無線射頻識別技術(Radio Frequency Identification,RFID)是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術。該技術是一種非接觸的自動識別技術,其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性實現對被識別物體的自動識別。其核心技術包括無線電射頻、計算機軟件硬件、編碼學和芯片加工技術等多種現代高新科學技術,是多種跨門類科學技術的綜合體。被廣泛應用于工業自動化、商業自動化、現代服務業、交通運輸控制管理等眾多領域。
RFID俗稱“電子標簽”,是一種非接觸式的自動識別技術,它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據,識別工作無須人工干預,作為條形碼的無線版本,RFID技術具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽上數據可以加密、存儲數據容量更大、存儲信息更改自如等優點,其應用將給零售、物流等產業帶來革命性變化。
RFID的相關技術與應用標準:
由于RFID的應用牽涉到眾多行業,因此其相關的標準盤根錯節,非常復雜。從類別看,RFID標準可以分為以下四類:技術標準(如RFID技術、IC卡標準等);數據內容與編碼標準(如編碼格式、語法標準等);性能與一致性標準(如測試規范等);應用標準(如船運標簽、產品包裝標準等)。具體來講,RFID相關的標準涉及電氣特性、通信頻率、數據格式和元數據、通信協議、安全、測試、應用等方面。
與RFID技術和應用相關的國際標準化機構主要有:國際標準化組織(ISO)、國際電工委員會(IEC)、國際電信聯盟(ITU)、世界郵聯(UPU)。此外還有其他的區域性標準化機構(如EPC global、UID Center、CEN)、國家標準化機構(如BSI、ANSI、DIN)和產業聯盟(如ATA、AIAG、EIA)等也制定與RFID相關的區域、國家、或產業聯盟標準,并通過不同的渠道提升為國際標準。
目前RFID存在三個主要的技術標準體系,總部設在美國麻省理工學院(MIT)的Auto-ID Center(自動識別中心)、日本的Ubiquitous ID Center (泛在ID中心,UIC)和ISO標準體系。
EPC Global
EPC Global是由美國統一代碼協會(UCC)和國際物品編碼協會(EAN)于2003年9月共同成立的非營利性組織,其前身是1999年10月1日在美國麻省理工學院成立的非營利性組織Auto-ID中心。Auto-ID中心以創建“物聯網”(Internet of Things)為使命,與眾多成員企業共同制訂一個統一的開放技術標準。旗下有沃爾瑪集團、英國Tesco等100多家歐美的零售流通企業,同時有IBM、微軟、飛利浦、Auto-IDLab等公司提供技術研究支持。目前EPC Global已在加拿大、日本、中國等國建立了分支機構,專門負責EPC碼段在這些國家的分配與管理、EPC相關技術標準的制定、EPC相關技術在本國的宣傳普及以及推廣應用等工作。EPC Global“物聯網”體系架構由EPC編碼、EPC標簽及讀寫器、EPC中間件、ONS服務器和EPCIS服務器等部分構成。
EPC賦予物品惟一的電子編碼,其位長通常為64位或96位,也可擴展為256位。對不同的應用規定有不同的編碼格式,主要存放企業代碼、商品代碼和序列號等。最新的GEN2標準的EPC編碼可兼容多種編碼。 EPC中間件對讀取到的EPC編碼進行過濾和容錯等處理后,輸入到企業的業務系統中。它通過定義與讀寫器的通用接口(API)實現與不同制造商的讀寫器兼容。ONS服務器根據EPC編碼及用戶需求進行解析,以確定與EPC編碼相關的信息存放在哪個EPCIS服務器上。 EPCIS服務器存儲并提供與EPC相關的各種信息。這些信息通常以PML的格式存儲,也可以存放于關系數據庫中。
Ubiquitous ID
日本在電子標簽方面的發展,始于20世紀80年代中期的實時嵌入式系統TRON。T-Engine是其中核心的體系架構。 在T-Engine論壇領導下,泛在ID中心于2003年3月成立,并得到日本政府經產省和總務省以及大企業的支持,目前包括微軟、索尼、三菱、日立、日電、東芝、夏普、富士通、NTT DoCoMo、KDDI、J-Phone、伊藤忠、大日本印刷、凸版印刷、理光等重量級企業。泛在ID中心的泛在識別技術體系架構由泛在識別碼(uCode)、信息系統服務器、泛在通信器和ucode解析服務器等四部分構成。
uCode采用128位記錄信息,提供了340×1036編碼空間,并可以以128位為單元進一步擴展至256、384或512位。uCode能包容現有編碼體系的元編碼設計,可以兼容多種編碼,包括JAN、UPC、ISBN、IPv6地址,甚至電話號碼。uCode標簽具有多種形式,包括條碼、射頻標簽、智能卡、有源芯片等。泛在ID中心把標簽進行分類,設立了9個級別的不同認證標準。
信息系統服務器存儲并提供與ucode相關的各種信息。
uCode解析服務器確定與uCode相關的信息存放在哪個信息系統服務器上。uCode解析服務器的通信協議為uCodeRP和eTP,其中eTP是基于eTron(PKI)的密碼認證通信協議。 泛在通信器主要由IC標簽、標簽讀寫器和無線廣域通信設備等部分構成,用來把讀到的uCode送至uCode解析服務器,并從信息系統服務器獲得有關信息。
ISO標準體系
國際標準化組織(ISO)以及其他國際標準化機構如國際電工委員會(IEC)、國際電信聯盟(ITU)等是RFID國際標準的主要制定機構。大部分RFID標準都是由ISO(或與IEC聯合組成)的技術委員會(TC)或分技術委員會(SC)制定的。
RFID主要標準簡介
RFID系統主要由數據采集和后臺應用系統兩大部分組成。目前已經發布或者正在制定中的標準主要是與數據采集相關的,主要有電子標簽與讀寫器之間的空氣接口、讀寫器與計算機之間的數據交換協議、電子標簽與讀寫器的性能和一致性測試規范,以及電子標簽的數據內容編碼標準等。后臺應用系統目前并沒有形成正式的國際標準,只有少數產業聯盟制定了一些規范,現階段還在不斷演變中。
電子產品編碼標準
RFID是一種只讀或可讀寫的數據載體,它所攜帶的數據內容中最重要的是惟一標識號。因此,惟一標識體系以及它的編碼方式和數據格式,是我國電子標簽標準中的一個重要組成部分。惟一標識號廣泛應用于國民經濟活動中,例如我國的公民身份證號、組織機構代碼、全國產品與服務統一代碼擴展碼、電話號、車輛識別代號、國際證券號等。盡管國家多個部委在惟一標識領域開展了一系列的相關研究工作,但與發達國家相比,我國的惟一標識體系總體上處于發展的起步階段,正在逐步完善中。
1、產品電子代碼 EPC
EPC是由EPC global組織、各應用方協調一致的編碼標準,可以實現對所有實體對象(包括零售商品、物流單元、集裝箱、貨運包裝等)的惟一有效標識。EPC由一個版本號加上域名管理者、對象分類、序列號三段數據組成的一組數字。其中EPC的版本號標識EPC的長度或類型;域名管理者是描述與此EPC相關生產廠商的信息;對象分類記錄產品精確類型的信息;序列號用于惟一標識貨品單件。
EPC與目前應用最成功的商業標準EAN.UCC全球統一標識系統是兼容,成為EAN.UCC系統的一個重要組成部分,是EAN.UCC系統的延續和拓展,是EPC系統的核心與關鍵。
2、EAN.UCC
EAN國際物品編碼協會成立于1977年,是基于比利時法律規定建立的一個非營利性國際組織,總部設在比利時首都布魯塞爾。EAN目的是建立一套國際通行的全球跨行業的產品、運輸單元、資產、位置和服務的標識標準體系和通信標準體系,即“全球商業語言——EAN.UCC系統”。國際EAN的前身是歐洲物品編碼協會,現主要負責除北美以外的EAN.UCC系統的統一管理及推廣工作。目前,其會員遍及90多個國家和地區,全世界已有約90萬家公司、企業通過各國或地區的編碼組織加入到EAN.UCC系統中來。近幾年,國際EAN加強了與美國統一代碼委員會(UCC)的合作,先后兩次達成EAN/UCC聯盟協議,以共同開發、管理EAN.UCC系統。
3、GB 18937 (NPC)
強制性國家標準 GB 18937《全國產品與服務統一標識代碼編制規則》規定了全國產品與服務統一代碼(NPC)的適用范圍、代碼結構及其表現形式,由國務院標準化行政主管部門于2003年2月2日頒布,2003年4月16日正式實施。全國產品與服務統一代碼是按照《全國產品與服務統一標識代碼編制規則》國家標準要求編制的全國產品與服務統一標識代碼,目前已經用于電子設備、食品、建材、汽車、石油化工、農業、專業服務等領域。根據國內外對海量賦碼對象進行賦碼的一般規律,全國產品與服務統一代碼按照全數字、最長不超過十四位、便于維護機構維護和管理的原則設計,由十三位數字本體代碼和一位數字校驗碼組成,其中本體代碼采用序列順序碼或順序碼。
通信標準
RFID的無線接口標準中最受注目的是ISO/IEC 18000系列協議,涵蓋了從125KHz到2.45GHz的通信頻率,識讀距離由幾厘米到幾十米,其中主要是無源標簽但也有用于集裝箱的有源標簽。
近距離無線通信(NFC)是一項讓兩個靠近(近乎接觸)的電子裝置以13.56MHz頻率通信的RFID應用技術。由諾基亞、飛利普和索尼創辦的近距離無線通信論壇(NFC Forum)起草了相關的通信和測試標準,讓消費類電子設備(尤其是手機)與其他的網絡產品或電腦外設進行通信和數據交換。該標準還與ISO/IEC 14443和ISO/IEC 15693非接觸式IC卡兼容。目前,已經有支持NFC功能的手機面世,可以用手機來閱讀兼容ISO/IEC 14443 Type A或Sony FeliCa 的非接觸式IC卡或電子標簽。
超寬帶無線技術(UWB)是一種直接以載波頻率傳送數據的通信技術。以UWB作為射頻通信接口的電子標簽可實現半米以內的精確定位。這種精確定位功能方便實現醫院里的貴重儀器和設備管理、大樓或商場里以至奧運場館內的人員管理。無線傳感器網絡是另一種RFID技術的擴展。傳感器網絡技術的對象模型和數字接口已經形成產業聯盟標準IEEE 1451。該標準正進一步擴展,提供基于射頻的無線傳感器網絡,相關標準草案1451.5正在草議中。有關建議將會對現有的ISO/IEC 18000系列RFID標準,以及ISO/IEC 15961、ISO/IEC 15862讀寫器數據編碼內容和接口協議進行擴展。
頻率標準
RFID標簽與閱讀器之間進行無線通信的頻段有多種,常見的工作頻率有135kHz以下、13.56MHz、860~928MHz (UHF)、2.45GHz及5.8GHz等。
低頻系統工作頻率一般低于30MHz,典型的工作頻率有125KHz、225KHz、13.56MHz等,這些頻點應用的射頻識別系統一般都有相應的國際標準予以支持。其基本特點是電子標簽的成本較低、標簽內保存的數據量較少、閱讀距離較短(無源情況,典型閱讀距離為10cm)、電子標簽外形多樣(卡狀、環狀、鈕扣狀、筆狀)、閱讀天線方向性不強等。
高頻系統一般指其工作頻率高于400MHz,典型的工作頻段有915MHz、2.45gHz、5.8gHz等。高頻系統在這些頻段上也有眾多的國際標準予以支持。基本特點是電子標簽及閱讀器成本均較高、標簽內保存的數據量較大、閱讀距離較遠(可達幾米至十幾米), 適應物體高速運動性能好,外形一般為卡狀,閱讀天線及電子標簽天線均有較強的方向性。
各種頻段有其技術特性和適合的應用領域。低頻系統使用最廣,但通信速度過慢,傳輸距離也不夠長;高頻系統通信距離遠,但耗電量也大。短距離的射頻卡可以在一定環境下替代條碼,用在工廠的流水線等場合跟蹤物體。長距離的產品多用于交通系統,距離可達幾十米,可用在自動收費或識別車輛身份等場合。
應用標準
RFID在行業上的應用標準包括動物識別、道路交通、集裝箱識別、產品包裝、自動識別等。
我國RFID標準的制定與推廣 國內RFID技術與應用的標準化研究工作起步比國際上要晚4~5年時間,2003年2月國家標準化委員會頒布強制標準《全國產品與服務統一代碼編碼規則》,為中國實施產品的電子標簽化管理打下基礎,并確定首先在藥品、煙草防偽和政府采購項目上實施。此外,我國正在制定的RFID領域技術標準是采用了ISO/IEC 15693系列標準,該系列標準與ISO/IEC 18000-3相對應,均在13.56MHz的頻率下工作,前者以卡的形式封裝。目前,在這一頻率下工作的電子標簽技術已相對成熟。
在充分照顧我國國情和利用我國優勢的前提下,應該參照或引用ISO、IEC、ITU等國際標準并做出本地化修改,這樣能盡量避免引起知識產權爭議,掌握國家在電子標簽領域發展的主動權。
RFID的廣泛應用蘊藏著巨大的產業利益、還涉及國家安全利益、信息控制利益等,在這一點上我國政府主管部門應高度關注。我國應全面部署電子標簽標準體系,尤其應重視編碼體系、頻率劃分以及與知識產權有關的技術和應用,并推出具有我國自主知識產權的標準,特別是在解決安全、防偽、識別、管理等應用領域。
RFID的接口協議:
空中接口
空中接口通信協議規范 讀寫器與電子標簽之間信息交互,目的是為 不同廠家生產設備之間的互聯互通性。ISO/IEC制定五種頻段的空中接口協議,這種思想充分體現 標準統一的相對性,一個標準是對相當廣泛的應用系統的共同需求,但不是所有應用系統的需求,一組標準可以滿足更大范圍的應用需求。
ISO/IEC 18000-1 信息技術-基于單品管理的射頻識別-參考結構和標準化的參數定義。它規范空中接口通信協議中共同遵守的讀寫器與標簽的通信參數表、知識產權基本規則等內容。這樣每一個頻段對應的標準不需要對相同內容進行重復規定。
ISO/IEC 18000-2 信息技術-基于單品管理的射頻識別-適用于中頻125~134KHz,規定在標簽和讀寫器之間通信的物理接口,讀寫器應具有與Type A(FDX)和Type B(HDX)標簽通信的能力;規定協議和指令再加上多標簽通信的防碰撞方法。
ISO/IEC 18000-3信息技術-基于單品管理的射頻識別-適用于高頻段13.56MHz,規定 讀寫器與標簽之間的物理接口、協議和命令再加上防碰撞方法。關于防碰撞協議可以分為兩種模式,而模式1又分為基本型與兩種擴展型協議(無時隙無終止多應答器協議和時隙終止自適應輪詢多應答器讀取協議)。模式2采用時頻復用FTDMA協議,共有8個信道,適用于標簽數量較多的情形。
ISO/IEC 18000-4信息技術-基于單品管理的射頻識別-適用于微波段2.45GHz,規定讀寫器與標簽之間的物理接口、協議和命令再加上防碰撞方法。該標準包括兩種模式,模式1是無源標簽工作方式是讀寫器先講;模式2是有源標簽,工作方式是標簽先講。
ISO/IEC 18000-6信息技術-基于單品管理的射頻識別-適用于超高頻段860~960MHz,規定讀寫器與標簽之間的物理接口、協議和命令再加上防碰撞方法。它包含TypeA、TypeB和TypeC三種無源標簽的接口協議,通信距離最遠可以達到10m。其中TypeC是由EPCglobal起草的,并于2006年7月獲得批準,它在識別速度、讀寫速度、數據容量、防碰撞、信息安全、頻段適應能力、抗干擾等方面有較大提高。2006年遞交 V4.0草案,它針對帶輔助電源和傳感器電子標簽的特點進行 擴展,包括標簽數據存儲方式和交互命令。帶電池的主動式標簽可以提供較大范圍的讀取能力和更強的通信可靠性,不過其尺寸較大,價格也更貴一些。
ISO/IEC 18000-7適用于超高頻段433.92 MHz,屬于有源電子標簽。規定讀寫器與標簽之間的物理接口、協議和命令再加上防碰撞方法。有源標簽識讀范圍大,適用于大型固定資產的跟蹤。
數據標準
數據內容標準主要規定數據在標簽、讀寫器到主機(也即中間件或應用程序)各個環節的表示形式。因為標簽能力(存儲能力、通信能力)的限制,在各個環節的數據表示形式必須充分考慮各自的特點,采取不同的表現形式。另外主機對標簽的訪問可以獨立于讀寫器和空中接口協議,也就是說讀寫器和空中接口協議對應用程序來說是透明的。RFID數據協議的應用接口基于ASN.1,它提供 一套獨立于應用程序、操作系統和編程語言,也獨立于標簽讀寫器與標簽驅動之間的命令結構。
ISO/IEC 15961規定 讀寫器與應用程序之間的接口[3],側重于應用命令與數據協議加工器交換數據的標準方式,這樣應用程序可以完成對電子標簽數據的讀取、寫入、修改、刪除等操作功能。該協議也定義 錯誤響應消息。
ISO/IEC 15962規定 數據的編碼、壓縮、邏輯內存映射格式[3],再加上如何將電子標簽中的數據轉化為應用程序有意義的方式。該協議提供 一套數據壓縮的機制,能夠充分利用電子標簽中有限數據存儲空間再加上空中通信能力。
ISO/IEC 24753擴展 ISO/IEC 15962數據處理能力[3],適用于具有輔助電源和傳感器功能的電子標簽。增加傳感器以后,電子標簽中存儲的數據量再加上對傳感器的管理任務大大增加 ,ISO/IEC 24753規定 電池狀態監視、傳感器設置與復位、傳感器處理等功能。圖1表明ISO/IEC 24753與ISO/IEC 15962一起,規范 帶輔助電源和傳感器功能電子標簽的數據處理與命令交互。它們的作用使得ISO/IEC 15961獨立于電子標簽和空中接口協議。
ISO/IEC 15963規定 電子標簽唯一標識的編碼標準[5],該標準兼容ISO/IEC 7816-6、ISO/TS 14816、EAN.UCC標準編碼體系、INCITS 256再加上保留對未來擴展。注意與物品編碼的區別,物品編碼是對標簽所貼附物品的編碼,而該標準標識的是標簽自身。
實時定位
實時定位系統可以改善供應鏈的透明性[8],船隊管理、物流和船隊安全等。RFID標簽可以解決短距離尤其是室內物體的定位,可以彌補GPS等定位系統只能適用于室外大范圍的不足。GPS定位、手機定位再加上RFID短距離定位手段與無線通信手段一起可以實現物品位置的全程跟蹤與監視。正在制訂的標準有:
ISO/IEC 24730-1 應用編程接口API,它規范 RTLS服務功能再加上訪問方法,目的是應用程序可以方便地訪問RTLS系統,它獨立于RTLS的低層空中接口協議。
ISO/IEC 24730-2 適用于2450MHz的RTLS空中接口協議。它規范 一個網絡定位系統,該系統利用RTLS發射機發射無線電信標,接收機根據收到的幾個信標信號解算位置。發射機的許多參數可以遠程實時配置。
ISO/IEC 24730-3適用于433MH的RTLS空中接口協議。內容與第2部分類似。
基本架構
2006年ISO/IEC開始重視RFID應用系統的標準化工作,將ISO/IEC 24752調整為6個部分并重新命名為ISO/IEC 24791。制定該標準的目的是對RFID應用系統提供一種框架,并規范 數據安全和多種接口,便于RFID系統之間的信息共享;使得應用程序不再關心多種設備和不同類型設備之間的差異,便于應用程序的設計和開發;能夠支持設備的分布式協調控制和集中管理等功能,優化密集讀寫器組網的性能。該標準主要目的是解決讀寫器之間再加上應用程序之間共享數據信息,隨著RFID技術的廣泛應用RFID數據信息的共享越來越重要。
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