RFID的组网技术.ppt

射频识别技术 RFID 第2章射频识别技术 2 1自动识别和数据采集技术2 2RFID系统的组成部件2 3RFID电子标签2 4RFID标签读写器2 5RFID系统的工作原理2 6RFID组网技术2 7RFID的标准化2 8系统部件的选择2 9RFID技术和其他技术的结合 2 1自动识别和数据采集技术 2 1 1自动识别技术的概念和分类2 1 2常用的数据采集技术2 1 3射频标签与条形码的区别2 1 4RFID在中国的发展现状 2 1 1自动识别技术的概念和分类 自动识别技术根据识别对象的特征可分为两大类 数据采集技术和特征提取技术 它们的基本功能都是完成对物品的自动识别和数据的自动采集 数据采集技术需要被识别物体具有特定的识别特征载体 如标签 磁卡等 特征提取技术则根据被识别物体本身的行为特征 包括静态的 动态的和属性的特征 来完成数据的自动采集 图2 1自动识别技术的分类 2 1 2常用的数据采集技术 条码技术条形码或条码 barcode 是将宽度不等的多个黑条和空白 按照一定编码规则排列 用以表达一组信息的图形标识符 条形码可标识物品的生产国 制造厂家 商品名称 生产日期 类别等信息 在商品流通 图书管理 邮政管理 银行系统等许多领域有广泛的应用 图2 2典型的一维条码 目前使用频率最高的几种码制是EAN EuropeanArticleNumber 码 UPC UniversalProductCode 码 39码 交叉25码和EANl28码 图2 3EAN的条码实例 为了提高一定面积上的条码信息密度和信息量 在一维条码的基础上又发展出了一种新的条码编码形式 二维条码 从结构上讲 二维条码分为两类 其中一类是由矩阵代码和点代码组成 其数据以二维空间的形态编码 另一类是包含重叠的或多行条码符号 其数据以成串的数据行显示 图2 4典型的二维条码 2光学字符识别OCR OCR的三个重要的应用领域是 办公室自动化中的文本输入 邮件自动处理 与自动获取文本过程相关的其他领域 领域包括 零售价格识读 订单数据输入 单证 支票和文件识读 微电路及小件产品上状态特征识读等 优点是人眼可识读 可扫描 但输入速度和可靠性不及条码 其数据格式有限 通常要用接触式扫描器 3磁条技术 磁条技术具有以下优点 数据可读写 即具有现场改写数据的能力 数据存储量能满足大多数需求 便于使用 成本低廉 还具有一定的数据安全性 它能黏附在许多不同规格和形式的基材上 磁条技术在很多领域得到了广泛应用 如信用卡 银行ATM卡 机票 公共汽车票 自动售货卡 会员卡 现金卡 如电话磁卡 地铁AFC等 磁条技术是接触识读 它与条码有三点不同 一是其数据可部分读写操作 另外是给定面积编码容量比条码大 再就是对于物品逐一标志成本比条码高 接触性识读最大的缺点就是灵活性太差 磁卡的价格很便宜 但是很容易磨损 磁卡受压 被折 长时间磕碰 暴晒 高温 磁条划伤弄脏 或者受到外部磁场的影响 都会造成磁卡消磁 丢失数据而不能使用 4IC卡识别技术 接触式IC卡与磁卡相比较 具有以下优点 安全性高 IC卡必须通过与读写设备间特有的双向密钥认证 IC卡的存储容量大 便于应用 方便保管 IC卡的存储容量小到几百个字符 大到上百万个字符 IC卡防磁 防一定强度的静电 抗干扰能力强 可靠性比磁卡高 使用寿命长 IC卡的数据至少保持10年 读写次数能够达到10万次以上 IC卡的价格稍高些 它的触点暴露在外面 有可能因人为的原因或静电而损坏 5声音识别技术 声音识别的迅速发展及高效可靠的应用软件的开发 使声音识别系统在很多方面得到了应用 用声音指令来实现 不用手 的数据采集 这对那些采集数据同时还要完成手脚并用的工作场合 以及标签仅为识别手段 数据采集不实际或不合适的场合尤为适用 例 GSM手机上的语音电话存储是一典型的语音识别的例子 电话号码的语音准确呼出距实用还有一段相当长的距离 6视觉识别 视觉识别系统可以看作是这样的系统 它能获取视觉图像 而且通过一个特征抽取和分析的过程 能自动识别限定的标志 字符 编码结构 或者可作为确切识别的基础呈现图像中的其他特征 随着自动化的发展 视觉技术可与其他自动识别技术结合起来应用 7射频识别技术 射频技术的基本原理是电磁理论 射频系统的优点是不局限于视线 识别距离比光学系统远 射频识别卡具有读写能力 可携带大量数据 同时具有难以伪造和智能性较高等特点 射频识别 RadioFrequencyIdentification RFID 和条码一样 是非接触式识别技术 由于无线电波能 扫描 数据 所以RFID挂牌可做成隐形的 有些RFID识别产品的识别距离可以达到几百米 RFID标签可做成可读写的 RFID的优势 1 具有非接触性 识别工作无需人工干预 能够实现自动化 2 数据量大 根据需要可传输除识别信息外的目标身份信息 运行状态等 3 信息处理速度快 可以达到几十微秒 4 保密性高 未经允许几乎不能复制与修改数据 5 识别距离远 数据载体与阅读器间的最远距离可达到数十米 6 具有很强的环境适应性 抗干扰能力强 可在全天候下使用 几乎不受污染与潮湿的影响 同时还避免了机械磨损 7 一种系统可以满足多用途的要求 可以实现多目标识别 运动目标识别 8 系统可系性高 操作方便快捷 2 1 3射频标签与条形码的区别 两种不同的技术 有不同的适用范围 有时会有重叠 条形码是可视技术 扫描仪在人的操作下工作 只能接收它视野范围内的条形码 射频识别不要求看见目标 射频标签只要在阅读器的作用范围内就可以破读取 条形码还有其他缺点 如果标签被划破 污染或是脱落 扫描仪就无法辨识目标 条形码只能识别生产者和产品 并不能辨识具体的商品 贴在所有同一种产品包装上的条形码都一样 无法辨识哪些产品先过期 RFID标签 RFID标签用的导电油墨是由细微导电粒子或其他特殊材料 如导电的聚合物等 组成的 印刷到承印物上后 起到导线 天线和电阻的作用 这种油墨印刷在柔性或硬质承印物上可制成印刷电路 用导电油墨印制的天线可接收RFID专用的无线电信号 如今在高速印刷中使用导电油墨来制作RFID标签天线 优势突出 2 2RFID系统的组成部件 图2 5RFID系统基本组成 2 2 1硬件组成 1 无线射频识别技术RFID的基本原理是利用射频信号的空间耦合 电磁感应或电磁传播 传输特性 实现对被识别物体的自动识别 电磁感应 即所谓的变压器模型 通过空间高频交变磁场实现耦合 依据的是电磁感应定律 如图2 6所示 电磁感应方式一般适合于中低频工作的近距离射频识别系统 典型的工作频率有 125KHz 225KHz和13 56MHz 识别作用距离小于1米 典型作用距离为10 20厘米 图2 6电感耦合 电磁传播或电磁反向散射 BackScatter 耦合 即所谓的雷达原理模型 发射出去的电磁波 碰到目标后反射 同时携带回目标信息 依据的是电磁波的空间传播规律 如图2 7所示 电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频 微波工作的远距离射频识别系统 典型的工作频率有 433MHz 915MHz 2 45GHz 5 8GHz 识别作用距离大于1米 典型作用距离为3 l0米 图2 7电磁耦合 2 电子标签 电子标签 ElectronicTag 也称智能标签 SmartLabel 是指由IC芯片和无线通信天线组成的超微型的小标签 其内置的射频天线用于和阅读器进行通信 当阅读器发出查询 能量 信号 标签 无源 在收到查询 能量 信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作 另一部分能量信号被电子标签内保存的数据信息调制后反射回阅读器 电子标签是RFID系统的数据载体 根据其应用场合不同表现为不同的应用形态 如在动物跟踪和追踪领域中称为动物标签或动物追踪标签 电子狗牌 在不停车收费或车辆出入管理等车辆自动识别领域中称为车辆远距离IC卡 车辆远距离射频标签或电子牌照 在访问控制领域中称为门禁卡或一卡通 3 阅读器 阅读器 Reader 在RFID系统中扮演着重要角色 阅读器主要负责与电子标签的双向通信 同时接受来自主机系统的控制指令 阅读器的频率决定了RFID系统工作的频段 其功率决定了射频识别的有效距离 阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读 写装置 它是RFID系统信息控制和处理中心 2 2 2软件组成 1 中间件中间件是一种独立的系统软件或服务程序 分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源 中间件管理计算资源和网络通信 中间件应该具备两个关键特征 首先要为上层的应用层服务 又必须连接到操作系统的层面 并且保持运行工作状态 应用程序使用中间件提供的一组通用的应用程序接口 API 连到RFID阅读器 读取电子标签数据 当存储电子标签信息的数据库软件或后端应用程序增加或改由其他软件或RFID阅读器种类增加等情况发生时 应用端无需修改也能处理 解决了多对多连接的维护复杂性问题 图2 8RFID中间件 RFID中间件主要包括以下4个功能 1 阅读器协调控制 2 数据过滤与处理 3 数据路由与集成 4 进程管理 2 RFID应用系统软件 是针对不同行业的特定需求开发的应用软件 它可以有效地控制阅读器对电子标签信息进行读写 并且对收集到的目标信息进行集中的统计与处理 RFID应用系统软件可以集成到现有的电子商务和电子政务平台中 与ERP CRM以及SCM等系统结合及提高各行业的生产效率 2 3RFID电子标签 2 3 1电子标签的工作原理2 3 2RFID标签的天线2 3 3RFID标签的分类 2 3 1电子标签的工作原理 图2 9电子标签的结构图 2 3 1电子标签的工作原理 电子标签内部各模块功能如下 1 天线 用来接收由阅读器发送来的信号 并把要求的数据发送回给阅读器 2 电压调节器 把由标签阅读器送来的射频信号转换为直流电源 由大电容储存 经稳压电路以提供稳定的电源 3 调制器 逻辑控制电路送出的数据经调制电路调制后加载到天线发送给阅读器 4 解调器 去除载波以取出真正的调制信号 5 逻辑控制单元 用于译码阅读器送来的信号 并依其要求回送数据给阅读器 6 存储单元 包括EEPROM与ROM 作为系统运行及存放识别数据的位置 2 3 2RFID标签的天线 电子标签中 天线面积占主导地位 即标签面积主要取决于其天线面积 然而天线的物理尺寸受到其工作频率电磁波波长的限制 超高频 如900MHz 电磁波波长为30cm 相对于电子标签的应用来说 这个尺小还是太大 因此实际电子标签天线设计的尺寸都会小于这个尺寸 一般尺寸设计到5 10cm 这种天线一般称为小天线 2 3 3RFID标签的分类 1 供电方式分类分为有源卡和无源卡 有源RFID标签优点是作用距离远 可达到几十米 甚至可达到上百米 其缺点是体积大 成本高 使用时间受到电池寿命的限制 2 按标签工作模式分类可以分为主动式 被动式与半主动式等 主动式RFID标签依靠自身的能量主动向RFID读写器发送数据 被动式RFID标签从RFID读写器发送的电磁波中获取能量 激活后才能够向RFID读写器发送数据 半主动式RFID标签自身的能量只提供给RFID标签中的电路使用 并不主动向RFID读写器发送数据 当它接收到RFID读写器发送的电磁波并被激活之后 才向RFID读写器发送数据 3 按标签工作频率分类可以分为低频 中高频 超高频与微波等类型 不同频段的电子标签 1 低频段电子标签低频RFID标签工作频率在30 300kHz 典型工作频率为125kHz与133kHz 低频标签一般为无源标签 其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得 低频标签的阅读距离一般情况下小于1m 低频标签的典型应用有 动物识别 容器识别 工具识别和电子闭锁防盗 带有内置应答器的汽车钥匙 等 2 中高频段电子标签中频RFID标签工作频率在3 30MHz 典型工作频率为13 56MHz 采用电感耦合方式工作 此类电子标签一般也采用无源方式 其工作能量同低频标签一样 也是通过电感 磁 耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得 标签与阅读器进行数据交换时 标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内 中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米 最大读取距离为1 5米 高频标签可以方便地做成卡状 典型应用 电子车票 电子身份证和电子闭锁防盗 电子遥控门锁控制器 等 3 超高频与微波标签超高频与微波频段的电子标签 简称为微波电子标签 超高频与微波RFID标签的典型工作频率为860 960MHz 2 45GHz与5 8GHz 欧洲 亚洲的典型工作频率为868MHz 北美的典型工作频率为902 905MHz 日本的典型工作频率为950 956MHz 采用纽扣电池供电的有源微波RFID工作频率可以选择2 45GHz或5 8GHz 工作时 电子标签位于读写器天线辐射场的远区场内 读写器天线辐射场为无源标签提供射频能量 或将有源标签唤醒 相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m 典型情况为4 7m 最大可达几百米以上 读写器天线一般均为定向天线 只有在读写器天线定向波束范围内的电子标签方可被读写 由于阅读距离的增加 应用中有可能在通信区域中同时出现多个电子标签的情况 从而提出了多标签同时读取的需求 进而这种需求发展成为一种潮流 4 按作用距离分类按作用距离可分为密耦合卡 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lm 和远距卡 作用距离从1 10m 甚至更远 5 从功能上分类RFID标签又可分为只读式和读写式 只读RFID标签中的数据信息不能更改 只能被多次读取 读写式标签允许用户根据需要更改已经写入标签中的数据 6 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 把RFID标签封装成可以粘贴在标识物上的薄膜型的自粘贴式标签 可以让用户携带 类似于信用卡的卡式标签 能够固定在车辆或集装箱上的柱型标签 还可以封装在塑料扣中 作为动物耳标的扣式标签 或封装在钥匙扣中 作为用户随身携带的身份标识 也可以封装在玻璃管中用于人或动物 即植入式标签 2 4RFID标签读写器 2 4 1读写器的工作原理2 4 2读写器的功能2 4 3读写器的分类 2 4 1读写器的工作原理 图2 10RFID读写器 2 4 1读写器的工作原理 1 射频接口射频接口模块具有以下主要功能 产生高频发射能量 激活电子标签并为其提供能量 对发射信号进行调制 将数据传输给电子标签 接收并调制来自电子标签的射频信号 2 4 1读写器的工作原理 2 逻辑控制单元逻辑控制单元也称为读写模块 具有以下主要功能 与应用系统软件进行通信 并执行从应用系统软件发送来的指令 控制读写器与电子标签的通信过程 信号的编码与解码 对读写器和标签之间传输的数据进行加密和解密 执行防碰撞算法 对读写器和标签的身份进行验证 2 4 1读写器的工作原理 3 读写器天线天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号 或将电流信号转换成电磁波发射出去的装置 在RFID系统中 读写器必须通过天线来发射能量 形成电磁场 通过电磁场对电子标签进行识别 读写器上的天线所形成的电磁场范围就是读写器的可读区域 4 读写器接口方式读写器和应用系统计算机的接口方式 RFID系统的接口方式非常灵活 包括RS232 RS485 以太网 RJ45 WLAN802 11 无线网络 Wiegand 韦根 等接口 不同的接口具有不同的应用范围及性能特征 2 4 2读写器的功能 读写器具有的主要功能包括 读写器与标签之间的通信 读写器与计算机之间可以通过标准接口 如RS232等 进行通信 读写器可以通过标准接口与计算机网络连接 并提供相关信息 包括读写器的识别码 读写器识读标签的时间和读写器读出的标签信息 以实现多读写器在系统网络中的运行 读写器可以在读 写区域内实现多标签同时识读 具备防碰撞功能 读写器适用于固定和移动标签识读 读写器能够校验读 写过程中的错误信息 对于有源标签 读写器能标识电池相关信息 如电量等 2 4 3读写器的分类 按通信方式来分类 RFID读写器可以分为读写器优先和标签优先两类 按传送方向上分类 RFID读写器可以分为全双工和半双工 按应用模式分类 可以分为固定式读写器 便携式读写器 一体式读写器和模块式读写器 根据数据管理系统的功能需求以及不同设备制造商的生产习惯 读写器具有各种各样的结构与外观形式 根据天线和读写器模块的分离与否 可以分为分离式读写器和集成式读写器 2 5RFID系统的工作原理 图2 11RFID系统结构 RFID系统的工作原理是 由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号 当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流 从而获得能量被激活 使得电子标签将自身编码信号通过内置射频天线发送出去 读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号 经天线调节器传送到读写器信号处理模块 经解调和解码后将有效信号送至后台主机系统进行相关处理 主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份 针对不同的设定做出相应的处理和控制 最终发出指令信号控制读写器完成不同的读写操作 读头 阅读器的标签驱动单元 向电子标签提供工佳能量 对于无源标签 被动标签 来讲 当标签离开射频识别场时 标签由于没有能量的激活而处于休眠状态 当标签进入射频识别场时 读头发射的射频波激活标签电路 标签通过整流的方式将射频波转换为电能存储在标签中的电容里 从而为标签的工作提供能量 完成数据的交换 对于半有源标签来讲 射频场只起到了激活的作用 有源标签 主动标签 始终处于激活状态 处于主动工作状态 和读头发射出的射频波相互作用 具有较远的识读距离 时序指的是读头和标签的工作次序问题 读头主动唤醒标签 RTF 或标签首先自报家门 TTF 无源标签 一般是读头先讲的形式 对于多标签同时识读来讲 可以采用读头先讲的形式 也可以是标签先讲的形式 对于多标签同时识读 同时 也只是相对的概念 为了实现多标签无碰撞同时识读 对于读头先讲的方式 读头先对一批标签发出隔离指令 使得读头识读范围内的多个电子标签被隔离 最后只保留一个标签处于活动状态与读头建立无碰撞的通信联系 通信结束后指令该标签进入休眠 指定一个新的标签执行无碰撞通信指令 如此重复 完成多标签同时识读 对于标签先讲的方式 标签随机地反复发送自己的识别ID 不同的标签可在不同的时间段被读头正确读取 完成多标签的同时识读 读头和标签之间的数据通信包括读头向标签的数据通信和标签向读头的数据通信 在读头向标签的数据通信中又包括离线数据写入和在线数据写入 无论是只读射频标签还是可读写的射频标签 都存在离线写入的情况 对于任何一只射频电子标签来讲 都具有惟一的ID号 这个ID号对于一只标签来讲 是不可更改的 这样的ID号码可以在标签制造时由工厂固化写入 工厂编程 终身不变 无论哪种写入方式 ID号一旦写入 就不能在RFID系统中更改 ID号的写入也可以是非接触方式的写入 对于数据的在线写入来讲 指的是可写标签 电子标签与读写器构成的射频识别系统是为应用服务的 应用的需求可能多种多样 各不相同 读写器与应用系统之间的接口通常用一组可由应用系统开发工具 如VC VB Java等 调用的标准接口函数来表示 标准接口函数的功能大致包括以下四个万面 应用系统根据需要向读写器发出读写器配置命令 读写器向应用系统返回所有可能的读写器的当前配置状态 应用系统向读写器发送各种命令 读写器向应用系统返回所有可能命令的执行结果 2 5 1射频识别系统中信号的编码和调制 调制是用来改变载波波形三个主要特征其中一个特征值的方法 分别是振幅 频 以及相位 幅移键控 AmplitudeShiftKeying ASK 频移键控 FrequencyShiftKeying FSK 以及相移键控 PhaseShiftKeying PSK 三种调制方式 其它的调制方式还有相位位置调制 phasepositionmodulation PPM 相位抖动调制 phasejittermodulation PJM 以及相位周期调变 phasedurationmodulation PDM 从读写器到标签方向的数据传输过程中 所有已知的数字调制方法都可以选用 而且与工作频率和耦合方式无关 为了简化电子标签设计的复杂性和成本 多数RFID系统采用ASK调制方式 数据编码一般又称为基带数据编码 一方面是便于数据传输 另一方面是可以对传输的数据进行加密 常用的数据编码方式有反向不归零 NRZ 编码 曼彻斯特 Manchester 编码 差动双向 DBP 编码 米勒 Miller 编码 单极性归零 UnipohrRZ 编码 差动编码 脉冲宽度调制 PulseWidthModulation PWM 编码 脉冲位置调制 PulsePositionModulation PPM 编码等方式 2 5 2多标签同时识别与系统防碰撞 在读写器的作用范围内 可能会有多个标签同时存在 在多个读写器和多标签的RFID系统中 存在着两种形式的冲突 一种是同一标签同时收到不同读写器发出的命令 另一种是一个读写器同时收到多个不同标签返回的数据 当多个标签处于同一个读写器作用范围内时 在没有采取多址访问控制机制情况下 信息传输过程将产生冲突 导致信息读取失败 同时多个读写器之间工作范围重叠也将造成冲突 因此多任务方式与抗碰撞的特性在RFID应用系统显得十分重要 2 6RFID组网技术 读写器的通信串口和多串口卡相连 再将多串口卡 多端口并接器 的输出端口 串口 和计算机系统相连 计算机对数据进行本地过滤 存储等操作后接入局域网或者远程网络 拓扑结构如图2 16所示 多串口卡实际上起到了一个简单的数据中间件的作用 可以经过简单的设计 使多串口卡起到数据过滤与校验的作用 2 6RFID组网技术 图2 16多读写器采用多串口卡组成网络 2 6RFID组网技术 2 每个读写器与计算机直接相连 计算机经过本地数据处理后按照一定的协议向数据库或者获准授权使用这些数据的其他终端分发数据 这种系统拓扑结构明晰 但是投资较高 对软件系统要求较高 拓扑结构如图2 17所示 图2 17每个读写器分别通过计算机连入网络 2 6RFID组网技术 3 所有读写器与专用数据处理中间件相连 中间件对读写器发送来的数据进行本地过滤处理 然后直接传入网络 拓扑结构如图2 18所示 可以很方便地将读写器数据直接进行网络传输 对数据进行网络操控和管理 这个中间件可能还会兼容不同设备供应商的不同协议的读写器 2 6RFID组网技术 图2 18读写器通过中间件接入网络 2 7RFID标准化 2 7 1RFID标准体系2 7 2RFID标准化组织2 7 3EPCglobal标准体系2 7 4UID系统2 7 5ISO标准2 7 6三大编码体系的区别 2 7 1RFID标准体系 图2 19RFID标准体系 2 7 1RFID标准体系 1 RFID技术标准RFID技术标准主要定义了不同频段的空中接口及相关参数 包括基本术语 物理参数 通信协议和相关设备等 例如 RFID中间件是RFID标签和应用程序之间的中介 应用程序使用的中间件提供的一组应用接口API 既能连接到RFID读写器 又能读取RFID标签数据 2 7 1RFID标准体系 2 RFID应用标准针对其广阔应用前景 我国应当研究RFID技术应用标准体系 阐明符合重点行业特点的RFID应用模式 从而加快射频识别技术在重点行业的应用 提高射频识别技术的应用水平 促进物流电子商务等信息技术的发展 并提供咨询 RFID应用标准主要设计特定应用领域或环境中RFID构建规则 包括RFID在物流配送 仓储管理 交通运输 信息管理 动物识别 工业制造和休闲体育等领域的应用标准与规范 2 7 1RFID标准体系 3 RFID数据内容标准RFID数据内容标准主要涉及数据协议 数据编码规则及语法 包括编码格式 语法标准 数据符号 数据对象 数据结构 数据安全等 RFID数据内容标准能够支持多种编码格式 比如支持EPCglobal和DOD等规定编码格式 也包括EPCglobal所规定的标签数据格式标准 4 RFID一致性标准RFID一致性标准主要涉及设备性能及一致性测试方法 尤其是数据结构和数据内容 即数据编码格式及其内存分配 主要包括印制质量 设计工艺 测试规范和试验流程等 2 7 2RFID标准化组织 1 EPCglobalEPCglobal是由美国统一代码协会 UCC 和国际物品编码协会EAN于2003年9月共同成立的非赢利性组织 其前身是1999年10月1日在美国麻省理工学院成立的非赢利中心 Auto ID中心 Auto ID中心与众多成员企业共同制定一个统一的开放技术标准 旗下有沃尔玛集团 英国Tesco等100多家欧美零售流通业 同时有IBM 微软 飞利浦 Auto IDLab等公司提供技术研究支持 此组织除发布标准外 还负责EPCglobal号码注册管理 EPCglobal已在加拿大 日本 中国等国建立了分支机构 专门负责EPC码段在这些国家分配与管理 EPC相关技术标准制定 EPC相关技术在本国的宣传普及以及推广应用等工作 2 7 2RFID标准化组织 2 泛在识别中心主导日本RFID标准与应用的组织是T Engineforum论坛 该论坛已经拥有475家成员 其成员绝大多数都是日本的厂商 如NEC 日立 东芝等 少数来自其他国家的厂商 如微软 三星 LG和SKT T Engineforum论坛下的泛在识别中心成立于2002年12月 具体负责研究和推广自动识别核心技术 即在所有的物品上植入微型芯片 组建网络进行通信 目前包括微软 索尼 三菱 日立 日电 东芝 夏普 富士通 理光等重量级单位和企业 2 7 2RFID标准化组织 3 ISO IEC与EPCglobal相比 ISO IEC有着天然的公信力 因为ISO是公认的全球非赢利工业标准组织 与EPCglobal只专注于860 960MHz频段不同 ISO IEC在每个频段都发布了标准 ISO IEC组织下面有多个分技术委员会从事RFID标准研究 大部分RFID标准都是由ISO IEC的技术委员会 TC 或分技术委员会SC制定的 2 7 2RFID标准化组织 4 AIM和lP XAIM和IP X的实力相对较弱小 AIDC AutomaticIdentificationandDataCollection 组织原先制定通行全球的条形码标准 于1999年另外成立AIM AutomaticIdentificationManufacturers 组织 目前推出了RFID标准 由于原先条形码的运用程度远不及RFID 即AIDC未来是否有足够能力影响RFID标准的制定 将是一个未知数 AIM全球有13个国家和地区性的分支 且目前的全球会员数已经快速累计达一千多个 IP X的成员则以非洲 大洋洲 亚洲等地的国家为主 主要在南非国家推行 2 7 3EPCglobal标准体系 1EPC系统的特点1 开放的结构体系EPC系统采用全球最大的公用的Internet网络系统 有效地避免了系统的复杂性 同时也大大降低了系统成本 并且还有利于系统的增值 2 独立的平台与高度的互动性EPC系统识别的对象是一组十分广泛的实体 然而不可能有哪一种技术适用于所有识别对象 同时 不同地区 不同国家的射频识别技术标准也不尽相同 因此 开放的结构体系必须具有独立的平台和高度的互操作性 EPC系统网络构建在Internet网络系统上 并且可以与Internet所有可能的组成部分协同工作 3 灵活的可持续发展体系EPC系统是一个灵活的 开放的 可持续发展的体系 可在不替换原有体系的情况下做到系统升级 2 7 3EPCglobal标准体系 2EPCglobal标准总览 图2 20EPCglobal体系框架 2EPCglobal标准总览 1 EPC物理对象交换用户与带有EPC编码的物理对象进行交互 对于许多EPCglobal网络终端用户来说 物理对象是商品 用户是该商品供应链中的成员 物理对象交换包括许多活动 诸如装载 接收等 还有许多与这种商业物品模型不同的其他用途 但这些用途仍然包括对物品使用标签进行标识 EPCglobal体系框架定义了EPC物理对象交换标准 从而能够保证当用户将一种物理对象提交给另一个用户时 后者将能够确定该物理对象有EPC代码并能较好地对其进行说明 2EPCglobal标准总览 2 EPC基础设备为达成EPC数据的共享 每个用户开展活动时将为新生成的对象进行EPC编码 通过监视物理对象携带的EPC编码对其进行跟踪 并将搜集到的信息记录到组织内的EPC网络中 EPCglobal体系框架定义了用来收集和记录EPC数据的主要设备部件接口标准因而允许用户使用互操作部件来构建其内部系统 2EPCglobal标准总览 3 EPC数据交换用户通过相互交换数据 来提高自身拥有的运动物品的可见性 进而从EPCglobal网络中受益 EPCglobal体系框架定义了EPC数据交换标准 为用户提供了一种点对点共享EPC数据的方法 并提供了用户访问EPCglobal核心业务和其他相关共享业务的机会 一个组织可能使用EPC来跟踪内部资产的流动 在这种情况下 它将在非跨企业交换的情况下应用物理对象交换标准 EPCglobal体系框架设计来为EPCglobal用户提供多种选择 通过应用这些标准满足其特定的商业运作 3EPC标签分类 1 Class0EPC标签该标签能满足物流 供应链管理 比如超市的结账付款 超市货架扫描 集装箱货物识别 货物运输通道以及仓库管理等基本应用功能 Class0EPC标签的主要功能包括 必须包含EPC代码 24位自毁代码以及CRC代码 可以被读写器读取 可以被重叠读取 可以自毁 存储器不可以由读写器进行写入 2 Class1EPC标签Class1EPC标签又称身份标签 它是一种无源的 后向散射式标签 除了具有Class0EPC标签的所有特征外 还具有一个产品电子代码标识符和一个标签标识符 ClasslEPC标签具有自毁功能 能够使得标签永久失效 此外 还有可选的密码保护访问控制和可选的用户内存等特性 3EPC标签分类 3 Class2EPC标签该标签是一种无源的 后向散射式标签 它除了具备Class1EPC标签的所有特征外 还包括扩展的TID TagIdentifier 标签标识符 扩展的用户内存 选择性识读功能 Class2EPC标签在访问控制中加入了身份认证机制 并将定义其他附加功能 4 Class3EPC标签该标签是一种半有源的 后向散射式标签 它除了具备Class2EPC标签的所有特征外 还具有完整的电源系统和综合的传感电路 其中片上电源用来为标签芯片提供部分逻辑功能 5 Class4EPC标签该标签是一种有源的 主动式标签 它除了具备Class3EPC标签的所有特征外 还具有标签到标签的通信功能 主动式通信功能和特别组网功能 4EPC系统 EPC系统是一个非常先进的 综合性的复杂系统 其最终目标是为每一物品建立全球的 开放的标识标准 它由全球产品电子代码 EPC 的编码体系 射频识别系统及信息网络系统三部分组成 主要包括6个方面 如表2 3所示 4EPC系统 1 EPC编码体系EPC编码体系是新一代的与GTIN GlobalTradeItemNumber 全球贸易项目代码 兼容的编码标准 它是全球统一标识系统的延伸和拓展 是全球统一标识系统的重要组成部分 是EPC系统的核心与关键 EPC代码有64位 96位和256位3种 EPC代码是由标头 厂商识别代码 对象分类代码 序列号等数据字段组成的一组数字 表2 4EPC 96编码格式 4EPC系统 2 EPC射频识别系统 1 EPC标签EPC标签主要由天线和芯片组成 EPC标签中存储的唯一信息是96位或者64位产品电子代码 EPC标签通常是被动式射频标签 EPC标签根据其功能级别的不同目前分为5类 目前所开展的EPC测试使用的是ClasslGEN2 2 读写器读写器的基本任务就是激活标签 与标签建立通信并且在应用软件和标签之间传送数据 所有的读写器之间的数据交换直接可以通过一个对等的网络服务器进行 读写器的软件提供了网络连接能力 包括Web设置 动态更新 TCP IP读写器界面 内建兼容SQL的数据库引擎 EPC标签和EPC标签读写器与普通的RFID标签和读写器的本质区别在于 电子标签必须按照EPC规则编码 并遵循EPC标签与EPC标签读写器之间的空中接口协议 4EPC系统 3 EPC信息网络系统 1 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中间件也被称为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 2 对象名称解析服务对象名称解析服务 ONS 是一个自动的网络服务系统 类似于域名解析服务 DNS ONS给EPC中间件指明了存储产品相关信息的服务器 ONS服务是联系EPC中间件和EPC信息服务的网络枢纽 并且ONS设计与架构都以因特网域名解析服务DNS为基础 因此 可以使整个EPC网络以因特网为依托 迅速架构并顺利延伸到世界各地 3 EPC信息服务EPC信息服务提供了一个模块化 可扩展的数据和服务的接口 使得EPC的相关数据可以在企业内部或者企业之间共享 5RFID系统工作流程 在由EPC标签 读写器 EPC中间件 Internet ONS服务器 EPC信息服务 EPCIS 以及众多数据库组成的实物互联网中 读写器读出的EPC只是一个信息参考 指针 由这个信息参考从Internet找到IP地址并获取该地址中存放的相关的物品信息 并采用分布式的EPC中间件处理由读写器读取的一连串EPC信息 由于在标签上只有一个EPC代码 计算机需要知道与该EPC匹配的其他信息 这就需要ONS来提供一种自动化的网络数据库服务 EPC中间件将EPC代码传给ONS ONS指示EPC中间件到一个保存着产品文件的服务器 EPCIS 查找 该文件可由EPC中间件复制 因而文件中的产品信息就能传到供应链上 EPC系统的工作流程如图2 21所示 图2 21EPC系统的工作流程 2 7 4UID系统 UID是英文 UbiquitousIdentification 的缩写 其中的Ubiquitous是 到处存在的 或 泛在的 意思 那么UID就是到处存在的身份识别 也可以理解为区别物体独特的标识符 目前 UID技术正在随着它的编码体系 标签分级体系 泛在通信器以及U code解析服务器等子系统的成熟和完善而不断向前发展 1UID技术体系结构 泛在识别中心的技术体系框架由泛在识别码 Ucode 泛在通信 信息系统服务器和Ucode解析服务器4部分组成 如图所示 图2 22泛在识别技术体系架构 2泛在识别码 Ucode采用128位记录信息 提供了340 1036编码空间 并能够以128位为单元进一步扩展到256位 384位或512位 Ucode能包容现有编码体系的元编码设计 可以兼容多种编码 包含JAN联合物品编码 UPC ISBN IPv6地址 甚至电话号码 Ucode标签具有多种形式 包括条形码 射频标签 智能卡以及有源芯片等 泛在识别中心把标签进行分类 设立了9个级别的不同认证标准 3泛在通信器 泛在通信器主要由IC卡标签 读写器和无线广域通信设备等部分构成 主要用于读取Ucode码信息并传送到Ucode解析服务器 并从信息服务器获取有关信息 UTAD UbiqutiousTRONApplicationDatabus 泛在实时操作系统应用数据总线 是描述现实世界中带有Ucode码的物品属性的数据形式 UTAD以泛在信息服务处理的标准数据形式存储在Ucode标签和产品信息服务器中 TRON标准浏览器有两种等价的数据表现形式 一是以XML为基础的半结构化数据形式 能够处理现实世界信息 由XML标签体系进行定义 可进行扩充 以处理TRON多国语言文字 通常在将数据存储到服务器上时使用 二是二进制的表现形式 压缩表现形式 通常在将数据存储到容量较小的RFID芯片上时使用 泛在通信器UC的主要工作过程 首先 将UC放在存储有U code的RFID电子标签上 通过UC的局域通信功能 读取该U code信息 其次 将读取到的U code信息发送到U code解析服务器上 即获得附有该U code的物品相关信息的存储位置 即宽带通信网上的地址 最后 在UC上检索得到地址上的产品信息数据库 从而得到该物品的相关信息 4U code解析服务器 U code解析服务器 U codeResoluttionServer URS 是以U code码为主要线索 对提供泛在ID相关信息服务的系统地址进行检索的分散型目录服务系统 U code解析服务器具有以下几个特征 分散管理 U code解析服务器不是单一的组织来进行管理 而是进行分散管理的分散数据库 其手法与因特网的DNS相近 与已有的ID服务相统一 安全协议采用U codeRP U codeResolutionProtocol 它在eTRON结构的eTP entityTransferProtocol 会话上进行密码认证通信 检索结果与多重协议相对应 不仅是IP地址 还根据所使用的通信基础设施的不同 产生不同种类的地址 具有匿名代理访问的功能 5信息系统服务器 信息系统服务器存储并提供与U code相关的各种信息 信息系统服务器采用基于PKI 公开密钥基础发施 的虚拟专用网 VPN 只允许数据移动而无法复制数据 使得信息系统服务器具有专门的抗破坏性功能 通过设备自带的eTRONID 信息系统服务器能够接入到多种网络中建立通信连接 由于eTRON的应用 使得在分散的系统框架下流通的电子数据具有防复制 防伪造的特性 大大地提高了信息系统服务器的安全性 6UID技术的实际应用 UID技术最早出现在日本 因此这项技术在日本已有较多的实际应用 例如东京大学附属医院的医药管理 富士施乐公司产品管理和追踪 大田农产品批发市场的物流管理 智能T RON住宅 日本助残项目 综合食品追踪项目 以及2005年爱知世博会电子入场券等都使用了UID技术 其中2005年日本爱知世博会电子入场券使用只读的2 45GHz的票芯 将门票上印刷的号码与电子门票ID相关联 形成100万张 月的生产线 收到了良好的社会效益和经济效益 UID技术在中国的实际应用也已经启动 泛在公司拥有电子门票应用解决方案和奥运场馆应用系统提案 同时在2004年10月全球RFID中国峰会 2005年7月大连第三届软交会 以及2005年10月第三届亚洲智能标签应用大会和UID技术中国论坛上都展示了自己的UID技术系统方案 2 7 5ISO标准 ISO IEC己出台的RFID标准主要关注基本的模块构建 空中接口 涉及的数据结构及其实施问题 RFID作为一种信息技术 有关的标准可以分为技术标准 数据内容标准 性能标准和应用标准4个方面 2 7 5ISO标准 图2 23ISO IEC已制定的RFID相关标准 2 7 6三大编码体系的区别 RFID领域的ISO标准可以分为以下四大类 技术标准 如射频识别技术 IC卡标准等 数据内容与编码标准 如编码格式 语法标准等 性能与一致性标准 如测试规范等标准 和应用标准 如船运标签和产品包装标准 ISO的标准并非单独为RFID设立 而且在其标准与协议中 大量涵盖了EPC和UID两种编码体系 2 7 6三大编码体系的区别 EPCglobal提出的物联网体系构架由EPC编码 EPC标签及读写器 Savant管理软件 ONS服务器和PML服务器等部分构成 EPC是赋予物品的唯一电子编码 其位长通常为64或96位 也可扩展为256位 对不同的应用 规定有不同的编码格式 Savant管理软件对读识到的EPC编码进行过滤和容错等处理后 输入到企业的业务系统中 它通过定义与读写器的通用接口 API 来实现与不同制造商的读写器兼容 ONS服务器根据EPC编码及用户需求进行解析 以确定与EPC编码相关的信息存放在哪个PML服务器上 PML服务器存储并提供与EPC相关的各种信息 这些信息通常以PML的格式存储 也可以存放在关系数据库中 2 7 6三大编码体系的区别 UID中心的泛在识别技术体系架构由泛在识别码 Ucode 信息系统服务器 泛在通信器和Ucode解析服务器等四部分构成 Ucode是赋予显示世界中任何物理对象的唯一的识别码 它具有128位的充裕容量 并能够以128位为单元进一步扩展至256位 384位或512位 Ucode的最大优势是能包容现有编码体系的元编码设计 可以兼容多种编码 Ucode标签具有多种形式 包括条形码 射频标签 智能卡 有源芯片等 泛在识别中心把标签进行分类 设立了9个不同的认证标准 信息系统服务器存储并提供Ucode相关的各种信息 Ucode解析服务器确定与Ucode相关的信息存放在哪个信息服务器上 Ucode解析服务器的通信协议为UcodeRP和eTP 泛在通信器主要由IC标签 标签读写器和无线广域网通信设备等部分构成 用来把读到的Ucode送至解析服务器 并从信息系统服务器获得有关信息 2 8系统部件的选择 2 8 1电子标签的选择2 8 2读写器的选择2 8 3选择标准2 8 4频率选择 2 8 1电子标签的选择 1 频点 2 供电方式 3 读写技术 4 内存 5 识读距离 6 标签外形 7 环境条件 2 8 2读写器的选择 1 频点 2 结构形式 3 天线 4 输出端口 5 网络的选择 6 升级Gen2 7 成本预算 2 8 3选择标准 1 电子产品编码类标准 2 通信类标准 3 频率类标准 4 应用类标准 5 编码标准的选择 2 8 4频率选择 RFID系统的工作频率既影响标签的性能和尺寸大小 读写器作用距离 又影响标签与读写器的价格 在选择频率时 除了考虑其特性和应用外 还需要符合不同的国家和地区标准 RFID的低频系统主要用于短距离 低成本的应用中 如多数的门禁控制 动物管理和防盗追踪等 此频段在绝大多数的国家属于开放 不涉及法规开放和执照申请的问题 因此使用最广 高频系统的代表性应用为证卡 非接触式IC卡 发展快速 超高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合 其天线波束方向较窄且价格较高 可大幅提升现阶段的应用层次 通信品质佳 适合供应链管理 但有各国频率法规不一的问题 现有的使用者频率选择问题不可避免 否则跨区应用必然会出现管理的盲点 2 9RFID技术和其他技术的结合 2 9 1RFID技术与无线传感器网络2 9 2FID技术与NFC2 9 3RFID技术与3G2 9 4RFID系统中数据挖掘技术的研究2 9 5RFID系统中定位技术的研究 2 9 1RFID技术与无线传感器网络 由于RFID抗于扰性较差 而且有效距离一般小于10m 这限制了RFID的应用 RFID技术与无线传感器网络技术的融合 例如将ZigBee的无线传感器网络同RFID结合起来 利用前者高达100m的有效半径 形成WSID WirelessSense ID 无线传感器