電子標簽國際標準

交互式智能電子標簽（I-RFID）

&

有源電子標簽國際標準提交給ISO電子標簽國際大會專家組技術方案發(fā)言稿（中文版）（2010年9月法國圖盧茲）

廖應成博士中國電子標簽標準化工作組市場需求第一章2024/3/28-2-基本要求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2024/3/28-3-市場實際需要多得多長的電池壽命 (

〉5年)低成本

更長的距離 (1–2km)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2024/3/28-4-這就是物聯(lián)網(wǎng)的需要)2024/3/28-5-你是誰？識別和認證你在哪里？定位你的情況怎樣？傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸請執(zhí)行xx指令！

下達工作指令（雙向傳輸）物聯(lián)網(wǎng)&I-RFID

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,地數(shù)據(jù)率有源電子標簽2024/3/28-6-有源電子標簽的現(xiàn)狀“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.”

“但到目前為止還沒有一個國際標準能夠滿足這些需要?！?/p>

----from

“IEEE802.15.4fActiveRFIDPARSubmittalfromtheRFIDStudyGroup”

2024/3/28-7-工程師們所作的努力第二章2024/3/28-8-已做的努力ISO-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)2024/3/28-9-ISO18000-4(2)標簽先發(fā)起通信(TTF)標簽和讀寫器都采用間隙性工作方式---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三種類型標簽(讀和寫R/W,只讀R/O,高速讀R/Ohighspeed) ---讀寫過程非常長&消耗大量能量(特別是讀寫標簽R/W）

TDD/TDM—時隙分配模式

采用將重復發(fā)射時間隨機化的方式來避免碰撞功耗大-時間長-安全性差-靈活性差—距離有限，無海量標簽處理能力，…..2024/3/28-10-ISO18000-7(1)讀寫器先發(fā)起通信需要2.45-4.8S時間喚醒WP+N*CP[SC+SP+LP(TS)+AP]每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 --4.8+30=34.8s

--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的等待時間上（而這種等待是一種高耗電狀態(tài)做了許多無用功! --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

--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！2024/3/28-11-ISO-18000-7(2)相關信息有限（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設備來激活?)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…….尚無法加以評論2024/3/28-12-其它努力標簽使用雙硬件無線通信系統(tǒng):

UWB+2.4Ghz MagneticLink+2.4Ghz………

增加

了造價

但大多數(shù)問題并未得到解決2024/3/28-13-I-RFID–我們的努力第三章2024/3/28-14-什麼是I-RFID?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

2024/3/28-15-主要特征之一

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，加快了標簽的反應時間!2024/3/28-16-主要特征之二

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！2024/3/28-17-主要特征之三

通過在標簽中根據(jù)實際應用需要預先寫入相關程序，并利用“宏”指令調(diào)用程序的方式，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性！2024/3/28-18-主要特征之四

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“TagTalksFirst”標簽一樣，在沒有需要時向外發(fā)射信號！2024/3/28-19-主要特征之五

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。2024/3/28-20-I-RFID能做什麼?

除了讀寫外，它可以承擔更多的工作:數(shù)據(jù)處理與其相連接的設備進行互動: --傳感器,開關等,

--采集儲存和傳輸條碼&無源標簽信息 --指揮控制儀器設備等,….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ISO在制定標準時所面臨的太多非強制選擇問題2024/3/28-21-基本性能R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–結構非常簡單超遠距離---幾厘米到幾公里可調(diào)整按需工作射頻工作參數(shù)可空中設置傳感器數(shù)據(jù)采集和控制高度的工作靈活性和適應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IEEE工程師對理想有源電子標簽幾乎所有的要求！2024/3/28-22-滿足I-RFID要求的射頻工作參數(shù)工作頻率范圍：2.4G～2.4835GHz

ISM帶寬:1MHz，調(diào)制方式:GFSK，收發(fā)轉(zhuǎn)換時間:30μs

數(shù)據(jù)率:

15.6k–1000kbps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)同工作結構體系非固定時隙突發(fā)發(fā)射支持空中程序加載2024/3/28-23-I-RFID如何工作的?I-RFID具有兩種基本狀態(tài):PSL---周期性的睡眠蘇醒后監(jiān)聽信號一瞬間的狀

態(tài)(低耗電狀態(tài))TW---短暫的工作狀態(tài)(高耗電狀態(tài))2024/3/28-24-協(xié)調(diào)器讀寫器背靠背無間隙發(fā)射TI-RFIDPSL狀態(tài)回到PSL預置程序監(jiān)聽信道工作頻道TW狀態(tài)設備2024/3/28-25-I-RFID工作圖示監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道監(jiān)聽信道PSL狀態(tài)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.2024/3/28-26-TW狀態(tài)運行預置程序:發(fā)射接收數(shù)據(jù)處理與所連接的設備互動以上動作的組合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

2024/3/28-27-預置程序I-RFID根據(jù)不同應用的實際需要，可以預先在標簽寫入相應的應用程序中:

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

設備控制等,….2024/3/28-28-I-RFID如何進入TW工作狀態(tài)

一當在監(jiān)聽信號的瞬間檢測到一個射頻信號

例如RSSI>予設值,或者其它具有相關特征的射頻信號，或者預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…立即回到PSL狀態(tài).2024/3/28-29-T繼續(xù)接收完整個數(shù)據(jù)信號包f1f1f11000mS監(jiān)聽RSSI或者其它相關特征射頻信號100uSRSSI<予設值或無其他有效射頻信號RSSI>予設值或存在其它相關特征射頻信號l第二次判斷后停止接收無效信號過濾2024/3/28-30-回到PSL狀態(tài)I-RFID如何減少監(jiān)聽時間監(jiān)聽RSSI或者其它相關特征射頻信號100uSI-RFID的優(yōu)勢超低功耗安全保密性高快速響應系統(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2024/3/28-31-超低功耗在PSL狀態(tài)：

I-RFID由于工作占空比非常小，其消耗的能量很少在TW狀態(tài)：

對絕大多數(shù)應用來講，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

2024/3/28-32-標簽的能耗計算假如標簽睡眠蘇醒周期為1秒，然后蘇醒后監(jiān)聽10mS,標簽消耗的能量為：RC內(nèi)部時鐘耗電約為1uA,監(jiān)聽期內(nèi)耗電約為20mAPSL期間平均功耗為：20mAx10ms/1000+0.001mA=0.201mA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100ms(約10kb數(shù)據(jù)量)耗電20mA則標簽因工作的總耗電為：20mAx100msx100=200000msmA

平均能耗為：200000/86400/1000=0.0023mA.即使對于識別距離大于1500米的遠距離標簽（在近距離標簽中增加了PA和LNA),每天工作20次,每次工作100ms(約10kb數(shù)據(jù)量)發(fā)射時工作電流250mA，平均能耗仍然只有0.0046mA。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2024/3/28-33-標簽的能耗計算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10uA.這樣一個I-RFID標簽，使用一只1000mhA

鋰電池的電池平均壽命超過10年。（1000/0.01/24=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。2024/3/28-34-高安全性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。

2024/3/28-35-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！2024/3/28-36-快速響應的能力讀寫器協(xié)調(diào)器按需工作的特征傳感器f2TI-RFIDf1f1f1PSL狀態(tài)回到PSLf1預置程序f1事件驅(qū)動設備事件驅(qū)動2024/3/28-37-通信距離可調(diào)整I-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）2024/3/28-38-簡潔的空中信號指令通過使用“宏”代號的程序調(diào)用命令和相關參數(shù)賦值，大大減少了信號空中傳輸?shù)臅r間。

通過預先定義標簽動作內(nèi)容的方式，一個非常簡單的信號，例如就可以標稱一個超過預先設定值的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。

2024/3/28-39-超遠距離

對絕大多數(shù)實際應用來講，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

！

2024/3/28-40-精確定位和RTLS的能力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系，就可以計算出標簽的位置，即使在比較復雜的環(huán)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。2024/3/28-41-標簽也可先發(fā)起通信一個簡單的指令，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。2024/3/28-42-防碰撞機制

（處理海量標簽）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)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，實際應用需要多少讀寫器也就可以將標簽分成多少個組。2024/3/28-43-f1頻道3Tf2f1f3奇數(shù)ID標簽背靠背無間隙發(fā)射頻道2頻道1讀寫器2防碰撞機制（頻分方式）

讀寫器1協(xié)調(diào)器2024/3/28-44-防碰撞機制偶數(shù)ID標簽通過時分

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)。2024/3/28-45-防碰撞機制

（時分）單位延時發(fā)射讀寫器無延時發(fā)射I-RFIDBI-RFIDAf1f2Tf2f1f2△t1f2△t=f(ID)

2024/3/28-46-防碰撞機制

（時分圖示）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。2024/3/28-47-防碰撞機制

（通過ACK判斷和避免碰撞）I-RFIDf1f1讀寫器f2Tf2f2一當接收到指令標簽立即發(fā)射接收到ACK立即停止發(fā)射

蘇醒后監(jiān)聽f2f2f2f2假如沒有接收到ACK則根據(jù)ID或隨機數(shù)延時再發(fā)射ACK協(xié)調(diào)器背靠背無間隙發(fā)射f22024/3/28-48-防碰撞機制

（通過ACK判斷和避免碰撞圖示）整個過程與前述“通過ACK判斷和避免碰撞”的方式類似，只不過在發(fā)射前需要先監(jiān)聽，以減少信號的實際碰撞。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2024/3/28-49-防碰撞機制

（通過先監(jiān)聽RSSI并結合ACK來避免碰撞）標簽狀態(tài)機I-RFID具有4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)

參見請柬狀態(tài)機圖2024/3/28-50-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與ISO-18000-4(2)國際標準比較“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時間長信號裸露安全性差不能兼顧實時定位等,…….2024/3/28-52-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用）工作靈活性和適應性差工作效率低單個通信頻道（共存性差）響應速度慢射頻信號無保護不能兼顧實時定位RTLS功能2024/3/28-53-與ISO-18000-7(1)國際標準比較標簽在一每次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)等待安排的時隙在第