电子标签国际标准

交互式智能电子标签（I-RFID）

&

有源电子标签国际标准提交给ISO电子标签国际大会专家组技术方案发言稿（中文版）（2010年9月法国图卢兹）

廖应成博士中国电子标签标准化工作组市场需求第一章2024/3/28-2-基本要求低成本的识别功能较远的距离>1m低功耗更多的数据空间2024/3/28-3-市场实际需要多得多长的电池寿命 (

〉5年)低成本

更长的距离 (1–2km)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2024/3/28-4-这就是物联网的需要)2024/3/28-5-你是谁？识别和认证你在哪里？定位你的情况怎样？传感器数据采集和传输请执行xx指令！

下达工作指令（双向传输）物联网&I-RFID

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,地数据率有源电子标签2024/3/28-6-有源电子标签的现状“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，双向通信的能力，和处理海量标签的能力，同时具有超低的功耗.”

“但到目前为止还没有一个国际标准能够满足这些需要。”

----from

“IEEE802.15.4fActiveRFIDPARSubmittalfromtheRFIDStudyGroup”

2024/3/28-7-工程师们所作的努力第二章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:两个套无线通信系统2024/3/28-9-ISO18000-4(2)标签先发起通信(TTF)标签和读写器都采用间隙性工作方式---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三种类型标签(读和写R/W,只读R/O,高速读R/Ohighspeed) ---读写过程非常长&消耗大量能量(特别是读写标签R/W）

TDD/TDM—时隙分配模式

采用将重复发射时间随机化的方式来避免碰撞功耗大-时间长-安全性差-灵活性差—距离有限，无海量标签处理能力，…..2024/3/28-10-ISO18000-7(1)读写器先发起通信需要2.45-4.8S时间唤醒WP+N*CP[SC+SP+LP(TS)+AP]每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 --4.8+30=34.8s

--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做了许多无用功! --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

--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！2024/3/28-11-ISO-18000-7(2)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…….尚无法加以评论2024/3/28-12-其它努力标签使用双硬件无线通信系统:

UWB+2.4Ghz MagneticLink+2.4Ghz………

增加

了造价

但大多数问题并未得到解决2024/3/28-13-I-RFID–我们的努力第三章2024/3/28-14-什麽是I-RFID?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

2024/3/28-15-主要特征之一

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!2024/3/28-16-主要特征之二

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！2024/3/28-17-主要特征之三

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！2024/3/28-18-主要特征之四

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“TagTalksFirst”标签一样，在没有需要时向外发射信号！2024/3/28-19-主要特征之五

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。2024/3/28-20-I-RFID能做什麽?

除了读写外，它可以承担更多的工作: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ISO在制定标准时所面临的太多非强制选择问题2024/3/28-21-基本性能R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IEEE工程师对理想有源电子标签几乎所有的要求！2024/3/28-22-满足I-RFID要求的射频工作参数工作频率范围：2.4G～2.4835GHz

ISM带宽:1MHz，调制方式:GFSK，收发转换时间:30µs

数据率:

15.6k–1000kbps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2024/3/28-23-I-RFID如何工作的?I-RFID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)2024/3/28-24-协调器读写器背靠背无间隙发射TI-RFIDPSL状态回到PSL预置程序监听信道工作频道TW状态设备2024/3/28-25-I-RFID工作图示监听信道监听信道监听信道监听信道PSL状态只有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.2024/3/28-26-TW状态运行预置程序: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

2024/3/28-27-预置程序I-RFID根据不同应用的实际需要，可以预先在标签写入相应的应用程序中:

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,….2024/3/28-28-I-RFID如何进入TW工作状态

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…立即回到PSL状态.2024/3/28-29-T继续接收完整个数据信号包f1f1f11000mS监听RSSI或者其它相关特征射频信号100uSRSSI<予设值或无其他有效射频信号RSSI>予设值或存在其它相关特征射频信号l第二次判断后停止接收无效信号过滤2024/3/28-30-回到PSL状态I-RFID如何减少监听时间监听RSSI或者其它相关特征射频信号100uSI-RFID的优势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”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2024/3/28-31-超低功耗在PSL状态：

I-RFID由于工作占空比非常小，其消耗的能量很少在TW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

2024/3/28-32-标签的能耗计算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1uA,监听期内耗电约为20mAPSL期间平均功耗为：20mAx10ms/1000+0.001mA=0.201mA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100ms(约10kb数据量)耗电20mA则标签因工作的总耗电为：20mAx100msx100=200000msmA

平均能耗为：200000/86400/1000=0.0023mA.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100ms(约10kb数据量)发射时工作电流250mA，平均能耗仍然只有0.0046mA。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2024/3/28-33-标签的能耗计算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10uA.这样一个I-RFID标签，使用一只1000mhA

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，它还可以使用地秤本低电流的CR纽扣电池。2024/3/28-34-高安全性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。

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！2024/3/28-36-快速响应的能力读写器协调器按需工作的特征传感器f2TI-RFIDf1f1f1PSL状态回到PSLf1预置程序f1事件驱动设备事件驱动2024/3/28-37-通信距离可调整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）2024/3/28-38-简洁的空中信号指令通过使用“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。

2024/3/28-39-超远距离

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

！

2024/3/28-40-精确定位和RTLS的能力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，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。2024/3/28-41-标签也可先发起通信一个简单的指令，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。2024/3/28-42-防碰撞机制

（处理海量标签）通过频分方式

通过发射一个频分广播指令，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。2024/3/28-43-f1频道3Tf2f1f3奇数ID标签背靠背无间隙发射频道2频道1读写器2防碰撞机制（频分方式）

读写器1协调器2024/3/28-44-防碰撞机制偶数ID标签通过时分

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，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。2024/3/28-45-防碰撞机制

（时分）单位延时发射读写器无延时发射I-RFIDBI-RFIDAf1f2Tf2f1f2△t1f2△t=f(ID)

2024/3/28-46-防碰撞机制

（时分图示）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。2024/3/28-47-防碰撞机制

（通过ACK判断和避免碰撞）I-RFIDf1f1读写器f2Tf2f2一当接收到指令标签立即发射接收到ACK立即停止发射

苏醒后监听f2f2f2f2假如没有接收到ACK则根据ID或随机数延时再发射ACK协调器背靠背无间隙发射f22024/3/28-48-防碰撞机制

（通过ACK判断和避免碰撞图示）整个过程与前述“通过ACK判断和避免碰撞”的方式类似，只不过在发射前需要先监听，以减少信号的实际碰撞。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2024/3/28-49-防碰撞机制

（通过先监听RSSI并结合ACK来避免碰撞）标签状态机I-RFID具有4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2024/3/28-50-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与ISO-18000-4(2)国际标准比较“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—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,…….2024/3/28-52-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2024/3/28-53-与ISO-18000-7(1)国际标准比较标签在一每次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多秒钟唤醒并等待继续等待安排的时隙继续等待安排的时隙在第