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2020年11月23日 星期一

RFID Technology for Achieving IoT/M2M



源:电子发烧友网

說到物聯網的歷史,有一項技術不得不提,那就是 RFID 技術。90 年代,美國麻省理工學院 RFID 研究機構 —— 自動辨識中心(Auto-IDCenter)的創始人,Kevin Ash-ton 教授提出了一個物聯網概念,他將物聯網定義為:把所有物品透過射頻辨識等資訊感測設備,與網路連接起來,實現智慧化辨識和管理。

雖然在這個定義中,把物聯網「感知」技術,局限在了 RFID 等為數不多的幾項測感技術中,和我們現在的理解有很大差異,但從中也看到了 RFID 技術在物聯網應用中的巨大潛力。

(注釋:麻省理工對物聯網的完整定義:透過射頻辨識(RFID)、紅外線感應器、全球定位系統、雷射掃描器等資訊感測設備,按約定協議,把任何物品透過物聯網域名相連接,進行資訊交換和通信,以實現智慧化辨識、定位、跟蹤、監控和管理。)

如果要問 RFID 技術的年齡,那需要回溯到二戰期間的歐洲。1940 年至 1941 年,納粹德國對英國挑起了大規模空戰(「不列顛空戰」)。由於空戰中德國的「BF-109」戰機,與英國的「颶風MK.I」、「噴火MK.I」戰機十分相似,所以英國皇家空軍首先在戰機上使用 RFID 技術,用來辨識出自家和盟軍的飛機。

而後幾十年間,RFID 技術被陸續用在了商業、農業等領域:在百貨店內做成電子標籤,用於防盜和結算;做成頸環、腳環套在動物身上,便於跟蹤研究;現在,高速公路上的 ETC 收費系統,已經成為了收費站的一種標配,它也是使用了 RFID 技術。如今 RFID 技術所涉及的行業領域,已經遠遠超出了人們當初的預計:包括農業、工業、支付、零售、公共事業、安控等等。

RFID技术在物联网应用中拥有巨大的潜力
(該圖摘自:《物聯網射頻識別(RFID)核心技術教程》)

RFID 技術定義
RFID 技術,屬於自動辨識技術中的電子標籤技術(自動辨識技術還包括「條碼/二維碼辨識技術」、磁卡辨識技術等等),是一種非接觸式的自動識別技術:通過射頻(無線)信號自動辨識目標對象(標籤)並獲取相關數據。在各類行業應用中,RFID 技術實現了採集實體對象數據的功能。

因為 RFID 具有無線信號辨識的特性,所以攜帶標籤的物體,在運動過程中也能夠被辨識,距離可以達到幾十米。

EPC/RFID 基本結構
在 90 年代之前,RFID 的應用並不連接到網路,電子標籤內的數據,都是企業或組織各自定義的。90 年代提出的物聯網概念,其實就是在 RFID 技術基礎上,融入網路技術,並規範標籤的編碼格式,建立跨越全球的、開放的 EPC(產品電子代碼)系統。EPC 系統和 RFID 技術相結合,被業內認為是物聯網雛形。

根據 RFID 技術結構,業內將 EPC/RFID 技術分成了兩個部分:「邊緣系統」和「軟體系統」。邊緣系統主要包括有電子標籤、讀寫器;軟體系統主要是指應用系統、韌體系統。雖然韌體系統屬於軟體系統,不過實質上其各有一部分在「邊緣」和「軟體」兩側系統中,介於邊緣系統和軟體系統之間。

如果將 EPC/RFID 技術架構,放在物聯網技術矩陣之中,可以將邊緣系統理解為「邊緣域」,而軟體系統理解為「雲端域」。在邊緣系統中,主要是由讀寫器採集電子標籤中物件數據,再通過韌體在網路中,轉譯並獲取映射數據,最後送至應用系統(高層軟體系統)。而應用系統,則負責資訊集中化的處理 --- 應用邏輯的實現。

然而,現今的很多 RFID 行業應用,基於成本和安全性的考量,依然沒有韌體和聯接網路的配置:數據在經過讀寫器讀取後,直接送至私有網路中的專用系統進行應用處理。(本文介紹的 RFID 技術,主要針對 EPC/RFID 系統,具有物聯網特性的 RFID 系統)

EPC/RFID 主要組件
1、電子標籤
電子標籤(Electronic Tag)也稱應答器或智慧標籤(Smart Label),其本質上是一個微型的無線收發裝置,主要由內置天線和晶片等電子元器件組成。通常情況下,電子標籤附著在待辨識的物品上,晶片中具有全球唯一的電子編碼(EPC編碼),是 RFID 邊緣系統中的數據源。應用中的大多數電子標籤不配置電源,直接透過無線信號獲取能量。

在 RFID 電子標籤最基本的元器件中,專用晶片主要用來儲存數據和實現控制功能,天線則用來感應無線信號接收能量,並收發無線電信號。一部分電子標籤自配電源,具備主動發射信號的能力。


2、讀寫器
讀寫器,也稱為閱讀器(Reader),用於讀取電子標籤中的內存信息,或者將資訊寫入電子標籤內。讀寫器既可以是獨立的終端,也可以嵌入在其他系統之中進行使用。讀寫器的硬體主要包括天線、射頻模組、控制器、網路通信模組、I/O 接口等組件。

天線和射頻模組,用於通過無線信號,向電子標籤發送或讀取數據;

控制器,即微處理器,作為讀寫器的「大腦」,控制設備各部件實現應用功能:獲取電子標籤數據,實現內部信號轉換,與外部系統通信。

網路通信模組,負責與雲端的數據通信,對上下行的數據進行封裝、解碼,實現路由轉送的功能。

I/O 接口,與其它系統內模組或外圍設備通信。

對於無源的 RFID 電子標籤,讀寫器需要具有啟動標籤的功能,即通過電磁波向電子標籤輸送能量。讀寫器的天線、射頻模組,在收到電子標籤傳來的資訊後,會交給控制器對標籤資訊進行初步處理(數據格式轉換等),而後會透過網路接口(外部網路接口、本地 I/O 接口)將其傳送到其它資訊處理設備。



3、RFID 韌體
RFID 韌體的誕生,一方面是為解決 RFID 應用系統中,各類設備和軟體(電子標籤、讀寫器、應用伺服器和操作系統)的異構問題,另一方面使得 RFID 應用更易於佈署:滿足海量數據處理、分布式計算、開發效率、成本控制等等的需要。
RFID 韌體將應用過程中的通用功能,進行封裝(源數據的採集/過濾/整合/傳送、互聯網路由解析和物品資訊查詢),形成標準的數據(結構化數據)和能力接口向外部開放。

資訊通過韌體,應用系統可以直接和讀寫器建立聯接,獲取電子標籤相關資訊,並在網路中查詢其關聯數據。RFID 韌體有效地降低了,應用的軟硬體架構與維護的複雜性,實現敏捷開發、輕載營運。

RFID 韌體功能,往往不是由一台實體設備實現的。各類 RFID 基本和拓展應用功能,通常需要多台相關設備(伺服器、網路設備),根據業務需求來佈署實現。RFID 韌體主要包括以下基本功能:讀寫器接口、網路訪問接口(公網訪問接口)、應用軟體接口、韌體功能模組。

讀寫器接口、網路訪問接口、應用軟體接口,分別對接到邊緣網路的終端和設備(電子標籤、讀寫器)、網路應用服務、內部專用應用系統。三個接口功能,實現了各方向上的信號連接和通信協議適配,並將數據集中到韌體功能模組中,做應用前的處理。

韌體功能模組是 RFID 中間件的核心控制單元,主要實現數據映射轉換、數據過濾、設備管理、業務控制、RFID 基本應用功能。其中,基本應用功能包括提供 EPC/RFID 的「名稱解析服務(IOT-NS)」和「資訊佈服務(IOT-IS)」。

RFID 韌體具有呈上其下的連接作用,提供 RFID 領域的基本工具、以及數據的格式轉換和封裝服務,並向外(網路)開放能力,具有典型的物聯網平台(Paas)特性。

目前,已經有許多科技巨頭實現了 RFID 韌體類型的物聯網平台的商業佈署,包括 IBM的「WebSphere」、微軟的「BizTalk RFID」、Oracle的「Xterprise」等等。

4、應用系統
EPC/RFID 技術使應用系統,可以連接到所有生產資料,進行集中化的設備管理和生產營運。

從技術原理來看,只要給實物對象(人、動植物、物品)一個唯一的 ID 標識號,就可以採用 RFID 進行資訊化的管理。這個對象,可以是工作證、會員卡(標識「人」),也可以是腳環、頸套(標識「動物」),亦可以是汽車、快遞盒(標識「物品」)。企業內的各類生產資訊系統,都可以透過整合 RFID 技術,提高生產流程的「透明度」和「精細度」,提升監控管理的「即時性」和「準確性」,並實現各系統間、企業間的資訊共享和互動,擴展應用邊界、形成產業生態。

RFID 的應用軟體包括商業應用:客戶關係管理系統(CRM)、企業資源管理系統(ERP)、供應鏈管理系統(SCM)、倉庫管理系統(WMS)、訂單管理系統(OMS)、資產管理(AMS)、物流管理系統(LMS)等等,以及公共服務類應用:ETC(不停車電子收費系統)、電子票證(例如一次性地鐵票)、門禁保全系統等等。



EPC/RFID 的識讀流程
EPC/RFID 系統所實現的功能,就是對 RFID 數據進行「識讀」的數據採集過程。識讀的基本過程如下:

1、  電子標籤貼於物品上,當物品靠近讀寫器時,電子標籤在讀寫器的信號磁場內,產生各種類型的電磁耦合效應,並獲得能量(電能),通電後的電子標籤,開始與讀寫器進行資訊交互:電子標籤和讀寫器先相互進行安全認證,而後由電子標籤接受讀寫器指令,回送其儲存的數據資訊。

2、  讀寫器在收到電子標籤內的數據後,傳送給 RFID 韌體。標籤內的數據為「EPC 編碼」,包括嵌入資訊(Embedded Information,貨品特性資訊,包括物品 ID 等屬性)和參考資訊(Information Reference,數據的網路資訊)。

3、  RFID  韌體將讀寫器獲取的標籤資訊(EPC 編碼),透過網路送至物聯網名稱解析服務(Internet of Things Name Service,IOT-NS)。IOT-NS 在收到標籤資訊後,會根據 EPC 編碼中的「參考資訊」找到相應的伺服器 IP 地址,該 IP 地址就是資訊發佈服務(Internet of Things InformationService,IOT-IS)的伺服器地址。(該步驟類似於網路的 DNS - 域名解析)

4、  IOT-IS 伺服器會根據 RFID 韌體送來的標籤資訊,查詢到對應物品 ID 的詳細資訊,並返回給 RFID 韌體。

5、  RFID 韌體根據需要,將和物品相關的所有資訊(電子標籤資訊、物品詳細資訊息、讀寫器的讀取情況等)送到應用系統。應用系統軟體在收到數據後,會做出相應處理:發出指令信號 - 控制執行器動作,或將現場狀態進行可視化介面呈現,或進行數據分析後,出具業務報表等等。

這裡介紹的識讀過程,是基於 EPC/RFID 的系統構架。在大量的實際應用中,RFID 的行業應用並沒有佈署 EPC 系統功能:既沒有 RFID 韌體,也沒有基於網路的名稱解析服務,和資訊查詢服務。其採用了非聯網的模式:讀寫器在接收到電子標籤數據後,直接將其送到本地應用伺服器進行處理。

RFID 和物聯網的系統對應關係
EPC/RFID 系統具有典型的物聯網結構特性,從邊緣的設備和網路,到雲端的韌體服務,都體現了物聯網數據匯聚、開放共享的本質屬性。

在 RFID 邊緣系統中,從物聯網接入雲端的網路模式來看,EPC/RFID 技術屬於 Gateway 連接型的物聯網。Gateway 連接型物聯網的連接設備,主要包括感測器、轉發節點、Gateway 設備,分別對應 EPC/RFID 系統中的電子標籤、讀寫器、RFID 韌體或 Gateway 路由器。(備注:1、「轉發節點」是指:在物聯網邊緣網絡中,實現多種通信協議轉換的網絡交換設備。2、和「 Gateway 連接型」對應的雲端接入方式是「直接連接型」,即物聯網終端直連雲服務系統。)

1、  電子標籤-物聯網終端
「電子標籤」負責儲存物品數據,雖然它並沒有感知的功能,但其在應用中的角色和感測器類似,屬於「數據源」- 終端設備。

2、  讀寫器-物聯網轉發節點
RFID 的「讀寫器」是物聯網的轉發節點設備。讀寫器很容易被誤解為感測器設備,但實際上它並非感測器:讀寫器讀取電子標籤數據,所採用的是無線通信技術,數據在電子標籤內按照 RFID 通信標準,先經過編碼、調制等步驟處理,再透過天線轉換成無線信號向讀寫器發送;讀寫器接收到無線信號後,同樣需要按照 RFID 通信標準,對信號進行解調、譯碼和放大等系列操作,而獲得標籤數據。


讀寫器在獲得標籤數據後,還需要將其透過其它通信方式向雲端傳送。讀寫器的核心功能就是「一收一發」,實現通信協議轉換,以及在局部區域中的數據轉發,在物聯網邊緣網路中,即稱為「轉發節點」(例如:將標籤數據從「無線信號」轉換為「RS232 串口信號」,送到後端伺服器)。

3、  物聯網 Gateway 設備
在邊緣網路中,RFID 實現網路連接,主要有兩種方式:
A、讀寫器具備通信協議棧和網路應用功能,可以將標籤數據,直接送至網路應用伺服器。在這種情況下,讀寫器同時具備物聯網轉發節點和 Gateway 功能。(例如:便攜式自帶營運商 SIM 卡的讀寫器)

B、讀寫器需要先將數據送至本地網路伺服器、Gateway 路由器或韌體設備等其它網路服務設備,再由這些網路服務設備,將數據進一步處理並送至網路。在此讀寫器屬於物聯網中的轉發節點,不承擔物聯網的 Gateway 功能。而轉發數據至網路的服務設備即為物聯網 Gateway 設備。

4、RFID 韌體 - 物聯網平台
在 RFID 軟體系統中,RFID 韌體封裝了基本的 RFID 功能(IOT-NS、IOT-IS、數據過濾和格式轉換、讀寫設備管理等),解決了各廠家設備的鄉容性問題,統一了相關系統之間通信標準和數據格式,實現各類設備和系統間的無縫對接,支持即時動態地進行數據傳遞。

RFID 韌體,其實就是專用的物聯網平台,偏重於物聯網平台的連接服務。各類軟體應用佈署在 RFID 韌體上,則可以更加地「輕載」和「靈活」。



EPC/RFID 系統所構建的,是一個全球化的物聯網應用,是一個以 RFID 資訊採集技術為基礎的、結合網路技術(EPC 系統)的、開放共享的大系統。借助這個系統工具,各生產分工環節上的,企業能夠更緊密地協同合作,產品的生產流水線更具有彈性和張力,企業內部資源能夠更有效地和外部資源聯動,提升商業軟實力。

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