两种UHFRFID标准标签数据结构差异对读写器设计的影响.docx

两种uhf rfid标准标签数据结构差异对读写器设计的影响李一春，王效东（江苏瑞福智能科技有限公司，江苏 南京 210049）摘 要：为了设计读取gb/t 29768-2013标准标签的读写器，对iso 18000-6c和gb/t 29768-2013两种标准的标签数据 结构进行了对比分析，给出了影响读写器设计性能的若干问题以及有针对性的fpga解决办法。关键词：uhf；rfid；epc；超高频读写器；gb/t 29768-2013中图分类号：tp301文献标志码：a文章编号：2095-1302（2014）10-0015-020 引 言由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会 发布，于 2014 年 5 月 1 日实施的 gb/t 29768-2013信息技术 射频识别 800/900 mhz 空中接口协议规定了 840 845 mhz 和 920 925 mhz 频段射频识别系统空中接口的物理层和媒体访问控制层参数以及协议工作方式。该标准是由 2011 年l:o3l:lb. .其中编码区由编码长度和编码头组成。lok ookl)ko)k颁布的国军标 gjb 7377.1-2011军用射频识别空中接口 第一 部分 ：800/900 mhz 参数转化而来，两者在前向前导码和 反向链接频率以及启动查询和分类命令结构有些差异，但是 查询机制两者完全相同，它们的数据结构的标签与符合 iso 18000-6c 标准 1 的标签在媒体访问控制层和协议工作方式上 有比较大的差异。所以目前这三种标准在标签数据结构上可 以分为两类，为了适应这种差异，在读写器软件设计上需要有 些对应措施。1 标签数据结构差异iso 18000-6c 标签数据结构如图 1 所示，完整电子标签 由 user、tid、epc 和 reserved 四个 bank 组 成， 其中 epc 部分包含 crc 、pc 和 epc 数据三个部分。crc 由标签 本身自动对 pc 和 epc 两部分计算得到，在写标签时不需要 特意单独写入 crc 内容。86(57,(3&5(6(59(3&l:o(3&1:1l3&l:o&5&lbl:o%dqnll%dqnlo图 2 gb/t 29768 标签的数据结构两种标签构成相似， 但是在密集标签分群盘点方面， iso 18000-6c 标签的数据结构相对更容易在存储空间有限的 基于微控制器读写器设计中实现。2 微控制器读写器解码的可行性分析在读写器设计中，通常采用微控制器实现对电子标签 的解码识别，当使用比较快的反向链接频率时，标签的应答 信号脉冲间隔只有几微秒甚至更短，受微控制器处理速度限 制，如果微控制器带有时钟定时器等中断，处理这样快速脉 冲可能会因为中断占用识别处理的时间从而丢失脉冲信号导致 解码失败，因此不使用定时器中断可以减少高反向链接频率 时的解码失败可能性。在盘点标签的解码周期中，无论 iso 18000-6c 还是 gb/t 29768 都规范了标签命令间隔，在 iso18000-6c 和 gb/t 29768 中都定义了相同的时间参数 t2 数值 范围 3tpri 20tpri。超过规范时间，标签会反转内部标志，在 iso 18000-6c 中，因为反向链接频率为 40 640 khz，相应%dqnol%dqn oooklok ook)kl)ko)kt2 数值范围最大允许值为 500 32.5 s，在 gb/t 29768 标准中反向链接频率为 64 640 khz，相应 t2 数值范围最大允 许值为 325 32.5 s，所以当设计高速的反向链接频率读写图 1 iso 18000-6c 标签的数据结构gb/t 29768 标签数据结构 4 如图 2 所示，完整电子标签 由也是用户区、安全区、编码区和标签信息区四个空间组成，收稿日期：2014-05-12器时，使用微控制器解码标签的过程中，没法将刚刚解码的 标签传给上位机以便腾出空间，只能先缓存在微控制器的数 据存储空间中。由于微控制器系统存储空间容量有限，这限制 了基于微控制器的读写器每轮最多识别标签的容量。如果期望全面感知 comprehensive perception使用带有外部扩展 sdram 的嵌入式控制系统，因为系统都 带有节拍定时器，存在中断处理开销，这在识别高反向链接 频率标签是不可接受的，即使使用双微控制器，其中一个控 制器专用于标签识别，也会受指令执行速度影响，不能设计出 高反向链接速度的读写器。3 标签分群解码的实现比较读写器还有缓存标签数据能力，以便转给上位机控制 器，受微控制器存储容量的限制，设计中可以考虑把标签分 群分批次识别来解决微控制器存储容量的瓶颈。在分群方面， iso18000-6c 标签数据结构相对 gb/t 29768 的标签数据结 构有些优势。iso18000-6c 标签数据结 构（图 1），包含的 crc 部分 所占地址是固定在 00h 0fh 这 16 个位空间处，分群所用 select 命令构成参见图 3 所示。commandtargetactionmembankpointerlengthmasktruncatecrc-16图 3 select 的命令构成对于随机的或是编号成序列的一群标签，利用标签的 crc 存放中的几个位作为分群 select 命令的掩码 mask， 结合指示位置的 pointer 和指示匹配长度的 length，如果用 crc 的二进制高三位，pointre=00h，length=03h，mask 依 次可配置成 000b 111b，可以把标签分成 8 个子群来进行盘 点，作为对比评估，如果用标签 epc 部分做掩码来分群，假 如选标签大致成序列，而且选中的是序列的二进制最低三位， 那可以最均匀地分配出 8 个子群，但是如果在另外一个识别 场合，标签群的序列号定义是新的格式，那就不幸可能标签 全集中到一个群中，但是利用 crc 部分的数据却可以相对均 匀地把成序列的标签群拆分。这方面的比较说明了利用 epc 部分位来分群的局限性，而利用 crc 存放部分的数据位来分 群可以在不确认标签数据格式前提下，相对均匀的把标签分 成小群。gb/t 29768 标签数据结 构（ 图 2） 缺少 crc 部 分， 故 编码头部分在 gb/t 297683 中没有描述，通过参考 gjb 7377-2011 和 gjb 7382-20115 等类似标准，得知其不具有序列性质，由于缺少固定位置相对随机的的数据结构，gb/t 29768 标签 分群能力大大弱于 iso 18000-6c 标签，不利于存储容量有限 的微控制器的读写器盘点大群标签。4 基于 fpga 实现的读写器解决方案前面分析了基于微控制器的读写器在实现高速盘点大群 标签特别是盘点 gb/t 29768 标准标签的困境，如果采用并行 操作的 fpga 代替指令串行执行的微控制器，利用 fpga 设 计多个并行工作的状态机，通过先进先出寄存器就可以在新命令发出过程中把前面命令获得的标签返回数据通过接口转 移到外部嵌入式控制器，不用进行分群盘点方式就可以实现 大容量的记录处理。基于 fpga 代替微控制器的读写器结构框图如图 4 所示， 其中 fpga 中的控制状态机是整个系统的核心，它通过接口 控制器、命令状态机、解码状态机、频率控制器、fifo 控制 器等部分实现读卡功能。噿 嚀 仁/$/仁),)2仁仁)3*$图 4 基于 fpga 代替微控制器的读写器结构框图接口控制器包含同步串行接口 spi 从控制器， 可以使 fpga 通过 spi 接口与外部嵌入式微控制器通讯，接受嵌入 式控制器命令并返回得到的标签数据，是对外交互通道。命令状态机根据控制状态机处理的接口命令和解码状态 机解调的信息，把新的命令序列处理成串行数据送给外部数 字模拟转换器，进而输出 iq 两路模拟信号供给调制器。解码器把来自外部模拟数字转换器的数据，根据解码规 则处理出标签信息，转给控制状态机去控制命令状态机，并 把需要输出的数据放入 fifo 存储器中缓存，等待外部嵌入式 控制器取走。频率控制器根据控制状态机的命令，输出相应命令串驱 动外部频率合成器产生所需要的射频载波，再给后级调制解 调输出。fpga 可以并行处理数据，在控制状态机让命令状态机 发送命令或是解码状态机在处理返回信息同时还可以处理接 口控制器的事务，把前面缓冲在 fifo 存储器的数据通过接口 传给外部嵌入式控制器，外部的嵌入式控制器外挂大容量的 sdram，其与 fpga 之间的 spi 通讯接口接口传送的速率要 高于标签响应速率，所以只要外部嵌入式控制器与 fpga 配 合好，突发性地把 fifo 存储器中的缓冲数据取走，就能实现 基于微控制器的读写器无法实现的高反向链接频率下的巨大 读卡容量。在基于 fpga 的读写器中，设计为最高 640 khz 的反向 链接频率时，因为操作的并行性，不同于基于微控制器的指 令方式，处理前述标签标准中的 t2 参数没有任何压力，同时 解码处理方式是依靠模拟数字转换器输入，可以对数据先进 行滤波再进行边沿识别，利用相对微控制器更完善的识别判 断手段，提高对弱信噪比信号识别的成功率。而基于微控制器的读写器，最高处理反向链接速度是 320 khz，速度很快，因（下转第 19 页）16 物联网技术 2014年 / 第10期体来说，可以存在两种部署方式 ：（1）与应用结合的部署方式 对于规模较小、业务较单一的项目，可以采用这种方式。即“一个平台 - 一个应用”的方式。这种部署方式下，物联网 平台不独立运营，而是与应用一起发布到一台服务器，或一个 小型服务器集群上。可以考虑选用较为轻量级的 esb 产品来 进行整合。服务间的相互调用，宜采用各种轻量级的调用方式， 甚至本地调用，服务注册等功能（如 uddi）可以省去。这种 部署方式同样保留了 soa 的种种优势，同时不会使得整个系 统变得过分臃肿。（2）独立运营的物联网平台 对于大型业务，后续扩展可能性较大的项目，宜采用独立运营物联网平台的方式进行部署。物联网平台单独运营于 一个服务器集群之上，并由专门的运营团队进行日常维护。物 联网平台除保证完善的支撑业务功能外，还要实现完善的安 全机制和服务注册机制。所有外部服务（具体业务应用）通过 完善的远程调用机制（如 web service）来实现与平台服务或 其他外部应用服务的交互。综上所述，基于 soa 的物联网平台是非常灵活的，能够 实际项目特点，选择合适的部署方式。同时，两种部署方式也 能够方便地进行转换。3 结 语本文结合相关经验，对基于 soa 的物联网平台设计进行 了详细讨论，以物流行业综合采集中间件为例，讨论了物联网 平台扩展性与支撑性通过 soa 的实现策略。为各类物联网项 目的建设，提供了一定的经验参考。参 考 文 献1 毛新生 . soa 原理、 方 法、 实践 m. 北京 ：电子工 业出版社，2007.2 中国物流产品网 . 物联网技术在物流业的应用现状与发展前景 j/ ol. 2011-11-01. http ：//news/2010-11-1/ k6cdhbgcbag741c4828.html.3 张智文. 射频识别技术理论与实践 m. 北京：中国科学技术出版社，2008.4 nicolai m.josuttis. soa in practice ：the art of distributed systemm. oreilly media，2007.5 吴晓钊，王继祥 . 物联网技术在物流业的应用 j. 物流技术与应用，2011（2）：52-56.作者简介：马吕栋（1970），男，汉族，天津市人，大学本科，工程师。主要研究方向为通讯及物联网。（上接第 16 页）为识别代码指令执行需要时间，过短的数据间隔导致前面没 处理完成后面新数据就到达的状况，这时数据会丢失导致解 码失败，另外一个性能限制是命令之间时间参数 t2 问题，已 经处理的数据没有充足时间传给上位机只能先放到 ram 中缓 存，容量受限。5 结 语在对 gb/t 29768 与 iso18000-6c 两种标签的数据结构 差异对比分析基础上，分析了基于微控制器实现读写器的局限 性和基于 fpga 结构的读写器实现的优越性，当然，后者开 发难度，器件成本、功耗和体积都会有所增加。在应用场合， 可以根据需求，有针对性地采用高性能或是适当降低读取指 标关注小体积低成本的方案。参 考 文 献1 iso/iec 18000-6 ：2013 information technology-radio frequency identification for item management-part6 ：parameters for air interface communications at 860mhz to 960mhz general s2 iso/iec 18000-63 ：2013 information technology-radio frequency identification for item management-part63 ：parameters for air interface communications at 860mhz to 960mhz typec s3 iso/iec 18047-6 ：2012 information technology-radio frequency