f i d 电子标签读写器完整性维护、设置读写器保护功能、设 置读写探测器、使用消除r f i d 电子标签资料技术、使用法拉第杯技术、使用有 源干扰技术、使用r s a 加密防干扰技术、使用逻辑式缓冲区散列锁技术等硬件 解决方案来加强对r f i d 电子标签数据保护。但是这些硬件解决方案由于种种原 第一章绪论 因不能完全实现在不同的系统中安全防护，所以基于密码技术的软件安全机制越 来越受到人们的关注，设计和实现符合r f i d 电子标签安全需求的密码协议是当 前r f i d 电子标签安全研究的重点。 很多的技术规范目前已经开始出现，在电子标签推广应用中，r f i d 电子标 签的安全问题集中在对个人用户的隐私和企业用户的商业秘密保护、防范对 r f i d 电子标签系统的攻击和应用r f i d 电子标签技术进行安全防范等多个方面。 使用各种认证及加密的方法和途径可确保r f i d 电子标签与读写器之间的数据安 全，比如在读写器发送密码来解锁数据之前r f i d 电子标签的数据处于锁定状态。 更严格的还可能是同时包括认证和加密方案。但是r f i d 电子标签的成本直接影 响到其计算能力及采用算法的强度。 r f i d 电子标签采用许多的复杂而又有细微差别的安全技术是有相当难度 的，但是解决公众对隐私和安全性方面的疑虑是r f i d 电子标签生产商必须解决 的问题。特别是在重要领域的r f i d 电子标签应用推广中，r f i d 电子标签不仅 需要有很高的加密等级技术，而且应用密码方案能否自主掌握，将对国家安全和 社会生活有很大的影响。 2 超高频低成本单品级技术 超高频r f i d 射频识别技术在电子标签应用上还有许多技术难点尚待突破， 这表现在：在读取的准确度上，尤其是对靠近液体和金属等特殊介质材料的超高 频r f i d 电子标签的读取差错率还比较高。另外，一次性读取防碰撞问题及在快 速移动物体上的r f i d 电子标签读取准确性问题，还没有很好解决。超高频电子 标签芯片的研究，降低芯片的成本、提高芯片的工作距离、提高芯片的识别效率 和芯片的安全问题，是当前主要集中的热点。超高频r f i d 电子标签芯片由于其 自身特点，更适合于作为简单的低成本识别标签使用，超高频r f i d 射频识别系 统目前还难以支持加密、解密等复杂的算法。所以国外目前在超高频r f i d 射频 识别技术用于电子标签实现与应用上比较偏重于可用于物流管理的低成本单品 级产品的研制与优化的解决方案的提出。 1 2 2 国内研究状况 我国在r f i d 技术的研究和应用方面起步较晚，但是我国政府和各大相关企 业非常重视推动r f i d 技术在我国的发展，经过几年的努力，现在正处于快速发 展阶段【4 1 。 芯片设计方面，随着国内芯片设计业在最近1 0 年中的长足发展，缩小了与 国际芯片设计水平的差距，国内公司在r f i d 芯片设计上完全有机会赶上，甚至 超过国外芯片公司的技术水平。在u h f 频段的r f i d 芯片设计上，国内各芯片 第一章绪论 厂商均高度关注。复旦微电子已于2 0 0 4 年开发出支持e p cc l a s s 0 标准的产品， 2 0 0 5 年底推出了支持i s o i8 0 0 0 6 b 标准的产品。2 0 0 8 年上海坤锐电子科技有限 公司研发出全亚洲第一款通过e p c g l o b a l 官方授权认证的 e p c g l o b a lc l a s s - 1g e n - 2 芯片在被大多数国外火厂所垄断的芯片产品市场上出 现了我们中国企业的身影。清华同方自主研发的门票技术在2 0 0 8 年北京奥运 会上获得了成功的应用。图1 1 所示为2 0 0 8 年北京奥运会使用的r f i d 门票。每 张门票内部都嵌有一个长宽】毫米的r f i d 芯片，芯片带有全球惟一的序列号与 后台查验数据库的观众信息相关联。八场时，门票上的序列号将激括查验系统， 调出观众的个人信息和照片，观众无需出示身份证件，有效提高了入场速度。上 海华虹集团也正式成为中国2 0 1 0 上海世博会门票芯片高级赞助商。 图i - i2 0 0 8 年北京奥运金的r f i d 门票 标签封装方面国内已经拥有成熟的卡片形式r f i d 的封装技术，新封装技 术也有了较快的发展，但是总体而言在先进的封装技术方面与国外的差距很大， 还不具各低成本r f i d 产品的封装能力，而随着r f i d 技术的发展与应用，对封 装提出了越来越多的挑战，例如芯片装配技术如何将越来越小的芯片可靠装配： 如何大幅度的提高封装的速度以适应爆炸式的需求；如何进一步降低封装的成本 等等。 系统集成方面，国内的系统集成厂商具有一定的大型系统的集成能力但使 用的还主要是国外的软件产品。r f i d 系统软件处理和分析由r f i d 系统产生的 大量数据，提供用户真正有用的信息，是关系到r f i d 能否顺利推广的关键环节， 也是未来r f i d 产业价值链上最高的一段。和国外大型软件公司努力进行r f i d 系统软件开发相比，国内软件公司相对很少介入p 。f i d 系统软件开发在这一点 上，国内的能力与国外相差很大。 r f i d 标准方面，近几年来我国制定自己的r f i d 标准进程开始加速，技 术研发和产业化工作也在同时进行。2 0 0 4 年2 月，中国国际标准化管理委员会 宣布成立电子标签国家标准工作组。4 月底，中国企业加入了r f i d 的全球化标 第一章绪论 准组织e p c g l o b a l ，同期e p c g l o b a lc h i n a 也成立。与此同时，日本的r f i d 标准 化组织与中国企业合作成立了基于日本u i d 标准技术的实验室u i d 中国中 心。至此，国际两大r f i d 标准组织在中国的战略布局都已完成。2 0 0 7 年4 月 2 0 日，我国信息产业部发布了我国u h f 频段划分方案，试行频段的出台将推动 e p cg e n 2 技术应用步入新的进程，满足我国企业对8 0 0 9 0 0 m h z 频段r f i d 技术 研发和应用需求，并与国际相关标准衔接。 1 3 射频识别技术发展面临的挑战 随着r f i d 技术在全世界应用范围的不断扩大，其一方面受到应用需求的驱 动，另一方面该技术的成功应用反过来又极大地促进应用领域的不断扩展。因而， 其自身发展也面临着日益增加的诸多挑战： 信息安全与隐私问题【5 】 随着r f i d 应用范围的不断扩展，信息安全与隐私保护问题将变得愈来愈重 要。r f i dj o u r n a l 和市场研究机构a b i ，共同进行的一项名为“r f i dj o u r n a ll i v e ” 的调查显示“采用r f i d 技术最大的好处是可以对企业的供应链进行透明管理， 有效降低成本，但r f i d 的安全性也非常令人关注，很多公司推出了增强安全性 能的r f i d 产品”，因为没有人会因为它使用起来方便而自愿让个人隐私权曝光。 现在已经有许多针对r f i d 安全和隐私问题的解决方案，并取得了一定成果。例 如：e p c g l o b a l 推出的超高频第二代协议标准，不仅提供了密码保护，而且能对 数据从标签传输到读取器的过程中进行加密。但是在很多其他方面仍然存在着许 多待解决的问题，例如r f i d 是否会成为黑客的新目标，是否会感染病毒，标签 是否可以设计出更完美的加密算法，以达到保密与性能的最佳平衡等，这些安全 隐患都亟待解决。 低功耗问题 开发低功耗的r f i d 标签不仅可以扩展标签的使用距离，还可以延长标签的 使用寿命，进而降低整个系统的成本。随着低功耗i c 技术的进一步发展，必将 推动低功耗小型无源r f i d 标签的研发。 成本问题 为大家所熟知的，当每一个r f i d 标签价格为美金5 分时，就可以达到经济 规模效益。虽然现在纷纷有r f i d 服务业者提出他们可以提供这样的报价，但是 实际上还是有一些需要考虑的计价基础。以目前的价格约美金2 0 分而言，相对 于传统条形码不到美金1 分的价格，销售较高单品价格产品的产业，例如高单价 的精品服饰、电子产品、与药品等，比较能够负担r f i d 的成本。另外，如果强 第一章绪论 制要把每个物品都贴上r f i d 标签，也不一定适用，例如一打铅笔应该比较适合 将r f i d 标签贴在外盒包装上。另外，对消费者民生用品制造业者来说，r f i d 应用成本并不是只有一次，未来只要不断有新产品上市，就必须贴上r f i d 标签。 读取率问题 r f i d 读写器的成功机率，目前还无法达到10 0 识别率。沃尔玛第一阶段与 1 0 0 家供货商先导计划识别率仅达到8 9 。当商品入库时，常发生的问题有：混 淆不同的商品、商品数量错误、无法找到正确的订单信息等。如果物品堆栈在一 起，识别率也会受到影响。根据e p cg l o b a l 对沃尔玛及其供货商所做的调查中显 示，有5 8 的数据读取错误是发生在收取商品的流程里。 国际标准的制定与推行 标准化是推动产品广泛获得市场接受的必要措施，但目前各个国家纷纷推出 自己的标准，市场中多种标准并存，目前r f i d 还未形成统一的全球标准，很多 企业持观望态度。如果无法很好地解决这个问题，r f i d 技术大规模大范围的铺 开尚需时日。 1 4 选题意义及论文工作的主要内容 1 4 1 选题的意义 r f i d 技术已经在社会众多领域开始大规模应用，特别是u h fr f i d 技术在 所有频段r f i d 中应用最为广泛、用量最大，研究开发r f i d 技术有着巨大的经 济效益和社会意义。由于u h fr f i d 技术具有识别距离远、识别速度快、有较强 的防碰撞能力等特点，发展前景十分广阔。然而，随着r f i d 技术应用高速发展， 也带来亟待解决的问题。信息安全、防碰撞算法、低成本等课题成为r f i d 技术 的研究热点，本文正是基于此所做的一些研究设计工作。 1 4 2 本文内容安排 本论文共分六章，首先系统阐述了r f i d 技术的发展和当今国内外的研究现 状；分析了r f i d 系统组成与r f i d 技术的工作原理，在此基础上，对r f i d 系 统中两个关键技术进行了深入研究，进而对r f i d 电子标签完成整体设计，并进 行了r t l 代码实现、仿真及f p g a 验证。 第一章绪论，主要系统回顾了r f i d 技术的发展历史，并阐述了r f i d 技术 国内外研究现状，介绍了选题意义、内容及主要工作。 第二章r f i d 的工作原理与相关标准，简单介绍了r f i d 系统各部分的组成 第一章绪论 及特点，阐述了r f i d 系统的基本工作原理，并简要介绍了目前主要的r f i d 标 准。 第三章r f i d 系统中防碰撞算法的研究，简单介绍了r f i d 系统防碰撞算法 原理，研究比较了r f i d 常用的防碰撞算法协议和标签数量估算方法，在分析 e p cg e n 2 标准的防碰撞方案的基础上，对q 算法进行了改进。 第四章超高频r f i d 系统安全，介绍了r f i d 系统面临的安全威胁以及应对 措施基本原理，并在e p cg e n 2 标准的框架下实现了t e a 算法。 第五章超高频r f i d 标签基带系统的设计，对标签基带系统的结构进行了分 析与设计，主要包括时钟同步模块、p i e 解码、f m 0 和m i l l e r 编码、c r c 校验 模块、指令处理、返回控制、防碰撞算法、数据安全的加解密、动态功耗管理单 元、随机数发生器和e e p r o m 存储器等，并进行了仿真、测试验证。 第六章总结，对全文进行了总结，并给出了未来工作进一步的研究方向。 第二章r f i d 的工作原理与相关标准 第二章r f i d 的工作原理与相关标准 2 1r f i d 技术的物理学基础 标签和读写器通过各自的天线构建起二者之间非接触信息的传输通道，而这 种无线信息传输通道完全由天线周围电磁场特性所决定，这就是电磁场传播的基 本原理【6 】。由电磁学基础理论可知，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场， 而连续交变的电场产生连续交变的磁场，连续交变的磁场又将产生连续交变的电 场，这种随时间变化的电场和磁场之间的相互依赖关系，在空间中产生一系列电 场和磁场效应。 空间信息传输通道的性能完全由天线周围的场区特性决定。根据观测点距天 线的距离将天线周围的场地划分为两个区域：无功近场区和辐射场区。无功近场 区区域的界限一般为距天线口径表面l 2 n 处，其中电抗性储能场占支配地位。 它是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中电场、磁场之间的转 换。该区域中束缚于天线的电磁场没有做功，只是进行相互转换。超过电抗近场 区就到了辐射场区，辐射场区的电磁场己经脱离了天线的束缚，并作为电磁波进 入空间。按照离开天线的距离又分为辐射近场区和辐射远场区。在辐射近场区中， 辐射场的角度分布与距离天线口径的距离有关：在辐射远场区中，辐射场的角度 分布与距离无关。 发生在读写器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种：电感耦合和电 磁反向散射耦合。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离r f i d 系统。 典型的工作频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z ，识别作用距离小于l m ，典 型作用距离为1 0 - - - 2 0 c m 。要理解读写器与标签之间的能量和数据传输过程，必 须使用磁场理论。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离 r f i d 系统。典型的工作频率有：4 3 3 m h z ，9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z 和5 8 g h z ，识别 作用距离大于im ，典型作用距离为3 1 0 m 。要理解这些系统，必须深入研究在 远距离磁场中波的传播以及雷达技术的原理。 在电感耦合系统中运动的电荷产生磁场，为了产生交变磁场，一般采用导体 回路来做磁性天线，研究表明从线圈的中心到一定距离内的场强几乎是不变的。 两个相互接近的导体回路之间，一个回路产生的磁通量穿过另一个回路可以在另 一个回路上面产生感应电压，电感耦合的r f i d 系统正是基于这个物理现象而工 第二章r f i d 的工作原理与相关标准 作的。 随着读写器和标签之间距离的增大，当距离为l 2 7 t 时，电磁场脱离天线， 并作为电磁波进入空间，这时不能通过电感或者电容的耦合而反作用于天线。电 磁波从天线向周围空间反射，会遇到不同的目标，达到目标的高频能量一部分被 目标吸收，转变成热量，另外一部分以不同的强度散射到各个方向上，反射能量 的一小部分最终返回到发送天线。 2 2r f i d 系统的基本组成 典型的r f i d 系统包括电子标签、读写器终端、中间件和后台网络，如图2 1 所示。r f i d 的基本原理就是将r f i d 电子标签安装在被识别的物体上，当被标 识的物体进入r f i d 系统的阅读范围时，利用空间电感耦合或者电磁耦合进行通 讯，实现标签和读写器之间的非接触式信息通讯，标签向读写器发送携带信息， 读写器接收这些信息并进行解码，通过串口将读写器采集到的数据实时送入客户 机的终端处理系统，并通过网络传输给服务器，从而完成信息的全部采集与处理 过程，以达到自动识别被标识物体的目的。 图2 1r f i d 系统组成 电子标签 电子标签是射频识别系统的重要部件，也是射频识别系统的显著标志，每一 个被标记的商品都有一个电子标签，每一个标签都有独立的代码，它使得在全球 范围内追踪商品成为可能。无源电子标签从结构上讲，均包含天线和芯片两个部 分，因工作频率和应用场合的不同，具有不同的结构和封装形式，其具体的工作 方式也有很大差异。 电子标签根据不同的分类方法，可以分为许多不同种类。根据电子标签工作 频率的不同通常可分为低频、高频、超高频系统和微波系统。低频系统常用的频 率有1 2 5 k h z 、1 3 4 2k h z ；高频系统常用的频率有1 3 5 6 m h z ；超高频系统常用 的频率有9 1 5 m h z ；微波系统常用的频率有2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。低频系统的特 点是电子标签内保存的数据量较少，读写足巨离较短，电子标签外形多样，天线方 第二章r f i d 的工作原理与相关标准 向性不强等，主要用于短距离、低成本的应用中；中频系统则用于需传送大量数 据的应用系统；高频系统的特点是电子标签和读写器成本均较高，标签内保存的 数据量较大，读写距离较远( 可达十几米) ，适应于物体高速运动，性能好，读 写器天线与电子标签天线均有较强的方向性，主要用于需要较长读写距离和较高 读写速度的场合。 根据电子标签性能的不同可分为可读写卡( r w ) 、写一次读多次卡( w o r m ) 和只读卡( r o ) 等几种。r w 卡一般比w o r m 卡和r o 卡价格高的多，如电话 卡、信用卡等；w o r m 卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变， 比r w 卡要便宜；r o 卡存有一个唯一的i d 号码，不能修改，具有较高的安全 性。 根据电子标签的供电形式又可分为有源标签、无源标签、半无源标签三种。 有源电子标签由于使用了内存电池的能量，所以识别距离较长，可达十几米，但 是它的寿命有限且价格较高；无源电子标签不含电池，它接收到读写器发出的信 号后，利用读写器发射的电磁波能量完成通信，一般可做到免维护、重量轻、体 积小、寿命长、价格低，但它的发射距离有限，一般仅有几十厘米，且需要读写 器有大的发射功率。 根据电子标签调制方式的不同还可分为主动式、被动式和半被动式。主动式 电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，这种方式主要用于有障碍 物的应用中。被动式电子标签使用调制散射方式发射数据，它要用到读写器的载 波调制信号，故适宜在门禁或交谈应用中使用。 此外还有许多分类方式，如按工作方式、数据格式、遵循标准、存储介质等。 虽然电子标签在外形和原理上有许多差异，但是它们都以某种形式固定在所标记 的物品上，标签上记载了物品唯一的身份代码和其他数据。当物品进入读写器的 感应范围时，电子标签便会以无线通信的方式与读写器进行数据交换，完成物品 的自动识别。 读写器 读写器是r f i d 系统的关键终端。它通过天线向标签发送射频调制信号，同 时通过天线接收从标签返回的载有信息的射频调制信号，经处理后传给中间件。 一个典型的读写器终端由发射单元、接收单元、信号处理控制单元和电源等部分 组成，标准读写器的工作模型如图2 2 所示。读写器主机通常包括以下三个模块： 射频通道模块、控制处理模块和i o 接口模块。 第二章r f i d 的i 作原理与相关标准 回 罔2 - 2 读写器工作模型 1 射频通道模块 射频通道模块是读写器的前端也是影响其成本的关键部分。射频通道模块 通常完成控制处理模块传送来的控制命夸的运行，向电子标签发送数据的载波调 制r 以及对回波信号进行调解处理，并将处理后的回波基带信号送到控制处理模 块。射频通道模块的组成一般包括以下主要内容： 频率源电路：用于产生读写器的载波信号： 调制解调电路：用于实现基带信号载波发送与接收的调制与解调； 功率放大电路：用于实现将发送到天线的射频信号放大到足够的功率电平； 单天线收发分离电路：用于实现读写器发送与接收射频通道的分离； 信号放大、滤波、整形处理电路：用于处理解调后的回波信号； 收发控制电路：用于控制射频的输出功率及多天线系统的功率分配。 2 控制处理模块 控制处理模块是读写器的智能单元。其主要功能包括实现发送到电子标签的 命夸的波形编码、回波信号的解码、差错控制、读写命令流程控制等；同时也起 到拄送命令缓存，接收数据缓存的作用。与后端应用程序之间的接口协议的实现， i o 控制等也由控制处理模块完成。控制处理模块的组成一般包括以下主要内容： c p u 或m p u ：智能处理单元，内装嵌入程序； c p u 或m p u 外围接口电路：为c p u 或m p u 提供必要的存储区、中断控制 器、i o 信号与i o 接口控制信号等； 信号处理、缓存等处理电路：对发送命令、接收同渡信号进行编码、解码、 缓冲存储等； 时钟电路、看门狗电路：为c p u 或m p u 提供工作时钟以及系统自恢复功能； 其他控制与接口电路：根据系统设定的功能，实现相应的控制与接口预处理 等。 3i o 接u 模块 i o 接口模块用于实现读写嚣与外部传感器、控制器以及应h j 系统主机之间 的输入与输出通信。常用的i o 接口有： r s 一2 3 2 串行接口：计算机流行的标准串行通信接口可实现双向数据传输， 第二章r f i d 的工作原理与相关标准 优点是接口标准、通用、流行，缺点是传输速度与传输距离受限； r s - 4 2 2 4 8 5 串行接口：标准串行接口，支持远距离通信，标准传输距离 1 2 0 0 m 。采用差分数据传输模式，抗干扰能力较强。通信速度范围与r s 2 3 2 相同； 标准并行打印接口：通常用于为读写器提供外接打印机，输出读写信息的功 能； 以太网接口：提供读写器的直接入网接口，一般均支持t c p i p 协议； 红外i r 接口：提供红外接口，近距离串行红外无线传输，传输速度与标准 串口速度相当： u s b 接口：标准串行接口，短距离、高速传输接口。 中间件 中间件通常是指位于后台网络和读写器终端之间的硬件设备和软件程序，在 目前的r f i d 系统中主要包括连接读写器的计算机系统及其上运行的用户应用程 序，此外也包括一些专门为读写器配套的网络接口设备，这些设备用于代替计算 机的功能。中间件的功能是配合读写器终端的工作，获取追踪物品的信息，并进 行处理，以减少网络传输的信息量，同时将获取的信息传递给后台数据库。 后台网络 后台网络是整个r f i d 系统的信息管理中心，它由网络设备、信息数据中心、 管理中心组成。信息数据中心包括物品的信息数据库，r f i d 系统的所有识别、 追踪的数据都在信息数据中心汇总和交互。此外，信息数据中心还包括对物品数 据进行管理和分析的应用软件。管理中心则负责对整个r f i d 网络进行管理，确 保网络的运行。 2 3 无源r f i d 标签的工作原理 无源r f i d 标签主要由四部分组成：天线、射频接口电路、数字基带处理电 路和存储器组成，如图2 3 所示。采用无源电子标签的r f i d 系统，每个被标记 的物品都贴有一个无源标签。存储器存储着物品对应的