浅议物联网与EPC与RFID技术.docx

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浅议物联网与EPC与RFID技术

浅议物联网与EPC与RFID技术

浅议物联网与EPC／RFID技术

1 引 言

　　随着全球经济一体化和信息技术的发展，顾客个性化需求日益增长，不确定性也大大增加，在贸易物流、生产制造等领域对供应链效率提出了越来越高的要求。

由于物品标识和识别技术的落后，造成信息不对称，严重地影响到社会物流效率。

　　1998年麻省理工学院（MIT）的两位教授提出，以射频识别技术（REID）为基础，对所有的货品或物品赋予其唯一的编号方案，来进行唯一的标识。

这一标识方案采用数字编码，并且通过实物互联网来实现对物品信息的进一步查询。

这一技术设想催生了EPC （产品电子代码）和物联网概念的提出。

即利用数字编码，通过一个开放的、全球性的标准体系，借助于低价位的电子标签，经由互联网来实现物品信息的追踪和即时交换处理，在此基础上进一步加强信息的收集、整合和互换，并用于生产和物流决策。

　　2 EPC／RFID物品识别的基本模型

　　EPC／RFID物品识别功能的实现主要由EPC编码标准、RFID电子标签、识读器、Savant网络、对象名解析服务以及EPC信息服务系统等六方面组成。

（1）EPC编码。

EPC提供对物理对象的唯一标识。

储存在EPC编码中的信息包括嵌入信息（Embedded Information）和参考信息（Information　Reference）。

嵌入信息可以包括货品重量、尺寸、有效期、目的地等。

其基本思想是利用现有的计算机网络和当前的信息资源来存储数据，这样EPC就成了一个网络指针，拥有最小的信息量。

参考信息其实是有关物品属性的网络信息。

（2）RFID电子标签。

由天线、集成电路、连接集成电路与天线的部分、天线所在的底层四部分构成。

RFID电子标签中存储EPC码。

RFID电子标签有主动型、被动型和半主动型三种类型。

主动和半主动标签在追踪高价值商品时非常有用，它们可以远距离的扫描，但这种标签每个成本也较高。

被动标签相对便宜，正在被积极地研究和推广。

　　（3）识读器。

使用多种方式与标签交互信息，近距离读取被动标签中的信息最常用的方法就是电感式耦合。

标签利用这个磁场发送电磁波给识读器。

这些返回的电磁波被转换为数据信息，即标签的EPC编码。

识读器读取信息的距离取决于识读器的能量和使用的频率。

通常来讲，高频率的标签有更大的读取距离。

一个典型的低频标签必须在一英尺内读取，而一个UHF标签可以在3．05～6．10 rn的距离内被读取。

　　（4）Savant系统。

每件产品都加上RFID电子标签之后，在产品的生产、运输和销售过程中，识读器将不断收到一连串的EPC码。

为了在网上传送和管理这些数据，Auto-ID中心开发了一种名叫Savant的软件系统，它是一个树状结构，这种结构可以简化管理，提高系统运行效率，如图1所示。

它可以安装在商店、本地配送中心、区域甚至全国数据中心中，它的主要任务是数据校对、识读器协调、数据传送、数据存储和任务管理。

图1 典型的Savant系统结构

　　（5）对象名解析服务系统（0NS）。

通过将EPC码与相应物品信息进行匹配来查找有关实物的参考信息。

比如：

当一个识读器读取到EPC标签的信息时，EPC码就传递给Savant系统，然后再在局域网或因特网上利用ONS找到这个产品信息所存储的位置。

由ONS给Savant系统指明了存储这个产品的有关信息的服务器，并将这个文件中的关于这个产品的信息传递过来。

　　（6）EPC信息服务。

在物联网中，有关产品信息的文件存储在EPC信息服务器中。

这些服务器往往由生产厂家来维护。

所有产品信息将用一种新型的标准计算机语言——物理标记语言（PML）书写，PML是基于为人们广为接受的可扩展标识语言（Ⅺ L）发展而来的。

PML文件将被存储在EPC信息服务器上，为其它计算机提供他们需要的文件。

　　（7）EPC码的识读流程。

解读器读取一个EPC码，将信息传送给Savant系统，并通过ONS获取与当前所探测到的远程EPC信息服务器的地址，此后Savant向远程的EPC信息服务器发送读取PML数据的请求，EPC信息服务器返回给sa—vant它所请求的PML数据，再由Savant处理新读取的EPC码的内容，其识读流程如图2所示。

图2 EPC码的识读流程

　　3 基于EPC／RFID的物联网概念

　　EPC／RFID技术是以网络为支撑的大系统，它一方面利用现有的Internet网络资源，另一方面可在世界范围内构建出实物互联网。

如图3所示为基于EPC／RFID的物联网系统。

在这个由RFID电子标签、识别设备、Savant服务器、Internet、0NS服务器、EPC信息服务系统以及众多数据库组成的实物互联网中，识别设备读出的EPC码只是一个指针，由这个指针从Internet找到相应的IP地址，并获取该地址中存放的相关物品信息，交给Savant软件系统处理和管理。

由于在每个物品的标签上只有一个EPC码，计算机需要知道与该EPC匹配的其它信息，这就需要用ONS来提供一种自动化的网络数据库服务，Savant将EPC码传给ONS，ONS指示Savant到一个保存着产品文件的EPC信息服务器中查找，Savant可以对其进行处理，还可以与EPC信息服务器和系统数据库交互。

可用数据区：

240位EPC码

标签识别符：

（TID）64位

工作模式：

可读写

天线极化：

线极化

1.超高频标签的阅读距离大，可达10米以上。

2.超高频作用范围广,现最先进的物联网技术都是采用超高频电子标签技术。

3.传送数据速度快，每秒可达单标签读取速率170张/秒（EPCC1G2标签）

4.标签存贮数据量大。

5.超高频电子标签灵活性强，轻易就可以识别得到。

6.有很高的数据传输速率，在很短的时间内可以读取大量的电子标签。

7.防冲突机制，适合于多标签读取，单次可批量读取多个电子标签。

8.电子标签的天线一般是长条和标签状。

天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。

9.数据保存时间＞10年。

10.手持读写器可对超高频电子标签进行读写操作。

11.手持读写器可对超高频电子标签进行批量操作。

12.手持读写器带CE操作系统，读取超高频电子标签数据时，可通过WIFI、GPRS实时上传至后台数据库。

13.手持读写器相当一台PDA电脑，通过读取超高频电子标签数据，可在手持读写器完成读及写动作，且可在手持读写器即时查询标签数据。

（如厂家信息、生产批号、生产日期等等）

14.超高频电子标签具有全球唯一的ID号，安全保密性强，不易被破解。

二．低频（LF）和高频（HF）：

低频（LF）和高频（HF）频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理

高频典型工作频率为13.56MHz。

该频段的射频标签，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。

另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。

工作频率:

低频（125KHz）、高频（13.54MHz）

1.低频标签的阅读距离只能在5厘米以内。

2.低频作用范围现在主要是运用于低端技术领域范围内，如自动停车场收费和车辆管理系统等等。

3.传送数据速度较慢。

4.标签存贮数据量较少。

5.低频电子标签灵活性差，不易被识别。

6.数据传输速率低，在短时间内只可以一对一的读取电子标签。

7.只能适合低速、近距离识别应用。

8.与超高频电子标签相比，标签天线匝数更多，成本更高一些。

9.读取的距离小，低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。

低频标签的阅读距离一般情况下小于8厘米。

10.读取电子标签数据时只能一对一进行读取。

11.手持读写器读取电子标签时不能实时上传数据，必须通过USB连接电脑才能把数据上传至后台。

12.手持读写器不能实时查询数据。

13.低频电子标签安全保密性差，易被破解。

对一个RFID系统来说，它的频段概念是指读写器通过天线发送、接收并识读的标签信号频率范围。

从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，直接决定系统应用的各方面特性。

在RFID系统中，系统工作就像我们平时收听调频广播一样，射频标签和读写器也要调制到相同的频率才能工作。

   射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备成本。

RFID应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段。

典型的工作频率有：

125kHz、133kHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、902MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz等。

   按照工作频率的不同，RFID标签可以分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波等不同种类。

不同频段的RFID工作原理不同，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。

目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段，低频（125KHz）、高频（13.54MHz）、超高频（850MHz～910MFz）和微波（2.45GHz）。

每一种频率都有它的特点，被用在不同的领域，因此要正确使用就要先选择合适的频率。

   低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz～300kHz。

典型工作频率有125KHz和133KHz。

低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。

低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。

低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。

低频标签的典型应用有：

动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。

   中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz～30MHz。

典型工作频率为13.56MHz。

该频段的射频标签，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。

另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。

鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签，因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念，即不会造成理解上的混乱。

为了便于叙述，我们将其称为中频射频标签。

中频标签一般也采用无源设主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。

标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。

中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。

中频标签由于可方便地做成卡状，广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）、小区物业管理、大厦门禁系统等。

   超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有433.92MHz、862（902）MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。

微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。

工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。

阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。

相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4m～6m，最大可达10m以上。

阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。

由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求。

目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。

超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。

   以目前技术水平来说，无源微波射频标签比较成功的产品相对集中在902MHz～928MHz工作频段上。

2.45GHz和5.8GHz射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世。

半无源标签一般采用钮扣电池供电，具有较远的阅读距离。

微波射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否适合高速识别应用，读写器的发射功率容限，射频标签及读写器的价格等方面。

对于可无线写的射频标签而言，通常情况下写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。

微波射频标签的数据存储容量一般限定在2Kbits以内，再大的存储容量似乎没有太大的意义，从技术及应用的角度来说，微波射频标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程。

典型的数据容量指标有：

1Kbits、128Bits、64Bits等。

由Auto-IDCenter制定的产品电子代码EPC的容量为90Bits。

微波射频标签的典型应用包括移动车辆识别、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）、医疗科研等行业。

   不同频率的标签有不同的特点，例如，低频标签比超高频标签便宜，节省能量，穿透废金属物体力强，工作频率不受无线电频率管制约束，最适合用于含水成分较高的物体，例如水果等；超高频作用范围广，传送数据速度快，但是比较耗能，穿透力较弱，作业区域不能有太多干扰，适用于监测港口、仓储等物流领域的物品；而高频标签属中短距识别，读写速度也居中，产品价格也相对便宜，比如应用在电子票证一卡通上。

   目前，不同的国家对于相同波段，使用的频率也不尽相同。

欧洲使用的超高频是868MHz，美国则是915MHz。

日本目前不允许将超高频用到射频技术中。

   目前在实际应用中，比较常用的是13.56MHz、860MHz～960MHz、2.45GHz等频段。

近距离RFID系统主要使用125KHz、13.56MHz等LF和HF频段，技术最为成熟；远距离RFID系统主要使用433MHz、860MHz～960MHz等UHF频段，以及2.45GHz、5.8GHz等微波频段，目前还多在测试当中，没有大规模应用。

   我国在LF和HF频段RFID标签芯片设计方面的技术比较成熟，HF频段方面的设计技术接近国际先进水平，已经自主开发出符合ISO14443TypeA、TypeB和ISO15693标准的RFID芯片，并成功地应用于交通一卡通和第二代身份证等项目中。