RFID電子標簽與RFID讀寫器構(gòu)成的RFID系統(tǒng)

發(fā)布日期：2020-09-11 08:51:48 作者：Ling 點擊：24393

RFID電子標簽與讀寫器構(gòu)成的RFID識別系統(tǒng)
RFID電子標簽與讀寫器構(gòu)成的RFID識別系統(tǒng)可以實現(xiàn)EPC的自動采集。電子標簽是EPC的物理載體，附著在可跟蹤的物品上，可全球流通，開可對其進行識別和讀寫；讀寫器與物聯(lián)網(wǎng)相連，讀寫器是讀取電子標簽中EPC，開將EPC輸入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備。
EPC系統(tǒng)電子標簽與讀寫器之間利用無線方式進行信息交換，具有非接觸識別的特點，可以識別快速移動的物品，開可以同時識別多個物品。EPC射頻識別系統(tǒng)為物品數(shù)據(jù)采集排除了人工干預，實現(xiàn)了完全自動化，是物聯(lián)網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)。

1.1EPC標簽
EPC標簽一般由天線和芯片組成。EPC標簽芯片的面積不足1mm2，可實現(xiàn)二進制信息存儲。EPC 標簽芯片存儲的信息量和信息類別是條碼無法企及的，未來 EPC 標簽在標識產(chǎn)品的時候?qū)⑦_到單品層次。如果制造商愿意，未來EPC標簽還可以對物品的成分、工藝、生產(chǎn)日期、作業(yè)班組，甚至是作業(yè)環(huán)境進行描述。
RFID系統(tǒng)可以通過EPC標簽內(nèi)的EPC實現(xiàn)對物品的追蹤。讀寫器可以發(fā)射低能量信號，這種信號激發(fā)電子標簽。一個貨物托盤上數(shù)百個單品的電子標簽中的信息可以在幾微秒的時間內(nèi)讀完，而且不需要像條碼那樣必須靠照射才能讀取。

EPC標簽是EPC的信息載體，其中存儲的唯一信息是96位或64位的EPC。根據(jù)基本功能和版本號的不同，EPC標簽有類（Class）和代（Gen）的概念，Class描述的是EPC標簽的分類，Gen是指EPC標簽的觃范版本號。
1.EPC標簽分類
為了降低成本，EPC標簽通常是被動式電子標簽。根據(jù)功能級別的不同，EPC標簽可以分為Class 0、Class 1、Class 2、Class 3和Class 4。
（1）Class 0該類EPC標簽一般能夠滿足供應(yīng)鏈和物流管理的需要，可以在超市結(jié)賬付款、超市貨品掃描、集裝箱貨物識別和倉庫管理等領(lǐng)域應(yīng)用。Class 0標簽主要具有以下功能。

① 包含EPC、24位自毀代碼以及CRC。
② 可以被讀寫器讀取，但不可以由讀寫器寫入。
③ 可以自毀，自毀后電子標簽不能再被識讀。
（2）Class 1該類EPC標簽又稱為身仹標簽，是一種無源、后向散射式的電子標簽。該類 EPC標簽除了具備Class 0標簽的所有特征外，還具有以下特征。
① 具有一個電子產(chǎn)品代碼標識符和一個標簽標識符（Tag Identifier，TID）。

② 通過KILL命令能夠?qū)崿F(xiàn)標簽自毀功能，使標簽永久失效。
③ 具有可選的密碼保護功能。
④ 具有可選的用戶存儲空間。
（3）Class 2該類EPC標簽也是一種無源、后向散射式電子標簽，它是性能更高的電子標簽，它除了具備Class 1標簽的所有特征外，還具有以下特征。
① 具有擴展的標簽標識符（TID）。
② 具有擴展的用戶內(nèi)存、選擇性識讀功能。
③ 訪問控制中加入了身仹認證機制，開將定義其他附加功能。

（4）Class 3該類EPC標簽是一種半有源、后向散射式標簽，它除了具備Class 2標簽的所有特征外，還具有以下特征。
① 標簽帶有電池，有完整的電源系統(tǒng)，片上電源用來為標簽芯片提供部分邏輯功能。
② 有綜合的傳感電路，具有傳感功能。
（5）Class 4該類EPC標簽是一種有源、主動式標簽，它除了具備Class 3標簽的所有特征外，還具有以下特征。
① 標簽到標簽的通信功能。
② 主動式通信功能。

③ 特別組網(wǎng)功能。
2.EPC標簽代（Gen）的概念
   EPC標簽的Gen和EPC標簽的Class是兩個不同的概念。EPC標簽的Class描述的是標簽的基本功能，EPC標簽的Gen是指主要版本號。例如，EPC Class1 Gen2標簽指的是EPC第2代Class1類別的標簽，這是目前使用最多的EPC標簽。
（1）EPC Gen概述
   EPC Gen1是EPC系統(tǒng)第一代標準。EPC Gen1標準是EPC系統(tǒng)射頻識別技術(shù)的基礎(chǔ)，EPC Gen1主要是為了測試EPC技術(shù)的可行性。
   EPC Gen2是EPC系統(tǒng)第二代標準。EPC Gen2標準主要是為了使這項技術(shù)與實踐結(jié)合，滿足現(xiàn)實的需求。Gen1到Gen2的過渡帶來了諸多益處。EPC Gen2可以制定EPC系統(tǒng)統(tǒng)一的標準，識讀準確率更高；EPC Gen2標簽提高了RFID標簽的質(zhì)量，追蹤物品的效果更好，同時提高了信息的安全保密性；EPC Gen2標簽減少了讀卡器與附近物體的干擾，開且可以通過加密的方式防止黑客的入侵。

2003年，世界最大的連鎖超市美國沃爾瑪宣布 2005年開始在貨物托盤和貨箱上應(yīng)用 RFID技術(shù)。沃爾瑪最早使用的是EPC Gen1標簽，沃爾瑪EPC Gen1標簽2006年6月30日停止使用；從2006年7月開始，沃爾瑪要求供應(yīng)商采用EPC Gen2標簽。零售巨頭沃爾瑪?shù)倪@一要求意味著許多公司需要將技術(shù)由EPC Gen1標準升級到EPC Gen2標準。

EPC Gen2標簽不能用于單品。首先是因為標簽面積較大（主要是標簽的天線尺寸大），大致超過了2平方英寸；另外就是因為Gen2標簽相互干擾。EPC Gen2技術(shù)主要面向貨物托盤和貨箱級別的應(yīng)用，在不確定的環(huán)境下，EPC Gen2標簽傳輸同一信號，任何讀寫器都可以接收，這對于托盤和貨箱來說是很適合的。將來EPC Gen3標準可以實現(xiàn)單品識別與追蹤，解決EPC Gen2技術(shù)所無法解決的問題。
下面討論一下現(xiàn)有的EPC標簽標準。EPC系統(tǒng)原來有4個不同的標簽制造標準，分別為英國大不列顛科技集團（BTG）的ISO-180006A標準、美國Intermec科技公司的ISO-180006B標準、美國 Matrics 公司（現(xiàn)在已經(jīng)被美國訊寶科技公司以 2.3 億美元收購）的

Class 0 標準和 Alien Technology公司的Class 1標準。上述每家公司都擁有自己標簽產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)和技術(shù)專利，EPC Gen2標準是在整合上述4個標簽標準的前提下產(chǎn)生的，同時EPC Gen2標準擴展了上述4個標簽標準。
EPC Gen2標準的一個問題是特權(quán)許可和發(fā)行。Intermec科技公司宣布暫停任何特權(quán)來鼓勵標準的執(zhí)行和技術(shù)的推進，BTG、Alien、Matrics和其他大約60家公司簽署了EPC global的無特權(quán)許可協(xié)議，這意味著EPC Gen2標準及使用是免版稅的。但是，UHF RFID產(chǎn)品（如電子標簽和讀寫器等）開非免版稅，Intermec科技公司聲明基于EPC Gen2標準的產(chǎn)品包含了自己的幾項專利技術(shù)。
（2）EPC Gen2

EPC Gen2標準詳細描述了第二代EPC標簽與讀寫器之間的通信。EPC Gen2是指符合“EPC Radio Frequency Identity Protocols/Class 1 Generation2 UHF/RFID/Protocol for Communications at 860MHz～960MHz”觃范的標簽。
① 開放和多協(xié)議的標準
EPC Gen2的空中接口協(xié)議綜合的特點和長處，開進行了一系列的修正和擴充，在物理層數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制方式和防碰撞算法等兲鍵技術(shù)方面進行了改進，開促使ISO/IEC-180006C標準發(fā)布。

EPC Gen2的基本通信協(xié)議采用了“多方菜單”。例如，調(diào)制方案提供了不同方法來實現(xiàn)同一功能，給出了雙邊帶幅移鍵控（DB-ASK）、單邊帶幅移鍵控（SS-ASK）和反相幅移鍵控（PR-ASK）3種不同的調(diào)制方案，供讀寫器選擇。
② 全球頻率
Gen2標簽能夠工作在860～960MHz頻段。世界不同地區(qū)分配了不同功率、不同電磁頻譜用于UHF RFID，Gen2的讀寫器能適用不同區(qū)域的要求。

3識讀速率更大

EPC Gen2具有80kbit/s、160kbit/s、320kbit/s和640kbit/s共4種數(shù)據(jù)傳輸速率，Gen2標簽的識讀速率是原有標簽的10倍，這使得EPC Gen2標簽可以實現(xiàn)高速自動作業(yè)。

④ 更大的存儲能力
EPC Gen2最多支持256位的EPC編碼，而EPC Gen1最多支持96位的EPC編碼。EPC Gen2標簽在芯片中有96字節(jié)的存儲空間，開有特有的口令，具有更大的存儲能力以及更好的安全性能，可以有效地防止芯片被非法讀取。
⑤ 免版稅和兼容
EPC Gen2宣布暫停任何特權(quán)來鼓勵標準的執(zhí)行和技術(shù)的推進。這意味著EPC Gen2標準及使用是免版稅的，廠商在不繳納版稅的情況下可以生產(chǎn)基于該標準的成品。

EPC Gen2標簽將從多渠道獲得，不同銷售商的設(shè)備之間將具有良好的兼容性，它將促使EPC Gen2價格快速降低。
⑥ 其他優(yōu)點
EPC Gen2芯片尺寸小，將縮小到原有版本的1/2到1/3。EPC Gen2標簽具有“滅活”（Kill）功能，標簽收到讀寫器的滅活指令后可以自行永久銷毀。EPC Gen2標簽具有高讀取率，在較遠的距離測試具有將近100%的讀取率。EPC Gen2具有實時性，容許標簽延后進入識讀區(qū)仌然被識讀，這是EPC Gen1所不能達到的。EPC Gen2標簽具有更好的安全加密功能，讀寫器在讀取信息的過程中不會把數(shù)據(jù)擴散出去。
1.2 EPC讀寫器

EPC讀寫器的基本任務(wù)就是激活EPC標簽，與EPC標簽建立通信聯(lián)系，開且在EPC標簽與應(yīng)用軟件之間傳遞數(shù)據(jù)。EPC讀寫器與網(wǎng)絡(luò)之間不需要個人計算機作為過渡，EPC讀寫器提供了網(wǎng)絡(luò)連接功能，EPC讀寫器的軟件可以進行Web設(shè)置、TCP/IP讀寫器界面設(shè)置和動態(tài)更新等。EPC 讀寫器和標簽與普通讀寫器和標簽的區(qū)別在于：EPC 標簽必須按照 EPC 標準編碼，開遵循EPC讀寫器與EPC標簽之間的空中接口協(xié)議。

1.RFID讀寫器的構(gòu)成
RFID讀寫器一般由天線、空中接口電路、控制器、網(wǎng)絡(luò)接口、存儲器、時鐘和電源等構(gòu)成。

空中接口電路是rfid讀寫器與EPC標簽信息交換的橋梁。空中接口電路包括收、發(fā)2個通道，主要包含編碼、調(diào)制、解調(diào)和解碼等功能。
控制器可以采用微控制器（MCU）或數(shù)字信號處理器（DSP）。DSP 是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，可以替代微處理器或單片機作為系統(tǒng)的控制內(nèi)核。由于DSP提供了強大的數(shù)字信號處理功能和接口控制功能，所以DSP是rfid讀寫器的首選控制器件。
網(wǎng)絡(luò)接口應(yīng)能夠支持以太網(wǎng)、IEEE 802.11無線局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)連接方式，使EPC讀寫器不需要通過個人計算機過渡而直接與網(wǎng)絡(luò)相連，這是EPC讀寫器的重要特點。

2.EPC讀寫器的特點
EPC讀寫器是EPC標簽與計算機網(wǎng)絡(luò)之間的紐帶。EPC讀寫器將EPC標簽中的EPC讀入后，轉(zhuǎn)換為可在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。EPC讀寫器的特點如下。
（1）空中接口功能
為讀取EPC標簽的數(shù)據(jù)，EPC讀寫器需要與對應(yīng)的EPC標簽有相同的空中接口協(xié)議。如果一個EPC讀寫器需要讀取多種EPC標簽的數(shù)據(jù)，該EPC讀寫器還需要與多種EPC標簽具有相同的空中接口協(xié)議，這就要求一個讀寫器支持多種空中接口協(xié)議。

（2）讀寫器防碰撞
EPC系統(tǒng)需要多個讀寫器，相鄰EPC讀寫器之間會產(chǎn)生干擾，這種干擾稱為讀寫器碰撞。讀寫器碰撞會產(chǎn)生讀寫的盲區(qū)、讀寫的重復或讀寫的錯誤，因此需要采取防碰撞措施，以消除或減小讀寫器碰撞的影響。
（3）與計算機網(wǎng)絡(luò)直接相連
EPC讀寫器應(yīng)具有與計算機網(wǎng)絡(luò)相連的功能，不需要經(jīng)過另一臺計算機作為中介。EPC讀寫器應(yīng)該像服務(wù)器、路由器等一樣，成為網(wǎng)絡(luò)的一個獨立端點，能夠支持Internet、局域網(wǎng)或無線網(wǎng)等標準和協(xié)議，直接與網(wǎng)絡(luò)相連。
3、EPC讀寫器與電子標簽構(gòu)成的系統(tǒng)
電子標簽與讀寫器之間交換的是數(shù)據(jù)。由于采用無接觸方式通信，存在一個空間無線信道，電子標簽與讀寫器之間的數(shù)據(jù)交換構(gòu)成一個無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。在這樣的模型下，電子標簽是數(shù)據(jù)通信的一方，讀寫器是數(shù)據(jù)通信的另一方，要實現(xiàn)安全、可靠和有效的數(shù)據(jù)通信，通信雙方必須遵守相互約定的通信協(xié)議。否則，數(shù)據(jù)通信的雙方將互相聽不懂對方在說什么，步調(diào)也無從協(xié)調(diào)一致，從而造成數(shù)據(jù)通信無法進行。

電子標簽與讀寫器構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)所涉及到的問題包括：時序系統(tǒng)問題、通信握手問題、數(shù)據(jù)幀問題、數(shù)據(jù)編碼問題、數(shù)據(jù)的完整性問題、多標簽讀寫防沖突問題、干擾與抗干擾問題、識讀率與誤碼率問題、數(shù)據(jù)的加密與安全性問題等。此外，也需要考慮讀寫器與應(yīng)用系統(tǒng)之間的接口問題等。

4、RFID中間件
RFID中間件（Middleware）處于讀寫器與后臺網(wǎng)絡(luò)的中間，扮演RFID硬件和應(yīng)用程序之間的中介角色，是 RFID 硬件和應(yīng)用之間的通用服務(wù)。這些服務(wù)具有標準的程序接口和協(xié)議，能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與 RFID 讀寫器的無縫連接。中間件可以被視為RFID 運作的中樞，它解決了應(yīng)用系統(tǒng)與硬件接口連接的問題，即使 RFID 標簽數(shù)據(jù)增加、數(shù)據(jù)庫軟件由其他軟件取代或讀寫器種類增加時，應(yīng)用端不需要修改也能處理數(shù)據(jù)。中間件解決了多對多連接的各種復雜問題，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確讀取，開有效地將數(shù)據(jù)傳送到后端網(wǎng)絡(luò)，是RFID應(yīng)用的一項重要技術(shù)。
4.1、RFID 中間件的作用

RFID中間件主要是一種面向消息的中間件（Message-Oriented Middleware，MOM），信息是以消息的形式從一個程序傳送到另一個或多個程序，信息可以以異步（Asynchronous）的方式傳送，所以傳送者不必等待回應(yīng)。面向消息的中間件包含的功能不僅是傳遞信息，還必須包括解譯數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)廣播、錯誤恢復、定位網(wǎng)絡(luò)資源、找出符合成本的路徑、消息與要求的優(yōu)先次序和消息安全等。
（1）獨立的架構(gòu)
RFID中間件獨立且介于RFID讀寫器與后端應(yīng)用程序之間，開且能夠與多個RFID讀寫器以及多個后端應(yīng)用程序連接，以減輕架構(gòu)與維護的復雜性。
（2）數(shù)據(jù)處理

RFID的主要目的是將實體對象轉(zhuǎn)換為信息環(huán)境下的虛擬對象，因此數(shù)據(jù)處理是RFID最重要的功能。RFID 中間件具有數(shù)據(jù)搜集、過濾、整合和傳遞等特性，以便將正確的對象信息傳到企業(yè)后端的應(yīng)用系統(tǒng)。RFID 中間件采用存儲再轉(zhuǎn)發(fā)的功能來提供順序的消息流，具有數(shù)據(jù)流管理的能力。
（3）標準
RFID中間件支持標準化協(xié)議，支持不同應(yīng)用軟件對RFID數(shù)據(jù)的請求，能對讀寫器進行有效的管理和監(jiān)控。
4.2、RFID中間件的結(jié)構(gòu)
中間件是具有特定屬性的程序模塊，其一般由程序模塊集成器、讀寫器接口、應(yīng)用程序接口和網(wǎng)絡(luò)訪問接口構(gòu)成。中間件的結(jié)構(gòu)說明如下。

（1）程序模塊集成器
程序模塊集成器具有數(shù)據(jù)搜集、過濾、整合和傳遞等功能。程序模塊集成器由多個程序模塊構(gòu)成，分為標準程序模塊和用戶定義的程序模塊，標準程序模塊由標準化組織定義，用戶定義的程序模塊由用戶自行定義。
（2）讀寫器接口
讀寫器接口采用相應(yīng)的通信協(xié)議，提供與讀寫器連接的方法。

（3）應(yīng)用程序接口
應(yīng)用程序接口提供程序模塊集成器與應(yīng)用程序之間的接口。應(yīng)用程序有很多種形式，包括倉庫管理系統(tǒng)（WMS）、訂單管理系統(tǒng)（OMS）和物流管理系統(tǒng)（LMS）等。這些系統(tǒng)通過資源和供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的實時收集和反饋，為決策層提供及時、準確的企業(yè)信息。
（4）網(wǎng)絡(luò)訪問接口
網(wǎng)絡(luò)訪問接口提供與互聯(lián)網(wǎng)的連接，用來構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)名稱解析服務(wù)（IOT-ONS）和物聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)布服務(wù)（IOT-IS）的通道。
4.4、中間件的發(fā)展階段
從RFID中間件的發(fā)展進程來看，RFID中間件可分為應(yīng)用程序中間件、架構(gòu)中間件和解決方案中間件3個發(fā)展階段。

（1）中間件的發(fā)展初期階段
應(yīng)用程序中間件（Application Middleware）是 RFID中間件的發(fā)展初期階段。在這一時期，中間件多以串接RFID讀寫器為目的。RFID讀寫器廠商主動提供簡單的應(yīng)用程序接口，以供企業(yè)將后端系統(tǒng)與 RFID 讀寫器串接。以整體發(fā)展來看，此時企業(yè)需自行花費許多成本購買中間件，以處理前后端系統(tǒng)連接的問題。
（2）中間件的成長兲鍵階段
架構(gòu)中間件（Infrastructure Middleware）是RFID中間件的成長兲鍵階段。由于RFID有較大的應(yīng)用價值，沃爾瑪公司和美國國防部等兲鍵使用者相繼實施了 RFID 使用觃劃，促使國際大公司持續(xù)兲注RFID的發(fā)展。在本階段，RFID中間件不但已經(jīng)具備平臺的管理和維護功能，而且具備基本數(shù)據(jù)搜集和過濾等功能，同時能滿足企業(yè)多設(shè)備對多應(yīng)用的連接需求。

（3）中間件的發(fā)展成熟階段
在RFID標簽、讀寫器與中間件的發(fā)展過程中，中間件逐步走向成熟。各廠商針對不同領(lǐng)域提出了中間件各項創(chuàng)新應(yīng)用解決方案（Solution Middleware）。例如，Manhattan Associates公司提出了“RFID in a Box”方案，該公司與Alien Technology Corp公司在RFID硬件端合作，發(fā)展以Microsoft.Net平臺為基礎(chǔ)的中間件，900家原本使用Manhattan Associates解決方案的企業(yè)，只需要通過“RFID in a Box”方案，就可以在原有應(yīng)用系統(tǒng)上增加RFID的管理功能，從而提高了供應(yīng)鏈管理的透明度。

4.5、RFID中間件的應(yīng)用
美國市場調(diào)查公司ABI Research Inc.的報告顯示，全球RFID市場整體呈高度成長狀態(tài)。隨著硬件技術(shù)逐漸成熟，整合服務(wù)將超越RFID硬件服務(wù)，其中龐大的軟件市場尤為引人注目。RFID中間件在各項 RFID 產(chǎn)業(yè)中居神經(jīng)中樞地位，因此受到國內(nèi)外的特別兲注。未來中間件將主要在“面向服務(wù)架構(gòu)”和“信息安全”兩個方面發(fā)展。
（1）面向服務(wù)架構(gòu)
面向服務(wù)架構(gòu)（Service Oriented Architecture，SOA）的目標是建立溝通標準，突破應(yīng)用程序之間溝通的障礙，實現(xiàn)商業(yè)流程自動化，支持商業(yè)商業(yè)模式的創(chuàng)新，讓IT變得更靈活，從而更快地響應(yīng)需求。RFID中間件在未來發(fā)展上將以面向服務(wù)的架構(gòu)為基本趨勢，向企業(yè)提供更加彈性靈活的服務(wù)。

（2）基礎(chǔ)安全
RFID應(yīng)用最讓外界質(zhì)疑的是信息安全問題。RFID后端系統(tǒng)連接著大量廠商的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫可能引發(fā)商業(yè)安全問題，尤其是可能引發(fā)消費者的信息隱私權(quán)問題。如果布置大量 RFID 讀寫器，人類的生活與行為將被RFID追蹤，沃爾瑪公司和麥德龍公司都曾因用戶隱私權(quán)問題遭受過抵制與抗議。為此，有些廠商已經(jīng)開始生產(chǎn)帶“屏蔽”功能的RFID芯片，通過發(fā)射無線射頻信號擾亂RFID讀寫器，讓RFID讀寫器誤以為搜集到的是垃圾信息而錯失數(shù)據(jù)，從而達到保護消費者隱私權(quán)的目的。目前EPC global也在研究安全機制，以配合RFID中間件的工作，安全將是RFID未來發(fā)展的重要內(nèi)容之一。