（计算机系统结构专业论文）单片机控制的射频读卡器系统.pdf

摘要 摘要 射频识别( 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 ，r f i d ) ，又称电子标签( e t a g ) ， 是一种利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息的技术。随着技术的进步， r f i d 应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的各个方面，并将成为未来信 息社会建设的一项基础技术。因此，研究、设计和开发r f i d 系统具有十分重要的 理论意义和现实意义。 论文系统地论述了高频射频识别系统和阅读器的理论分析，研究了射频识别 系统中的许多关键技术，并提出了射频卡阅读器的设计方案。 本文首先分析了射频识别技术的基本原理、研究方向和应用情况。并针对目 前正在逐步得到更广泛应用的非接触式i c 卡( 射频卡) 进行了专题研究，在充分 研究了射频卡的基本原理、技术特点、国际相关标准后，进而提出了基于p 8 9 c 6 1 x 2 单片机和m fr c 5 0 0 模组的m i f a r e l 卡射频读卡器系统的设计方法。设计采用m f r c 5 0 0 射频读写模组在p 8 9 c 6 1 x 2 单片机的控制下实现对m i f a r e l 卡的读写访问 操作。 其次本文阐述了射频读卡器系统各部分电路的设计原理，包括了电源部分、 p 8 9 c 6 1 x 2 单片机部分，m fr c 5 0 0 部分、高频电路( 天线) 部分。 然后讨论了软件实现读卡器与m i f a r e l 卡之间通信所要求的请求应答、防冲 突、选卡片、认证、读写等功能模块的实现原理。最后介绍了设计中遗留的技术 问题和解决方案。 关键词：射频识别，读卡器、i c 卡，p 8 9 c 6 1 x 2 ，m f r c 5 0 0 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ) ，i sa l s oc a l l e de t a g i ti sat e c h n o l o g yo f u s i n gt h er a d i of r e q u e n c ys i g n a lt oi d e n t i f ya i mo b j e c ta n dg e tc o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o n a u t o m a t i c a l l y a st h ea d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o nd o m a i no fr f i di s e x p a n d i n gi n c r e a s i n g l y t h et e c h n o l o g yo fr f i da f f e c t e dt oe v e r ya s p e c t so fp e o p l e s d a i l yl i f ea n dw i l lb e c o m eab a s i ct e c h n o l o g yo fc o n s t r u c t i n gi n f o r m a t i o ns o c i e t yi nt h e f u t u r e s o ，r e s e a r c ha n dd e s i g nr f i ds y s t e mi sv e r ys i g n i f i c a t i v ei nt h e o r e t i ca n d p r a c t i c e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u tr f i ds y s t e ma n dr e a d e ri sd e s c r i b e di nt h i st h e s i s ，a n d m o s to ft h ee f f o r t sa l ed i s t r i b u t e do nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fr f i d s y s t e m a tf i r s t ，b a s i ct h e o r i e s ，r e s e a r c hw a ya n dt h ea p p l i c a t i o no fr f i dt e c h n o l o g ya r e a n a l y z e di nt h i st h e s i s b e s i d e s ，s p e c i a lr e s e a r c h e dt h en o n c o n t a c ti cc a r d ( r fi cc a r d ) w h i c hb r o a da p p l i e ds t e pb ys t e pr e c e n t l y b a s e do np l e n t yr e s e a r c h e do nb a s i ct h e o r i e s ， c h a r a c t e r i s t i ct e c h n o l o g ya n di n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fr fi cc a r d ，a ni cc a r dr e a d e r d e s i g nm o d e lw h i c hi sb a s e do np 8 9 c 61x 2m c ua n dm fr c 5 0 0i sd e v e l o p e d t h e d e s i g nu s em fr c 5 0 0w h i c hi sc o n t r o l l e db yp 8 9 c 6 1x 2m c ur e a l i z e dt or e a da n d w r i t ei 强i cc a r d s e c o n d l y , t h i st h e s i se x p a t i a t et h ed e s i g no fr fi cc a r dr e a d e rc i r c u i t r y , i n v o l v e s p o w e rc i r c u i t r yd e s i g n ，m c uc i r c u i t r yd e s i g n ，m fr c 5 0 0c i r c u i t r yd e s i g na n dh f c i r c u i t r y ( a n t e n n a ) d e s i g n t h i r d l y , d i s c u s st h ec o m m u n i c a t i o n sp r i n c i p l ea n dm e t h o db e t w e e nt h er fi cc a r d r e a d e ra n dt h em i f a r elc a r d t h e ne x p a t i a t et h er fi cc a r dr e a d e rss o f t w a r ed e s i g n , i n v o l v e sr e q u e s t a n s w e r , a n t i c o l l i s i o n ，s e l e c tt a g ，a u t h e n t i c a t i o n ，r e a da n dw r i t e f u n c t i o n f i n a l l y ，i n t r o d u c e dt h eu n r e s o l v e dq u e s t i o na n dt h es c h e m eo ft h er fi cc a r d r e a d e rs y s t e m k e yw o r d s ：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 ) ，r e a d e r ，i cc a r d ，p 8 9 c 6 1 x 2 ，m fr c 5 0 0 1 1 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名： 一 目期：堋年f d 月j 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：毖 日期：辨胴j e l 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 射频识另u ( 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 ) ，又称电子标签( e t a g ) ，是自动识 别技术的一种，即通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别并 获取相关信息( 具有快速、准确、可靠的特点) 。r f i d 最早的应用可追溯到第二 次世界大战中用于区分联军和纳粹飞机的“敌我辨识 系统【l 】。2 0 世纪8 0 年代， 由于大规模集成电路技术的成熟，射频识别系统的体积大大缩小，使得射频识别 技术进入实用化的阶段，成为一种成熟的、广泛应用的自动识别技术。 a u t o _ i d 中心提出了产品电子编码( e p c ) 的概念，把类似于条形码编码的产品 电子编码( e p c ) 存储在电子标签( t a g ) q b ，电子标签贴在物体上，阅读器r ( r e a d e r ) 通 过电磁波从读出编码，通过这种方式可以识别物体【2 1 。电子标签贴在物品表面，阅 读器和标签之间通过电磁波进行通信，阅读器获取的e p c 编码传输到主机中，从 而识别物品。当电子标签的成本很低时，可以取代条形码。 为了减小电子标签的成本，通常基于e p c 的电子标签没有电池，而是从阅读 器发送的电磁波中获取能量，电子标签没有发射电路，而是采用反射入射电磁波 的方式把e p c 编码发送给阅读器。射频识别技术于条形码技术在物品识别的功能 上有些类似，两种技术之间的差异在于以下几个方面：第一，成本。条形码技术的 应用己经十分广泛，条形码能够印刷在物品表面，制作非常方便，成本极低，条 形码扫描仪的成本也很低：而基于e p c 的射频识别技术是近年来的新技术，应用才 刚刚开始，电子标签包括芯片和印刷天线两个部分，制作比较复杂，目前成本较 高，而射频识别阅读器的成本很高，因此，单从成本方面来讲，目前条形码占有 优势。第二，包含的信息。条形码能够包含的信息十分有限，而目前电子标签的 存储的数据为6 4 位，9 6 位，或者更多位，而且这些数据能够多次重复读写，因此 在包含的信息方面，射频识别技术占有优势。第三，自动化。条形码扫描仪必须 正对条形码才能阅读中间不能有不透光的阻挡，而电子标签和阅读器之间只要中 间的阻挡物能够被电磁波穿透就可以读取；另外，条形码阅读器在某段时间内只能 读一个标签，而阅读器在某段时间内能够同时读取多个标签的信息，因此在自动 化方面，射频识别技术占有优势。第四，稳定性。当条形码变脏，弯曲以后，很 电子科技大学硕士学位论文 有可能不能阅读，而在这些方面，射频识别技术的工作更稳定。从以上的分析可 以看出，射频识别技术解决成本问题以后，能够在很大程度上取代条形码。 1 2 射频识别技术的原理 阅读器( r e a d e r ) 通过天线发送一定频率的射频信号，当标签( t a g ) 进入磁场时产 生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被阅读器读取于并解码后送 至电脑主机进行有关处理。 典型的无源r f i d 系统由无源r f i d 标签、天线、r f i d 读卡器组成，如图1 1 所示。 r s 2 3 2 等接口 。 天线 ， 、， 删圈 图1 - 1 无源r f i d 系统的硬件组成【3 】 最基本的r f i d 系统由r f i d 标签( t a g ) 、阅读i 器i ：( r e a d e r ) 、应用支撑软件三部 分组成。 1 2 1 电子标签( t a g ) 电子标签由芯片与天线( a n t e n n a ) 组成，每个标签具有唯一的电子编码。标 签附着在物体上以标识目标对象。受无线电射频信号照射时，能反射回携带有数 字字母编码信息的无线电射频信号，供阅读器处理识别。r f i d 标签依据发送射频 信号的方式不同，分为主动式( a c t i v e ) 和被动式( p a s s i v e ) 两种。 主动式标签主动向阅读器发送射频信号，通常由内置电池供电，又称为有源 标签；被动式标签不带电池，又称为无源标签，其发射电波及内部处理器运行所 需能量均来自阅读器产生的电磁波。被动式标签在接收到阅读器发出的电磁波信 号后，将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。 表1 1 是主动和被动两种标签的特性比较。其中主动式标签通常具有更远的通 信距离，其价格相对较高，主要应用于贵重物品远距离检测等应用领域。被动式 2 第一章引言 标签具有价格便宜的优势，但其工作距离、存储容量等受到能量来源的限制。 表1 1 主动式标签与被动式标签对比 主动标签( a c t i v e ) 被动标签( p a s s i v e ) 能量来源自身电池供电，可持续供电通过电磁感应获取 工作距离可达1 0 0 m可达3 5 m ，通常2 0 4 0 c m 信号强度要求低高 一 平均价格局低 工作寿命 2 4 年长 1 标签芯片 标签内的芯片随应用的不同有所差异，会被配置成不同的形式。芯片主要控 制标签的操作频率、数据传输率、信号调制、加密解密、数据的读写机制等。芯 片得到工作所需要的能量后，会将存储区的数据加密，并以调制信号的方式经过 天线传输给阅读器，或者将阅读器发送过来的信号解调并解密成更新的数据写入 芯片内。 2 天线 电子标签的天线用来感应阅读器所发射出来的射频能量，完成数据的更新， 此外天线还以射频信号的方式回传给阅读器标签内的数据信息。标签天线的大小 和电力是影响系统的阅读距离的主要因素之一。 标签天线电路是根据系统的载波频率使用l c 谐振电路或者电双极天线所制 成的。当l c 谐振电路的谐振频率小雨1 0 0 m h z 时，阅读器和标签之间的通信以电 磁感应方式进行，这时的天线称为磁偶极子天线。当l c 谐振电路的谐振频率大于 1 0 0 m h z 时，阅读器和标签之间的通信以电磁传播的方式进行，所需要的l c 的值 因为太小而无法以实际的电容和电感元件组成。当频率增大时，波长会变得比较 短。此时可以使用一种简单的导体组成的信号波长的一半或者更小的天线来满足 系统需要，这时的天线称为电双极天线。电双极天线由电磁场产生标签电流，流 经充电电容产生电压供给芯片。1 4 1 r f i d 标签根据应用场合、形状、工作频率和工作距离等因素的不同采用不同 类型的天线。一个r f i d 标签通常包含一个或多个天线。标签的天线制作工艺有线 圈工艺、蚀刻工艺、印刷工艺等方法。 1 ) 线圈工艺要求天线线圈要逐个绝缘，因此生产费时，成本较高，不利于大 量生产，但通信距离相对较长； 2 ) 蚀刻工艺是在附着铝箔或铜箔的胶片上进行蚀刻形成的天线。可形成器件 卷，用高速贴片机组装，适合于大量生产，价格相对较低，是目前主流工 电子科技大学硕士学位论文 艺： 3 ) 印刷工艺是通过使用导电油墨( 如银糊) 的丝网印刷法形成天线的工艺， 有望生产最廉价的r f i d 电子标签。但目前此类天线的电子标签在频率特 性和导电稳定性方面还存在问题； 为了保护标签芯片与天线，同时也便于使用者的使用方便，根据不同的应用 需求，可以将标签封装成各种不同的大小和形状，包括射频卡、智能标签、玻璃 管标签、钥匙挂扣标签、腕带标签、钉子标签、耐热标签、金属标签等。 r f i d 标签和阅读器工作时所使用的频率称为r f i d 工作频率。目前r f i d 使 用的频率跨越低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频( u h f ) 、微波等多个频段。r f i d 频率的选择影响信号传输的距离、速度等，同时还受到各国法律法规限制。 3 标签的发展趋势 未来标签可能有如下的发展趋势： 1 ) 无源系统是未来的主流趋势，如果有源系统的成本降低，其应用也会越来 越广泛； 2 ) 性能更加优越。作用距离更远、读写性能更加完善、高度移动物品识别、 多标签快速读写、标签一致性更好、环境适应性更好、体积更小； 3 ) 标签功能多元化，如带有蜂鸣器或传感器的标签等； 4 ) 专用标签的研发与应用，如高温高湿磕碰等环境下使用的标签。【5 】 1 2 2 阅读器( r e a d e r ) 阅读器有时也被称为查询器、通讯器或称为读出装置，的主要任务是控制射 频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解 码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。 阅读器在r f i d 系统中起到举足轻重的作用。阅读器的频率决定了r f i d 系统 的工作频段；阅读器的功率直接影响r f i d 的工作距离与阅读效果的好坏。 1 阅读器的作用 阅读器位于应用系统与标签之间，用于实现对标签中数据的读写功能。主要 完成以下功能： 1 ) 阅读器与标签之间的通信功能：目前技术条件下可实现阅读器和标签之间 的双向通信； 2 ) 阅读器和计算机之间可以通过标准接口如r s 2 3 2 等进行通信，提供本阅 4 第一章引言 读器的识别码、本阅读器读出标签的实时时间、读出的标签信息； 3 1 能够在阅读区内实现多标签同时识读，具备防冲撞功能； 4 ) 能够校验读写过中的错误信息；。 5 ) 对于有源系统，阅读器能够识别标签电池的相关信息，如电量等。 2 阅读器的基本构成 阅读器的基本构成分为两个部分：硬件部分和软件部分。 软件部分负责对阅读器接收到的指令进行响应和对标签发出相应的动作指 令；与应用系统软件进行通信；执行防碰撞算法等。 硬件部分通常由两个基本功能模块组成，即控制系统和高频接口( 接口器、 发送器) 。控制系统也称为读写模块，其主要任务是： 1 ) 执行从应用系统软件发来的动作指令； 2 ) 控制与射频电子标签的通信过程； 3 1 信号的编码与解码； 4 1 对阅读器和标签之间传送的数据进行加密和解密； 5 ) 进行阅读器和标签之间的身份验证。 高频接口也称为射频模块，其主要任务是： 1 ) 产生高频发射能量，激活射频电子标签并为其提供能量； 2 1 对发射信号进行调制，用于将数据传输给射频电子标签； 3 ) 接收并解调来自射频电子标签的射频信号。 高频接口和控制器之间的接口将高频接口的状态以二进制的形式表示出来。1 表示有高频信号，0 表示没有高频信号。 3 阅读器的形式 根据应用不同，阅读器可以是手持式或固定式。当前阅读器成本较高，而且 大多只能在单一频率点工作。未来阅读器的价格将大幅降低，并且支持多个频率 点，能自动识别不同频率的标签信息。 4 阅读器的发展趋势 根据目前的技术形态和未来的应用需求，阅读器的发展可能存在着如下的发 展趋势： 1 1 阅读器模块化，甚至可以把不同协议集成在一个阅读器模块上，目前已经 出现了这种多协议的阅读器； 2 1 采用相位控制技术的职能多天线借口； 3 ) 多种数据通信接口，适应不同的应用系统需求，接口之间可以转换。目前 电子科技大学硕士学位论文 市场上的产品，大多具有r s 2 3 2 4 8 5 、u s b 等单一接口方式，还可以提供 其它用户可选的接口方式，将来这些配置可能会是一种标准配置； 4 ) 阅读器小型化、便携化、嵌入化： 5 ) 更多新技术的应用，如智能信道分配技术、扩频技术、码分多址技术等。 1 2 3 应用支撑软件 r f i d 应用支撑软件除了标签和阅读器上运行的软件外，介于阅读器与企业应 用之间的中间件是其中的一个重要组成部分。该中间件为企业应用提供一系列计 算功能，在电子产品编码( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ，e p c ) 规范中被称为s a v a n t 。 其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行过滤、汇集和计算，减少从阅读器传 往企业应用的数据量。同时s a v a n t 还提供与其他r f i d 支撑系统进行互操作的功 能。s a v a n t 定义了阅读器和应用两个接口。 1 3r f i d 的研究情况及应用情况 r f i d 是芯片技术、无线电技术和计算机技术的结合，因此r f i d 体现了这些 技术的优点，也必然要受到这些技术的制约。目前r f i d 在应用中受到的限制主要 表现在以下几个方面： 1 ) 易受周围开放电磁环境的影响。 2 ) 在对电磁波传播有影响的物体上使用效果不理想，主要是在电子波无法穿 透过的物体和吸收电磁波的物体上使用效果不好，在某些情况下甚至完全 不能工作。 3 ) 识读效果受发射电波能量的限制。在实际应用中，r f i d 标签识读的准确 性并不能达到百分之百，单位时间内可识读的标签数量也是有限的。 4 ) 识读设备之间易产生相互影响。设备( 如天线放置及天线方向) 安装如不 合理，使用效果会受到严重影响，甚至完全失效。 正是由于r f i d 技术的不成熟，因此关于r f i d 技术的研究如火如荼，如关于 阅读器与标签、天线的研究：e p c 、e p c g l o b a l 网络的研究，u i d ( u b i q u i t o u si d ) 研究等等。 今年来，r f i d 技术在国内外发展很快，被广泛应用于工业自动化、商业自动 化、交通运输控制管理、空间定位与追踪、系统安防等众多方面。 6 第一章引言 1 3 1r f l d 的研究情况和标准化 r f i d 研究和标准化主要的推动国家和地区有美国、日本、欧洲、和中国等。 为推进r f i d 的研究和标准化工作而建立了e p c g l o b a l 和u b i q u i t o u si dc e n t e r 等国 际团体。同时i s o i e c 也在不断的推进r f i d 的标准化工作。 1 3 1 1e p c g o i b a i 网络的研究情况和e p c 标准 1 e p c 概要 电子产品编码e p c ( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 是在作为编码i d 的条码内容( 厂 家编码+ 商品分类编码) 的基础上增加顺序编号形成的码制，可实现对个体商品的 管理。根据关于e p c 标准化的提案( ( e p ct a gd a t as t a n d a r dv e r s i o n1 1r e v 1 2 6 ( 2 0 0 4 年9 月1 9 日) ，e p c 支持各行业以下的码制：g d i ( g e n e r a li d e n t i f i e r ) 不 限定特定对象的一般d 体系；g t i n ( e a n u c cg l o b a lt r a d ei t e mn u m b e r ) 使用 条码等编码的世界通用商品i d 体系；s s c c ( e a m u c cs e r i a ls h i p p i n gc o n t a i n e r c o d e ) 识别集装箱、货运托盘的i d 体系；g l n ( e a n u c cg l o b a ll o c a t i o nn u m b e r ) 识别场所的i d 体系；g r a i ( e a n u c cg i o b a lr e t u r n a b l ea s s e ti d e n t i f i e r ) 识别运 货托盘和通用包装箱等在企业之间循环使用资产的i d 体系。g i a i ( e a n u c c g l o b a li n d i v i d u a la s s e ti d e n t i f i e r ) 标准化的企业内部资产管理体系。1 6 1 e p c 的编码体系基本由以下四部分构成，即编码头码段( h e a d e r ) 、行业管理 码段( d o m a i n m a n a g e r ) 、商品分类码段( o b j e c t c l a s s ) 和顺序编号码段( s e r i a l n u m b e r ) 。如图1 2 所示。 图1 2 e p c 的基本构成 码体系 2 e p c g l o b a l 的组织和标准化 e p c g l o b a l ( e p c ：e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ) 是r f i d 的国际性标准化团体，是 为在全球提供r f i d 应用服务而开展研究和推进标准化的非营利性组织。包括了中 电子科技大学硕七学位论文 国复旦大学在内的7 所国际大学，分为商务活动组( b a g ，b u s i n e s sa g ) 和技术 活动组( t a g ，t e c h n i c a la g ) 正在开展r f i d 的前瞻性研究工作。 b a g 编制用于一般消费品流通的需求规范和特殊情况( 医药物资流通、军事 物品识别、特殊法律要求) 的需求规范；根据b a g 提出的需求进行软件技术标准 化( 在阅读器以上的网络层各组成部分的接口规范) 和硬件技术标准化( i 讧i d 电 子标签与阅读器间通信协议的规范) 。 研究目标是利用写有e p c 的r f i d 电子标签和阅读器提供全球供货连的体系。 跟踪商品从出厂到回收利用的全部生命周期。并随时可以从w e b 应用层终端获取 商品信息并加以利用。e p c g l o b a l 网络只读取r f i d 电子标签的i d ( e p c ) ，而与 i d 相关联的所有信息均由网络的服务器进行管理。可以实现比条码更有效的商品 流通管理。在产品的整个生命周期，e p c 代码成为产品的唯一标识，以此e p c 编 码为索引能实时的在e p c 网络上查询和更新产品相关信息，也能以它为线索，在 各个流通环节对产品进行定位追踪。在运输、销售、使用、回收等任何环节，当 某个阅读器在其读取范围内监测到标签的存在就会将标签所含e p c 数据传往与 其相连的服务器，最终获取产品的特定信息，进行必要的处理后，触发后端企业 应用做更深层次的计算，同时服务器对本次阅读器读取进行记录和修改相应数据。 不但可以提高商品的批发、检验等流通过程的管理效率，还能够通过自动读 取商品信息实现商品防盗、仓库实时管理等诸多功能。还可以通过网络向生产厂 家的e p c 信息服务器进行咨询，掌握资源的循环利用情况，以逐步解决环境问题。 e p c 西o b a l 应用将产生大量r f i d 数据。以1 0 0 个阅读器规模的i u d 系统为 例，每个阅读器每秒进行1 0 次遍历，整个系统每天产生的r f i d 数据可达1 0 0 0 g 规模。如何对r f i d 数据进行采集、过滤、分析、存储和提取也是当前r f i d 研 究的热点之，一。 1 3 1 2u b i q u i t o u si d 的研究情况 2 0 0 3 年在日本成立了u b i q u i t o u si d 中心，研究开发用于自动识别“物品 和 “场所”的核心技术，以及开展以u b i q u i t o u si d 技术为基础的系统应用。u b i q u i t o u s i d 中心还研究用于识别“物品和“场所 的码制( u c o d e ) 的标准化和编码配 置。 在信息无处不在的社会中，所有的“物品 和场所都会被赋予写有被称为 “u b i q u i t o u s 编码”( u c o d e ) 即i d 的r f i d 电子标签( u b i q u i t o u s 电子标签- - - - u c o d e 电子标签) ，进而“人 也都将持有u c o d e 电子标签。系统根据这些u c o d e 电子标 第章引言 签读取的u c o d e ，可以通过网络向人们提供各种服务。为了识别现实世界中的“物 品 和“场所”出现了1 2 8 b i t 的u c o d e 编码( 根据需要可以以1 2 8 b i t 为单位扩张) 。 u c ( u b i q u i t o u sc o m m u n i c a t o r ) 是在u b i q u i t o u s 处理环境与人之间进行通信 的终端，能够实现在“任何时间 、“任何地点”、从“任何网络或终端 获取信息 的目的。u c 具有p d a 型、u c p h o n e 型和称为u c 的手表型等不同形式。 1 3 1 3ls o ie c 的动态 i s o i e c 正在实施r f i d 电子标签与阅读器之间无线通信协议的标准化工作。 主要r f i d 电子标签的标准及特征如表1 2 所示。 表1 - 2 i s o i e c 的标准化 标准频段特征 i s o 正c 1 3 5 k h z 以下 第2 部分规定了1 3 5 1 d - i z 一下频段的a 、b 两种类型。由于 1 8 0 0 0 2 是以无源标签为前提，因此通信距离为几十厘米左右。 第3 部分规定了1 3 5 6 m h z 频段，以无源标签为前提，信用 i s o m c 卡大小的电子标签通信距离为几十厘米左右。该标准讨论 1 3 5 6 m h z 了两种模式：模式l 以i c 卡的标准i s o i e c l 5 6 3 9 为基础： 1 8 0 0 0 3 模式2 通信速率为4 2 4 k b i t s ，在高速识别等要求快速处理 场合十分有效。 第4 部分规定了2 4 5 g h z 频段，讨论了两种模式：模式l i s o i e c 采用了f i - i s s 方式，由于是以无源标签为前提，其通信距 2 4 5 g h z 1 8 0 0 0 - 4 离为l o o m - l m 左右；模式2 同样采用了f h s s 方式，但由 于是以内装电池为前提，其通信距离可达l o m 左右。 该频段在i t u ( 国际电信联盟) 规定的第三区( 亚洲大洋 i s o i e c洲地区) 没有被指定为i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t i f i cm e d i c a l ) 波 8 6 0 9 6 0 m h z 1 8 0 0 0 6段，在日本移动电话是该频段的主要业务，但将9 5 2 9 5 4 m h z 开放用于较大功率r f i d 电子标签。 i s o i e c 是非接触型i c 卡的近距离( 1 肚7 0 c m ) 国际标准。与 13 5 6 m h z i s o i e c l 4 4 4 3 标准的非接触型i c 卡相比存储容量较小，但 1 5 6 9 3 通信距离较大。 是非接触型i c 卡的微距离( 几毫米几十厘米) 国际标准。 与i s o i e c l 5 6 9 3 标准的非接触型i c 卡相比较存储容量较 i s o i e c 1 3 5 6 m h z大，通信速率也较快。共有a 、b 两个类型：类型a 用于 1 4 4 4 3 公用电话i c 卡等用途；类型b 用于公民基本信息卡和其它 卡。另外f e l i c a 不符合本标准，但通常将其称为类型c 。 1 3 1 4 非接触型ic 卡概要及其动态 非接触型i c 卡是r f i d 电子标签的一种类型，主要用于付账结算，具有较高 的安全性。i c 卡型r f i d 电子标签可以按照通信距离分为以下几种类型：i c 卡与 9 电子科技大学硕士学位论文 阅读器通过物理接触进行通信的“接触型 ；通信距离在2 m m 以内的“微距型”； 通信距离在1 0 c m 左右的“接近型 ；通信距离在7 0 c m 以内的“近距型 ；通信距 离在7 0 c m 以上的“远距型 等。除接触型的i c 卡以外，都称为“非接触型i c 卡 ， 如图1 3 所示。目前，使用最为普及的是接近型i c 卡。 接触型 非接触型 图1 3i c 卡的分类 其中“接近型”非接触i c 卡又可以细分为a 类( t y p e a ) 、b 类( t y p eb ) 和c 类( t y p ec ) 3 种类型，由i s o i e c l 4 4 4 3 实现标准化的只有a 、b 两种类型， c 类又称为f e l i c a 型，是一种特殊规格。a 类用于飞利浦公司的m i f a r ei c 卡，在 欧美得到了广泛应用，在中国应用也逐渐增多。由摩托罗拉公司所倡导的b 类用 于居民户籍管理卡。 1 3 2r fid 系统的应用情况 9 0 年代中期用该技术生产的装置被开始应用在英国、法国、加拿大、澳大利 亚、芬兰及捷克等国的公共交通系统上。随着其应用范围的不断扩大，再加上应 用装置的增加，与r f i d 相关的行业得到了长足的发展。 1 0 第一章引言 目前r f i d 典型应用包括：在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用 品销售；在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、公交收费、高速公路收费与停 车收费；在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪； 在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪；在制造业用于零部件与库 存的可视化管理；r f i d 还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟 踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域。 1 3 2 1r f id 在国外的应用情况 射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。在北美、欧洲、 大洋洲、亚太地区，射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通 运输控制管理等众多领域：汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停 车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物 管理：车辆防盗等。 2 0 0 3 年3 月，g a r t n e r 在“s y m p o s i u mi t x p o2 0 0 3 ”上预测，r f i d ( e t a g s ) 技术属于最近2 5 年( 2 0 0 5 - - - 2 0 0 8 年) 将逐渐开始大规模应用的技术。根据a r c 顾问集团的预测，到2 0 0 8 年r f i d 仅在全球供应链领域的市场需求将达到4 0 亿美 元目前，r f i d 已成为i t 业界的研究热点，被视为i t 业的下一个“金矿。各大 软硬件厂商，包括m m 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、t i 、m i c r o s o t l 、o r a c l e 、s u n 、b e a 、 s a p 等在内的各家企业都对r f i d 技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，相继投入 大量研发经费，推出了各自的软件或硬件产品及系统应用解决方案。在应用领域， 以w a l m a r t 、u p s 、g i l l e t t e 等为代表的大批企业已经开始准备采用r f i d 技术对 业务系统进行改造，以提高企业的工作效率并为客户提供各种增值服务。 纵观当前全球r f i d 技术的开发应用情况，美国在其国防部和沃尔玛等大型连 锁企业积极推动下，不论在r f i d 标准的建立、相关软硬件技术的开发、各种独立 应用，还是物流应用均走在世界的前列。美国很多政府部门和商业机构都使用了 r f i d 系统。2 0 0 5 年1 0 月沃尔玛已将在美国应用r f i d 系统的连锁店扩大到了6 0 0 家，配送中心1 2 个。通过使用r f i d 系统，沃尔玛不仅减少了商品的流通损耗， 还是先了供应链的透明化、库存管理的合理化。吉列( g i l l e t t e ) 在美国销售的女 性用剃刀都贴有r f i d 电子标签。因为这种商品体积小、价格高，在零售商店容易 失窃。米其林( m i c h e l i n ) 也在汽车轮胎侧面设置了r f i d 电子标签，可以通过r f i d 标签内部的信息快速识别轮胎的技术参数和使用车型等1 2 种相关信息。美国食品 及药物管理局( f d a ) 希望通过r f i d 标签来确保处方药品的合法性。在这套系统 电子科技大学硕士学位论文 中，每种药品流动都会带有具有唯一序列号的只读r f i d 标签。供应商可以在流通 过程追踪其走向，同时在顾客购买确认时，能准确判断该种药物是否来自合法的 供应商以及是否由合法零售商销售。尽管f d a 认为很难在如此巨大而复杂的处方 药品供应链中实现这套系统，但f d a 会不断投资，并计划在2 0 0 8 初步实现该系 统。美国国防部也采用了r f i d 电子标签系统提高重要军事物资在运输过程中的可 监控性，取得了良好的效果。 在产业方面，t i 、i n t e l 等美国集成电路厂商目前都在r f i d 领域投入巨资进行 芯片开发。s y m b o l 等已经研发出同时可以阅读条形码和r f i d 的扫描器，i b m 、 m i c r o s o f t 等也在积极开发相应的软件及系统来支持r f i d 的应用。欧洲的英国和 德国的零售企业也已经开展了r f i d 系统的试验，很多欧洲企业都在积极进行r f i d 芯片、阅读器产品的开发。德国的麦德龙、法国的家乐福公司都使用了r f i d 电子 标签系统。 日本已在图书馆管理、工业制造等领域开始应用r f i d 技术，政府制定e j a p a n 和u j a p a n 计划，指导企业对r f i d 在物流领域的应用进行开发、测试和应用试验， 鼓励企业尝试r f i d 在开放系统中的应用。新加坡在9 2 年通过在濒临灭绝的鱼体 内注入r f i d 标签来进行珍惜吴忠的个体管理，防止其走私。9 8 年开发使用了r f i d 电子标签的图书管理系统，在1 千万册图书上装贴了r f i d 电子标签，实现了世界 上最大规模的射频识别图书管理系统。韩国于2 0 0 4 年开始实施了使用u h f 频段 r f i d 电子标签的试验。包括对进口澳大利亚牛肉的追溯试验、在济州机场至金普 国际机场航线上防止托运行李运输差错的试验，以及军队在武器弹药管理方面的 试验。【7 】 1 3 2 2r f i d 在中国的应用情况 与发达国家相比，中国在r f i d 技术和应用上还只是处于发展初期，特别是超 高频u h f 应用方面基础薄弱、应用分散和缺乏规模优势，没有掌握芯片设计制造、 天线设计、封装技术及装备等关键核心技术，相关标准规范不完整。同时，我国 射频识别技术又拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。相对与条码技术而言， 射频识别技术的发展和应用的推广将是我国自动识别行业的一场技术革命。 r f i d 技术在中国的应用可以归结为以下1 0 个领域：小额支付、动物管理、 铁路管理、车辆管理、人员管理、传统制造业的改造、矿井井下人员定位、证照 管理、市政应用、物流领域应用。 目前我国实际应用的领域主要应用是射频卡的应用。r f i d 卡有可靠性高、稳 1 2 第一章引言 定性好、智能防伪、防冲撞等技术特点。i c 卡与阅读器之间无机械接触，避免了 由于接触读写而产生的各种故障。非接触式卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片 脱落、静电击穿、弯曲、损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片使用的 可靠性。操作方便、快捷由于使用射频通讯技术和防冲撞技术，阅读器在1 0 c m 范围内就可以对卡片进行读写，没有插拔卡的动作，且可以对多张卡同时操作。 非接触卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过阅读器表面，读写时间不大 于0 1 秒，大大提高了识别的速度。i s 作为全球的制造业基地，中国将是未来全球最大的r f i d 应用市场。这对于 国内的科研机构和企业将是一次难得的机遇。目前，我国在r f i d 芯片、r f i d 系 统安全等核心技术方面的研究几乎还是空白，在r f i d 应用方面也还处于起步阶 段。未来在政府推动、企业参与的环境下，在庞大市场空间的吸引下，在中国会 有越来越多的企业和研究机构参与r f i d 技术的研发和应用，会有更多的企业利 用r f i d 技术进行企业信息化改造。中国将不仅主导r f i d 技术的应用市场，也 应该成为r f i d 技术的全球研发中心。 值得注意的是，r f i d 不仅仅受到全球i t 行业和制造业的普遍关注，而当前 一些具备前瞻视野的通信设备制造商和电信运营商己着手研究如何将r f i d 技术 与现有或未来的通信系统相结合，开发新的业务和应用，进一步丰富电信业务的 种类及功能，推动电信行业的健康可持续发展。 r f i d 将构建虚拟世界与物理世界的桥梁。可以预见，在不久的将来，r f i d 技 术不仅会在各行各业被广泛采用，最终r f i d 技术将会与普适计算技术相融合， 对人类社会产生深远影响。 1 3 3 射频识别技术面临的机遇与挑战 1 隐私 随着r f i d 逐渐广泛使用，它越来越得到人们的关注。很多社会人士、技术 人员以及支持保护个人隐私者等都开始对r f i d 的使用提出置疑。保护隐私支持者 们认为，很多企业在使用r f i d