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作者:甘凱文(2006-07-24);推薦:徐業良(2006-07-24)

RFID原理與系統介紹

本文首先對「無線射頻辨識(Radio Frequency Identification, RFID)」系統的組成、操作原理、以及相關標準做概念性介紹,接著並介紹幾款市售被動式與主動式RFID系統,討論如何以分散式資料伺服器(Distributed Data server, DDS)當主控端,讀取並辨識從RFID Reader所傳回的Tag資料。

1.     RFID系統組成與動作原理

RFID的動作原理如圖1所示,系統組成中主要包括標籤(Tag)、讀取器(Reader)、和電腦主機。Tag是資料的存放元件,Reader則是從Tag讀取資料或將資料存放到Tag內的工具,Reader將所讀取資料傳送至電腦系統中,使用不同之應用程式來解讀資料,以協助使用者達成迅速正確的決策。如圖1所示,Tag感應到Reader所發射無線電波時,會產生「交變磁場」使Tag內建的RF發射機模組與微處理機作動,而將Tag內的EEPROM資訊傳回ReaderReader再透過RS-232USB、或WLAN將資料傳至主機端。

1. RFID動作原理

Tag可區分為主動式(Active)與被動式(Passive)兩種,主動式標籤內含電池,可隨時傳送資訊給Reader,並有較長的通訊距離,可儲存較大的記憶體,但價格較高;被動式標籤電源來自讀取器所發出電波對Tag產生感應微電流來供應其電源動力,再利用電波將其資訊傳回讀取器,故通訊距離較短。被動式標籤好處在於不需外加電池,可達到體積小、價格便宜、壽命長以及數位資料可攜性等優點。被動式標籤之天線為內建的,用以感應和產生RF無線電波,以收發資料。

讀取器亦包含RF模組(天線、收發器)和微處理器,主機電腦與應用程式的功能則為控制RFID Reader資料收發、辨識、與管理工作,本文後半即在討論如何以DDS來取代圖1中的主機與應用軟體。

2.     RFID相關標準

為了要使各種Reader能讀取各種Tag的資料,並使Reader可以順利連接到各廠牌的電腦系統,RFID系統必須制訂標準化的規範,主要有ISOElectronic Product Code(EPC)、及Ubiquitous ID Center等三大標準組織。

2.1 ISO標準

目前RFID業界通用的ISO標準有ISO 14443「近旁型智慧卡(Proximity Coupling Smart Cards)」標準和ISO 15693「近距型智慧卡(Vicinity Coupling Smart Cards)」標準。ISO 14443界定在10cm內的距離以非接觸式的方式讀取智慧卡運作標準,一般之大眾運輸票價卡皆為此類;ISO 15693規定讀取距離為長達1公尺之運作標準,一般之門禁卡即為此類規格之產品。以上兩種標準規範應用領域皆用於智慧卡上為居多,表1為兩種規範的特性比較。

ISO 18000 Series Item Management則為物流系統無線通信技術的首項國際標準,有鑒於供應鏈管理(Supply Chain Management)的重要性,ISO特別由ISO/IEC小組規劃了一系列的18000標準,以規定Item ManagementRFID Air interface準則。目前ISO 18000系列包含以下幾項重要之標準如表2所示,其中最重要的是18000-6之規定,其規範之頻率860-930 MHZLogistic Management之最佳選擇,已成為國際Supply Chain RFID應用技術的重要標準。

1. ISO 14443ISO 15693特性比較

功能

ISO 14443

ISO 15693

操作頻率

13.56MHz

13.56MHz

讀取距離

近旁型智慧卡(Proximity Cards)

近距型(Vicinity Cards)

晶片類型

微控制器(MCU)或記憶體佈線邏輯(一種無MCU的電子電路)

記憶體佈線邏輯

記憶體容量

64~64K

256~2KB

讀寫能力

可讀取和寫入資料

可讀取和寫入資料

資料傳輸率(k bps)

高達106,可提高至848

高達106

反碰撞功能

2. ISO 18000系列之標準

Part

規定內容

應用領域範圍

18000-1

全球可接受頻率之Air Interface Communication(AIC)一般參數

 

18000-2

135MHz以下之AIC參數

適合短距離之紙類標簽,如門禁卡

18000-3

13.56MHzAIC參數

記憶體佈線邏輯

18000-4

2.456GHzAIC參數

長距離之讀取範圍應用,如Real-time Locating system

18000-5

5.8GHzAIC參數

審議中止

18000-6

860~930MHzAIC參數

適用於LogisticAsset Mgt之最佳方案

18000-7

433.92 MHzAIC參數

18000-6相識唯獨速度慢且易受其他電訊器材干擾

2.2 EPCUbiquitous ID Center

RFID電子編碼格式部分有以美國為主的EPC(Electronic product code),和日本的Ubiquitous ID Center兩項標準。

EPCglobal2000年由美國麻省理工學院(MIT)結合寶鹼(P&G)、金吉列(Gillette)、及美國編碼協會(Uniform Code Council, UCC)等,在EAN.UCC國際組織轄下發起成立的一個委員會,初時稱為Auto ID Center,後又更名為EPCglobal,並與EAN.UCC所推廣的全球商業編碼原則相結合,延伸其應用。EPCglobal提出的是一個新的Electronic Product Code(EPC)架構,EPC系統亦是採用性能適合Logistics Management UHF頻率,而EPC內容是一組數字,它在供應鏈中是某項產品的獨一代表,被儲存在Tag中,其資料包含此項產品製造的時間、製造地點、與製造的廠商等資料,藉著RFIDReader將這組數字傳到互通之電腦網路中,電腦網路可將此數字所代表的該項產品所有資料提供給廠商。表3Auto ID EPC資料基本結構,由此可知EPC為一組96bits之號碼。

3. Auto ID EPC資料基本結構

Header

General Manager

(Manufacture)

Object

(Product)

Serial Number

8bits

28bits

24bits

36bits

Binary Value

Decimal capability

Decimal capability

Decimal capability

2003日本Ubiquitous ID Center(uID Center)所提出的編碼體系稱為unique ubiquitous identification code(ucode),支援這一陣營的廠商多為日本電子廠商、資訊企業、和印刷公司等。Ucode資料長度為128bits,視需求可擴展至256384、或512bits等長度。表4為日本JAN code為例的128bits ucode資料結構,包含了12bitscode identifier52bits日本國內所使用的編碼(JAN code)、與64bitsunique Identification(unique ID)

4. Ubiquitous ID Centerucode資料基本結構

code identifier

JAN code segment

unique ID

12bits

52bits

64bits

3.     RFID ReaderRFID Tag裝置

本節將介紹幾種市面上販售的被動式與主動式RFID裝置系統,在市面上大多數的RFID Reader所提供與後端連接的傳輸介面為RS232USB、與Ethernet等通訊阜,本文所介紹的RFID Reader皆為此介面。以文將對這幾種RFID裝置特性與傳送的資料結構做說明。

3.1      ISO 15693 RWM600 SK模組

2中的Promag所提供的GIGA-TAMISO 15693 RWM600 SK模組,其相關特性規格如表5所示,此模組屬於ISO15693的標準規範的被動式RFID,最遠感應操作範圍為200mm,由於感應範圍較短,此型RFID只適合常關門之門禁系統上,Reader與主控端的傳輸介面為RS-232

2. ISO15693 RWM600 SK模組

5. RWM600 SK模組規格表

Power Requirements

5VDC Stanby:70mA, Transmit:<80mA

Interface

RS-232, UART,TTL:19200,n,8,1

Card Type

Tag-It HF-I, I-CODE SLI, LRI512...etc

Maximum reading distance

Up to 200mm with ideal antenna condition(0.2 watt output)

Frequency

13.56MHz standard

RF Modulation/Subcarrier

100% FM

RF Protocol

ISO/IEC 15693

Operate time

<24ms per one label

此類RFID的作動方式,當Tag進入RFID Reader交變磁場的範圍時,Tag會傳送一筆資料至Reader,而當Tag離開RFID Reader交變磁場範圍時,Tag會傳回另一筆資料給Reader。這兩筆資料的結構如表6所示,兩筆資料的HeaderID、與Response皆為相同byteASCII Code分別為“0x01”“0x00”“0x12”Len表示Parameters的資料長度。Tag進入時的Parameters長度為10bytes,包含了一個byte狀態字元“I”,一個byteDSFID以及8bytes(64bits)組成的UID Code,根據ISO15693規範的UID資料格式如表7所示包括了8bits固定值”E0”8bits IC廠商的編碼以及48bits廠商所定的獨一序號,DSFID通常為“0x00”;當Tag離開時的Parameters長度為9bytes,包含了狀態一個字元“R”以及8bytes所組成的UID Code,而沒有DSFID字元。最後CheckTail分別為8bits的檢查碼與結尾碼。

6. Tag事件回應之資料結構

Header

ID

Response

Len

Parameters

Check

Tail

0x01

0x00

0x12

0x0A

‘I’+DSFID+UID

 

 

0x01

0x00

0x12

0x09

‘R’+UID

 

 

7. UID Code資料結構

MSB                                                         LSB

E0

IC manufacturer’s code

Unique serial number assigned by company

8bits

8bits

48bits

3.3      Promag GP30/60A

Promag所提供的GP30/60A如圖3與圖4所示,為一短距離的被動式RFID Reader,其感應操作範圍依Tag的型態不同可由7cm60cm等距離,使用的傳輸介面為RS232,因為GP60A屬於短距離低頻的Reader,適合小型門禁管理,如應用於管理少數人員與低流量的門禁系統。且GP60A價格較便宜,因此可應用於低流量之常開門門禁管理或獨立型護翁系統上,其詳細的規格特性如表8所示。

3. Promag GP30

4. Promag GP60A

8. Promag GP60A規格

Reader型號

Promag GP30/60A

RF Frequency

125KHz, ASK

Power

5~12.5V DC

Interfaces

RS232, Baud rate 9600

Read Range

Up to 60cm

Transponder

Read only

GP30/60A本身無需主控端下達指令控制,DDS只需透過RS232GP30/60A相連接,並在DDS設定好RS232傳輸的速度(Baud Rate 9600)即可,當有Tag進入GP30/60A的感應範圍內時便會讀取Tag內的資料內容,並將內容資料傳回後端的DDS,傳回的資料結構如表9所示,包含了一個標頭字元”0x02”10個字元的ID,兩個字元歸位”0x0D”與換行”0x0A,與一個資料結束字元”0x03”

9. GP30/60A資料結構

Header

Tag ID

CR

LF

End

0x02

10 HEX Characters

0x0D

0x0A

0x03

3.3      Awid MPR-2010BR

Awid MPR-2010BR如圖5所示,為ISO18000-6UHF RFID Reader,其工作頻率為902~928MHz,感應操作範圍依Tag的型態不同可由30cm2.5m等距離,使用的傳輸介面為RS232,由於其感應的距離較長,因此可應用在大型門與高流量的常開門門禁管理或整合型護翁系統上,裝置的規格特性如表10所示。

5. Awid MPR-2010BR Reader

10. Awid MPR-2010BR Reader規格

Reader型號

Awid MPR-2010BR

RF Frequency

902~928MHz

Power

9V DC

Interfaces

RS232, Baud rate 9600

Read Range

Up to 2.5m

Transponder

Read/Write

Awid MPR-2010BR本身需要透過主控端下達控制指令來設定一些工作模式,因此在DDS上除了要設定傳輸的速度(Baud Rate 9600)外,還要預設一些參數來對MPR-2010BR初始化,其設定的指令如表11所示。首先要開啟MPR-2010BR的天線電源(0x05),接著設定天線的強度(0x12)其範圍可由00~FF,可依據所需的感應含蓋範圍來決定強度大小,接著設定操作的模式,在系統所使用的Tag有兩種規範,分別為ISO18000 Type BEPC Class 0種,所以根據使的Tag來下達MPR-2010BR讀取的模式。

11. Awid MPR-2010BR指令集

 

Command

Response

RF Power On(0x05)

0500058836

00 or FF

RF Power Off(0x06)

050006B855

00 or FF

RF Power Level(0x12)

0600120039B7(Max)

0600128039B7(Half)

060012FF2747(Min)

00 or FF

00-command correct

FF-command error

Read Single Tag(0x11)

for B type Tag

121111000000000000000000002BF09E75

OD11EF0403000136E903xxxx

EF0403000136E903 is ID

xxxx is Data CRC

Read Single Tag(0x10)

for EPC Tag

061710009926

0D1710C80507A80084F2DDxxxx

C80507A80084F2DD is ID

xxxx is Data CRC