工業平板超高頻RFID空中接口協議介紹

   1、RFID 系統組成：RFID （ Rad io Frequency Identificat ion）的基本原理就是將電子標簽安裝在被識別的物體上， 當被標識的物體進入RFID 系統的閱讀范圍時， 射頻識別技術利用無線電波或微波能量進行非接觸雙向通信， 來實現識別和數據交換功能。

   標簽向讀寫器發送攜帶信息， 讀寫器接收這些信息并進行解碼， 通過串口將讀寫器采集到的數據送到后端處理， 并通過網絡傳輸給服務器， 從而完成信息的全部采集與處理過程， 以達到自動識別被標識物體的目的。

   RFID 應用系統的架構如圖1所示， 基本由閱讀器， 天線和標簽組成， 另外還有后臺的企業應用系統。標簽和讀寫器之間通過耦合元件實現射頻信號的非接觸耦合。系統中有一個中間件負責完成系統與多種閱讀器的適配， 過濾閱讀器從標簽獲得的數據， 以減少網絡流量。標簽與讀寫器之間通過空中接口協議進行通訊， 讀寫器與中間件之間的通信通過讀寫器協議進行定義， 中間件與應用系統之間的通信接口由ALE 協議規定。

   閱讀器首先發送連續載波信號， 通過ASK 調制等方式發送各種讀寫命令， 標簽通過反向散射調制的方式響應閱讀器發出的命令， 返回EPC （電子產品編碼）等信息。

   2、空中接口協議：RFID系統涉及的協議從底層通訊到上層應用都有各自的規范， 根據標簽的供電方式不同， RFID系統可分為有源系統和無源系統兩種;根據系統工作的頻段不同， 可分為低頻， 高頻， 超高頻和微波頻段的RFID 系統。論文主要討論超高頻段無源RFID空中接口協議部分的關鍵技術。

   當前超高頻RFID 空中接口協議主要是ISO18000- 6 TYPE B 協議和EPCG loba l C lass1 GEN2協議（ EPC C1GEN2協議， 現已經成為ISO 18000- 6TYPE C ）。兩種協議的對比如表1 所示。總體來講， EPC C1GEN2空中接口協議定義更完備， 現有的產品大多遵循此類協議。另外， ISO 18000- 6 基本上是整合了一些現有RFID 廠商的產品規格和EAN- UCC所提出的標簽架構要求而訂出的規范。它只規定了空中接口協議， 對數據內容和數據結構無限制， 因此可用于EPC。所以EPC 協議得到廣泛的應用， 成為事實標準。

空中接口協議包含物理層和媒體接入控制（MAC）層， 物理層包含數據的幀結構定義， 調制/解調， 編碼/解碼， 鏈路時序等， MAC 層包含鏈路時序，交互流程， 防碰撞算法及安全加密算法等。

   2. 1 物理層：EPC 協議中， 前向通信使用雙邊帶幅移鍵控（ DSB - ASK ）、單邊帶幅移鍵控（ SSB- ASK ）或者反相幅移鍵控（ PR - ASK ） 等調制方式。標簽通過閱讀器的RF電磁場來獲得工作電源能量。閱讀器通過發送一個未經調制的RF載波并偵聽標簽的反向散射的回復來獲得標簽的信息。標簽通過反向散射調制射頻載波的幅度或者相位來傳送信息。編碼格式由標簽根據閱讀器命令進行選擇， 可以是FM0或者M iller調制副載波。

   在鏈路時序方面， EPC 協議規定了讀寫器發送不同命令， 讀寫器發送命令與標簽響應命令之間的時間間隔最大、最小和典型時間。

   數據幀結構方面， EPC 協議通過規定查詢命令前的前導碼， 指定反向數據速率， 編碼方式等， 其他命令前使用幀同步碼實現同步。反向幀同步碼自相關性能較差， 可以修改反向幀同步碼進一步提高其自相關性。

   EPC協議中， 前向通訊采用不等長的PIE 編碼，簡化標簽端的解碼算法。另外， PIE 編碼還帶有時鐘信息， 在通信過程中， 能較好地保持數據同步， 抵抗各種無線干擾， 從而提高系統在無線環境的可靠性。反向通訊采用FM0或者M iller子載波編碼方式。

   信號調制方面， 閱讀器使用DSB - ASK， SSB -ASK， 或者PR - ASK 調制方式跟標簽進行通訊， 標簽應該能夠對全部三種調制類型進行解調。

   ASK調制受數字數據的調制而取不同值， 它采用包絡檢波方式解調， 適合電子標簽的特點。PSK用需要傳輸的數據值來調整載波相位， 這種調制技術具有更好的抗干擾性能， 相位的變化可作為定時信息來同步發送機和接收機時鐘。

   2. 2 MAC 層

   2. 2. 1 標簽訪問控制：閱讀器通過選擇， 清點， 訪問三個基本操作來管理標簽群體。閱讀器選擇標簽群體以便對標簽進行清點和訪問。這個操作類似于從數據庫中選擇記錄。閱讀器通過在四個會話中的一個會話發出一個查詢命令來啟動一輪清點， 可能會有一個或者多個標簽響應。若單個標簽響應， 閱讀器請求該標簽的PC， EPC 和CRC- 16。若多個標簽響應， 則進入防碰撞處理過程。閱讀器和單個標簽進行讀或者寫之前， 標簽必須被唯一識別。訪問的每一個操作包括多個命令。

   2. 2. 2 防碰撞算法：在標簽訪問控制過程中， 讀寫器在一輪中清點多個標簽響應， 需要讀寫器進行碰撞仲裁。EPC 協議中采用ALOHA 算法， ISO 18000協議中采用B inary Tree算法解決防碰撞問題。然而， ALOHA 算法清點效率僅有33%， 需要解決標簽數目估計問題， B ianry Tree算法更低， 需要解決標簽快速分散問題， 因此有論文提出用多叉樹算法來快速分散標簽， 提高防碰撞效率。

   2. 2. 3 安全加密：在進行讀操作時， 讀卡器向標簽發出讀指令， 隨后標簽根據讀指令傳送出明文數據。在進行寫操作時，讀卡器向標簽請求一個隨機數，標簽將這個隨機數以明文的方式傳送給讀卡器， 讀卡器使用這個隨機數與待寫入的數據進行異或運算傳輸給標簽， 標簽將獲得的數據經過再次異或得到明文后寫入存儲器。在進行訪問指令和殺死指令時， 讀卡器在發送密碼前同樣先向標簽請求一個隨機數， 并將經過此隨機數異或過的密碼發送給標簽， 以達到數據在讀卡器到標簽的前向通道上被掩蓋的目的。

   EPC協議中， 密碼在空中無保護傳輸， 任何讀卡器都能夠讀取和向芯片寫數據。雖然EPC 協議指定使用存取密碼來保護芯片中的數據， 但是這個存取密碼在芯片和讀卡器之間在空中被直接無保護傳送。這使得密碼變得不安全， 為密碼破解提供了可能性， 不能保證數據安全。

   3 結束語：RFID 應用中， 需要解決各層的接口標準問題，其中空中接口協議是基礎。空中接口協議需解決物理層的鏈路時序， 幀結構， 編碼方式， 調制方式等問題， MAC 著重解決訪問控制協議， 防碰撞算法和安全加密算法問題。