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RFID的技术标准与接口协议

发布时间:2019-05-30 17:09 来源:未知 编辑:admin

  技术(Radio Frequency IdenTIficaTIon,RFID)是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术。该技术是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)传输特性实现对被识别物体的自动识别。其核心技术包括无线电射频、计算机软件硬件、编码学和芯片加工技术等多种现代高新科学技术,是多种跨门类科学技术的综合体。被广泛应用于工业自动化、商业自动化、现代服务业、交通运输控制管理等众多领域。

  RFID俗称“电子标签”,是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无须人工干预,作为条形码的无线版本,RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点,其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化。

  由于RFID的应用牵涉到众多行业,因此其相关的标准盘根错节,非常复杂。从类别看,RFID标准可以分为以下四类:技术标准(如RFID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);应用标准(如船运标签、产品包装标准等)。具体来讲,RFID相关的标准涉及电气特性、通信频率、数据格式和元数据、通信协议、安全、测试、应用等方面。

  与RFID技术和应用相关的国际标准化机构主要有:国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)、国际电信联盟(ITU)、世界邮联(UPU)。此外还有其他的区域性标准化机构(如EPC global、UID Center、CEN)、国家标准化机构(如BSI、ANSI、DIN)和产业联盟(如ATA、AIAG、EIA)等也制定与RFID相关的区域、国家、或产业联盟标准,并通过不同的渠道提升为国际标准。

  目前RFID存在三个主要的技术标准体系,总部设在美国麻省理工学院(MIT)的Auto-ID Center(自动识别中心)、日本的Ubiquitous ID Center (泛在ID中心,UIC)和ISO标准体系。

  EPC Global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月共同成立的非营利性组织,其前身是1999年10月1日在美国麻省理工学院成立的非营利性组织Auto-ID中心。Auto-ID中心以创建“物联网”(Internet of Things)为使命,与众多成员企业共同制订一个统一的开放技术标准。旗下有沃尔玛集团、英国Tesco等100多家欧美的零售流通企业,同时有IBM、微软、飞利浦、Auto-IDLab等公司提供技术研究支持。目前EPC Global已在加拿大、日本、中国等国建立了分支机构,专门负责EPC码段在这些国家的分配与管理、EPC相关技术标准的制定、EPC相关技术在本国的宣传普及以及推广应用等工作。EPC Global“物联网”体系架构由EPC编码、EPC标签及读写器、EPC中间件、ONS服务器和EPCIS服务器等部分构成。

  EPC赋予物品惟一的电子编码,其位长通常为64位或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,主要存放企业代码、商品代码和序列号等。最新的GEN2标准的EPC编码可兼容多种编码。 EPC中间件对读取到的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)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EPCIS服务器上。 EPCIS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,也可以存放于关系数据库中。

  日本在电子标签方面的发展,始于20世纪80年代中期的实时嵌入式系统TRON。T-Engine是其中核心的体系架构。 在T-Engine论坛领导下,泛在ID中心于2003年3月成立,并得到日本政府经产省和总务省以及大企业的支持,目前包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通、NTT DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量级企业。泛在ID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采用128位记录信息,提供了3401036编码空间,并可以以128位为单元进一步扩展至256、384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,包括JAN、UPC、ISBN、IPv6地址,甚至电话号码。uCode标签具有多种形式,包括条码、射频标签、智能卡、有源芯片等。泛在ID中心把标签进行分类,设立了9个级别的不同认证标准。

  uCode解析服务器确定与uCode相关的信息存放在哪个信息系统服务器上。uCode解析服务器的通信协议为uCodeRP和eTP,其中eTP是基于eTron(PKI)的密码认证通信协议。 泛在通信器主要由IC标签、标签读写器和无线广域通信设备等部分构成,用来把读到的uCode送至uCode解析服务器,并从信息系统服务器获得有关信息。

  国际标准化组织(ISO)以及其他国际标准化机构如国际电工委员会(IEC)、国际电信联盟(ITU)等是RFID国际标准的主要制定机构。大部分RFID标准都是由ISO(或与IEC联合组成)的技术委员会(TC)或分技术委员会(SC)制定的。

  RFID系统主要由数据采集和后台应用系统两大部分组成。目前已经发布或者正在制定中的标准主要是与数据采集相关的,主要有电子标签与读写器之间的空气接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、电子标签与读写器的性能和一致性测试规范,以及电子标签的数据内容编码标准等。后台应用系统目前并没有形成正式的国际标准,只有少数产业联盟制定了一些规范,现阶段还在不断演变中。

  RFID是一种只读或可读写的数据载体,它所携带的数据内容中最重要的是惟一标识号。因此,惟一标识体系以及它的编码方式和数据格式,是我国电子标签标准中的一个重要组成部分。惟一标识号广泛应用于国民经济活动中,例如我国的公民身份证号、组织机构代码、全国产品与服务统一代码扩展码、电话号、车辆识别代号、国际证券号等。尽管国家多个部委在惟一标识领域开展了一系列的相关研究工作,但与发达国家相比,我国的惟一标识体系总体上处于发展的起步阶段,正在逐步完善中。

  EPC是由EPC global组织、各应用方协调一致的编码标准,可以实现对所有实体对象(包括零售商品、物流单元、集装箱、货运包装等)的惟一有效标识。EPC由一个版本号加上域名管理者、对象分类、序列号三段数据组成的一组数字。其中EPC的版本号标识EPC的长度或类型;域名管理者是描述与此EPC相关生产厂商的信息;对象分类记录产品精确类型的信息;序列号用于惟一标识货品单件。

  EPC与目前应用最成功的商业标准EAN.UCC全球统一标识系统是兼容,成为EAN.UCC系统的一个重要组成部分,是EAN.UCC系统的延续和拓展,是EPC系统的核心与关键。

  EAN国际物品编码协会成立于1977年,是基于比利时法律规定建立的一个非营利性国际组织,总部设在比利时首都布鲁塞尔。EAN目的是建立一套国际通行的全球跨行业的产品、运输单元、资产、位置和服务的标识标准体系和通信标准体系,即“全球商业语言EAN.UCC系统”。国际EAN的前身是欧洲物品编码协会,现主要负责除北美以外的EAN.UCC系统的统一管理及推广工作。目前,其会员遍及90多个国家和地区,全世界已有约90万家公司、企业通过各国或地区的编码组织加入到EAN.UCC系统中来。近几年,国际EAN加强了与美国统一代码委员会(UCC)的合作,先后两次达成EAN/UCC联盟协议,以共同开发、管理EAN.UCC系统。

  强制性国家标准 GB 18937《全国产品与服务统一标识代码编制规则》规定了全国产品与服务统一代码(NPC)的适用范围、代码结构及其表现形式,由国务院标准化行政主管部门于2003年2月2日颁布,2003年4月16日正式实施。全国产品与服务统一代码是按照《全国产品与服务统一标识代码编制规则》国家标准要求编制的全国产品与服务统一标识代码,目前已经用于电子设备、食品、建材、汽车、石油化工、农业、专业服务等领域。根据国内外对海量赋码对象进行赋码的一般规律,全国产品与服务统一代码按照全数字、最长不超过十四位、便于维护机构维护和管理的原则设计,由十三位数字本体代码和一位数字校验码组成,其中本体代码采用序列顺序码或顺序码。

  RFID的无线接口标准中最受注目的是ISO/IEC 18000系列协议,涵盖了从125KHz到2.45GHz的通信频率,识读距离由几厘米到几十米,其中主要是无源标签但也有用于集装箱的有源标签。

  近距离无线通信(NFC)是一项让两个靠近(近乎接触)的电子装置以13.56MHz频率通信的RFID应用技术。由诺基亚、飞利普和索尼创办的近距离无线通信论坛(NFC Forum)起草了相关的通信和测试标准,让消费类电子设备(尤其是手机)与其他的网络产品或电脑外设进行通信和数据交换。该标准还与ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693非接触式IC卡兼容。目前,已经有支持NFC功能的手机面世,可以用手机来阅读兼容ISO/IEC 14443 Type A或Sony FeliCa 的非接触式IC卡或电子标签。

  超宽带无线技术(UWB)是一种直接以载波频率传送数据的通信技术。以UWB作为射频通信接口的电子标签可实现半米以内的精确定位。这种精确定位功能方便实现医院里的贵重仪器和设备管理、大楼或商场里以至奥运场馆内的人员管理。无线传感器网络是另一种RFID技术的扩展。传感器网络技术的对象模型和数字接口已经形成产业联盟标准IEEE 1451。该标准正进一步扩展,提供基于射频的无线传感器网络,相关标准草案1451.5正在草议中。有关建议将会对现有的ISO/IEC 18000系列RFID标准,以及ISO/IEC 15961、ISO/IEC 15862读写器数据编码内容和接口协议进行扩展。

  低频系统工作频率一般低于30MHz,典型的工作频率有125KHz、225KHz、13.56MHz等,这些频点应用的射频识别系统一般都有相应的国际标准予以支持。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量较少、阅读距离较短(无源情况,典型阅读距离为10cm)、电子标签外形多样(卡状、环状、钮扣状、笔状)、阅读天线方向性不强等。

  高频系统一般指其工作频率高于400MHz,典型的工作频段有915MHz、2.45gHz、5.8gHz等。高频系统在这些频段上也有众多的国际标准予以支持。基本特点是电子标签及阅读器成本均较高、标签内保存的数据量较大、阅读距离较远(可达几米至十几米), 适应物体高速运动性能好,外形一般为卡状,阅读天线及电子标签天线均有较强的方向性。

  各种频段有其技术特性和适合的应用领域。低频系统使用最广,但通信速度过慢,传输距离也不够长;高频系统通信距离远,但耗电量也大。短距离的射频卡可以在一定环境下替代条码,用在工厂的流水线等场合跟踪物体。长距离的产品多用于交通系统,距离可达几十米,可用在自动收费或识别车辆身份等场合。

  RFID在行业上的应用标准包括动物识别、道路交通、集装箱识别、产品包装、自动识别等。

  我国RFID标准的制定与推广 国内RFID技术与应用的标准化研究工作起步比国际上要晚4~5年时间,2003年2月国家标准化委员会颁布强制标准《全国产品与服务统一代码编码规则》,为中国实施产品的电子标签化管理打下基础,并确定首先在药品、烟草防伪和政府采购项目上实施。此外,我国正在制定的RFID领域技术标准是采用了ISO/IEC 15693系列标准,该系列标准与ISO/IEC 18000-3相对应,均在13.56MHz的频率下工作,前者以卡的形式封装。目前,在这一频率下工作的电子标签技术已相对成熟。

  在充分照顾我国国情和利用我国优势的前提下,应该参照或引用ISO、IEC、ITU等国际标准并做出本地化修改,这样能尽量避免引起知识产权争议,掌握国家在电子标签领域发展的主动权。

  RFID的广泛应用蕴藏着巨大的产业利益、还涉及国家安全利益、信息控制利益等,在这一点上我国政府主管部门应高度关注。我国应全面部署电子标签标准体系,尤其应重视编码体系、频率划分以及与知识产权有关的技术和应用,并推出具有我国自主知识产权的标准,特别是在解决安全、防伪、识别、管理等应用领域。

  空中接口通信协议规范 读写器与电子标签之间信息交互,目的是为 不同厂家生产设备之间的互联互通性。ISO/IEC制定五种频段的空中接口协议,这种思想充分体现 标准统一的相对性,一个标准是对相当广泛的应用系统的共同需求,但不是所有应用系统的需求,一组标准可以满足更大范围的应用需求。

  ISO/IEC 18000-1 信息技术-基于单品管理的射频识别-参考结构和标准化的参数定义。它规范空中接口通信协议中共同遵守的读写器与标签的通信参数表、知识产权基本规则等内容。这样每一个频段对应的标准不需要对相同内容进行重复规定。

  ISO/IEC 18000-2 信息技术-基于单品管理的射频识别-适用于中频125~134KHz,规定在标签和读写器之间通信的物理接口,读写器应具有与Type A(FDX)和Type B(HDX)标签通信的能力;规定协议和指令再加上多标签通信的防碰撞方法。

  ISO/IEC 18000-3信息技术-基于单品管理的射频识别-适用于高频段13.56MHz,规定 读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。关于防碰撞协议可以分为两种模式,而模式1又分为基本型与两种扩展型协议(无时隙无终止多应答器协议和时隙终止自适应轮询多应答器读取协议)。模式2采用时频复用FTDMA协议,共有8个信道,适用于标签数量较多的情形。

  ISO/IEC 18000-4信息技术-基于单品管理的射频识别-适用于微波段2.45GHz,规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。该标准包括两种模式,模式1是无源标签工作方式是读写器先讲;模式2是有源标签,工作方式是标签先讲。

  ISO/IEC 18000-6信息技术-基于单品管理的射频识别-适用于超高频段860~960MHz,规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。它包含TypeA、TypeB和TypeC三种无源标签的接口协议,通信距离最远可以达到10m。其中TypeC是由EPCglobal起草的,并于2006年7月获得批准,它在识别速度、读写速度、数据容量、防碰撞、信息安全、频段适应能力、抗干扰等方面有较大提高。2006年递交 V4.0草案,它针对带辅助电源和传感器电子标签的特点进行 扩展,包括标签数据存储方式和交互命令。带电池的主动式标签可以提供较大范围的读取能力和更强的通信可靠性,不过其尺寸较大,价格也更贵一些。

  ISO/IEC 18000-7适用于超高频段433.92 MHz,属于有源电子标签。规定读写器与标签之间的物理接口、协议和命令再加上防碰撞方法。有源标签识读范围大,适用于大型固定资产的跟踪。

  数据内容标准主要规定数据在标签、读写器到主机(也即中间件或应用程序)各个环节的表示形式。因为标签能力(存储能力、通信能力)的限制,在各个环节的数据表示形式必须充分考虑各自的特点,采取不同的表现形式。另外主机对标签的访问可以独立于读写器和空中接口协议,也就是说读写器和空中接口协议对应用程序来说是透明的。RFID数据协议的应用接口基于ASN.1,它提供 一套独立于应用程序、操作系统和编程语言,也独立于标签读写器与标签驱动之间的命令结构。

  ISO/IEC 15961规定 读写器与应用程序之间的接口[3],侧重于应用命令与数据协议加工器交换数据的标准方式,这样应用程序可以完成对电子标签数据的读取、写入、修改、删除等操作功能。该协议也定义 错误响应消息。

  ISO/IEC 15962规定 数据的编码、压缩、逻辑内存映射格式[3],再加上如何将电子标签中的数据转化为应用程序有意义的方式。该协议提供 一套数据压缩的机制,能够充分利用电子标签中有限数据存储空间再加上空中通信能力。

  ISO/IEC 24753扩展 ISO/IEC 15962数据处理能力[3],适用于具有辅助电源和传感器功能的电子标签。增加传感器以后,电子标签中存储的数据量再加上对传感器的管理任务大大增加 ,ISO/IEC 24753规定 电池状态监视、传感器设置与复位、传感器处理等功能。图1表明ISO/IEC 24753与ISO/IEC 15962一起,规范 带辅助电源和传感器功能电子标签的数据处理与命令交互。它们的作用使得ISO/IEC 15961独立于电子标签和空中接口协议。

  ISO/IEC 15963规定 电子标签唯一标识的编码标准[5],该标准兼容ISO/IEC 7816-6、ISO/TS 14816、EAN.UCC标准编码体系、INCITS 256再加上保留对未来扩展。注意与物品编码的区别,物品编码是对标签所贴附物品的编码,而该标准标识的是标签自身。

  实时定位系统可以改善供应链的透明性[8],船队管理、物流和船队安全等。RFID标签可以解决短距离尤其是室内物体的定位,可以弥补GPS等定位系统只能适用于室外大范围的不足。GPS定位、手机定位再加上RFID短距离定位手段与无线通信手段一起可以实现物品位置的全程跟踪与监视。正在制订的标准有:

  ISO/IEC 24730-1 应用编程接口API,它规范 RTLS服务功能再加上访问方法,目的是应用程序可以方便地访问RTLS系统,它独立于RTLS的低层空中接口协议。

  ISO/IEC 24730-2 适用于2450MHz的RTLS空中接口协议。它规范 一个网络定位系统,该系统利用RTLS发射机发射无线电信标,接收机根据收到的几个信标信号解算位置。发射机的许多参数可以远程实时配置。

  2006年ISO/IEC开始重视RFID应用系统的标准化工作,将ISO/IEC 24752调整为6个部分并重新命名为ISO/IEC 24791。制定该标准的目的是对RFID应用系统提供一种框架,并规范 数据安全和多种接口,便于RFID系统之间的信息共享;使得应用程序不再关心多种设备和不同类型设备之间的差异,便于应用程序的设计和开发;能够支持设备的分布式协调控制和集中管理等功能,优化密集读写器组网的性能。该标准主要目的是解决读写器之间再加上应用程序之间共享数据信息,随着RFID技术的广泛应用RFID数据信息的共享越来越重要。

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