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第3章物联网射频识别系统3.1射频识别系统概述读写器和标签是射频识别系统的组成部分，读写器是可以读/写标签内存数据的电子装置，而标签是射频识别系统的数据载体。两者之间所遵循的协议有很多种，只要制定者一是ISO，二是EPCGlobal。EPC标签分类标签功能Class０只读，EPC码在生产过程中写入，读写器只能读出EPC码，但不能写入Class１可写一次之后只读，标签生产时没有编号，EPC码可以由读写器在现场写入Class２可读写Class３Class２功能再加上电源以提供更长距离和更强大的功能Class４Class３功能再加上有源通信以及与其他标签通信的能力无源标签有源标签半无源标签表3.1标签分类及功能读写器与标签之间的数据交换是通过电子标签与读写器天线辐射远场区之间的电磁耦合（电磁波发射和反射），构成无接触的空间信息传输射频通道来完成的。耦合的实质是读写器天线辐射出的电磁波照射到射频标签天线后形成反射回波，反射回波再被读写器天线接收。目前，国际组织公布的最新标签与读写器通信的协议简称C1G2，实际上是一个接口协议。目前EPC标准的分类方法有两层，第一层Class用来区分标签技术和数据存入标签的方法，第二层Generation定义设备的物理层和可写的数据容量。3.2射频标签3.2.1物理层与标签标识层1、物理层读写器采用幅移键控（ASK）或用改进型Miller编码的二进制相移键控（BPSK）来调制RF载波，将信息发送给一个或多个标签，并监听反向散射的答复信号。标签采用ASK或PSK来方向散射调制载波。对于响应读写器指令的编码格式，可选用FM0编码或者曼彻斯特编码。2、标签识别层读写器使用选择（select）、遍询（Inventory）、访问（Access)三个基本操作来管理标签群体：（1）选择选择用于选定多个标签，从而进行遍询和访问的操作。（2）遍询用于识别编码的操作。（3）访问访问是与某个标签进行通信的操作，该标签必须在访问操作之前就被识别出来。3.2.2标签存储器所有的标签都必须具有长时数据存储功能，由标签存储器来实现。标签存储器在逻辑上被分成4个不同的区间。1、预留存储区预留存储区要存储Kill、Unconceal以及Unlock指令。2、EPC存储区EPC存储区要在地址为00h~0Fh的空间内存储16个协议控制（PC）位，在地址为10h~1Fh的空间内存储一个CRC-16，在以20h开头的地址空间内存储一个对象标识符。3、标签标识（TID）存储区标签标识存储区用于标签和销售商专用数据存储。4、用户存储区用户存储区允许用户专用数据存储。3.2.3访问指令和销毁指令1、访问指令访问指令为存储在保留内存20h~3Fh的32位数值，默认值为零。2、销毁指令销毁指令为存储在保留内存00h~1F的32位数值，默认值为零。3.2.4CRC-163.2.5协议-控制（PC）位PC位包含标签在遍询操作期间以其EPC反向散射的物理层信息。EPC存储器10h至1Fh存储地址存储有16PC位，PC位值定义如下：（1）10h~14h位：标签反向散射的（PC+EPC）的长度。（2）15h~16h位：RFU（第一类标签为002）。（3）17h~1Fh位：默认值为0000000002且可以包括ISO/IEC15961定义的AFI（AddressFamilyIdentifier，地址族标志）在内的计数系统识别（NumberSystemIdentification，NSI）。NSI的MSB（MostSignificantBit，最高有效位）存储在18h的存储位置。3.2.6选择标记与识别标记1、选中标记标签有两个选中标记，SS(短时选择标记）和SL（长时选择标记）。一个Select指令可以设置或不设置SS或SL标记。读写器根据标记值SS、~SS、SL或~SL（~表示相反）的任意组合来遍询和访问标签。被隐蔽的标签不能设置SS和SL。2、识别标记标签具有两个识别标记IDS和IDL，如表3.2所示。标记持续时间短时选择标记（SS）标签上电：未定义标签掉电：丢失长时选择标记（SL）标签上电：未定义标签掉电：500ms保持5s，在-25℃~+50℃情况下短时识别标记（IDS）标签上电：未定义标签掉电：丢失长时识别标记（IDL）标签上电：未定义标签掉电：500ms保持5s，在-25℃~+50℃情况下表3.2标签标识读写器用如下图所示的两种会话方式之一对标签进行遍询。IDS指短时会话，IDL指长时会话。会话名称表示了IDS和IDL标记所代表的会话持续时间的长短。在短时会话内读写器遍询IDS或~IDS的标签，而且选择标签后可以转换标记。在长时会话时读写器遍询带IDL和~IDL的标签，而且选择标签后可以转换标记。准备上电，Reset，Query仲裁【短时】仲裁【长时】应答【短时】应答【长时】确认【短时】确认【长时】访问【短时】访问【长时】灭活短时会话长时会话Query（IDS或~IDS）Query（IDL或~IDL）Query（IDS或~IDS）Query（IDL或~IDL）可以转换会话标志IDS-~IDS或相反可以转换会话标志IDL-~IDL或相反图3.2会话图3.2.7准备状态与仲裁状态1、准备状态标签具有通信准备状态。当进入激活的RF射频场时，标签就进入准备状态，等待Reset、Select或者Query指令。标签会一直保持在通信准备状态，知道接收到相应的Query指令。处在任何通信状态下的标签掉电后，重新上电时都回到准备状态。2、仲裁状态标签具有仲裁状态。当处在准备状态的标签接收到参数与它当前标记相匹配的Query指令时，就会转入仲裁状态；若接收的Query指令参数与当前标记不匹配，则标签仍保持在准备状态。3.2.8应答状态与确认状态1、应答状态标签具有应答状态。进入应答状态后，标签要反向散射一个RN16，即16位的随机数。标签接到有效的信号（ACK）：就会转入确定状态，若标签没有被隐蔽并且ACK中的fast-back参数为“是”，就会反向散射它的EPC和CRC-16。若标签被隐蔽了，或fast-ack参数为“非”，则反向散射原始RN16值。若标签没有接收ACK或接收到无效的ACK，则返回仲裁状态，等待下一个Query、QueryRep或QueryAdjust指令。2、确定状态标签具有确认状态，在确认状态下，不对标签应答和读写器发送指令之间的最大时间延迟进行限制。3.2.9访问状态与销毁状态1、访问状态当接收到一个有效的Req_RN指令时，确认状态下的标签就会转入访问状态。访问时读写器向标签发送的所有数据都要进过加密2、销毁状态接收到Kill指令后，标签进入销毁状态。Kill指令使标签永久不可用，即进入销毁状态后，标签通知读写器销毁指令执行成功，从此不再对读写器指令产生应答。已被销毁的标签在任何情况下都会保持销毁的状态，不会产生调制信号以激活射频场。3.3单个标签的识读3.3.1选择标签群选择操作使用一条指令Select，根据用户定义的标准连续地选择特定的标签群，根据标签的区分可以选择并集、交集和逻辑非。Select可能声明也可能不声明SS或SL标记，包括的参数有：MemBank（存储区），Pointer（指针），Length（长度）和Mask（掩饰）。MemBank：掩码是否适用于EPC、TID或User存储器。Select指令：适用于单个存储区，连续Select可以适用于不同的存储区间。指针（Pointer）、长度（Length）和掩码（Mask）（PLM）描述一个存储器的容量。掩码（Mask）的长度必须为比特长度的倍数，它包括一个二进制串，标签将二进制串与指定的存储地址对应。3.3.2遍询标签群遍询指令集包括Query、QueryAdjust、QueryRep、ACK以及NAK。Query指令包括参数SS和SL，并用这两个参数与IDS和IDL一起确定哪些标签作为遍询对象。读写器可以遍询并访问具有SS、~SS、SL、~SL标记的标签或者由这些标记任意组合的标签。Query指令包含一个时隙计数参数U，被遍询的标签开启2,并将循环结果装载在U位的时隙计数器内。滚U的循环到0的标签将转到应答状态并立即回答，滚到非零的标签将转到仲裁状态，并将循环加载到它们的时隙计数器上等待后面的指令。有一个标签响应，那么询问响应的运算法则如下：（1）标签反向散射一个RN16表明该标签进入应答状态。（2）读写器用包含同样RN16的ACK确认这个标签。（3）已经被确认的标签转到确认状态并反向散射它的EPC和CRC-16。若标签被隐蔽或ACK指令中fastack参数为“是”，则标签重新反向散射RN16取代EPC和CRC-16。（4）读写器要么访问被确定的标签，要么发送Query、QueryRep或QueryAdjust指令。在Query情况下标签转到准备状态，但不改变IDS或IDL标记。在QueryRep或QueryAdjust情况下标签设置IDS或者不设置IDL标记（根据原始Query指令的参数选择）并转到准备状态。ResetCWQuery读写器CWAckCWQueryRepCRC16+OIDReplyT1T1T2T1T2NAK标签如OID有效则QueryRep或QueryAdjust如无效则OID或NAK单个标签应答应答冲浪无应答无效ACK读写器标签QueryCWQueryRepCWQueryRepCWAckCWQueryRepReplyNoReplyT2T1NoReplyT1T2CollisionDetectedReplyT1T2图3.4连接时间图3.2表明读写器在上时对话和短时对话周期内遍询标签。具有IDS标记的标签用的会话时间短，具有IDL标记的标签用的会话时间长。会话允许两个读写器响应一个标签，而在逻辑上不相互干扰，如：（1）读写器1，短时会话。读写器1发出Query指令并指出是否需要遍询处于IDS或、IDS状态的标签。只有标签IDS标记与Query指令相符才参与会话。参与遍询的标签在成功选择后要转换IDS标记的状态。短时会话既不使用也不改变标签的IDL标记。（2）读写器2，长时会话。读写器2发出Query指令并指出是否希望遍询处于IDL或或~IDS状态的标签。只有标签IDL标记与指令相符才可以参与会话。参与遍询的标签在成功选择后要转换IDL标记的状态。长时会话既不使用也不改变标签的IDS标记。3.3.3读写器对已确认标签的访问过程读写器向已确认的标签发送Req-RN指令，标签产生并存储一个新的RN-16（用RN-auth表示），反向散射这个RN16-auth，然后转到访问状态。这时读写器可以发送进一步的访问指令。标签处于访问状态后，读写器就可以发送访问指令且标签将执行所有的有效访问指令。3.3.4销毁一个被访问的标签读写器向标签发出指令，标签反向散射一个新的RN16，然后读写器产生一个32位的密码串，读写器将该密码串作为参数发出Kill指令。标签对接收的密码串进行解码，若销毁密码正确，则标签反向散射一个RN16-auth，然后保持静默。3.3.5公开一个被访问的标签3.3.6允许在被访问标签的锁定位置存储位置上进行写操作读写器向标签发出Req-RN指令，标签反向散射一个新的RN16，然后读写器产生一个32位的二进制密码串，读写器将密码串作为参数发出Unlock指令，使标签允许在锁定位置进行写操作。3.4多个标签的识别3.4.1读写器与标签通信建立过程读写器标签（1）读写器发送一个Query，QuerAdjust或QueryRep命令。（2）当时隙计数器为0时，标签反射一个RN16，并转入应答状态。（3）读写器向标签发送包含同一个RN16的ACK指令，确认。（4）标签返回OID和CRC校验，进入确定状态。（5）读写器发送包含同一个RN16的Req-RN指令。（6）标签返回另一个16位随机数RN16-auth，转入访问状态。（7）读写器访问标签，每条访问指令都以RN16_auth为参数。（8）标签校验每条命令的RN16_auth,如果与本身已存储的