RFID前端技術標準體系簡述
文章出處:http://m.overnightmodel.com 作者:中科院自動化所RFID研究中心 人氣: 發(fā)表時間:2011年11月05日
[文章內容簡介]:RFID前端技術標準體系簡述
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正 文: RFID技術具有很多突出的優(yōu)點:實現了無源和免接觸操作,應用便利,無機械磨損,壽命長,機具無直接對最終用戶開放的物理接口,能更好地保證機具的安全性;數據安全方面除標簽的密碼保護外,數據部分可用一些算法實現安全管理,如DES、RSA、DSA、MD5等,讀寫機具與卡之間也可相互認證,實現安全通信和存儲;總體成本一直處于下降之中,越來越接近接觸式IC卡的成本,甚至更低,為其大量應用奠定了基礎;應用領域也非常寬,RFID技術已經在物流管理、生產線工位識別、綠色畜牧業(yè)養(yǎng)殖個體記錄跟蹤、汽車安全控制、身份證、公交等領域大量成功應用。 世界排名第一的零售商沃爾瑪在2003年宣布,到2005年1月份時要求它前100大的供應商采用RFID技術,實現貨品自動識別,以繼續(xù)提高其供應鏈的管理能力。這也威脅到我國的零售商是否能繼續(xù)銷售自己的產品,因為有70%的貨品都是由中國廠商生產的,可見RFID識別技術的發(fā)展已經自下而上地被推動。 另外,還有諸如Target、Tesco、FDA等也宣布了其使用計劃。 RFID推廣受標準問題困擾 目前,世界一些知名公司各自推出了自己的很多標準,這些標準互不兼容,表現在頻段和數據格式上的差異,這也給RFID的大范圍應用帶來了困難。 目前全球有兩大RFID標準陣營:歐美的Auto-ID Center與日本的Ubiquitous ID Center(UID)。前者的領導組織是美國的EPC環(huán)球協(xié)會,旗下有沃爾瑪集團、英國Tesco等企業(yè),同時有IBM、微軟、飛利浦、Auto-ID Lab等公司提供技術支持。后者主要由日系廠商組成。 歐美的EPC標準采用UHF頻段,為860MHz~930MHz,日本RFID標準采用的頻段為2.45GHz和13.56MHz;日本標準電子標簽的信息位數為128位,EPC標準的位數則為96位。 將RFID應用到供應鏈中還存在另外一些需要解決的問題,如讀寫設備的可靠性、成本、數據的安全性、個人隱私的保護和與系統(tǒng)相關的網絡的可靠性、數據的同步等等,不解決好以上問題,肯定會制約RFID的進步,不過最近RFID相關的高層會議接連不斷,RFID技術的快速發(fā)展已呈燎原之勢。 RFID技術標準面面觀 通常情況下,RFID閱讀器發(fā)送的頻率稱為RFID系統(tǒng)的工作頻率或載波頻率。RFID載波頻率基本上有3個范圍:低頻(30kHz~300kHz)、高頻(3MHz~30MHz)和超高頻(300MHz~3GHz)。常見的工作頻率有低頻125kHz與134.2kHz、高頻13.56MHz、超高頻433Mhz、860MHz~930MHz、2.45GHz等。 RFID的低頻系統(tǒng)主要用于短距離、低成本的應用中,如多數的門禁控制、校園卡、煤氣表、水表等;高頻系統(tǒng)則用于需傳送大量數據的應用系統(tǒng);超高頻系統(tǒng)應用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合,其天線波束方向較窄且價格較高,在火車監(jiān)控、高速公路收費等系統(tǒng)中應用。另外值得一提的是在供應鏈中的應用,EPC Global規(guī)定用于EPC的載波頻率為13.56MHz和860MHz~930MHz兩個頻段,其中13.56MHz頻率采用的標準原型是ISO/IEC15693,已經收入到ISO/IEC18000-3中。這個頻點的應用已經非常成熟。 而860~930MHz頻段的應用則較復雜,國際上各國家采用的頻率不同:美國為915MHz,歐洲為869MHz,而我國由于被GSM、CDMA等占用,目前仍然待定。 目前常用的RFID國際標準主要有用于對動物識別的ISO 11784和11785,用于非接觸智能卡的ISO 10536(Close coupled cards)、ISO 15693(Vicinity cards)、ISO 14443 (Proximity cards),用于集裝箱識別的ISO 10374等。有些標準正在形成和完善之中,比如用于供應鏈的ISO 18000無源超高頻(860Mhz~930Mhz載波頻率)部分的C1G2標準不久會正式推出,我國自己的國家標準最快在今年年末會出臺。下面對這幾個標準加以簡述。 ISO 11784和ISO 11785 ISO 11784和11785分別規(guī)定了動物識別的代碼結構和技術準則,標準中沒有對應答器樣式尺寸加以規(guī)定,因此可以設計成適合于所涉及的動物的各種形式,如玻璃管狀、耳標或項圈等。 代碼結構為64位,如表1所示。其中的27至64位可由各個國家自行定義。 技術準則規(guī)定了應答器的數據傳輸方法和閱讀器規(guī)范。工作頻率為134.2KHz,數據傳輸方式有全雙工和半雙工兩種,閱讀器數據以差分雙相代碼表示。應答器采用FSK調制,NRZ編碼。 由于存在較長的應答器充電時間和工作頻率的限制,通信速率較低。 ISO 10536、ISO 15693和 ISO 14443 ISO 10536標準主要發(fā)展于1992到1995年間,由于這種卡的成本高,與接觸式IC卡相比優(yōu)點很少,因此這種卡從未在市場上銷售。 ISO 14443和ISO 15693標準在1995年開始操作,單個系統(tǒng)于1999年進入市場,兩項標準的完成則是在2000年之后。二者皆以13.56MHz交變信號為載波頻率:ISO15693讀寫距離較遠,當然這也與應用系統(tǒng)的天線形狀和發(fā)射功率有關;而ISO 14443 讀寫距離稍近,但應用較廣泛,目前的第二代電子身份證采用的標準是ISO 14443 TYPE B協(xié)議。 ISO14443定義了TYPE A、TYPE B兩種類型協(xié)議。通信速率為106kbits/s,它們的不同主要在于載波的調制深度及位的編碼方式。 從PCD向PICC傳送信號時,TYPE A采用改進的Miller編碼方式,調制深度為100%的ASK信號;TYPE B則采用NRZ編碼方式,調制深度為10%的ASK信號。 從PICC向PCD傳送信號時,二者均通過調制載波傳送信號,副載波頻率皆為847KHz。TYPE A采用開關鍵控(On-Off keying)的Manchester編碼;TYPE B采用NRZ-L的BPSK編碼。 TYPE B與TYPE A相比,由于調制深度和編碼方式的不同,具有傳輸能量不中斷、速率更高、抗干擾能力更強的優(yōu)點。 ISO 15693標準規(guī)定的載波頻率亦為13.56MHz,VCD和VICC全部都用ASK調制原理,調制深度為10%和100%,VICC必須對兩種調制深度正確解碼。 從VCD向VICC傳送信號時,編碼方式為兩種:“256出1”和“4出1”。二者皆以固定時間段內以位置編碼。這兩種編碼方式的選擇與調制深度無關。當“256出1”編碼時,10%的ASK調制優(yōu)先在長距離模式中使用,在這種組合中,與載波信號的場強相比,調制波邊帶較低的場強允許充分利用許可的磁場強度對IC卡提供能量。與此相反,閱讀器的“4出1”編碼可和100%的ASK調制的組合在作用距離變短或在閱讀器的附近被屏蔽時使用。 從VICC向VCD傳送信號時,用負載調制副載波。電阻或電容調制阻抗在副載波頻率的時鐘中接通和斷開。而副載波本身在Manchester編碼數據流的時鐘中進行調制,使用ASK或FSK調制。調制方法的選擇是由閱讀器發(fā)送的傳輸協(xié)議中FLAG字節(jié)的標記位來標明,因此,VICC總是支持兩種方法:ASK(副載波頻率為424KHz)和FSK(副載波頻率為424/484KHz)。數據傳輸速率的選擇同樣由FLAG中的位來表明,而且必須兩種速率都支持:高速和低速。這兩種速率根據采用的副載波速率不同而略有不同,采用單副載波時低速為6.62kbits/s,高速為26.48kbits/s;采用雙副載波時則分別為6.67kbits/s和26.69kbits/s。 可見,ISO 15693應用更加靈活,操作距離又遠,更重要的是它與ISO 18000-3兼容,了解ISO 15693標準對將來了解我國的國家標準是有助益的,因為我國的國家標準肯定會與ISO 18000大部分兼容。 如果在同一時間段內有多于一個的VICC或PICC同時響應,則說明發(fā)生沖撞。RFID的核心是防沖撞技術,這也是和接觸式IC卡的主要區(qū)別。ISO 14443-3規(guī)定了TYPE A和TYPE B的防沖撞機制。二者防沖撞機制的原理不同:前者是基于位沖撞檢測協(xié)議,而TYPE B通過系列命令序列完成防沖撞;ISO 15693 采用輪尋機制、分時查詢的方式完成防沖撞機制,在標準的第三部分有詳細規(guī)定。 防沖撞機制使得同時處于讀寫區(qū)內的多張卡的正確操作成為可能,只用算法編程,讀頭即可自動選取其中一張卡進行讀寫操作。這樣既方便了操作,也提高了操作的速度。 如果與硬件配合,可用一些算法快速實現多卡識別,比如TI公司的R6C接口芯片有一個解碼出錯指示引腳,利用它可以快速識別多卡:當沖撞產生時引腳電平發(fā)生變化,此時記錄下用來查詢的低UID位,然后在此低位基礎上增加查詢位數,直到沒有沖撞發(fā)生,這樣就可以識別出所有卡片。 ISO 10374 ISO 10374標準說明了基于微波應答器的集裝箱自動識別系統(tǒng)。 應答器為有源設備,工作頻率為850MHz~950Mhz及2.4GHz~2.5GHz。只要應答器處于此場內就會被活化并采用變形的FSK副載波通過反向散射調制做出應答。信號在兩個副載波頻率40kHz和20kHz之間被調制。 此標準和ISO 6346共同應用于集裝箱的識別,ISO 6346規(guī)定了光學識別,ISO 10374則用微波的方式來表征光學識別的信息。 ISO 18000 ISO 18000是一系列標準。此標準是目前最新的也是最熱門的標準,原因是它可用于商品的供應鏈,其中的部分標準也正在形成之中。表2是ISO 18000標準的內容。 其中ISO 18000-6基本上是整合了一些現有RFID廠商的產品規(guī)格和EAN-UCC所提出的標簽架構要求而訂出的規(guī)范。它只規(guī)定了空氣接口協(xié)議,對數據內容和數據結構無限制,因此可用于EPC。 實際上,若采用ISO 18000-6對空氣接口的規(guī)定加上EPC系統(tǒng)的編碼結構再加上ONS架構,就可以構成一個完整的供應鏈標準。 花好還需綠葉扶 應用好RFID技術,除了接口的設計,還有天線的設計、數據庫管理技術等,這在以后的實際應用中會不斷地積累經驗,不斷地改進創(chuàng)新。因為這項技術的應用前景決定了它的技術和標準的日臻完善。近年來,射頻識別已經逐步發(fā)展成為一個獨立的跨學科的專業(yè)領域,這個領域與其他傳統(tǒng)學科不同,它將大量來自完全不同專業(yè)領域的技術綜合到一起:如高頻技術、電磁兼容性、半導體技術、數據保護和密碼學、電信、制造技術和許多專業(yè)領域。所以在這個領域要做的事很多,要探討的問題也很多,但這一切都是值得努力去做的。 小資料2:數字調制技術 數字調制是指用數字數據調制模擬信號,主要有三種形式:移幅鍵控法ASK、移頻鍵控法FSK、移相鍵控法PSK。 幅度鍵控(ASK):即按載波的幅度受到數字數據的調制而取不同的值,例如對應二進制0,載波振幅為0;對應二進制1,載波振幅為1。調幅技術實現起來簡單,但容易受增益變化的影響,是一種低效的調制技術。在電話線路上,通常只能達到1200bps的速率。 頻移鍵控(FSK):即按數字數據的值(0或1)調制載波的頻率。例如對應二進制0的載波頻率為F1,而對應二進制1的載波頻率為F2。該技術抗干擾性能好,但占用帶寬較大。在電話線路上,使用FSK可以實現全雙工操作,通常可達到1200bps的速率。 相移鍵控(PSK):即按數字數據的值調制載波相位。例如用180相移表示1,用0相移表示0。這種調制技術抗干擾性能最好,且相位的變化也可以作為定時信息來同步發(fā)送機和接收機的時鐘,并對傳輸速率起到加倍的作用。 |
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