電子標簽國際標準

1、提交給提交給ISO電子標簽國際大會專家組電子標簽國際大會專家組技術(shù)方案發(fā)言稿（中文版）技術(shù)方案發(fā)言稿（中文版）（ 2010年年9月法國圖盧茲）月法國圖盧茲） 廖應(yīng)成博士廖應(yīng)成博士中國電子標簽標準化工作組中國電子標簽標準化工作組第一章2021-11-2低成本的識別功能較遠的距離 1m低功耗更多的數(shù)據(jù)空間2021-11-2-3- 長的電池壽命 ( 5 年)低成本 更長的距離 (1 2 km)雙向通信可以連接各種傳感器工作方式靈活 (可滿足各種不同應(yīng)用的需要）具有處理海量標簽的能力 按需發(fā)射信號信號的安全性和保密性具有精確定位的功能能與現(xiàn)有的無線系統(tǒng)共存2021-11-2-4- 2021-11-2-

2、5- 物聯(lián)網(wǎng)的特征就是“人”操控的PC與連接“物”之間的單片機之間的無線連接物物數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集和控制無線通信連接ID 傳感器數(shù)據(jù)MCU低成本，超低功耗，小體積，遠距離低成本，超低功耗，小體積，遠距離, 地數(shù)據(jù)率地數(shù)據(jù)率有源電子標簽有源電子標簽2021-11-2-6- “當今市場上大多數(shù)電子標簽，為了減少能耗，采用的是單向向外發(fā)射信號的工作方式，而沒有考慮海量標簽讀寫時的擁堵. 有源電子標簽需要具有遠距離，雙向通信的能力，和處理海量標簽的能力，同時具有超低的功耗.” - from “IEEE 802.15.4f Active RFID PAR Submittal from the RFID St

3、udy Group” 2021-11-2-7- 第二章2021-11-2ISO-18000-4(2)ISO-18000-7(1)ISO-18000-7(2) Dash7(2)其它: 兩個套無線通信系統(tǒng)2021-11-2-9- -標簽周期性發(fā)射信號-在標簽和讀寫器都處于工作狀態(tài)的重疊時段內(nèi)讀寫器傾聽標簽信號 -讀寫過程非常長& 消耗大量能量(特別是讀寫標簽R/W ） 2021-11-2-10- 進行一次對標簽的讀寫有時可能需要多達進行一次對標簽的讀寫有時可能需要多達30多秒鐘的時間多秒鐘的時間-4.8+30 = 34.8 s -標簽在被喚醒后花費大量時間在一次又一次等待接收讀寫器工作安排

4、的等待時間上（而這種等待是一種高耗電狀態(tài)-將一個原本是隨機的過程通過喚醒等待變成一個非隨機統(tǒng)一過程，然后又將一個原本是隨機的過程通過喚醒等待變成一個非隨機統(tǒng)一過程，然后又通過標簽產(chǎn)生隨機數(shù)的方式再變回到一個隨機過程通過標簽產(chǎn)生隨機數(shù)的方式再變回到一個隨機過程-標簽蘇醒(隨機過程)進入等待狀態(tài)(非隨機過程), 然后產(chǎn)生一個隨機數(shù)在回到隨機過程 ! 仍有許多問題需要解決！2021-11-2-11- 相關(guān)信息有限（11月底將向ISO提交完整信息）內(nèi)部和外部的事件啟動標簽(傳感器, 125khz 低頻喚醒信號喚醒內(nèi)部時鐘觸發(fā)等,.) 增加了通信距離( 可能僅只是單向遠距離，盤點時在大空間中需要多個激活

5、設(shè)備來激活?)可連接傳感器增加到8個信道可選擇工作參數(shù)可實現(xiàn)空中調(diào)整采用動態(tài)序列信號授時.2021-11-2-12- 標簽使用雙硬件無線通信系統(tǒng)標簽使用雙硬件無線通信系統(tǒng):UWB + 2.4 GhzMagnetic Link + 2.4 Ghz 增加增加 了造價了造價但大多數(shù)問題并未得到解決但大多數(shù)問題并未得到解決2021-11-2-13- 第三章2021-11-2新一代有源電子標簽承擔多得多的工作它是一種滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電子標簽是一個通過無線方式與PC相連接并使用電池驅(qū)動的單片機2021-11-2-15- 通過利用工作在不同頻道的協(xié)調(diào)器連續(xù)不間斷發(fā)射信號的方式，周期性睡眠，蘇醒后監(jiān)聽信號一瞬

6、間的將一個處于標簽喚醒，使其通過跳轉(zhuǎn)工作頻道的方式，不需等待立即就可以在新的頻道上與讀寫器建立起通信的方式，免去了標簽耗，加快了標簽的反應(yīng)時間!2021-11-2-16- 利用無線信號具有射頻和數(shù)據(jù)信號兩種特征，通過標簽蘇醒后首先監(jiān)聽無線信號的射頻特征,并只對符合所需射頻特征的無線信號進行接收，而不是每次都準備接收完整個無線信號數(shù)據(jù)包的方式，大大降低了標簽每次睡眠蘇醒后監(jiān)聽信號的時間, 而這個監(jiān)聽時間的長短是決定有源電子標簽電池壽命的最關(guān)鍵因素這就像識別一件東西先從最簡單外部特征開始一樣！2021-11-2-17- 通過在標簽中根據(jù)實際應(yīng)用需要預(yù)先寫入相關(guān)程序，并利用“宏”指令調(diào)用程序的方式，

7、 不僅減少了無線信號的空中傳輸時間，而且大大增加了有源電子標簽工作的靈活性和適應(yīng)性！2021-11-2-18- 除了維持雙向聯(lián)系所必須的低功耗PSL狀態(tài)，和短時間高功耗的程序運行狀態(tài)外，I-RFID標簽從不浪費任何時間等待讀寫器安排工作的指令，以及像“Tag Talks First” 標簽一樣，在沒有需要時向外發(fā)射信號！2021-11-2-19- 通過要求需要定位的電子標簽使用不同發(fā)射功率發(fā)射多個數(shù)據(jù)包，并分析在不同位置的讀寫器接收到電子標簽在使用臨界發(fā)射發(fā)射時的丟包率的情況，就可以簡單有效地來確定電子標簽的位置了。2021-11-2-20- 數(shù)據(jù)處理與其相連接的設(shè)備進行互動:-傳感器, 開關(guān)

8、等, - 采集儲存和傳輸條碼 &無源標簽信息-指揮控制儀器設(shè)備等,.她就是一個電池驅(qū)動的通過無線方式與計算機連接的微型計算機！它幾乎能夠做一個微型計算機能做的I所有事情！ I-RFID 可以幫助解決可以幫助解決 ISO 在制定標準時所面臨的太多非強制選在制定標準時所面臨的太多非強制選擇問題擇問題2021-11-2-21- R讀寫器先發(fā)起通信讀寫器先發(fā)起通信 但可以同時實現(xiàn)受控的 TTF 方式超低功耗-10uA 低成本 結(jié)構(gòu)非常簡單超遠距離 - 幾厘米到幾公里可調(diào)整按需工作射頻工作參數(shù)可空中設(shè)置傳感器數(shù)據(jù)采集和控制高度的工作靈活性和適應(yīng)性有效快速的海量標簽處理能力高安全性和保密性 只在需

9、要的時間和地點發(fā)射信號精確定位和實時定位RTLS的功能滿足滿足IEEE工程師對理想有源電子標簽幾乎所有的要求！工程師對理想有源電子標簽幾乎所有的要求！2021-11-2-22- 工作頻率范圍：2.4G2.4835GHz ISM帶寬: 1MHz，調(diào)制方式: GFSK，收發(fā)轉(zhuǎn)換時間: 30 s 數(shù)據(jù)率: 15.6k 1000k bps 可選可變碼片數(shù)DSSS 直序擴頻發(fā)射功率: -20dBm 10dBm (最大20dBm)非對稱雙向通信多信道協(xié)同工作結(jié)構(gòu)體系非固定時隙突發(fā)發(fā)射支持空中程序加載2021-11-2-23- I-RFID 具有兩種基本狀態(tài)具有兩種基本狀態(tài):PSL -周期性的睡眠蘇醒后監(jiān)聽

10、信號一瞬間的狀 態(tài)(低耗電狀態(tài))TW-短暫的工作狀態(tài)(高耗電狀態(tài))2021-11-2-24- 協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器 讀寫器讀寫器背靠背無間隙發(fā)射TI-RFIDPSL 狀態(tài)狀態(tài)回到回到PSL預(yù)置程序預(yù)置程序監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道工作頻道工作頻道TW 狀態(tài)狀態(tài)設(shè)備設(shè)備2021-11-2監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道只有RC 時鐘在工作周期性的蘇醒和在監(jiān)聽頻道上監(jiān)聽可能的有效無線信號 （監(jiān)聽時間為100uS）假如標簽雖面周期為2秒，則標簽的工作占空比僅為 1/20000左右, 其消耗的能量顯然非常小.2021-11-2-26- 運行預(yù)置程序: 發(fā)射接收數(shù)據(jù)處理與所連接的設(shè)備互動以

11、上動作的組合TW是一種高耗能狀態(tài)，只持續(xù)非常短的時間，I-RFID 避免出現(xiàn)在18000-7中標簽被喚醒后處于長期等待讀寫器下達工作指令的高耗電狀態(tài)這是 I-RFID的重要工作特征 2021-11-2-27- 識別 認證 傳感器數(shù)據(jù)采集和控制 實時定位 甚至 Zigbee 協(xié)議 設(shè)備控制等, .2021-11-2-28- 一當在監(jiān)聽信號的瞬間檢測到一個射頻信號一當在監(jiān)聽信號的瞬間檢測到一個射頻信號 例如RSSI 予設(shè)值, 或者其它具有相關(guān)特征的射頻信號，或者預(yù)先定義好的喚醒信號：繼續(xù)接收信號以獲取更多信息，以便對信號作出進一步判斷: 如果是無效信號則立即停止接收如果地址，密碼等信息都正確，則接

12、收完整個數(shù)據(jù)指令信號包，并根據(jù)指令進行動作 (進入TW)。如果是喚醒信號，則按照預(yù)先定義的動作執(zhí)行(進入TW)。假如監(jiān)聽瞬間沒有監(jiān)聽到任何射頻信號假如監(jiān)聽瞬間沒有監(jiān)聽到任何射頻信號立即回到PSL狀態(tài). 2021-11-2-29- T繼續(xù)接收完整個繼續(xù)接收完整個數(shù)據(jù)信號包數(shù)據(jù)信號包f1f1f11000 mS 監(jiān)聽監(jiān)聽 RSSI 或者其或者其它相關(guān)特征射頻信它相關(guān)特征射頻信號號100uSRSSI 予設(shè)值予設(shè)值 或存在其或存在其它相關(guān)特征射頻信號它相關(guān)特征射頻信號l第二次判斷后停止接收第二次判斷后停止接收無效信號過濾無效信號過濾2021-11-2回到回到 PSL 狀態(tài)狀態(tài) 監(jiān)聽監(jiān)聽 RSSI 或者其

13、或者其它相關(guān)特征射頻信它相關(guān)特征射頻信號號100uS超低功耗安全保密性高快速響應(yīng)系統(tǒng)指令按需工作通信距離動態(tài)調(diào)整采用“宏”指令減少了空中通信時間超遠通信距離簡單有效的精確定位功能靈活多樣的工作方式高效的防碰撞處理機制2021-11-2-31- 在在 PSL 狀態(tài)：狀態(tài)： I-RFID 由于工作占空比非常小，其消耗的能量很少在在 TW 狀態(tài)：狀態(tài)：對絕大多數(shù)應(yīng)用來講，I-RFID 僅僅工作非常短的時間:每次讀寫一般僅僅需要幾個毫秒的時間每天工作的次數(shù)非常有限 對長距離通信的標簽即時對于位置信息需要快速更新的實時定位系統(tǒng)RTLS 2021-11-2-32- 假如標簽睡眠蘇醒周期為1秒，然后蘇醒后監(jiān)

14、聽10mS, 標簽消耗的能量為：RC內(nèi)部時鐘耗電約為 1 uA, 監(jiān)聽期內(nèi)耗電約為 20 mAPSL期間平均功耗為：20mA x 10ms /1000 + 0.001 mA = 0.201 mA而標簽真正工作時消耗的電流比起PSL期間耗電來，完全可以忽略不計計算如下：假如100米距離的近距離標簽每天工作100次, 每次工作100 ms(約 10kb 數(shù)據(jù)量) 耗電 20mA 則標簽因工作的總耗電為：20mA x 100 ms x 100 = 200000ms mA 平均能耗為：200000/86400/1000 = 0.0023 mA. 即使對于識別距離大于1500米的遠距離標簽（在近距離標簽

15、中增加了PA和LNA),每天工作20次, 每次工作100 ms(約 10kb 數(shù)據(jù)量) 發(fā)射時工作電流 250mA ，平均能耗仍然只有0.0046 mA。按照標簽每次蘇醒后監(jiān)聽10mS計算，一個1000mAh的鋰亞電池支持不到200天2021-11-2-33- I-RFID標簽將每次蘇醒后的監(jiān)聽時間縮短到0.1mS（100倍）則PSL期間的I-RFID的理論耗電為3uA, 考慮其他損耗（單片機，晶振頻綜穩(wěn)定過程等耗電，我們可以將I-RFID標簽的平均功耗考慮為 10 uA . 這樣一個I-RFID 標簽，使用一只1000 mhA 鋰電池的電池平均壽命超過10年。（ 1000/0.01 /24

16、= 4167 天 10 年。由于I-RFID低占空比的工作特性，它還可以使用地秤本低電流的CR紐扣電池。2021-11-2-34- I-RFID 除了在需要工作的地點，在需要工作的非常短的時間段內(nèi)發(fā)射信號外，I-RFID 不會向外發(fā)射任何信號?。ó斎灰簿筒徽加脽o線通道的時間）喚醒I-RFID的喚醒信號也可以通過PN碼和口令來加以保護。 2021-11-2-35- I-RFID 由于PSL低工作占空比的特性，I-RFID可以采用更快的睡眠蘇醒周期。因而I- RFID標簽就可以在“物”與系統(tǒng)計算機之間按照要求的速度，迅速建立起雙向無線通信聯(lián)系！2021-11-2-36- 讀寫器讀寫器 協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器

17、傳感器傳感器f2TI-RFIDf1f1f1PSL 狀態(tài)狀態(tài)回到回到 PSLf1預(yù)置程序預(yù)置程序f1事件驅(qū)動事件驅(qū)動設(shè)備設(shè)備事件事件驅(qū)動驅(qū)動2021-11-2I-RFID I- RFID標簽的發(fā)射功率和接收靈敏度都可以通過空中指令進行調(diào)整，因而也就調(diào)整了通信距離。由于I-RFID標簽的通信距離可以靈活調(diào)整，因而I-RFID 可以在同一個應(yīng)用中，通過調(diào)整自己的通信范圍來適用于不同的工作場合和環(huán)境（室內(nèi)/室外/開闊空間/存在障礙物空間）2021-11-2-38- 通過使用“宏”代號的程序調(diào)用命令和相關(guān)參數(shù)賦值，大大減少了信號空中傳輸?shù)臅r間。通過預(yù)先定義標簽動作內(nèi)容的方式，一個非常簡單的信號，例如就可

18、以標稱一個超過預(yù)先設(shè)定值的RSSI, ACK, preamble, 或者一個傳感器觸發(fā)等等就可以代表一個發(fā)給I-RFID標簽的動作指令，這同樣也減少了信號空中傳輸?shù)臅r間。2021-11-2-39- 對絕大多數(shù)實際應(yīng)用來講，標簽工作的次數(shù)和時間都非常有限，（例如遠距離船只識別等），而短時間內(nèi)的大功率信號發(fā)射對I-RFID標簽的電池壽命并沒有什麼影響 ！2021-11-2-40- 接收到精確定位的指令信號后，I-RFID標簽將使用大小不同的發(fā)射功率，連續(xù)發(fā)射多組信號包。位于不同位置的讀寫器，通過簡單分析所接收到的信號包的發(fā)射功率以及丟包率與距離之間的關(guān)系，就可以計算出標簽的位置，即使在比較復(fù)雜的環(huán)

19、境條件下。由于I-RFID每次讀寫所耗費的電能都非常少， 因而 I-RFID 還可以同時承擔RTLS的功能。2021-11-2-41- 一個簡單的指令，I-RFID 標簽就可以在一段需要的工作時間內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)槭芸氐臉撕炏劝l(fā)射信號的模式，以適用于RTLS ，傳感器頂式數(shù)據(jù)采集，以及監(jiān)控數(shù)據(jù)超標報警等應(yīng)用的需要。即使處于標簽先發(fā)起通信的 TTF 工作模式, I-RFID 標簽的、工作參數(shù)，包括發(fā)射間隔時間，發(fā)射功率，總工作時間等，.都可以通過讀寫器指令進行動態(tài)調(diào)整。2021-11-2-42- 通過頻分方式通過頻分方式通過發(fā)射一個頻分廣播指令，I-RFID 標簽將會按照指令的要求，根據(jù)自身ID號末尾數(shù)

20、字的特征自動跳轉(zhuǎn)到不同的頻道上與工作在新頻道上的讀寫器進行通信。這樣將標簽分配在不同的頻道上進行工作，實際應(yīng)用需要多少讀寫器也就可以將標簽分成多少個組。2021-11-2-43- f1頻道頻道3Tf2f1f3奇數(shù)奇數(shù)ID標簽標簽背靠背無背靠背無間隙發(fā)射間隙發(fā)射頻道頻道 2頻道頻道1讀寫器讀寫器 2（頻分方式）（頻分方式）讀寫器讀寫器 1協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器2021-11-2偶數(shù)偶數(shù)ID標簽標簽通過時分通過時分同樣的方式,通過發(fā)射一個時分廣播指令， I-RFID 標簽將會按照指令的時間安排，根據(jù)自身ID號末尾數(shù)字的特征，或者通過隨機延時的方式工作在不同的時間段內(nèi)。2021-11-2-45- 單位延時發(fā)射

21、單位延時發(fā)射讀寫器讀寫器無延時發(fā)射無延時發(fā)射I-RFID BI-RFID Af1f2Tf2f1f2t1f2t = f (ID) 2021-11-2標簽在發(fā)射自身ID后，將監(jiān)聽接收來自讀寫器回執(zhí)一段短的時間，如果接收到讀寫器已經(jīng)成功接收到標簽ID的回執(zhí)（帶ID的ACK) 標簽將立即進入 PSL 狀態(tài)。假如標簽在發(fā)射自身ID后，如果在監(jiān)聽回執(zhí)一段短的時間內(nèi)沒有接收到ACK，標簽將根據(jù)自身末尾ID 數(shù)字或一個隨機數(shù)進行延時發(fā)射。2021-11-2-47- I-RFIDf1f1讀寫器讀寫器f2Tf2f2一當接收到指令一當接收到指令標簽立即發(fā)射標簽立即發(fā)射接收到接收到ACK立立即停止發(fā)射即停止發(fā)射 蘇醒

22、后監(jiān)聽蘇醒后監(jiān)聽f2f2f2f2假如沒有接收到假如沒有接收到ACK則根則根據(jù)據(jù)ID或隨機數(shù)延時再發(fā)射或隨機數(shù)延時再發(fā)射ACK協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器背靠背無背靠背無間隙發(fā)射間隙發(fā)射f22021-11-2整個過程與前述“標簽在喚醒頻道被喚醒之后，立即跳轉(zhuǎn)到讀寫器工作上監(jiān)聽RSSI, 如果信道沒被占用則立即發(fā)射自身ID，發(fā)射后，將繼續(xù)監(jiān)聽來自讀寫器成功接收到ID的回執(zhí)。如果收到ACK,則立即進入PSL狀態(tài)。如果信道被占用或沒有接收到否則ACK, 則采用前述的方式延時監(jiān)聽和發(fā)射2021-11-2-49- I-RFID 具有具有4個基本狀態(tài)個基本狀態(tài)掉電狀態(tài)睡眠狀態(tài)運行程序狀態(tài)在喚醒頻道上監(jiān)聽指令信號的狀態(tài) 參見

23、請柬狀態(tài)機圖2021-11-2-50- 睡眠（只用內(nèi)部時鐘運行）在喚醒頻道上監(jiān)聽晶振和頻綜運行斷電運行程序接收，發(fā)射，與傳感器交互等協(xié)調(diào)器指令程序結(jié)束無效信號外部激活內(nèi)部時鐘或外部激活.內(nèi)部時鐘激活程序指令狀態(tài)機協(xié)調(diào)器指令外部激活外部激活“標簽先發(fā)起通信存在許多局限標簽先發(fā)起通信存在許多局限”：耗電（隨時需要發(fā)射）工作效率低每讀一次標簽都非常費時不具備海量標簽處理能力射頻信號污染并干擾自身通信 通信距離有限缺乏工作靈活性相應(yīng)時間長信號裸露安全性差不能兼顧實時定位等,.2021-11-2-52- 局限于局限于 : 每次對標簽的讀寫費時費電 (禁止使用與倉庫盤點應(yīng)用）工作靈活性和適應(yīng)性差工作效率低

24、單個通信頻道（共存性差）響應(yīng)速度慢射頻信號無保護不能兼顧實時定位RTLS功能2021-11-2-53- 標簽在一每次標簽在一每次ID采集的整個過程中都必須處于等待接收的高耗電狀態(tài)，知道讀采集的整個過程中都必須處于等待接收的高耗電狀態(tài)，知道讀寫器完成與自己的通信，這個高耗電狀態(tài)隊友的標簽可能需要維持寫器完成與自己的通信，這個高耗電狀態(tài)隊友的標簽可能需要維持30多秒鐘多秒鐘喚醒并等待喚醒并等待繼續(xù)等待安排的時隙繼續(xù)等待安排的時隙繼續(xù)等待安排的時隙繼續(xù)等待安排的時隙在第一階段發(fā)生碰撞的在第一階段發(fā)生碰撞的標簽必須等到新一輪采標簽必須等到新一輪采集時才能再發(fā)一次集時才能再發(fā)一次在第二階段發(fā)生碰撞的在第二階段發(fā)生碰撞的標簽必須等到第三輪采標簽必須等到第三輪采集時才能再發(fā)一次集時才能再發(fā)一次喚醒期間無信號發(fā)射喚醒期間無信號發(fā)射假如第一采集期假如第一采集期 N=100 則初始窗口將需要則初始窗口將需要6秒秒鐘的時間，加上鐘的時間，加上 UDB 讀取時間和之后的第讀取時間和之后的第2，第第3，采集期時間，每次讀寫