RFID前端技术标准体系简述

2015-06-24 23:06 来源:国脉物联网
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  RFID技术具有很多突出的优点:实现了无源和免接触操作,应用便利,无机械磨损,寿命长,机具无直接对最终用户开放的物理接口,能更好地保证机具的安全性;数据安全方面除标签的密码保护外,数据部分可用一些算法实现安全管理,如DES、RSA、DSA、MD5等,读写机具与卡之间也可相互认证,实现安全通信和存储;总体成本一直处于下降之中,越来越接近接触式IC卡的成本,甚至更低,为其大量应用奠定了基础;应用领域也非常宽,RFID技术已经在物流管理、生产线工位识别、绿色畜牧业养殖个体记录跟踪、汽车安全控制、身份证、公交等领域大量成功应用。

  世界排名第一的零售商沃尔玛在2003年宣布,到2005年1月份时要求它前100大的供应商采用RFID技术,实现货品自动识别,以继续提高其供应链的管理能力。这也威胁到我国的零售商是否能继续销售自己的产品,因为有70%的货品都是由中国厂商生产的,可见RFID识别技术的发展已经自下而上地被推动。

  另外,还有诸如Target、Tesco、FDA等也宣布了其使用计划。

  RFID推广受标准问题困扰

  目前,世界一些知名公司各自推出了自己的很多标准,这些标准互不兼容,表现在频段和数据格式上的差异,这也给RFID的大范围应用带来了困难。

  目前全球有两大RFID标准阵营:欧美的Auto-ID Center与日本的Ubiquitous ID Center(UID)。前者的领导组织是美国的EPC环球协会,旗下有沃尔玛集团、英国Tesco等企业,同时有IBM、微软、飞利浦、Auto-ID Lab等公司提供技术支持。后者主要由日系厂商组成。

  欧美的EPC标准采用UHF频段,为860MHz~930MHz,日本RFID标准采用的频段为2。45GHz和13。56MHz;日本标准电子标签的信息位数为128位,EPC标准的位数则为96位。

  将RFID应用到供应链中还存在另外一些需要解决的问题,如读写设备的可靠性、成本、数据的安全性、个人隐私的保护和与系统相关的网络的可靠性、数据的同步等等,不解决好以上问题,肯定会制约RFID的进步,不过最近RFID相关的高层会议接连不断,RFID技术的快速发展已呈燎原之势。

  RFID技术标准面面观

  通常情况下,RFID阅读器发送的频率称为RFID系统的工作频率或载波频率。RFID载波频率基本上有3个范围:低频(30kHz~300kHz)、高频(3MHz~30MHz)和超高频(300MHz~3GHz)。常见的工作频率有低频125kHz与134。2kHz、高频13。56MHz、超高频433Mhz、860MHz~930MHz、2。45GHz等。

  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、校园卡、煤气表、水表等;高频系统则用于需传送大量数据的应用系统;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,在火车监控、高速公路收费等系统中应用。另外值得一提的是在供应链中的应用,EPC Global规定用于EPC的载波频率为13。56MHz和860MHz~930MHz两个频段,其中13。56MHz频率采用的标准原型是ISO/IEC15693,已经收入到ISO/IEC18000-3中。这个频点的应用已经非常成熟。

  而860~930MHz频段的应用则较复杂,国际上各国家采用的频率不同:美国为915MHz,欧洲为869MHz,而我国由于被GSM、CDMA等占用,目前仍然待定。

  目前常用的RFID国际标准主要有用于对动物识别的ISO 11784和11785,用于非接触智能卡的ISO 10536(Close coupled cards)、ISO 15693(Vicinity cards)、ISO 14443 (Proximity cards),用于集装箱识别的ISO 10374等。有些标准正在形成和完善之中,比如用于供应链的ISO 18000无源超高频(860Mhz~930Mhz载波频率)部分的C1G2标准不久会正式推出,我国自己的国家标准最快在今年年末会出台。下面对这几个标准加以简述。

  ISO 11784和ISO 11785

  ISO 11784和11785分别规定了动物识别的代码结构和技术准则,标准中没有对应答器样式尺寸加以规定,因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种形式,如玻璃管状、耳标或项圈等。

  技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为134。2KHz,数据传输方式有全双工和半双工两种,阅读器数据以差分双相代码表示。应答器采用FSK调制,NRZ编码。

  由于存在较长的应答器充电时间和工作频率的限制,通信速率较低。

  ISO 10536、ISO 15693和

  ISO 14443

  ISO 10536标准主要发展于1992到1995年间,由于这种卡的成本高,与接触式IC卡相比优点很少,因此这种卡从未在市场上销售。

  ISO 14443和ISO 15693标准在1995年开始操作,单个系统于1999年进入市场,两项标准的完成则是在2000年之后。二者皆以13。56MHz交变信号为载波频率:ISO15693读写距离较远,当然这也与应用系统的天线形状和发射功率有关;而ISO 14443 读写距离稍近,但应用较广泛,目前的第二代电子身份证采用的标准是ISO 14443 TYPE B协议。

  ISO14443定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议。通信速率为106kbits/s,它们的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。

  从PCD向PICC传送信号时,TYPE A采用改进的Miller编码方式,调制深度为100%的ASK信号;TYPE B则采用NRZ编码方式,调制深度为10%的ASK信号。

  从PICC向PCD传送信号时,二者均通过调制载波传送信号,副载波频率皆为847KHz。TYPE A采用开关键控(On-Off keying)的Manchester编码;TYPE B采用NRZ-L的BPSK编码。

  TYPE B与TYPE A相比,由于调制深度和编码方式的不同,具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力更强的优点。

  ISO 15693标准规定的载波频率亦为13。56MHz,VCD和VICC全部都用ASK调制原理,调制深度为10%和100%,VICC必须对两种调制深度正确解码。

  从VCD向VICC传送信号时,编码方式为两种:“256出1”和“4出1”。二者皆以固定时间段内以位置编码。这两种编码方式的选择与调制深度无关。当“256出1”编码时,10%的ASK调制优先在长距离模式中使用,在这种组合中,与载波信号的场强相比,调制波边带较低的场强允许充分利用许可的磁场强度对IC卡提供能量。与此相反,阅读器的“4出1”编码可和100%的ASK调制的组合在作用距离变短或在阅读器的附近被屏蔽时使用。

  从VICC向VCD传送信号时,用负载调制副载波。电阻或电容调制阻抗在副载波频率的时钟中接通和断开。而副载波本身在Manchester编码数据流的时钟中进行调制,使用ASK或FSK调制。调制方法的选择是由阅读器发送的传输协议中FLAG字节的标记位来标明,因此,VICC总是支持两种方法:ASK(副载波频率为424KHz)和FSK(副载波频率为424/484KHz)。数据传输速率的选择同样由FLAG中的位来表明,而且必须两种速率都支持:高速和低速。这两种速率根据采用的副载波速率不同而略有不同,采用单副载波时低速为6。62kbits/s,高速为26。48kbits/s;采用双副载波时则分别为6。67kbits/s和26。69kbits/s。

  可见,ISO 15693应用更加灵活,操作距离又远,更重要的是它与ISO 18000-3兼容,了解ISO 15693标准对将来了解我国的国家标准是有助益的,因为我国的国家标准肯定会与ISO 18000大部分兼容。

  如果在同一时间段内有多于一个的VICC或PICC同时响应,则说明发生冲撞。RFID的核心是防冲撞技术,这也是和接触式IC卡的主要区别。ISO 14443-3规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同:前者是基于位冲撞检测协议,而TYPE B通过系列命令序列完成防冲撞;ISO 15693 采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制,在标准的第三部分有详细规定。

  防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的正确操作成为可能,只用算法编程,读头即可自动选取其中一张卡进行读写操作。这样既方便了操作,也提高了操作的速度。

  如果与硬件配合,可用一些算法快速实现多卡识别,比如TI公司的R6C接口芯片有一个解码出错指示引脚,利用它可以快速识别多卡:当冲撞产生时引脚电平发生变化,此时记录下用来查询的低UID位,然后在此低位基础上增加查询位数,直到没有冲撞发生,这样就可以识别出所有卡片。

  ISO 10374

  ISO 10374标准说明了基于微波应答器的集装箱自动识别系统。

  应答器为有源设备,工作频率为850MHz~950Mhz及2。4GHz~2。5GHz。只要应答器处于此场内就会被活化并采用变形的FSK副载波通过反向散射调制做出应答。信号在两个副载波频率40kHz和20kHz之间被调制。

  此标准和ISO 6346共同应用于集装箱的识别,ISO 6346规定了光学识别,ISO 10374则用微波的方式来表征光学识别的信息。

  ISO 18000

  ISO 18000是一系列标准。此标准是目前最新的也是最热门的标准,原因是它可用于商品的供应链,其中的部分标准也正在形成之中。表2是ISO 18000标准的内容。

  其中ISO 18000-6基本上是整合了一些现有RFID厂商的产品规格和EAN-UCC所提出的标签架构要求而订出的规范。它只规定了空气接口协议,对数据内容和数据结构无限制,因此可用于EPC。

  实际上,若采用ISO 18000-6对空气接口的规定加上EPC系统的编码结构再加上ONS架构,就可以构成一个完整的供应链标准。

  花好还需绿叶扶

  应用好RFID技术,除了接口的设计,还有天线的设计、数据库管理技术等,这在以后的实际应用中会不断地积累经验,不断地改进创新。因为这项技术的应用前景决定了它的技术和标准的日臻完善。近年来,射频识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域,这个领域与其他传统学科不同,它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起:如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业领域。所以在这个领域要做的事很多,要探讨的问题也很多,但这一切都是值得努力去做的。

  小资料2:数字调制技术

  数字调制是指用数字数据调制模拟信号,主要有三种形式:移幅键控法ASK、移频键控法FSK、移相键控法PSK。

  幅度键控(ASK):即按载波的幅度受到数字数据的调制而取不同的值,例如对应二进制0,载波振幅为0;对应二进制1,载波振幅为1。调幅技术实现起来简单,但容易受增益变化的影响,是一种低效的调制技术。在电话线路上,通常只能达到1200bps的速率。

  频移键控(FSK):即按数字数据的值(0或1)调制载波的频率。例如对应二进制0的载波频率为F1,而对应二进制1的载波频率为F2。该技术抗干扰性能好,但占用带宽较大。在电话线路上,使用FSK可以实现全双工操作,通常可达到1200bps的速率。

  相移键控(PSK):即按数字数据的值调制载波相位。例如用180相移表示1,用0相移表示0。这种调制技术抗干扰性能最好,且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟,并对传输速率起到加倍的作用。

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