RFID原理及应用-教案3.docx

RFID原理及应用 第3周 教案课程名称RFID原理及应用课程性质授课教师授课班级学期教材课题第一部分：RFID标准体系授课学时4教学模式线上线下混合教学教学方法任务驱动、课堂翻转一、备课学情分析通过上次课程学习，学生认识了 RFID系统的组成，掌握了电子标签和读写器的基础 知识和基本的操作方法。对工程应用建立起了基本的逻辑思维。教学目标知识 目标1 .认识RFID标准体系2 .识记ISO/IEC制定的RFID标准体系3 .掌握EPCglobal制定的RFID标准体系4 .了解日本UID制定的RFID标准体系5 . 了解RFID三大国际标准的区别能力 目标1 .能够结合电子技术和网络技术进行知识交叉学习；2 .能够进行数理逻辑推理；素质 目标1 .提升多课程知识融会贯通2 .对待工程问题一丝不苟，追根究底，透过表象看本质教学重点1. ISO/IEC RFID数据内容与结构标准2. ISO/IEC应用技术标准教学难点1 .软件系统基本架构的标准2 . EPC编码课程思政通过了解RFID技术相关的国际标准，引导学生理解标准与知识产权的内在联系，标 准的制定是以科学、实践成果为基础的，也是以一定的技术和知识产权为基础，没有 技术及相关的知识产权作基础，制定或参与制定标准无门可循，以技术为核心的知识 产权是标准出台或制定的前提，标准是知识产权部分要素的外在代表和体现，它们是 外与内、形式与内容的关系。引导学生在互联网极度发达的当下，大学生要遵守法律， 尊重工程技术成果，尊重知识产权。教学资源超星学习通平台、网络课程视频资源、UP-CUPRFID物联网教学系统、D8读写器、射 频卡、教学系统配套实验指导书课前自主学习 目标1.查阅资料认识ISO国际标准体系三、教学过程（内容）二、教学设计教学环节教学内容教学活动设计意图复习复习数据通信基本模 型讨论计算机网络课程学习过的关于 数据通信的基础知识上，提问并引起 共鸣调动学生注意力，引起学习 热情课程导入讨论RFID在识别过程中可能出现的问题引导学生发现问题，并利用之前所学 知识进行分析，发散思维，课堂翻转， 小组讨论课程导入课程主题RFID标准体系导入ISO/IEC制定、EPCglobal制定、 日本UID制定的RFID标准体系明确课程任务重难点讲解ISO/IEC RFID 数据内容与结构标准概念讲解数据内容标准主要规定r 数据在标签、读写器到主机各个环节 的表示形式。通过数理逻辑推理，引起学 生注意力和关注度重难点讲解软件系统基本架构的 标准提问为什么需要软件的支持，引出技 术重点。分析ISO/IEC 24791标准各 部分之间关系。课堂翻转，小组讨论通过数理逻辑推理，引起学 生注意力和关注度重难点讲解EPC编码提问为什么要统一全球标识。引出对 实体及实体的相关信息进行代码化， 通过统一的、规范化的编码来建立全 球通用的信息交换语言，课堂翻转， 小组讨论通过编码换算，引起学生注 意力和关注度课程思政通过了解RFH）技术相 关的国际标准，引导学 生理解标准与知识产 权的内在联系，拓展讲解标准的制定是以科学、实践 成果为基础的，也是以一定的技术和 知识产权为基础，以技术为核心的知 识产权是标准出台或制定的前提，标 准是知识产权部分要素的外在代表 和体现，它们是外与内、形式与内容 的关系。在互联网极度发达的当下， 引导大学生要遵守法律，尊 重工程技术成果，尊重知识 产权。一、课程导入IEC标准：国际电工委员会（International Electro technical Commission,简称IEC）成立于 1906 年，是世界上成立最早的非政府性国际电工标准化机构，是联合国经社理事会（ECOSOC）的甲级咨询组 织。1947年ISO成立后，IEC曾作为电工部门并入ISO,但在技术上、财务.上仍保持其独立性。根据1976年 ISO与IEC的新协议，两组织都是法律上独立的组织，IEC负责有关电工、电子领域的国际标准化工作，其 他领域则由ISO负责。H前IEC成员国包括了绝大多数的工业发达国家及一部分发展中国家。IEC的宗旨 是促进电工标准的国际统一，电气、电子工程领域中标准化及有关方面的国际合作，增进国际间的相互 了解。ISO标准：ISO标准是指由国际标准化组织（International Organization for Standardization）, ISO 制订的标准。国际标准化组织是一个由国家标准化机构组成的世界范围的联合会，现有14（）个成员国。 根据该组织章程，每个国家只能有个最有代表性的标准化团体作为其成员，中国原国家质量技术监 督局以CSBTS名义国参加ISO活动。二、导入新课（一）RFID标准体系1. ISO/IEC RFID数据内容与结构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，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 RFID与数据内 容和结构相关的标准如下表所示。RFID 数据 内容 与结 构标 准IS0/IEC15424数据载体/特征标识符IS0/IEC15418EAN UCC应用标识符及ASC MH10 （ANSI标准）数据标识符IS0/IEC15418EAN、UCC应用标识符及 ASC MH10 （ANSI标准）数据标识符IS0/IEC15434大容量ADC媒体用的传送语法IS0/IEC15459物品管理的唯一识别号（UID）IS0/IEC15961数据协议：应用接口IS0/IEC15962数据编码规则和逻辑存储功能的协议IS0/IEC15962数据编码规则和逻辑存储功能的协议IS0/IEC15963射频标签（应答器）的唯一标识2. ISO/IEC RFID 性能标准ISO/IEC 18046射频识别设备性能测试主要内容有:系统性能检测：ISO/IEC 18046-1系统性能测试包含感应系统、符合ISO/IEC 18000-6的传播系统、 符合ISO/IEC 18000-7的传播系统三类，对应采用的频段分别为135KHz/13. 56MHz； 860960MHz以及 433MHzo针对上述前两类系统，测试内容和方法大体致，根据系统可识别的标签数量不同，分为单标 签测试和多标签测试两大部分；根据读写器的配置的不同，分为便携读写器、单边天线配置读写器、门 天线配置读写器和三维天线配置读写器四种不同天线配置下的读写器系统；根据测试目标不同，分为操 作距离、操作范围、识别移动速度、识别标签数量、识别标签群移动速度等测试项目。符合IS0/IEC18000-7 的传播系统的测试内容和方法与上述两种系统不同。标签性能参数及其检测：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；3. ISO/IEC RFID 技术标准1）空中接口通信协议：读写器和标签是RFID系统中最基本的设备。利用射频信号的空间耦合与传 输特性，读写器对标签上存储的标识信息、应用数据等进行访问，从而实现物品的自动识别与数据采集。 为了实现不同设备之间的互联互通，需要制定空中接口协议，对读写器与标签的交互过程、传输信号、 命令响应格式等进行规范。2）实时定位系统：实时定位系统可以改善供应链的透明性，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2450 MHz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433 MH的RTLS空中接口协议。3）软件系统基本架构随着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 图。2479124791（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。（2） ISO/IBC 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TS0/IEC 15962提供的接口，也支持其它标准的标签数据格式。（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。（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。（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。4. ISO/IEC应用技术标准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RF1D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集装箱一编码、ID和标识符号，1995年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），像集装箱本身显示一样。在集 装箱标识中的强制标识以及在AEI （Automatic Equipment Identification,自动设备标识）和EDI （Electronic Data Interchange,电子数据交换）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的标记方法，还规定了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年制订，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850950 Mhz及2. 4 GHz2. 5 GHz。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40 KHz和20 KHz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，IS。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，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。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。 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 1736317367 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更使用的，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。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读写器规范。工作频率为134.2KHZ,数据传输方式有全双工和半 双工两种，读写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【S()14223标准的读取设备，可以自动识别家畲， 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。5. EPCglobal制定的RFID标准体系1） EPC系统的特点EPC系统具有很多特点，EPC系统是一个全球的大系统，供应链的各个环节、各个节点、各个方面都 可从中受益，但低价值的识别对象（如食品、消费品等）对EPC系统引起的附加价格十分敏感。EPC系统 正在考虑通过革新相关技术，进一步降低成本，同时系统的整体改进将使得供应链管理得到更好的应用， 以提高效益，抵消和降低附加价格。EPC系统的主要特点包括开放的结构体系、独立的平台与高度的互动 性以及灵活的可持续发展的体系。在EPCglobal标准组织中，体系架构委员会ARC的职能是制定RFID标准体系框架，协调各个RFID 标准之间关系使它们符合RFID标准体系框架要求。ARC首先给出EPCglobal RFID体系框架2,它是RFID 典型应用系统的一种抽象模型，它包含三种主要活动。2） EPCglobal 标准EPCglobal成立伊始，就致力于建立一套全球中立的、开放的、透明的标准，并为此进行了艰苦的 努力。该机构于2004年4月公布了第一代RFID技术标准，包括EPC标签数据规格，超高频Class。和Classi 标签标准，高频Classi标签标准，以及物理标识语言内核规格。EPC系统是全球性、开放性的社会化大系统，信息交互需要一致的标准支持。EPC系统的规划、建设 以及相关产业的形成也需要标准化支持“在EPC系统中，涉及到的标准包括：标签数据标准；第二代（Gcn2） 空中接口标准；读写器协议；读写器管理：数据传输协议；ALE （Application LevelEvent,应用水平事 件）功能与控制；EPCIS （Electronic ProductCodc Information Service,电子产品代码信息服务）协 议；应用接口 （API）；安全规范和事件注册等。2004年12月17 口，EPCglobal批准发布了第一个标准一一超高频第二代空中接口标准（UHFGen2）, 迈出了 EPC从实验室走向应用的里程碑意义的一步，符合UHFGen2标准的产品已于2005年第二季度问世。3） EPCglobal RFID标准体系框架在EPCglobal标准组织中，体系架构委员会ARC的职能是制定RFID标准体系框架，协调各个RFID 标准之间关系使它们符合RFID标准体系框架要求。ARC首先给出EPCglobal RFID体系框架2，它是RFID 典型应用系统的一种抽象模型，它包含三种主要活动，如图所示。对象交换标准6. EPC编码体系支EPC编码是EPC系统的重要组成部分，它是对实体及实体的相关信息进行代码化，通过统一的、规范 化的编码来建立全球通用的信息交换语言。EPC编码是EAN/UCC在原有全球统编码体系基础上提出的， 它是新一代全球统一标识的编码体系，是对现行编码体系的拓展和延伸。EPC编码体系是新一代与GTIN兼容的编码标准，也是EPC系统的核心与关键。EPC的目标是为物理 世界的对象提供惟一的标识，从而达到通过计算机网络来标识和访问单个物体的目标，就如在互联网中 使用IP地址来标识和通信一样。EPC编码是与EAN/UCC编码兼容的新一代编码标准，在EPC系统中，EPC编码与现行GTIN相结合， 因而EPC并不是取代现行的条形码标准，而是由现行的条形码标准逐渐过渡到ITC标准或者是在未来的 供应链中形成EPC和EAN/UCC系统共存的局面。EPC是存储在射频标签中的惟信息，且已经得到UCC 和EAN两个主要国际标准监督机构的支持。1）EPC编码的方法与类型EPC编码具有一定的结构，EPC代码是由一个版本号加上另外三段数据（依次为域名管理、对象分类、 序列号）组成的一组数字，如表3-4所示。其中版本号用于标识EPC编码的版本次序，它使得EPC随后 的码段可以有不同的长度；域名管理是描述与此EPC相关的生产厂商的信息，例如可口可乐公司；对象 分类记录产品精确类型的信息，例如美国生产的330ml罐装减肥可乐（可口可乐的一种新产品）；序列 号惟一标识货品，它会精确地指明EPC代码标识的是哪一罐330ml罐装减肥可乐。鉴于当前不用那么多序列号，因而可采用64位EPC,这样会进一步降低标签成本。但随着 EPC-64和EPC-96版本的不断发展，EPC代码作为种世界通用标识方案已不足以长期使用，因而出现了 256位编码。至今已经推出EPC-96I型，EPC-64I型、II型、III型，EPC-256I型、II型、III型等编码 方案，如下表所示。编码方案编码类型版本号域名管理对象分类序列号1型2211724EPC-64II型2151334III型2261323EPC-961型82824361型83256160EPC-256II型86456128刖型812856642） EPC编码的特性（1）惟一性，与当前广泛使用的EAN/UCC代码不同的是，EPC提供对物理对象的惟一标识。换句话 说，一个EPC编码仅仅分配给一个物品使用。同种规格同种产品对应同一个产品代码，同种产品不同规 格对应不同的产品代码。根据产品的不同性质，如重量、包装、规格、气味、颜色、形状，等等，赋予 不同的商品代码。<2）简单性，EPC的编码既简单同时又能提供实体对象的惟一标识。以往的编码方案，很少能被全 球各国和各行业广泛采用，原因之一是编码的复杂导致不适用。（3）可扩展性，EPC编码留有备用空间，具有可扩展性。EPC地址空间是可扩展的，具有足够的冗 余，从而确保了 EPC系统的升级和可持续发展。（4）保密性与安全性，与安全和加密技术相结合，EPC编码具有高度的保密性和安全性。保密性和 安全性是配置高效网络的首要问题之一。安全的传输、存储和实现是EPC能否被广泛采用的基础。（5）无含义特性，为了保证代码有足够的容量以适应产品频繁更新换代的需要，最好采用无含义的 顺序码。3） EPC标签体系EPC标签是电子产品代码的信息载体，主要由天线和芯片组成。EPC标签中存储的惟一信息是96位 或者64位产品电子代码。为了降低成本，EPC标签通常是被动式射频标签。根据其功能级别的不同，EPC 标签可分为5类，目前所开展的EPC测试使用的是ClasslGen2标签。（1）ClassO EPC标签：满足物流，供应链管理中，比如超市的结账付款、超市货架扫描、集装箱 货物识别、货物运输通道以及仓库管理等基本应用功能的标签。ClassO EPC标签的主要功能包括：必须 包含EPC代码、24位自毁代码以及CRC代码；可以被读写器读取；可以被重整读取；可以自毁；存储器 不可以由读写器进行写入。（2） Classi EPC标签：又称身份标签，它是一种无源的、后向散射式标签，除了具备Class。EPC 标签的所有特征外，还具有一个电子产品代码标识符和一个标签标识符，Classi EPC标签具有自毁功能， 能够使得标签永久失效，此外，还有可选的密码保护访问控制和可选的用户内存等特性。（3） Class2EPC标签：也是一种无源的、后向散射式标签，它除了具备ClasslEPC标签的所有特 征夕卜,还包括扩展的TID （Tagidentifier,标签标识符）、扩展的用户内存、选择性识读功能。Class2 EPC 标签在访问控制中加入了身份认证机制，并将定义其他附加功能。（4） Class3EPC标签：是一种半有源的、后向散射式标签，它除了具备Class2EPC标签的所有特 征外，还具有完整的电源系统和综合的传感电路，其中，片上电源用来为标签芯片提供部分逻辑功能。（5） Class4 EPC标签：是一种有源的、主动式标签，它除了具备Class3 EPC标签的所有特征外， 还具有标签到标签的通信功能、主动式通信功能和特别组网功能。4 ） EPC编码的方法与类型EPC编码具有一定的结构，EPC代码是由一个版本号加上另外三段数据（依次为域名管理、对象分类、 序列号）组成的一组数字，7 .日本UID制定的RFID标准体系T-Enginc论坛机构组成：在T-Enginc论坛领导下，泛在识别（UID）中心于2003年3月成立，并 得到日本政府经产省和总务省以及大企业的支持，目前包括微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏 普、富士通、NTTD DoCoMoKDDI、J-Phone、伊藤忠、大口本印刷、凸邙印刷、理光等重量级企业。8 . RFID三大国际标准的区别ISO/IEC 18000标准是最早开始制定的关于RFID的国际标准，按频段被划分为7个部分。目前支持 IS0/IEC 18000标准的RFII）产品最多。EPCglobal是由UCC和EA5两大组织联合成立、吸收了麻省理工 AutoID中心的研究成果后推出的系列标准草案。EPCglobal最重视UHF频段的RFID产品，极力推广基于 EPC编码标准的RFID产品。目前，EPCglobal标准的推广和发展十分迅速，许多大公司如沃尔玛等都是 EPC标准的支持者。日本的泛在中心（Ubiquitous ID） 一直致力于本国标准的RFID产品开发和推广，拒 绝采用美国的EPC编码标准。与美国大力发展UHF频段RFID不同的是，口本对2. 4 GHz微波频段的RFID 似乎更加青睐，目前日本已经开始了许多2.4 GHz RFID产品的实验和推广工作。四、作业与练习布置开放性作业：1.网络调查常见的RFID设备一般遵循哪些相关的国际标准。2.网络调查如何申请专利（包括实用新型专利、外观专利、软件著作权等）五、教学反思目标达成能够理解国际标准对RFID识别技术的重要性，能够识记ECP编码的基本构成和编码规则。 由于概念繁杂，学生只体现为概念性的理解。优缺点任务驱动的教学方法能够有效引起学生共鸣，缺点课堂数理逻辑的演算推理不够深入。改进计划强课堂翻转和课后思考，让学生带着问题利用课后时间反思和总结