电子标签国际标准

1、提交给提交给ISO电子标签国际大会专家组电子标签国际大会专家组 技术方案发言稿（中文版）技术方案发言稿（中文版） （ 2010年年9月法国图卢兹）月法国图卢兹） 廖应成博士廖应成博士 中国电子标签标准化工作组中国电子标签标准化工作组 第一章 2021-6-25 低成本的识别功能 较远的距离 1m 低功耗 更多的数据空间 2021-6-25-3- 长的电池寿命 ( 5 年) 低成本 更长的距离 (1 2 km) 双向通信 可以连接各种传感器 工作方式灵活 (可满足各种不同应用的需要） 具有处理海量标签的能力 按需发射信号 信号的安全性和保密性 具有精确定位的功能 能与现有的无线系统共存 2021

2、-6-25-4- 2021-6-25-5- 识别和认证你是谁？ 定位你在哪里？ 传感器数据采集和传输你的情况怎样？ 下达工作指令（双向传输）请执行xx指令！ 物联网的特征就是“人”操控的PC与连接“物”之间 的单片机之间的无线连接 物物 数据库 数据采集和控制 无线通信连接 ID 传感器 数据 MCU 低成本，超低功耗，小体积，远距离低成本，超低功耗，小体积，远距离, 地数据率地数据率 有源电子标签有源电子标签 2021-6-25-6- “当今市场上大多数电子标签，为了减少能耗，采用的 是单向向外发射信号的工作方式，而没有考虑海量标 签读写时的拥堵. 有源电子标签需要具有远距离，双向 通信的能

3、力，和处理海量标签的能力，同时具有超低 的功耗.” - from “IEEE 802.15.4f Active RFID PAR Submittal from the RFID Study Group” 2021-6-25-7- 第二章 2021-6-25 ISO-18000-4(2) ISO-18000-7(1) ISO-18000-7(2) Dash7(2) 其它: 两个套无线通信系统 2021-6-25-9- -标签周期性发射信号 -在标签和读写器都处于工作状态的重叠时段内读写器倾听标签信号 -读写过程非常长& 消耗大量能量(特别是读写标签R/W ） 2021-6-25-10- 进行一次

4、对标签的读写有时可能需要多达进行一次对标签的读写有时可能需要多达30多秒钟的时间多秒钟的时间 -4.8+30 = 34.8 s -标签在被唤醒后花费大量时间在一次又一次等待接收读写器工作安排的等待 时间上（而这种等待是一种高耗电状态 -将一个原本是随机的过程通过唤醒等待变成一个非随机统一过程，然后又将一个原本是随机的过程通过唤醒等待变成一个非随机统一过程，然后又 通过标签产生随机数的方式再变回到一个随机过程通过标签产生随机数的方式再变回到一个随机过程 -标签苏醒(随机过程)进入等待状态(非随机过程), 然后产生一个随机数在回 到随机过程 ! 仍有许多问题需要解决！ 2021-6-25-11-

5、相关信息有限（11月底将向ISO提交完整信息） 内部和外部的事件启动标签(传感器, 125khz 低频唤醒信号唤醒 内部时钟触发等,.) 增加了通信距离 ( 可能仅只是单向远距离，盘点时在大空间中需要 多个激活设备来激活?) 可连接传感器 增加到8个信道可选择 工作参数可实现空中调整 采用动态序列信号授时. 2021-6-25-12- 标签使用双硬件无线通信系统标签使用双硬件无线通信系统: UWB + 2.4 Ghz Magnetic Link + 2.4 Ghz 增加增加 了造价了造价 但大多数问题并未得到解决但大多数问题并未得到解决 2021-6-25-13- 第三章 2021-6-25

6、新一代有源电子标签承担多得多的工作 它是一种满足物联网应用的电子标签 是一个通过无线方式与PC相连接并使用 电池驱动的单片机 2021-6-25-15- 通过利用工作在不同频道的协调器连 续不间断发射信号的方式，周期性睡眠， 苏醒后监听信号一瞬间的将一个处于标签 唤醒，使其通过跳转工作频道的方式，不 需等待立即就可以在新的频道上与读写器 建立起通信的方式，免去了标签耗，加快 了标签的反应时间! 2021-6-25-16- 利用无线信号具有射频和数据信号两种特 征，通过标签苏醒后首先监听无线信号的射 频特征,并只对符合所需射频特征的无线信号 进行接收，而不是每次都准备接收完整个无 线信号数据包的

7、方式，大大降低了标签每次 睡眠苏醒后监听信号的时间, 而这个监听时间 的长短是决定有源电子标签电池寿命的最关 键因素这就像识别一件东西先从最简单外 部特征开始一样！ 2021-6-25-17- 通过在标签中根据实际应用需要预先写 入相关程序，并利用“宏”指令调用程 序的方式， 不仅减少了无线信号的空 中传输时间，而且大大增加了有源电子 标签工作的灵活性和适应性！ 2021-6-25-18- 除了维持双向联系所必须的低功耗 PSL状态，和短时间高功耗的程序运行 状态外，I-RFID标签从不浪费任何时间 等待读写器安排工作的指令，以及像 “Tag Talks First” 标签一样，在没有需 要时

8、向外发射信号！ 2021-6-25-19- 通过要求需要定位的电子标签使用不 同发射功率发射多个数据包，并分析在 不同位置的读写器接收到电子标签在使 用临界发射发射时的丢包率的情况，就 可以简单有效地来确定电子标签的位置 了。 2021-6-25-20- 数据处理 与其相连接的设备进行互动: -传感器, 开关等, - 采集储存和传输条码 &无源标签信息 -指挥控制仪器设备等,. 她就是一个电池驱动的通过无线方式与计算机连接的微型计算机！ 它几乎能够做一个微型计算机能做的I所有事情！ I-RFID 可以帮助解决可以帮助解决 ISO 在制定标准时所面临的太多非强制选在制定标准时所面临的太多非强制选

9、 择问题择问题 2021-6-25-21- R读写器先发起通信读写器先发起通信 但可以同时实现受控的 TTF 方式 超低功耗-10uA 低成本 结构非常简单 超远距离 - 几厘米到几公里可调整 按需工作 射频工作参数可空中设置 传感器数据采集和控制 高度的工作灵活性和适应性 有效快速的海量标签处理能力 高安全性和保密性 只在需要的时间和地点发射信号 精确定位和实时定位RTLS的功能 满足满足IEEE工程师对理想有源电子标签几乎所有的要求！工程师对理想有源电子标签几乎所有的要求！ 2021-6-25-22- 工作频率范围：2.4G2.4835GHz ISM 带宽: 1MHz， 调制方式: GFS

10、K， 收发转换时间: 30 s 数据率: 15.6k 1000k bps 可选 可变码片数DSSS 直序扩频 发射功率: -20dBm 10dBm (最大20dBm) 非对称双向通信 多信道协同工作结构体系 非固定时隙突发发射 支持空中程序加载 2021-6-25-23- I-RFID 具有两种基本状态具有两种基本状态: PSL -周期性的睡眠苏醒后监听信号一瞬间的状 态(低耗电状态) TW-短暂的工作状态(高耗电状态) 2021-6-25-24- 协调器协调器 读写器读写器 背靠背无间隙发射 T I-RFID PSL 状态状态 回到回到PSL 预置程序预置程序 监听信道监听信道 工作频道工作

11、频道 TW 状态状态 设备设备 2021-6-25 监听信道监听信道 监听信道监听信道监听信道监听信道 监听信道监听信道 只有RC 时钟在工作 周期性的苏醒和在监听频道上监听可能 的有效无线信号 （监听时间为100uS） 假如标签虽面周期为2秒，则标签的工作 占空比仅为 1/20000左右, 其消耗的能量 显然非常小. 2021-6-25-26- 运行预置程序: 发射 接收 数据处理 与所连接的设备互动 以上动作的组合 TW是一种高耗能状态，只持续非常短的 时间， I-RFID 避免出现在18000-7中标签被唤醒后处于长 期等待读写器下达工作指令的高耗电状态 这是 I-RFID的重要工作特征

12、 2021-6-25-27- 识别 认证 传感器数据采集和控制 实时定位 甚至 Zigbee 协议 设备控制等, . 2021-6-25-28- 一当在监听信号的瞬间检测到一个射频信号一当在监听信号的瞬间检测到一个射频信号 例如RSSI 予设值, 或者其它具有相关特征的射频信号， 或者预先定义好的唤醒信号： 继续接收信号以获取更多信息，以便对信号作出进一步判断: 如果是无效信号则立即停止接收 如果地址，密码等信息都正确，则接收完整个数据指令信号包， 并根据指令进行动作 (进入TW)。 如果是唤醒信号，则按照预先定义的动作执行(进入TW)。 假如监听瞬间没有监听到任何射频信号假如监听瞬间没有监听

13、到任何射频信号 立即回到PSL状态. 2021-6-25-29- T 继续接收完整个继续接收完整个 数据信号包数据信号包 f1 f1f1 1000 mS 监听监听 RSSI 或者其或者其 它相关特征射频信它相关特征射频信 号号100uS RSSI 予设值予设值 或存在其或存在其 它相关特征射频信号它相关特征射频信号l 第二次判断后停止接收第二次判断后停止接收 无效信号过滤无效信号过滤 2021-6-25 回到回到 PSL 状态状态 监听监听 RSSI 或者其或者其 它相关特征射频信它相关特征射频信 号号100uS 超低功耗 安全保密性高 快速响应系统指令 按需工作 通信距离动态调整 采用“宏”

14、指令减少了空中通信时间 超远通信距离 简单有效的精确定位功能 灵活多样的工作方式 高效的防碰撞处理机制 2021-6-25-31- 在在 PSL 状态：状态： I-RFID 由于工作占空比非常小，其消耗的能量很少 在在 TW 状态：状态： 对绝大多数应用来讲，I-RFID 仅仅工作非常短的时间: 每次读写一般仅仅需要几个毫秒的时间 每天工作的次数非常有限 对长距离通信的标签 即时对于位置信息需要快速更新的实时定位系统RTLS 2021-6-25-32- 假如标签睡眠苏醒周期为1秒，然后苏醒后监听10mS, 标签消耗的能 量为： RC内部时钟耗电约为 1 uA, 监听期内耗电约为 20 mA P

15、SL期间平均功耗为：20mA x 10ms /1000 + 0.001 mA = 0.201 mA 而标签真正工作时消耗的电流比起PSL期间耗电来，完全可以忽略不 计计算如下：假如100米距离的近距离标签每天工作100次, 每次工作 100 ms(约 10kb 数据量) 耗电 20mA 则标签因工作的总耗电为： 20mA x 100 ms x 100 = 200000ms mA 平均能耗为： 200000/86400/1000 = 0.0023 mA. 即使对于识别距离大于1500米 的远距离标签（在近距离标签中增加了PA和LNA),每天工作20次, 每 次工作100 ms(约 10kb 数据

16、量) 发射时工作电流 250mA ，平均能耗 仍然只有0.0046 mA。 按照标签每次苏醒后监听10mS计算，一个1000mAh的锂亚电池支持 不到200天 2021-6-25-33- I-RFID标签将每次苏醒后的监听时间缩短到0.1mS（ 100倍） 则PSL期间的I-RFID的理论耗电为3uA, 考虑其他损耗 （单片机，晶振频综稳定过程等耗电，我们可以将I- RFID标签的平均功耗考虑为 10 uA . 这样一个I-RFID 标签，使用一只1000 mhA 锂电池的电池平均寿命超 过10年。（ 1000/0.01 /24 = 4167 天 10 年。 由于I-RFID低占空比的工作特性

17、，它还可以使用地秤 本低电流的CR纽扣电池。 2021-6-25-34- I-RFID 除了在需要工作的地点，在需要工作的非常短 的时间段内发射信号外，I-RFID 不会向外发 射任何信号！（当然也就不占用无线通道的时 间） 唤醒I-RFID的唤醒信号也可以通过PN码和口 令来加以保护。 2021-6-25-35- I-RFID 由于PSL低工作占空比的特性，I-RFID可以 采用更快的睡眠苏醒周期。 因而I- RFID标签就可以在“物”与系统计 算机之间按照要求的速度，迅速建立起双向 无线通信联系！ 2021-6-25-36- 读写器读写器 协调器协调器传感器传感器 f2 T I-RFID

18、f1 f1f1 PSL 状态状态 回到回到 PSL f1 预置程序预置程序 f1 事件驱动事件驱动 设备设备 事件事件 驱动驱动 2021-6-25 I-RFID I- RFID标签的发射功率和接收灵敏度都可以 通过空中指令进行调整，因而也就调整了通 信距离。 由于I-RFID标签的通信距离可以灵活调整， 因而I-RFID 可以在同一个应用中，通过调整 自己的通信范围来适用于不同的工作场合和 环境（室内/室外/开阔空间/存在障碍物空间） 2021-6-25-38- 通过使用“宏”代号的程序调用命令和相关参数 赋值，大大减少了信号空中传输的时间。 通过预先定义标签动作内容的方式，一个非常简 单的

19、信号，例如就可以标称一个超过预先设定值 的RSSI, ACK, preamble, 或者一个传感器触发等 等就可以代表一个发给I-RFID标签的动作指令， 这同样也减少了信号空中传输的时间。 2021-6-25-39- 对绝大多数实际应用来讲，标签工作 的次数和时间都非常有限，（例如远距离 船只识别等），而短时间内的大功率信号 发射对I-RFID标签的电池寿命并没有什麽 影响 ！ 2021-6-25-40- 接收到精确定位的指令信号后，I-RFID标签将 使用大小不同的发射功率，连续发射多组信号 包。 位于不同位置的读写器，通过简单分析所接收 到的信号包的发射功率以及丢包率与距离之间 的关系，

20、就可以计算出标签的位置，即使在比 较复杂的环境条件下。 由于I-RFID每次读写所耗费的电能都非常少， 因而 I-RFID 还可以同时承担RTLS的功能。 2021-6-25-41- 一个简单的指令，I-RFID 标签就可以在一段 需要的工作时间内，转变为受控的标签先发 射信号的模式，以适用于RTLS ，传感器顶 式数据采集，以及监控数据超标报警等应用 的需要。 即使处于标签先发起通信的 TTF 工作模式, I- RFID 标签的、工作参数，包括发射间隔时间， 发射功率，总工作时间等，.都可以通过读 写器指令进行动态调整。 2021-6-25-42- 通过频分方式通过频分方式 通过发射一个频分

21、广播指令，I-RFID 标签将 会按照指令的要求，根据自身ID号末尾数字 的特征自动跳转到不同的频道上与工作在新 频道上的读写器进行通信。这样将标签分配 在不同的频道上进行工作，实际应用需要多 少读写器也就可以将标签分成多少个组。 2021-6-25-43- f1 频道频道3 T f2 f1 f3 奇数奇数ID标签标签 背靠背无背靠背无 间隙发射间隙发射 频道频道 2 频道频道1 读写器读写器 2 （频分方式）（频分方式） 读写器读写器 1 协调器协调器 2021-6-25 偶数偶数ID标签标签 通过时分通过时分 同样的方式,通过发射一个时分广播指令， I-RFID 标签将会按照指令的时间安排

22、，根 据自身ID号末尾数字的特征，或者通过随 机延时的方式工作在不同的时间段内。 2021-6-25-45- 单位延时发射单位延时发射 读写器读写器 无延时发射无延时发射 I-RFID B I-RFID A f1 f2 T f2 f1 f2 t1 f2 t = f (ID) 2021-6-25 标签在发射自身ID后，将监听接收来自读写器回 执一段短的时间，如果接收到读写器已经成功接 收到标签ID的回执（带ID的ACK) 标签将立即进 入 PSL 状态。 假如标签在发射自身ID后，如果在监听回执一段 短的时间内没有接收到ACK，标签将根据自身末 尾ID 数字或一个随机数进行延时发射。 2021-

23、6-25-47- I-RFID f1 f1 读写器读写器 f2 T f2 f2 一当接收到指令一当接收到指令 标签立即发射标签立即发射 接收到接收到ACK立立 即停止发射即停止发射 苏醒后监听苏醒后监听 f2 f2 f2 f2 假如没有接收到假如没有接收到ACK则根则根 据据ID或随机数延时再发射或随机数延时再发射 ACK 协调器协调器 背靠背无背靠背无 间隙发射间隙发射 f2 2021-6-25 整个过程与前述“ 标签在唤醒频道被唤醒之后，立即跳转到读写器工 作上监听RSSI, 如果信道没被占用则立即发射自身 ID，发射后，将继续监听来自读写器成功接收到ID 的回执。如果收到ACK,则立即进

24、入PSL状态。如果 信道被占用或没有接收到否则ACK, 则采用前述的 方式延时监听和发射 2021-6-25-49- I-RFID 具有具有4个基本状态个基本状态 掉电状态 睡眠状态 运行程序状态 在唤醒频道上监听指令信号的状态 参见请柬状态机图 2021-6-25-50- 睡眠 （只用内部时钟运行） 在唤醒频道上监听 晶振和频综运行 断电 运行程序 接收，发射，与传感器交互等 协调器指令 程序结束 无效信号 外部激活 内部时钟或外部激活. 内部时钟激活 程序指令 状态机 协调器指令 外部激活外部激活 “标签先发起通信存在许多局限标签先发起通信存在许多局限”： 耗电（随时需要发射） 工作效率低

25、每读一次标签都非常费时 不具备海量标签处理能力 射频信号污染并干扰自身通信 通信距离有限 缺乏工作灵活性 相应时间长 信号裸露安全性差 不能兼顾实时定位 等,. 2021-6-25-52- 局限于局限于 : 每次对标签的读写费时费电 (禁止使用与仓库盘点应用） 工作灵活性和适应性差 工作效率低 单个通信频道（共存性差） 响应速度慢 射频信号无保护 不能兼顾实时定位RTLS功能 2021-6-25-53- 标签在一每次标签在一每次ID采集的整个过程中都必须处于等待接收的高耗电状态，知道读采集的整个过程中都必须处于等待接收的高耗电状态，知道读 写器完成与自己的通信，这个高耗电状态队友的标签可能需要

26、维持写器完成与自己的通信，这个高耗电状态队友的标签可能需要维持30多秒钟多秒钟 唤醒并等待唤醒并等待 继续等待安排的时隙继续等待安排的时隙继续等待安排的时隙继续等待安排的时隙 在第一阶段发生碰撞的在第一阶段发生碰撞的 标签必须等到新一轮采标签必须等到新一轮采 集时才能再发一次集时才能再发一次 在第二阶段发生碰撞的在第二阶段发生碰撞的 标签必须等到第三轮采标签必须等到第三轮采 集时才能再发一次集时才能再发一次 唤醒期间无信号发射唤醒期间无信号发射 假如第一采集期假如第一采集期 N=100 则初始窗口将需要则初始窗口将需要6秒秒 钟的时间，加上钟的时间，加上 UDB 读取时间和之后的第读取时间和之后的第2， 第第3，采集期时间，每次