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标题: ISO/IEC RFID技术标准概述 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 22:44
标题: ISO/IEC RFID技术标准概述
引言

      射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术（以下简称RFID）。RFID标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。
      ISO/IEC是信息技术领域最重要的标准化组织之一。ISO/IEC认为RFID是自动身份识别和数据采集的一种很好手段，制定RFID标准不仅要考虑物流供应链领域的单品标识，还要考虑电子票证、物品防伪、动物管理、食品与医药管理、固定资产管理等应用领域。基于这种认识，ISO/IEC联合技术委员会JTC委托SC31子委员会，负责所有RFID通用技术标准的制定工作，也即对所有RFID应用领域的共同属性进行规范化；委托各专业委员会负责应用技术标准的制定，如ISO TC104 SC4负责制定集装箱系列RFID标准的制定，ISO TC 23 SC19负责制定动物管理系列RFID标准，ISO TC122和ISO TC104组成的联合工作组制定物流与供应链系列应用标准[1]。所有标准的制定工作，可以由技术委员会委托某些专家起草标准草案，也可以由企业或者专家直接提交标准草案，然后按照ISO标准化组织制定标准的程序进行审核、修改直至最后批准执行。目前ISO RFID所有标准草案都可以在网站http://www.autoid.org中找到。

一、通用RFID技术标准
      ISO/IEC的通用技术标准可以分为数据采集和信息共享两大类，数据采集类技术标准涉及标签、读写器、应用程序等，可以理解为本地单个读写器构成的简单系统，也可以理解为大系统中的一部分，其层次关系如图1所示；而信息共享类就是RFID应用系统之间实现信息共享所必须的技术标准，如软件体系架构标准等。

                        图1  ISO RFID 标准体系框图

      在图1中，左半图是普通RFID标准分层框图，右半图是从2006年开始制定的增加辅助电源和传感器功能以后的RFID标准分层框图。它清晰地显示了各标准之间的层次关系，自底而上先是RFID标签标识编码标准ISO/IEC 15963，然后是空中接口协议ISO/IEC 18000系列，ISO/IEC 15962和ISO/IEC 24753数据传输协议，最后ISO/IEC 15961 应用程序接口。与辅助电源和传感器相关的标准有空中接口协议、ISO/IEC 24753数据传输协议以及IEEE 1451标准。

1、数据内容标准
      数据内容标准主要规定了数据在标签、读写器到主机（也即中间件或应用程序）各个环节的表示形式。由于标签能力（存储能力、通信能力）的限制，在各个环节的数据表示形式必须充分考虑各自的特点，采取不同的表现形式。另外主机对标签的访问可以独立于读写器和空中接口协议[2]，也就是说读写器和空中接口协议对应用程序来说是透明的。RFID数据协议的应用接口基于ASN.1，它提供了一套独立于应用程序、操作系统和编程语言，也独立于标签读写器与标签驱动之间的命令结构。

      ISO/IEC 15961规定了读写器与应用程序之间的接口[3]，侧重于应用命令与数据协议加工器交换数据的标准方式，这样应用程序可以完成对电子标签数据的读取、写入、修改、删除等操作功能。该协议也定义了错误响应消息。

      ISO/IEC 15962规定了数据的编码、压缩、逻辑内存映射格式[3]，以及如何将电子标签中的数据转化为应用程序有意义的方式。该协议提供了一套数据压缩的机制，能够充分利用电子标签中有限数据存储空间以及空中通信能力。

      ISO/IEC 24753扩展了ISO/IEC 15962数据处理能力[3]，适用于具有辅助电源和传感器功能的电子标签。增加传感器以后，电子标签中存储的数据量以及对传感器的管理任务大大增加了，ISO/IEC 24753规定了电池状态监视、传感器设置与复位、传感器处理等功能。图1表明ISO/IEC 24753与ISO/IEC 15962一起，规范了带辅助电源和传感器功能电子标签的数据处理与命令交互。它们的作用使得ISO/IEC 15961独立于电子标签和空中接口协议。

      ISO/IEC 15963规定了电子标签唯一标识的编码标准[5]，该标准兼容ISO/IEC 7816-6、ISO/TS 14816、EAN.UCC标准编码体系、INCITS 256以及保留对未来扩展。注意与物品编码的区别，物品编码是对标签所贴附物品的编码，而该标准标识的是标签自身。

2、空中接口通信协议

      空中接口通信协议规范了读写器与电子标签之间信息交互，目的是为了不同厂家生产设备之间的互联互通性[6]。ISO/IEC制定五种频段的空中接口协议，主要由于不同频段的RFID标签在识读速度、识读距离、适用环境等方面存在较大差异，单一频段的标准不能满足各种应用的需求。这种思想充分体现了标准统一的相对性，一个标准是对相当广泛的应用系统的共同需求，但不是所有应用系统的需求，一组标准可以满足更大范围的应用需求。

      ISO/IEC 18000-1 信息技术－基于单品管理的射频识别－参考结构和标准化的参数定义。它规范了空中接口通信协议中共同遵守的读写器与标签的通信参数表、知识产权基本规则等内容。这样每一个频段对应的标准不需要对相同内容进行重复规定。

      ISO/IEC 18000-2 信息技术－基于单品管理的射频识别－适用于中频125～134KHz，规定了在标签和读写器之间通信的物理接口，读写器应具有与Type A(FDX)和Type B(HDX)标签通信的能力；规定了协议和指令以及多标签通信的防碰撞方法。

      ISO/IEC 18000-3信息技术－基于单品管理的射频识别－适用于高频段13.56MHz，规定了读写器与标签之间的物理接口、协议和命令以及防碰撞方法。关于防碰撞协议可以分为两种模式，而模式1又分为基本型与两种扩展型协议（无时隙无终止多应答器协议和时隙终止自适应轮询多应答器读取协议）。模式2采用时频复用FTDMA协议，共有8个信道，适用于标签数量较多的情形。

      ISO/IEC 18000-4信息技术－基于单品管理的射频识别－适用于微波段2.45GHz，规定了读写器与标签之间的物理接口、协议和命令以及防碰撞方法。该标准包括两种模式，模式1是无源标签工作方式是读写器先讲；模式2是有源标签，工作方式是标签先讲。

      ISO/IEC 18000-6信息技术－基于单品管理的射频识别－适用于超高频段860～960MHz，规定了读写器与标签之间的物理接口、协议和命令以及防碰撞方法。它包含TypeA、TypeB和TypeC三种无源标签的接口协议，通信距离最远可以达到10m。其中TypeC是由EPCglobal起草的，并于2006年7月获得批准，它在识别速度、读写速度、数据容量、防碰撞、信息安全、频段适应能力、抗干扰等方面有较大提高。2006年递交了V4.0草案，它针对带辅助电源和传感器电子标签的特点进行了扩展，包括标签数据存储方式和交互命令。带电池的主动式标签可以提供较大范围的读取能力和更强的通信可靠性，不过其尺寸较大，价格也更贵一些。

      ISO/IEC 18000-7适用于超高频段433.92 MHz，属于有源电子标签。规定了读写器与标签之间的物理接口、协议和命令以及防碰撞方法。有源标签识读范围大，适用于大型固定资产的跟踪。

3、测试标准

      测试是所有信息技术类标准中非常重要的部分，ISO/IEC RFID标准体系中包括设备性能测试方法和一致性测试方法。

      ISO/IEC 18046射频识别设备性能测试方法，主要内容有标签性能参数及其检测方法：标签检测参数、检测速度、标签形状、标签检测方向、单个标签检测及多个标签检测方法等；读写器性能参数及其检测方法：读写器检测参数、识读范围、识读速率、读数据速率、写数据速率等检测方法。在附件中规定了测试条件，全电波暗室、半电波暗室以及开阔场三种测试场。该标准定义的测试方法形成了性能评估的基本架构，可以根据RFID系统应用的要求，扩展测试内容。应用标准或者应用系统测试规范可以引用ISO/IEC 18046性能测试方法，并在此基础上根据应用标准和应用系统具体要求进行扩展。

      ISO/IEC 18047对确定射频识别设备（标签和读写器）一致性的方法进行定义，也称空中接口通信测试方法。测试方法只要求那些被实现和被检测的命令功能以及任何功能选项。它与ISO/IEC 18000系列标准相对应。一致性测试，是确保系统各部分之间的相互作用达到的技术要求，也即系统的一致性要求。只有符合一致性要求，才能实现不同厂家生产的设备在同一个RFID网络内能够互连互通互操作。一致性测试标准体现了通用技术标准的范围，也即实现互联互通互操作所必须的技术内容，凡是不影响互联互通互操作的技术内容尽量留给应用标准或者产品的设计者。

4、实时定位系统（RTLS）

      实时定位系统可以改善供应链的透明性[8]，船队管理、物流和船队安全等。RFID标签可以解决短距离尤其是室内物体的定位，可以弥补GPS等定位系统只能适用于室外大范围的不足。GPS定位、手机定位以及RFID短距离定位手段与无线通信手段一起可以实现物品位置的全程跟踪与监视。目前正在制订的标准有：

      ISO/IEC 24730－1 应用编程接口API，它规范了RTLS服务功能以及访问方法，目的是应用程序可以方便地访问RTLS系统，它独立于RTLS的低层空中接口协议。

      ISO/IEC 24730－2 适用于2450MHz的RTLS空中接口协议。它规范了一个网络定位系统，该系统利用RTLS发射机发射无线电信标，接收机根据收到的几个信标信号解算位置。发射机的许多参数可以远程实时配置。

      ISO/IEC 24730－3适用于433MH的RTLS空中接口协议。内容与第2部分类似

5、软件系统基本架构

      2006年ISO/IEC开始重视RFID应用系统的标准化工作[4]，将ISO/IEC 24752调整为6个部分并重新命名为ISO/IEC 24791。制定该标准的目的是对RFID应用系统提供一种框架，并规范了数据安全和多种接口，便于RFID系统之间的信息共享；使得应用程序不再关心多种设备和不同类型设备之间的差异，便于应用程序的设计和开发；能够支持设备的分布式协调控制和集中管理等功能，优化密集读写器组网的性能。该标准主要目的是解决读写器之间以及应用程序之间共享数据信息，随着RFID技术的广泛应用RFID数据信息的共享越来越重要。ISO/IEC 24791标准各部分之间关系如下图：

                                                图10－2软件体系基本结构框图

标准的具体内容如下：

1） ISO/IEC 24791-1 体系架构：给出软件体系的总体框架和各部分标准的基本定位。它将体系架构分成三大类：数据平面、控制平面和管理平面。数据平面侧重于数据的传输与处理，控制平面侧重于运行过程中对读写器中空中接口协议参数的配置，管理平面侧重于运行状态的监视、和设备管理。三个平面的划分可以使得软件架构体系的描述得以简化，每一个平面包含的功能将减少，在复杂协议的描述中经常采用这种方法。每个平面包含数据管理、设备管理、应用接口、设备接口和数据安全五个方面的部分内容。目前已经给出标准草案。
2） ISO/IEC 24791-2 数据管理：主要功能包括读、写、采集、过滤、分组、事件通告、事件订阅等功能。另外支持ISO/IEC 15962 提供的接口，也支持其它标准的标签数据格式。该标准位于数据平面，目前已经给出标准草案。
3） ISO/IEC 24791-3 设备管理：类似于EPCglobal读写器管理协议，能够支持设备的运行参数设置、读写器运行性能监视和故障诊断。设置包括初始化运行参数、动态改变的运行参数以及软件升级等。性能监视包括历史运行数据收集和统计等功能。故障诊断包括故障的检测和诊断等功能。该标准位于管理平面，目前正在制定过程中，还没有公布草案。
4） ISO/IEC 24791-4 应用接口：位于最高层，提供读、写功能的调用格式和交互流程。据估计类似于ISO/IEC 15961应用接口，但是肯定还需要扩展和调整。该标准位于数据平面，目前正在制定中，还没有看到草案。
5） ISO/IEC 24791-5 设备接口：类似于EPCglobal LLRP低层读写器协议，它为客户控制和协调读写器的空中接口协议参数提供通用接口规范，它与空中接口协议相关。该标准位于控制平面，目前正在制定中，还没有看到草案。
6） ISO/IEC 24791-6 数据安全：正在制定中，目前没有见到草案。

   6、实施指南

ISO/IEC 24729－实施指南[7]，它是目前正在制定过程中标准，包含以下三个部分：
ISO/IEC 24729－1  RFID使能标签标识与包装；
ISO/IEC 24729－2  RFID可回收标签；
ISO/IEC 24729－3  RFID读写器/天线安装。

应该注意的是以上RFID系列标准中包含了大量专利，如ISO/IEC 18000系列中列出了部分专利，其实还有很多专利并没有在标准中列出来。

二、ISO/IEC RFID应用技术标准

      早在二十世纪九十年代，ISO/IEC已经开始制定集装箱标准ISO 10374标准，后来又制定了集装箱电子关封标准ISO 18185，动物管理标准ISO 11784/5、ISO 14223等。随着RFID技术的应用越来越广泛，ISO/IEC认识到需要针对不同应用领域中所涉及的共同要求和属性制定通用技术标准，而不是每一个应用技术标准完全独立制定，这就是上一节的通用技术标准。

      在制定物流与供应链ISO 17363～17367系列标准时，直接引用ISO/IEC 18000系列标准。通用技术标准提供的是一个基本框架，而应用标准是对它的补充和具体规定，这样既保证了不同应用领域RFID技术具有互联互通与互操作性，又兼顾了应用领域的特点，能够很好地满足应用领域的具体要求。应用技术标准是在通用技术标准基础上，根据各个行业自身的特点而制定，它针对行业应用领域所涉及的共同要求和属性。应用技术标准与用户应用系统的区别，应用技术标准针对一大类应用系统的共同属性，而用户应用系统针对具体的一个应用。如果用面向对象分析思想来比喻的话，把通用技术标准看成是一个基础类，则应用技术标准就是一个派生类。

1、货运集装箱系列标准
ISO TC 104技术委员会专门负责集装箱标准制定，是集装箱制造和操作的最高权威机构。与RFID相关的标准，由第四子委员会（SC4）负责制定。包括如下标准：
1）ISO 6346 集装箱—编码、ID和标识符号，1995制订
该标准提供了集装箱标识系统。集装箱标识系统用途很广泛，比如在文件、控制和通信（包括自动数据处理），象集装箱本身显示一样。在集装箱标识中的强制标识以及在自动设备标识AEI（Automatic Equipment Identification）和电子数据交换EDI（Electronic Data Interchange）应用的可选特征。该标准规定了集装箱尺寸、类型等数据的编码系统以及相应标记方法，操作标记和集装箱标记的物理展示。
2）ISO 10374 集装箱自动识别标准，1991制订，1995年修订
该标准基于微波应答器的集装箱自动识别系统，是把集装箱当作一个固定资产来看。应答器为有源设备，工作频率为850MHz～950Mhz及2.4GHz～2.5GHz。只要应答器处于此场内就会被活化并采用变形的FSK副载波通过反向散射调制做出应答。信号在两个副载波频率40kHz和20kHz之间被调制。由于它在1991年制定，还没有用RFID这个词，实际上有源应答器就是今天的有源RFID电子标签。此标准和ISO 6346共同应用于集装箱的识别，ISO 6346规定了光学识别，ISO 10374则用微波的方式来表征光学识别的信息。
3）ISO 18185，集装箱电子关封标准草案（陆、海、空）
该标准是海关用于监控集装箱装卸状况[9]，包含7个部分，它们是：空中接口通信协议、应用要求、环境特性、数据保护、传感器、信息交换的消息集、物理层特性要求。
以上两个标准涉及到的空中接口协议并没有引用ISO/IEC 18000系列空中接口协议，主要原因它们的制定时间早于ISO/IEC 18000系列空中接口协议。

2、物流供应链系列标准
      为了使RFID能在整个物流供应链领域发挥重要作用，ISO TC 122包装技术委员会和ISO TC 104货运集装箱技术委员会成立了联合工作组JWG，负责制定物流供应链系列标准[10]。工作组按照应用要求、货运集装箱、装载单元、运输单元、产品包装、单品五级物流单元，制定了六个应用标准。
1）ISO 17358  应用要求
这是供应链RFID的应用要求标准，由TC 122技术委员会主持，目前正在制订过程中。该标准定义了供应链物流单元各个层次的参数，定义了环境标识和数据流程。
2）ISO 17363～17367系列标准
供应链RFID物流单元系列标准分别对货运集装箱、可回收运输单元、运输单元、产品包装、产品标签的RFID应用进行了规范。该系列标准内容基本类同，如空中接口协议采用ISO/IEC 18000系列标准。在具体规定上存在差异，分别针对不同的使用对象做了补充规定，如使用环境条件、标签的尺寸、标签张贴的位置等特性，根据对象的差异要求采用电子标签的载波频率也不同。货运集装箱、可回收运输单元和运输单元使用的电子标签一定是重复使用的，产品包装则要根据实际情况而定，而产品标签来说通常是一次性的。另外还要考虑数据的完整性、可视识读标识等。可回收单元在数据容量、安全性、通信距离要求较高。这个系列标准目前正在制订过程中。
      这里需要注意的是ISO 10374、ISO 18185和ISO 17363三个标准之间的关系，它们都针对集装箱，但是ISO 10374是针对集装箱本身的管理，ISO 18185是海关为了监视集装箱，而ISO 17363是针对供应链管理目的而在货运集装箱上使用可读写的RFID标识标签和货运标签。

3、动物管理系列标准
ISO TC 23/SC 19负责制订动物管理RFID方面标准，包括ISO 11784/11785和ISO 14223三个标准。
1）ISO 11784 编码结构
它规定了动物射频识别码的64位编码结构，动物射频识别码要求读写器与电子标签之间能够互相识别。通常由包含数据的比特流以及为了保证数据正确所需要的编码数据。代码结构为64位，其中的27至64位可由各个国家自行定义。
2)  ISO 11785 技术准则
它规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作频率为134.2kHz，数据传输方式有全双工和半双工两种，阅读器数据以差分双相代码表示，电子标签采用FSK调制，NRZ编码。由于存在较长的电子标签充电时间和工作频率的限制，通信速率较低。
3)  ISO 14223 高级标签
它规定了动物射频识别的转发器和高级应答机的空间接口标准，可以让动物数据直接存储在标记上，这表示通过简易、可验证以及廉价的解决方案，每只动物的数据就可以在离线状态下直接取得，进而改善库存追踪以及提升全球的进出口控制能力。通过符合 ISO 14223 标准的读取设备，可以自动识别家畜，而它所具备的防碰撞算法和抗干扰特性，即使家畜的数量极为庞大，识别也没有问题。ISO 14223标准包含空中接口、编码和命令结构、应用三个部分，它是ISO 11784/11785的扩展版本。

参考文献
[1] 张有光等.全球三大RFID标准体系比较分析，中国标准化，2006年第3期
[2] 张有光等.ISO RFID标准体系中的数据协议分析，中国标准化，2006年第4期
[3] 数据传输协议，http://www.autoid.org/SC31/sc_31_wg4_sg1.htm
[4] 软件体系架构，http://www.autoid.org/SC31/sc_31_wg4_sg1.htm
[5] 标签编码，http://www.autoid.org/SC31/sc_31_wg4_sg2.htm
[6] 空中接口协议，http://www.autoid.org/SC31/sc_31_wg4_sg3.htm
[7] 实施指南，http://www.autoid.org/SC31/sc_31_wg4_sg5.htm
[8] 实时定位系统RTLS，http://www.autoid.org/SC31/wg5.htm
[9]集装箱RFID标准ISO 18185，http://www.autoid.org/tc104_sc4_wg2.htm
[10]物流供应链系列标准，http://www.autoid.org/ISO_JWG/iso_jwg.htm

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