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深入介绍RFID新型网络

作者:物联网 来源:RFID世界网 2005-06-21 10:18:28

摘要:深入介绍RFID新型网络

关键词:深入介绍RFID新型网络[0篇]  

  Auto-ID中心及它的支持者正在努力开发柔性标签和解读器,以将硬件成本降低到RFID 可以用来追踪单个产品的水平。并且我们也正在构建一个新型的,开放式的,全球性的网络,这个网络可以使公司从低成本的RFID标签中获益。下文,我们将更深入地详述我们实现自动识别的关键要素。
电子产品码
    Auto-ID中心已经提出了一种新的电子产品码,作为识别产品的下一代标准。我们的目标不是要取代现有的条形码标准,我们是要为公司建立一条迁移的通路,帮助他们从现有的条形码标准过渡到新型的电子产品码,为了鼓励这种发展,我们已经采用了全球贸易编码(GTIN)的基本构架。我们不能保证电子产品码将来会在世界范围内广泛应用,但我们的提议已经获得了监管国际条形码标准的两大机构的支持,它们是统一编码委员会和国际EAN组织。另外,我们还同其他国家和国际贸易团体和标准化组织有合作关系。
电子产品码如何是工作的?
    电子产品码是一个由头编码和三个数据集组成的一个数字,如上图所示。头编码用以识别电子产品码的版本号,这使得以后可扩展电子产品码为不同长度或不同的类型。第二部分是标识电子产品码的管理者,最有可能是电子产品码代表的产品的生产商,例如,可口可乐公司。第三部分,物品类别,指的是产品确切的类别,通常是存货单位,如330毫升罐装健怡可口可乐,美国。第四部分是序列号,每个商品都不相同,具体表示了我们指的是哪一罐健怡可口可乐。这使得迅速找出快要过期的产品成为可能。
电子产品码的类别
    Auto-ID中心提出了64位和96位两种电子产品码,最终可能还会更多。其中96位的电子产品码是我们认为最常用的一种。我们是在确保所有产品具有独一无二的编码和降低标签成本两者之间作了权衡,从而选择了96位。96位的电子产品码可以为2.68亿家生产商提供标识码,每个生产商可以有1600万个产品类别,每类可以有680亿个产品序列号,足够未来几年世界范围内所生产的所有产品使用。因为目前还没有必要有那么多的序列号,所以我们提出了64位编码作为过渡时期。较小位数的编码在保证提供足够的独一无二的电子产品码的同时,还可以保持RFID芯片的价格较低。
RFID标签基本原理
    一个RFID标签由一个附在天线上的微芯片构成。在不同的应用场合,有不同种类的标签,这一节我们将向大家介绍这方面的内容。使RFID能在追踪单个商品中发挥作用的关键之一就是大大降低标签的成本。本节下面部分将介绍我们如何计划实施。
主动与被动
    主动RFID标签有一个电池,这个电池用来为微芯片的电路运转提供电量,并向解读器发送信号(同蜂窝电话传送信号到基站原理相同)。被动标签没有电池,相反,它从解读器获得电能。解读器发送电磁波,在标签的天线中形成了电流。半主动标签用一个电池为微芯片的运转提供电能,但是发送信号和接受信号时却是从解读器处获得能量。主动和半主
    动标签在追踪高价值商品时非常有用,因为他们需要远距离的扫描,比如在轨道上的列车,但这种标签要耗费1美元或更多,这使得他不适合应用于低成本的商品上。Auto-ID中心正集中精力于被动标签上,目前它的成本已经降至1美元以内。它们的扫描距离不像主动标签那么远,通常少于10英尺,而主动标签可以达到100英尺,但它们比主动标签便宜得多,而且不需要维护。另外,我们还研究开发出其他种类的标签类型,在我们的系统中也可能采用它们。
读写与只读
    在RFID标签中的芯片可以是读写或只读的。使用读写芯片的话,当标签在解读器或查询器的读写范围内时,您可以给标签添加信息或者覆盖掉原有信息。读写标签在一些特殊应用场合非常有用,但是因为它比只读芯片贵得多,所以将它用于追踪价格低廉的商品是不实际的。一些只读微芯片包含着在生产过程中存储的信息,在这样的芯片上的信息永远不能被改变。另一种方法是采用电可擦写编程只读存储器,或称EEPROM,运用特殊的电子过程,数据可以被覆盖重写。
Auto-ID中心说明
    我们不是要创造RFID标签,我们甚至不是要告诉供应商应生产哪种标签。我们唯一关心的是这种标签上包含着电子产品码的信息,以一种开放式,标准化的方式交流信息,并且满足一些最小的性能要求,这样它可以在任何地点由解读器读取信息。然而,因为低成本标签是我们系统的一个关键组成部分,我们已经在致力于芯片的设计,目的是设计出大批生产后成本约为5美分、并能在至少4英尺的范围内读取信息的芯片。我们开发的第一种标签是超高频率的,它以915MHZ的频率工作,用的是EEPROM。这样公司可以在商品生产和包装时在标签中写入电子产品码,但也可以利用其他存储技术。
降低标签的成本
    RFID标签的高成本已经成为这一技术大规模推广的一个最大的障碍。目前,最便宜的RFID标签大批量生产也要花费50美分。在Auto-ID中心,我们立志将每个标签的成本降至5美分,为达到这一目标已经设计出多个策略。
简单即最佳
    在Auto-ID中心的计划下,一个96位或者64位电子产品码将是存储在RFID标签中的唯一信息。这是因为存储量小的芯片成本低。想象一下一个单个的硅电路门——微芯片的基本组成结构,成本大约千分之一美分。Auto-ID中心成员一年生产超过5000亿单位的产品,因此在标签上每增加一个电门就要多耗费他们超过500万美元的成本。
缩小芯片
    降低被动和只读标签成本的一个关键就是所用微芯片的大小。8英寸的硅晶片的价格相对稳定,但把晶片割成小片,每一小片价格都会较低。目前,大部分晶片是用金刚石锯切开的,这个方法可以产生最多15000块微芯片,大小为1平放毫米。另有一种方法叫做蚀割,它能产生最多25万块芯片,大概每块芯片150平方微米,或大概是人的头发宽度的三倍。这个过程是将酸性液体倒在晶片上,然后腐蚀割开晶片。
    较小的芯片比起传统的微芯片便宜得多,但用这些芯片往往会有问题。即使使用机械机器人来处理大部分硅芯片,它也不能应付如此小的芯片。Auto-ID中心的支持者Alien科技,已经开发出一种制造工艺流程,名叫流体自组装,将芯片装在一个底座上,然后天线可以添加上去。因为酸性液体腐蚀硅晶片的原因,芯片有倾斜的边。Alien构建了一种底座,有一些洞,看上去像是这些芯片的模具,然后成千上万的微小芯片在上面流过。Alien将他们称作”nanoblocks”,在底座上面的特殊液体中流动,有些会自动掉入相应的小洞中,剩余的会被收集并重新加以利用。底座用金属薄片割成带状,以使天线可以装配在芯片上,制成一个标签。天线和芯片被两个夹层夹着制成一个完整的标签。当Alien的新的生产设备全面运转时,它每年将生产800亿芯片。其他组装小型芯片的方法也在发展中,它们也是现有方法的改进。一种很有希望的方法是震动组装,它是由MIT和Auto-ID中心的支持者PHILIPS半导体研究设计出来的。
新型天线
    另一个构造低成本标签的关键是降低天线成本。Auto-ID中心的一个支持者Rafsec,正在开发一种新型的天线,它将被用来加在Alien芯片上制作标签,这种标签在大批量生产下,可能耗费在5美分左右。目前,大多数RFID天线是利用酸去除铜和铝这样的导体金属中的元素,再锻造成型制成的。Rafsec是全球最大的打印纸生产商之一的芬兰UPM-Kymmenc公司的附属公司,它已经开创了高速电镀技术,天线使用导体墨水绘制,然后将一层金属印在它的顶部。利用这项技术,Rafsec在大批量生产天线的情况下,可以将天线成本控制在1美分左右,与用现有技术生产的普通天线的5到15美分的成本形成鲜明对比。另外,还有其他生产低成本天线的创新性方法正由Auto-ID中心的其他支持者开发。
硅的替代品
    有几家公司正独立于Auto-ID中心来研究利用硅的廉价替代品生产RFID标签的技术,甚至是纯粹利用磁性的“无芯片标签”。这种努力很可能成功,Auto-ID中心也非常支持它们。我们正在发展的这套系统不会排除这些技术或其他任何技术。我们憧憬的是这样一个包罗万象的世界,在这里,任何标签,只要使用正确的语言,满足基本的性能要求,无论硅或其他材料制作的,都能够与任何解读器交流信息。 利用人工聚合物或特殊晶片制作的芯片可能会比硅芯片便宜,并且它们可能有一些其它的应用方面,例如监测温度和震动的传感器。通过建立一个全球性的网络,公司能够利用它识别产品,我们也可以创造一个新的市场,在这里,这样的革新技术将会繁荣发展起来。
对无线电波的理解
    标签利用无线电波与解读器进行交流,在我们开始介绍解读器工作原理之前,有必要介绍一点无线电波及其属性的知识。无线电波是电磁波谱的一部分,而电磁波谱是一个很宽泛的定义,科学家用它来表示以波的形式发散的所有频率的能量。在波谱的一端是低频波,如AM收音机和海上船只通讯系统所用的无线电波。在频率高端是X射线和伽马射线。
政府规定
    世界各国政府规定了许多电磁波谱的用途。例如,在美国,FM电台无线电波频率必须在88到108MHZ之间(如果您收听91.5FM,意味着您的收音机已调频至接受每秒重复9.15千万次的无线电波)。利用RFID的一个问题就在于世界上各个国家已将不同的波段分作不同的用途了,ISM波段保留为工业,科学,医疗用途,除了这一特殊波段,世界上每个地方几乎都已经没有未经利用的波段了。这就意味着一个在某国家以915MHZ工作的标签在另一个国家也许就不能被读取,因为在这个国家,这个波段已被用作其他用途了。
单一频率不能适应全部应用
    即使在波谱中有一个波段在世界上任何一个国家都未被利用,通过限制RFID标签只用这个波段,似乎能达到要求,但它仍可能产生不好的效果。因为不同频率有不同的特征,使得他们是用于不同的应用。例如,低频标签比超高频标签贵,用的能量少而且能更好地穿越非金属物质。它们在近距离扫描富含水分的物质是比较理想,如水果。UHF频率通常范围更广,且数据传输率较快,不过他们耗用更多电能而且不太可能穿透物体。由于UHF频率更具方向性,因此它们需要在标签和解读器间有一条清楚的通道。UHF标签可能在扫描通过卸货门到仓库的货物时效果较好。
水与金属
    许多人都知道无线电波能被水吸收,被金属扭曲,这使得RFID在追踪富含水分和金属容器包装的产品时显得无用武之地。这一情况确实使得追踪金属产品或富含水分的产品成为一个大问题,但我们已经找到良好的系统设计方法和工程来克服RFID的这些缺点。这就是为什么我们的方法不限制供应商或用户使用仅有一个频率的系统的原因之一。我们的目标就是建立一个系统,在这个系统当中,任何标签只要其中包含电子产品码,用我们已经建立的基本的交流标准进行交流,它就能用来识别一个产品。
解读器
    RFID解读器利用许多方式与标签交互信息,近距离读取被动标签中信息最常用的方法就是电感式耦合。只要贴近,解读器的盘绕的天线与标签的盘绕的天线之间就形成了一个磁场。标签就是利用这个磁场的能量发送返回的电磁波给解读器。这些返回的电磁波被转换为数据信息,就是标签的电子产品码。
价格合理的灵敏解读器
    目前,一个解读器成本大约为1000美元甚至更多,而且大多数只能读取单一频率芯片中的信息。Auto-ID中心已经设计了灵敏解读器的参考详细规格说明,这种解读器能够读取不同频率芯片中的信息。通过这种途径,公司能够在不同的情况下利用不同种类的标签,且不必为每一种频率的标签都购买一个解读器。因为公司将需要购买许多解读器以覆盖他们运营的各个领域,所以解读器价钱一定要能够为他们所接受。我们的规格说明将使得生产商在大批量生产的情况下生产出成本大约100美元的灵敏解读器。
避免解读器冲突
    利用RFID解读器遇到的一个问题就是,从一个解读器发出的信号可能与另一个覆盖范围重叠的解读器发出的信号互相干扰。这种现象叫做解读器冲突,Auto-ID中心利用一种叫做时分多路访问(TDMA)的机制来避免冲突。简而言之,就是解读器被指示在不同时段读取信息,而不是在同一时刻都试图读取信息,这保证了他们不会互相干扰。但是这意味着处
    于两个解读器重叠区域的任何一个RFID标签都将被读取两次信息,因此我们已经开发出了一套删除冗余信息的系统。
避免标签冲突
    另一个解读器遇到的问题就是在同一范围内要读取许多芯片的信息,当在同一时刻超过一个芯片向解读器返回信号,这样标签冲突就发生了,它使解读器不能清晰判断信息。Auto-ID中心已经采用了一个标准化的方法来解决这个问题。解读器只要求第一位数符合它所要求的数字的标签回应解读器。从本质上来讲,就是,解读器提出要求:“电子产品码以0开头的标签回应解读器。”如果超过一个标签回应,则解读器继续要求:“电子产品码以00开头的标签回应解读器。” 这样操作直到仅有一个标签回应为止。这一过程非常迅速,一个解读器在1秒之内可以读取50个标签的信息。
读取距离
    读取信息的距离取决于解读器的能量和解读器与标签用来交流的频率。通常来讲,高频率的标签有更大的读取距离,但是他们需要解读器输出的电磁波的能量更大。一个典型的低频标签必须在一英尺内读取,而一个UHF标签可以在10到20英尺的距离内被读取。 在某些应用情况下,读取距离是一个需要考虑的关键问题,例如当列车车厢下轨道时辨别他们就需要较长的读取距离。但是较长的读取距离并不一定就是优点,如果你在一个足球场那么大的仓库里有两个解读器,你也许知道有哪些存货,但是解读器不能帮你确定某一个产品的具体位置。对于供应链来讲,最好有一个网络型的许多解读器在仓库中,它们能够准确地查明一个标签的确切所在地点。Auto-ID中心的设计是一种在4英尺距离内可读取标签的灵敏解读器。
SAVANT
    如果世界上每个物品都有一个RFID标签,那么解读器会收集到连续不断的电子产品码的信息,如何管理和传送所有这些数据是一个难题,并且为了使全球性的RFID网络更有用,这个困难必须被克服。Auto-ID中心已经设计了一个软件技术,名为Savant, 它将作为整个网络的神经系统。
分布式结构
    Savant不同于大多数的企业管理软件,它不是一个拱形结构的应用程序。他是利用了一个分布式的结构,以层次化进行组织,管理数据流。Savant将被利用在商店,分销中心,地区办公室,工厂,甚至有可能在卡车或货运飞机上应用。每一个层次上的Savant系统将收集、存储和处理信息,并与其他的Savant系统进行交流。例如,一个在商店运行的Savant系统可能要通知分销中心需要更多的产品,在分销中心运行的Savant系统可能会通知商店的Savant系统一批货物已于一个具体的时间出货了。下面是Savant系统需要完成的一些任务。
数据校平
    处在网络边缘的Savant系统,直接与解读器进行信息交流,它们会进行数据校平。并非每个标签每次都会被读到,而且有时一个标签的信息可能被读取错误,利用算法,Savant系统能够校正这些错误。
解读器协调
    如果从两个有重叠区域的解读器或的信号,它们可能读取了同一个标签的信息,产生了相同且多余的电子产品码。Savant的一个任务就是分析读取的信息并且删掉这些冗余的产品编码。
数据传送
    在每一层次上,Savant系统必须要决定什么样的信息需要在供应链上上传或向下传递。例如,在冷藏工厂的Savant系统可能只需要传送它所储存的商品的温度信息就可以了。
数据存储
    现有的数据库不能在一秒钟内处理超过几百条事务,因此Savant系统的另一个任务就是维护实时存储事件数据库(RIED)。本质上来讲,系统将取得实时产生的电子产品码并且智能地将数据存储,以便其他企业管理应用程序有权限访问这些信息,并且保证数据库不会超负荷运转。
任务管理
    无论Savant系统在层次结构中所处的等级是什么,所有的Savant系统都有一套独具特色的任务管理系统(TMS),这个系统使得他们可以实现用户自定义的任务进行数据管理和数据监控。例如,一个商店中的Savant系统可能通过编写程序实现一些功能,当货架上的产品降低到一定水平时,会给储藏室管理员发出警报。
对象名称服务
    Auto-ID中心对于一个开放式的,全球性的追踪物品的网络的构想需要一些特殊的网络结构。因为只将电子产品码存储在了标签中,计算机还需要一些将电子产品码匹配到相应商品信息的方法。这个角色就由对象名称服务(ONS)担当,它是一个自动的网络服务系统,有点类似于域名解析服务(DNS),DNS是将一台计算机定位到万维网上的某一具体地点。 当一个解读器读取一个RFID标签的信息时,电子产品码就传递给了Savant系统(参看前文)。Savant系统然后再在局域网或因特网上利用对象名称服务找到这个产品信息所存储的位置。对象名称服务给Savant系统指明了一个服务器、关于这个产品的文件存储在这台服务器上。接着这个文件就能够在Savant系统中找到,并且在这个文件中关于这个产品的信息将会被传递给公司的库存和供应链的应用。
特殊要求
     对象名称服务将处理比万维网上的域名解析服务更多的请求,因此,公司需要在局域网中有一台ONS服务器,它存取信息速度比较快。因此一个计算机生产商可能将他现在的供应商的ONS数据存储在自己的局域网中,而不是每次一批货物到达组装工厂,都需要到万维网上去寻找这个产品的信息。这个系统也会有内在的冗余。例如,当一个包含某种产品信息的服务器崩溃了,ONS将能够引导Savant系统找到另一台服务器,同样存储着这种产品的信息。
物理标示语言语言
    电子产品码识别单个的产品,但是所有关于产品有用的信息都用一种新型的标准的计算机语言物理标示语言(PML)所书写,PML是基于为人们广为接受的可扩展标注语言(XML)发展而来的。因为它将会成为描述所有自然物体、过程和环境的统一标准,PML的应用将会非常广泛,并且进入到所有行业。我们的目标就是以一种简单的语言开始,鼓励采用新技术。PML随着时间还会发展演变,就像互联网的基本语言HTML一样,它现在已经演变为比刚引入时复杂得多的一种语言了。
描述物品的标准
    PML将提供一种通用的方法来描述自然物体,它将是一个广泛的层次结构。例如,一罐可口可乐可以被描述为碳酸饮料,它属于软饮料的一个子类,而软饮料又在食品大类下面。并不是所有的分类都如此的简单,为了确保PML受到广泛的接受,我们大量依赖于标准化组织已经做的一些工作,比如国际重量度量局,和美国国家标准和技术协会。
PML数据的种类
    除了那些不会改变的产品信息(如物质成分)之外,PML将包括经常性变动的数据(动态数据)和随时间变动的数据(时序数据)。在PML文件中的动态数据包括船运的水果的温度,或者一个机器震动的级别。时序数据在整个物品的生命周期中,离散且间歇地变化,一个典型的例子就是物品所处的地点。通过使所有这些信息统过PML文件都可得到,公司将能够以新的革新型的方法利用这些数据。例如,公司可以设置一个触发器,以便当有效期将要结束时,降低产品的价格。第三方物流提供者有可能提供服务水平合同,表示货物在运输过程中始终保持一个恒定的温度。
PML服务器
    PML文件将被存储在一个PML服务器上,一个专用的计算机将被配置,为其它计算机提供他们需要的文件。PML服务器将由制造商维护,并且储存有这个制造商生产的所有商品的信息文件。
控制
    一旦Auto-ID数据通过网络与相应的PML信息连接起来,下一步最重要的问题就是在这些信息基础上,决定下一步应该做什么,和推进运行的行动可能被影响的程度。它是否在生产阶段,分销阶段,零售阶段或者家庭使用阶段?调节运营条件以满足希望达到的要求就叫做控制。例如,在生产中,这可能指的就是机器人采用最优的方法,为包装线取得最优的包装顺序。
    Auto-ID中心的构想是这样的一个世界,智能型的产品在没有人工参与的情况下能够和机器进行交流,因此能够影响它被生产,移动,出售和使用的方式。例如,未来的智能型洗衣机可以读取缝在衬衫衣领中的标签里的信息,然后从网上得到信息,了解到这件衬衫是由精细的织物做成,因此洗衣机会调整水流的循环和决定相应肥皂的类别和用量。Auto- ID 将会促成一个新的高度分布式的智能的控制系统的产生。然而,为了达到这一天,必须要有正式的过程。
决策
    当然,第一步是计算机和其他机器识别出这个物品。我们的核心技术,包括电子产品码,对象名称服务,物质标注语言文件等,使这成为可能。PML文件也可能包含一些关于如何洗涤这件衬衫的用法说明,或规则。但是必须有一系列的协议要遵循,以便衬衫和机器能够有效的“交谈”。例如,洗衣机有可能不能执行某一项指令,因为它没有这种特殊的功能,或者同时有其他衣服正在洗涤。协议能够提供一系列的步骤以得到一个决策,甚至在必要时在衬衫和机器之间提供一种“协商”。
执行
    这指的是机器以适当的方式执行一系列用户自定义的指令的能力。回忆前文,机器可能在此时要洗的不仅是一件衬衫。这里有两种基本要素影响着控制执行的有效性,它们是物理控制和物理操作。物理控制是指在现实世界中,计算机控制硬件和执行决策所需的软件,物理操作是指将数据指令变为真实世界的动作的部分。物理操作可以包括仓库运输车,工厂机器人和智能型设备。
神圣的使命
    Auto-ID中心在剑桥大学的控制研究组正致力于关于控制的基本问题的研究,并且正考虑在库存管理,生产控制,家庭使用,产品分销等方面加入各种新颖的应用。为决策的产生和执行创建一些标准的规则、协议和指导方针,这将使软件工程师开发出一种新型的企业管理软件,这一软件允许管理者设置一些基本的参数,并且使机器能够在这些参数的基础上自动运行。

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