RFID技术标准与通信协议解读ppt课件.ppt
1,RFID技術標準與通訊協定,2,教學目標,介紹目前主要幾個制定RFID標準的組織，瞭解其組織所制定的標準內容主要標準規格其規範的項目以及所應用的領域這些標準規格下，讀取器與標籤之間的通訊方式、錯誤偵測與防碰撞的方法,3,大綱,RFID的標準規範EPCglobal標準介紹標籤的分類標籤與讀取器間之通訊協定ISO標準介紹動物識別標準非接觸式智慧卡標準,品項管理標準其他應用所使用的標準ISO與EPCglobal標準的比較其他推動標準的組織uID中國AIM GlobalANSIAIAGIPICO小結,4,RFID的標準規範,5,RFID的標準規範,目前國際上提出RFID標準的主要組織EPCglobal標準化國際組織 (International Organization for Standardization; ISO)Ubiquitous ID (uID)目前國際上提出RFID標準的其他組織中國自動識別和行動技術協會 (Association for Automatic Identification and Mobility; AIM)美國國家標準學會 (American National Standards Institute; ANSI)美國汽車工業行動集團 (Automotive Industry Action Group; AIAG)IPICO,6,EPCglobal,7,標準介紹,產品電子碼 (Electronic Product Code; EPC)1999年麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology) 成立Auto-ID中心 (Auto-ID Center)發展產品電子碼與相關的技術來用於全球供應鏈中，以進行產品的識別與追蹤2003年統一編碼協會 (Uniform Code Council; UCC) 與歐洲商品條碼協會 (European Article Number; EAN) 所成立的非營利組織接替Auto-ID中心的工作，負責產品電子碼的研發與管理，目標是將產品電子碼發展成全球通用標準產品電子碼的註冊管理與維護產品電子碼的編碼及網路EPCglobal系統是一種基於EAN/UCC編碼的系統採用的公司：零售巨頭渥爾瑪 (Wal-Mart)、嬌生 (Johnson & Johnson)、寶僑 (P&G)、特易購 (Tesco) 等,8,EPCglobal所制定的標準,9,已發布的EPCglobal標準,10,已發布的EPCglobal標準（續）,11,標籤的分類,12,標籤的分類（續）,13,標籤的分類（續）,14,標籤與讀取器間之通訊協定,UHF Class 1 Gen1在Auto-ID中心時期所制定包括Class 0和Class 1UHF Class 1 Gen2由加入EPCglobal組織的主要公司於2004年12月合作開發完成推動新的RFID硬體產品開發之標準介面和協議的一項基礎要素於2006年6月被ISO組織批准併入了ISO/IEC18000-6c標準裡，使得全球UHF RFID技術發展得到規範在頻率的部分是涵蓋到各個國家的範圍渥爾瑪於2006年9月正式開始用Gen2標籤替代Gen1標籤,標籤與讀取器間之通訊協定（續）,UHF Class 1 Gen2的優點標籤的訊息儲存量增大準確性提高存取控制機制的增加內建較多的功能讀取與寫入速度的提升可因應環境的需求，彈性的調整讀取速度符合全球許多條例的要求在供應鏈提供準確與具成本效益的訊息可見度企業間可以共享貨物在供應鏈中傳輸的相關資訊,15,16,標籤與讀取器間之通訊協定（續）,又稱為標籤協定 (Tag Protocol)Physical Layer (實體層)：資料的調變與傳輸雙邊帶幅移鍵控 (Double-sideband Amplitude Shift Keying, DSB-ASK)單邊帶幅移鍵控 (Single-sideband Amplitude Shift Keying, SSB-ASK)反相幅移鍵控 (Phase-reversal Amplitude Shift Keying, PR-ASK),標籤與讀取器間之通訊協定（續）,Tag-identification Layer（標籤識別層）：對標籤下達的命令三個基本的操作選取 (Select)：選擇一定類別與範圍的標籤進行盤點與存取的動作盤點 (Inventory)：識別標籤存取 (Access)：針對個別的標籤進行存取的動作,17,讀取器的操作方式與標籤的狀態,18,讀取器操作的指令,19,讀取器操作的指令（續）,20,標籤的狀態,21,標籤的狀態圖,22,標籤與讀取器間之通訊協定（續）,防碰撞機制對標籤進行搜尋來得知標籤的所在若兩者以上同時傳送資料，電波就會發生干擾必須讓標籤能夠個別的進行回應,23,標籤與讀取器間之通訊協定（續）,UHF Class 1 Gen1防碰撞：Binary Tree演算法 / Tree Walking二元搜尋樹對標籤進行分群錯誤偵測對讀取進行CRC-16,24,標籤與讀取器間之通訊協定（續）,UHF Class 1 Gen2防碰撞：Query Tree Protocol (“Q” Protocol)類似Slotted Aloha演算法在讀取器與標籤之間運用查詢與確認的指令錯誤偵測對讀取與寫入進行CRC-16,25,標籤與讀取器間之通訊協定（續）,UHF Class 1 Gen2防碰撞之步驟查詢會包含一個時槽數的參數 ”Q”標籤會從(0, 2Q -1)之間選擇一個數放入時槽若標籤選取到零就會回應讀取器該標籤回應一個16位元的亂數讀取器發送一個包含此亂數的ACK該標籤回應讀取器相關資料選取到不是零的標籤就會進入調停的狀態等待讀取器發送調節查詢或重複查詢的指令,26,27,UHF Class 1 Gen1 vs. UHF Class 1 Gen2,28,ISO,29,標準介紹,動物識別標準：ISO 11784、ISO 11785和ISO 14223 非接觸式智慧卡標準：ISO 10536、ISO 14443和ISO 15693品項管理 (ItemManagement) 標準：ISO 18000、ISO 24710其他相關的標準,動物識別標準,ISO 11784：定義64位元識別碼之編碼結構 (Code Structure)位元1：設定此標籤的用途1：用於動物識別0：是其它的用途位元215：保留碼這14個位元是保留給將來的應用來使用,30,動物識別標準（續）,位元16：額外的資料1：傳送完識別碼後是否有額外的資料要被傳送位元1726：國碼設定哪一個國家在使用依據ISO 3166所編製的國碼位元2764：識別碼由各國自行定義如何對動物註冊做一個識別碼例如動物的種類、飼養者與飼養地區等資訊,31,32,動物識別標準（續）,ISO 11785：定義了讀取器與標籤間的資料傳輸方式全雙工 (Full Duplex, FDX)半雙工 (Half Duplex, HDX)序列式 (Sequential, SEQ),動物識別標準（續）,ISO 11785：定義技術概念 (Technical Concept)標籤可設計成適合動物的各種形式如玻璃管狀、耳標或項圈等可分為皮下植入式晶片與耳標式晶片植入式晶片主要用於寵物追蹤玻璃管造型的標籤長度在二毫米到數十毫米注射在動物的脂肪組織內飛利浦所生產的HITAG 2 和 HITAG S EM Microelectronic公司所推出的晶片,33,34,動物識別標準（續）,ISO 14223：規範進階的標籤 (Advanced Transponders)規範使用於動物身上之RFID標籤的標準 為ISO 11784/11785的延伸能直接讀取動物的資料而不需透過資料庫，例如可以讓接種資料直接儲存在標籤上 包含三個部分第一部分：空中介面，定義連接到讀寫裝置硬體的主要介面參數，如程式類型與調變類型 第二部分：編碼與命令的結構第三部分：應用,35,非接觸式智慧卡標準,非接觸式智慧卡 (Contactless Smart Card)ISO 10536：近耦合卡 (Close Coupling Card)ISO 14443：近傍型卡 (Proximity Card)ISO 15693：近距型卡 (Vicinity Card)ISO 18092、ISO 21481：近場通訊 (Near Field Communication, NFC)涵蓋項目智慧卡的特性與測試方法訊號調變的結構和射頻的介面資料的處理初始化的動作、傳輸協定與防碰撞機制與資料結構,36,非接觸式智慧卡標準（續）,ISO 10536此標準主要發展於1992到1995年間特性允許標籤與讀取器之間在兩公分內使用電容耦合或感應耦合進行資料的存取缺點智慧卡成本高與接觸式IC卡相比優點很少存在共鳴或無線電干擾的問題ISO 14443與ISO 15693擁有更進階的技術業者較少以此標準來開發產品,37,非接觸式智慧卡標準（續）,ISO 14443定義了四個部分智慧卡的實際特性射頻功率與訊號介面初始化與防碰撞協定讀取器和智慧卡之間的傳輸協定對非接觸式近傍型智慧卡 (Contactless Proximity Smart Cards) 與讀取器之間進行規範通訊標準與傳輸協定感應耦合功率傳輸的特性,38,非接觸式智慧卡標準（續）,ISO 14443智慧卡的特性表面可進行印刷尺寸大小長8.56公分，寬5.4公分，厚0.076公分可抗應力、防紫外線與X光ISO 14443智慧卡的缺點易受周遭磁場的影響,非接觸式智慧卡標準（續）,ISO 14443設定了一個半雙工區塊傳輸協定以定義資料如何交換此協定可提供相容產品間的互通性依調變、編碼，以及防碰撞機制之差異分為兩種ISO 14443A：Philips、Siemens和Hitachi ISO 14443B：Motorola與NEC相同點兩者的通信速率都是106Kbaud13.56MHz7KHz的操作頻率感應距離為010cm,39,40,非接觸式智慧卡標準（續）,ISO 14443射頻功率和訊號介面之特定術語ASK：幅移鍵控 (Amplitude-Shift Keying)BPSK：二階相移鍵控 (Binary Phase-Shift Keying)NRZ：不歸零編碼 (Non-Return to Zero)，一種訊號之編碼方式,讀取器傳送資料給智慧卡時兩者的特性,41,智慧卡傳送資料給讀取器時兩者的特性,42,非接觸式智慧卡標準（續）,符合ISO 14443A：Phillips所推出的Mifare卡國內悠遊卡具有較高的安全性三次來回驗證 (3Pass Authentication) 的非接觸式智慧卡Mifare ProX甚至還具有3DES演算法具有多個獨立的儲存區與金鑰可安全地存取多種互相獨立的資料適合做為整合不同功能的多用途卡,43,非接觸式智慧卡標準（續）,Mifare 1 S50的電子抹除式唯讀記憶體 (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM)1 Kbyte的容量16個磁區 (Sector)每一個磁區是4個磁塊 (Block)4個磁塊的最後一欄為控制欄 (Sector Trailer),44,Mifare 1 S50之記憶體結構,45,非接觸式智慧卡標準（續）,磁塊的功能類型廠商識別碼 (Manufacture Code)存於磁塊00：磁區00的第一個磁塊磁塊00特性唯讀發卡的廠商在卡片製造完成時載入記錄每一張卡片的識別碼（卡號）與特定資料序號的長度是32位元如晶片類型、製造日期等,46,非接觸式智慧卡標準（續）,資料區塊 (Data Block)每一個磁區的前三個磁塊除了磁塊 00應用一：儲存一般的資料可儲存中、英文及數字對數值作加、減時需先讀取再寫入文字資料可直接覆蓋應用二：存放數值資料 (Value Block)只能儲存數值Mifare卡內建加值和減值兩個指令可直接對數值區塊作加、減而不必將原數值讀出,47,非接觸式智慧卡標準（續）,控制欄 (Sector Trailer)每一個磁區的最後一個磁塊功能儲存每一個磁區的金鑰Key A與Key B控制磁區讀寫性質Key A與Key B 使用方式的存取條件 (Access Bits),48,非接觸式智慧卡標準（續）,Mifare卡和讀取器之間通訊的步驟詢卡 (Request Standard /All)讀取器用來確認是否有卡片進入感應範圍當卡片進入時，讀取器會傳送控制資料給卡片卡片會回傳卡片型態、通訊協定與通訊速率等資防碰撞機制 (Anti-collison Loop Get Serial Number)選卡 (Select Card)依據被選中的卡片之卡號來選擇卡片驗證 (3Pass Authentication Sector Specific)Mifare卡和讀取器必須進行三次來回驗證其合法性之後，才能作後續的讀寫操作,49,Mifare卡和讀取器之間的通訊流程,50,非接觸式智慧卡標準（續）,對Mifare卡進行的操作讀 (Read Block)：從磁塊中讀取資料寫 (Write Block)：寫入資料到磁塊減值 (Decrement)：對數值區塊進行減值操作加值 (Increment)：對數值區塊進行加值操作儲存 (Restore)：將磁塊中的內容儲存至讀卡機暫存器中傳輸 (Transfer)：將讀取器暫存器中的資料寫入到卡片的磁塊中止 (Halt)：將MIifare切換至暫停工作的狀態,51,52,非接觸式智慧卡標準（續）,ISO 14443A與ISO 14443B的比較兩者用途相似ISO 14443B比ISO 14443A有更多好處調變的深 (Modulation Depth) 只有10%與一般微型處器的基準一樣溝通速高達847 KHz溝通碼無專問題傳輸能量不中斷速率更高抗干擾能力更強,非接觸式智慧卡標準（續）,ISO 15693智慧卡的特性尺寸大小長8.56公分，寬5.4公分，厚0.076公分操作頻率13.56MHz7KHz讀取距離：1.5公尺防碰撞唯一識別碼和應用系列產品識別碼 (Application Family Identifier; AFI)應用門禁卡,53,讀取器傳送資料給智慧卡時的特性,54,智慧卡傳送資料給讀取器時的特性,55,56,ISO 14443與ISO 15693比較,相同點13.56MHz的操作頻率使用者資訊可儲存在智慧卡的微晶片內並可隨時更新讓業者可處理的安全功能，雖然目前並沒有一個標準的安全設定方式，但可使用常用的資料加密標準支援智慧卡與讀取器之間的驗證功能可以讓代理商發展讀取器額外的安全能力，像是生物特徵 (Biometric) 讀取機為了易於安裝系統，讀取器會提供不同的連結介面，包括一個與125KHz系統相容的Wiegand連結器或具有讀/寫能力的RS-232介面,57,ISO 14443與ISO 15693比較（續）,相同點（續）支援多個讀取器混合使用允許單一讀取器具有多重的技術操作已安裝票卡系統的使用者可存取智慧卡序號或使用舊卡中已被定義資料格式的現有資訊達成新舊系統的共存與相容在不放棄舊有存取系統的情況下轉移來使用非接觸式智慧卡差異兩者主要差異在於讀取距離、資料傳輸速率以及技術應用之擴展性和成熟度,ISO 14443與ISO 15693比較（續）,58,59,非接觸式智慧卡標準（續）,近場通訊 (Near Field Communication, NFC)NFC的開發和推廣是由NFC Forum所負責，此論壇在2004年由Philips、Sony與Nokia所發起，在2008年前NFC Forum已經有100多名會員ISO 18092：規定通訊介面的調變、編碼、傳輸速度和訊框格式，也定義了傳輸協定資料交換標準ISO 21481：提供NFC通訊模式的選擇機制，可根據不同的標準請求提供實做的方式能與其他非接觸式智慧卡ISO 14443、ISO 15693、Mifare和Sony的Felica進行通訊,非接觸式智慧卡標準（續）,NFC特性NFC定位在短距離的無線通訊，通訊範圍在10公分以內，頻率定在不容易被干擾的13.56MHz傳輸速度則可自動選擇每秒106 Kbit、212 Kbit或是424 Kbit調變方式是採用幅移鍵控 (Amplitude Shift Keying, ASK) 和射頻碰撞避免法 (RF Collision Avoidance, RFCA)編碼是使用曼徹斯特碼 (Manchester Code)用CRC演算法去進行偵錯,非接觸式智慧卡標準（續）,依據電力來源，NFC可分為主動模式和被動模式主動模式被動模式,非接觸式智慧卡標準（續）,NFC運作模式點對點模式：通訊裝置雙方皆具備NFC功能，透過無線方式進行資料交換讀取器模式：NFC裝置作為讀取器去讀寫非接觸式智慧卡上的資料；例如：具備NFC功能的手機只要在具備智慧標籤的動態海報上刷一下，就可以下載到相關的桌布和鈴聲卡片模式：NFC裝置作為被讀取的資料，提供資訊給讀寫器讀寫；例如：具備NFC晶片的手錶可以作為電子票證，在販賣機或是停車場入口處刷一下即可付款,63,品項管理標準,ISO 18000：屬於品項管理之標準，主要運用於供應鏈的管理物流系統無線通信技術的首項國際標準RFID標籤與讀取器間的溝通標準範圍廣，包含六部分，涵蓋了不同的頻寬如：Part 3涵蓋HF (13.56MHz)，Part 6涵蓋UHF涵蓋所有類別的標籤，應用範圍廣如：唯讀、可讀寫、一寫多讀,64,品項管理標準（續）,18000-1全球可接受頻率的Air Interface Communication (AIC) 參數18000-2135KHz以下之AIC參數短距離的讀取範圍18000-313.56MHz之AIC參數適合中型範圍，如貨架和倉箱18000-42.45GHz之AIC參數長距離的讀取範圍18000-5原本規定了5.8GHZ之AIC參數，但在2003年1月成為否決之計畫書，不會成為國際標準18000-6860960MHz之AIC參數18000-7433MHz之AIC參數,65,品項管理標準（續）,ISO 18000-6其規範之頻率860960MHz為物流管理 (Logistics Management) 之最佳選擇，已成為國際供應鏈 RFID應用技術的重要標準由整合一些現有之RFID廠商產品規格、EAN.UCC所提出的Global Tag (GTAG) 架構及有意參與人士之意見而訂出之規範以可在世界上任何地方被使用為出發點，經整合後，現在全球主要五個大廠所生產的產品皆有相容性其標籤規格亦符合EPC的編碼架構，但ISO 18000-6標籤較EPC系統有更多的應用範圍,66,品項管理標準（續）,ISO 24710 符合18000系列的空中溝通介面規範 功能較為基本建議標籤容量為64到256位元,67,ISO標準總覽,68,其它應用所使用的標準,為一些獨特的品項，所規範的各式物容器或包裝別ISO 17358應用需求，包含階層式資對應 (Hierarchical Data Mapping)ISO 17363貨物容器（棧板等）專用ISO 17364可回收再用運輸品項專用ISO 17365運輸系統專用ISO 17366產品包裝專用ISO 17367美國國防部 (DoD) 專用產品標籤ISO 10374-2RFID專用貨物容器別專用ISO 15961：規範應用系統介面之相關資訊ISO 15962：規範資料編碼原則,69,ISO與EPCglobal標準的比較,70,其他推動標準的組織,71,其他推動標準的組織,uID中國AIM Global ANSIAIAGIPICO,72,uID,T-引擎壇 (T-Engine Forum)主導日本RFID標準研究與應用的組織成員有NEC、日、東芝等2002年成立uID中心日本Ubiquitous ID Center（uID中心）Unique Ubiquitous Identification Code (ucode)以東京大學阪村健教授率領的TRON專案為中心與日本的廠商如日立製造所、NEC、大日本印刷等共同成立,uID（續）,Ucode的優點能包容現有編碼體系的原編碼設計Japanese Article Number Code (JAN Code)通用產品代碼 (Universal Product Code, UPC)國際標準書號 (International Standard Book Number, ISBN)IPv6地址電話號碼資料長度標準為128位元視需求可擴展至256、384或512位元等長度主要採用的頻段：2.45GHz與13.56MHz,73,74,uID（續）,00-11這12位元是存放識別碼12-63這52位元是存放JAN code64-127這64位元是存放唯一識別碼 (Unique ID)JAN code用來識別產品的類別唯一識別碼針對相同的產品用來作為識別的編號,75,uID（續）,將標籤分為9級Class0：光學ID標籤如條碼，讓原本的條碼改用UID的新編碼法Class1：低階RFID標籤 (Low Level RFID Tag)唯讀用的被動式標籤，在出廠時植入編碼，不可變更Class2：高階RFID標籤 (High Level RFID Tag)可供讀寫的被動式標籤Class3：低階智慧標籤 (Low Level Smart Tag)被動式的標籤，具備專有的金鑰可供加密Class4：高階智慧標籤 (High Level Smart Tag)被動式的標籤，具有通用的金鑰可供加密,76,uID（續）,Class5：低階主動式標籤內建電池與發電裝置，可自行傳送資訊Class6：高階主動式標籤內建電池與發電裝置，可自行傳送資訊，可提供加密傳輸Class7：加密盒裝 (Security Box)低階資訊防護儲存箱可儲存大容量資料的伺服器具備有線通訊的功能以及防竄改的功能支援eTRON規格的安全處理Class8：加密伺服器 (Security Server)高階資訊防護儲存箱除了Class7的功能外，還具有安全驗證的能力,中國,國家標準化管理委員會 (Standardization Administration of the Peoples Republic of China, SAC)2004年初成立電子標籤國家標準工作组負責制定中國有關電子標籤的國家標準2004年底終止資訊產業部科技司2005年成立無線射頻識別技術標準工作組無線射頻相關標準的研究2006年時發表了中國射頻識別(RFID)技術政策白皮書ISO 15693與ISO 18000,77,中國（續）,2007年關於發佈800/900MHz頻段射頻識別(RFID)技術應用試行規定的通知840MHz845MHz和920MHz925MHz為800/900MHz頻段RFID技術的具體使用頻率編碼國家產品代碼 (National Product Code, NPC)2004年提出，但之後遭受終止基於國家產品代碼的DPC資訊產業部科技司的十進位網路標準工作組提出標準法案DPC與商聯網白皮書由DNPC 與 DEPC 兩部分所組成,78,中國（續）,近年來的發展在13.56MHz的發展較為成熟開發出符合ISO 14443A、ISO 14443B與ISO 15693的晶片中國在RFID技術的應用如鐵路車號識別、身分證和票證管理、動物識別、特種設備與危險品管理、公共交通以及生產過程管理等,79,80,AIM Global,AIDC (Automatic Identification and Data Capture) 組織原本是制定通行全球的條碼標準AIDC另外成立了自動識別和行動技術協會 (AIM Global) 來進行RFID標準的推行,81,ANSI,美國國家標準學會 (American National Standards Institute) ANS INCITS 256-2001規定設備間的相容性，定義RFID標籤和讀取器間軟體的通用應用程式界面 (API)ANS INCITS 371即時定位系統第一部分：2.4GHz空中介面協定第二部分：433MHz空中介面協定第三部分：應用程式介面ANS MH10.8.4用於可回收的集裝箱 (Plastic Container) 識別，建立在ISO基礎上，ISO 17364,82,AIAG,美國汽車工業行動集團 (Automotive Industry Action Group)1982年由克萊斯勒、福特和通用汽車三大汽車公司共同成立之非營利組織提出工業標準並為汽車工業提供指導方針降低汽車供應鏈的成本與複雜性，來改善產品的品質與上市的速度等AIAG B-11以RFID技術為基礎的輪胎及鋼圈識別標準提供了汽車輪胎的大小與形式等資訊規範了應用在單一品項，並可通用全球的RFID標準在2004年時與EPCglobal合作標籤的資料符合EPCglobal所定義的資料儲存格式存放零售相關的資料,83,IPICO,IPICO公司提出RFID空中介面協定：IP-XIP-X標籤可以使用多種頻段868928MHz、2.4GHz和125KHz讀取步驟進入讀取器射頻區域標籤將其攜帶的ID碼以連續但隨機間隔的方式傳輸出去以保證讀取器可以同時讀取多個標籤的資料不同於EPCglobal和ISO18000-6標準是由讀取器先發起與標籤的對話,84,小結,85,小結,標準的制定加速了RFID的推廣目前RFID標準的主流仍以EPCglobal、ISO與日本的uID為主中國也正大力推動RFID在國內的應用，也希望能制定自己的標準未來RFID標準會朝向開放以及互通發展,86,參考資料,AIAG, http:/www.aiag.org/scriptcontent/index.cfmAlien Technology, “EPCglobal Class 1 Gen 2 RFID Specification,” http:/ , 2005.EPCglobal, “UHF Class 1 Gen 2 Standard v. 1.1.0 ,“http:/www.epcglobalinc.org/standards/uhfc1g2/uhfc1g2_1_10- standard-20071017.pdf, 2005.IPICO, http:/ 2007.RFID Journal, http:/ 2007.RFID Journal, “A Summary of RFID Standards,” http:/ Center, http:/www.uidcenter.org/index-en.html, 2007. 李宗江，RFID手冊無線智慧卡與識別卡之基礎與應用，全華科技，2007年。陳宏宇，RFID系統入門無線射頻辨識系統，松崗出版社，2004年。GS1 Taiwan，2007RFID國際標準推動論壇報導，http:/www.gs1tw.org/twct/gs1w/pubfile/2007-12-p49-51.pdf 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