張晶聲，張 旭，金聞名，張志軒，于遵波

(中國(guó)獸醫(yī)藥品監(jiān)察所，北京 100081)

射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它不是一個(gè)單一的而是一組識(shí)別技術(shù)。根據(jù)使用的無(wú)線(xiàn)電波的頻率不同呈現(xiàn)不同的特性，同時(shí)由于采用的傳感技術(shù)不同識(shí)別物體的技術(shù)原理也不同。從上世紀(jì)50年代開(kāi)始至今，經(jīng)歷了電子科技、IC芯片、無(wú)線(xiàn)通訊和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在動(dòng)物身份識(shí)別、物流運(yùn)輸、交通收費(fèi)、超市商品結(jié)算等方面進(jìn)行了廣泛的運(yùn)用，并形成了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系[1]。射頻識(shí)別系統(tǒng)的區(qū)分主要在于采用的無(wú)線(xiàn)電頻率、激發(fā)標(biāo)簽的能量方式和遵循的標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議，它們決定了系統(tǒng)的使用范圍、成本和特性。

1 射頻識(shí)別簡(jiǎn)述

1.1 基本原理[2]利用射頻信號(hào)的空間耦合傳輸特性，在識(shí)讀器的問(wèn)訊和標(biāo)簽的應(yīng)答過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)能量和信息的傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽所附著的物體身份的自動(dòng)識(shí)別。低頻、短距離的射頻識(shí)別系統(tǒng)采用電感耦合方式，即識(shí)讀器((Reader或Interrogator))天線(xiàn)產(chǎn)生交變磁力線(xiàn)，穿透標(biāo)簽(Tag或Transponder)線(xiàn)圈在其上產(chǎn)生感應(yīng)電壓；超高頻及微波頻段的長(zhǎng)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)采用電磁反向散射耦合方式，此時(shí)，識(shí)讀器天線(xiàn)發(fā)射射頻信號(hào)，電磁波在天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)中傳播衰減，一部分能量傳播到標(biāo)簽所在的位置，被標(biāo)簽的天線(xiàn)吸收，提供給標(biāo)簽芯片內(nèi)部整流電路以維持芯片的工作，另一部分能量被芯片反向散射，并通過(guò)標(biāo)簽內(nèi)部的阻抗變化把返回信息調(diào)制到反向散射的信號(hào)上，反向散射的信號(hào)被識(shí)讀器所接受，解調(diào)出標(biāo)簽所附帶的信息。

1.2 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 系統(tǒng)包括識(shí)讀器和標(biāo)簽兩大元件,通訊過(guò)程包括識(shí)讀器向標(biāo)簽傳遞信息的前向鏈路和標(biāo)簽向識(shí)讀器傳遞信息的反向鏈路兩部分。為保證信息傳遞的準(zhǔn)確性，形成了規(guī)定雙向通訊遵循的調(diào)制方式、編碼方式、傳輸速度、時(shí)序要求和安全性能的符合性協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定識(shí)讀器和標(biāo)簽性能的性能標(biāo)準(zhǔn)，以及各自對(duì)應(yīng)的測(cè)試規(guī)范。在業(yè)內(nèi)具有廣泛使用性的為EPC Global組織制定的EPC系列標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO系列標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系也日趨完善。在超高頻860～960 MHz領(lǐng)域，EPC UHF Class1Gen2和ISO/IEC18000-6應(yīng)用最廣,前者于2006年被ISO采用并入后者，成為T(mén)ype C類(lèi)型，業(yè)間簡(jiǎn)稱(chēng)ISO/IEC18000-6C。我國(guó)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T29768。

1.3 調(diào)制[3]幅度隨時(shí)間周期性變化的電信號(hào)產(chǎn)生連續(xù)電波(CW)，為了傳遞數(shù)據(jù)，在其上附加相對(duì)緩慢變化的變量——稱(chēng)之為調(diào)制，如對(duì)其幅度由常量改為變量，這個(gè)幅度信號(hào)稱(chēng)之為基帶信息，而頻率相對(duì)較高的諧振電波稱(chēng)為載波。若基帶信號(hào)為諧振信號(hào)，這種調(diào)制的結(jié)果在頻域(功率-頻率曲線(xiàn))上看，就是將載波信號(hào)分為了兩個(gè)以載波頻率為中心的邊帶信號(hào)，導(dǎo)致頻譜變寬，基帶信號(hào)的頻率越高，帶寬越大。調(diào)制的目的就是將頻率低的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以在適合信道傳輸?shù)纳漕l信號(hào)。

1.4 編碼 數(shù)字調(diào)制中最常用的是OOK(On-Off-Keyed Signal) 信號(hào)，高能量用二進(jìn)制數(shù)字1表示，低能量用二進(jìn)制數(shù)字0表示，二進(jìn)制數(shù)字1和數(shù)字0各占1/2周期，在數(shù)字0時(shí)不能持續(xù)為標(biāo)簽提供能量，無(wú)源標(biāo)簽無(wú)法持續(xù)工作。為了提供持續(xù)的能量給標(biāo)簽,需要先對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,例如采用PIE信號(hào)，二進(jìn)制數(shù)字0的時(shí)間長(zhǎng)度為參考時(shí)基Tari，其中高低脈沖時(shí)長(zhǎng)相等；二進(jìn)制數(shù)字1的時(shí)間長(zhǎng)度是數(shù)字0的1.5～2倍。用PIE編碼的基帶信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制后，即使在數(shù)字0時(shí)也會(huì)有至少50%的能量發(fā)送給標(biāo)簽，從而保證了標(biāo)簽的工作。

1.5 反向調(diào)制 識(shí)讀器天線(xiàn)發(fā)射經(jīng)過(guò)用特定編碼、調(diào)制過(guò)的附加在高頻載波上的數(shù)據(jù)信號(hào)，標(biāo)簽天線(xiàn)接收到后，通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)電路調(diào)節(jié)負(fù)載電阻產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，通過(guò)標(biāo)簽的邏輯電路來(lái)解調(diào)。此電流產(chǎn)生反向散射到識(shí)讀器端。在標(biāo)簽到識(shí)讀器的反向鏈接中，同樣需要對(duì)返回信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制，通過(guò)幅度變化(AM)或相位變化(PSK)來(lái)進(jìn)行。常用的一種編碼形式是FMO，在每個(gè)信號(hào)的起始和結(jié)尾有相位的反轉(zhuǎn)，數(shù)字0在信號(hào)中部多一次反轉(zhuǎn)，這樣，讀寫(xiě)器不是通過(guò)高低電平來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)字1和0，而是要通過(guò)相位反轉(zhuǎn)來(lái)判斷。另一種編碼形式是米勒碼，根據(jù)一個(gè)比特內(nèi)有多個(gè)周期信號(hào)時(shí)，分為miller2/miller4/miller8，此時(shí)的調(diào)制稱(chēng)為副載波調(diào)制。

2 射頻識(shí)別技術(shù)在牲畜電子耳標(biāo)上的運(yùn)用

射頻識(shí)別技術(shù)在動(dòng)物身份識(shí)別上使用的初衷，是為了避免原先在動(dòng)物體表上做標(biāo)記污損珍貴的皮毛[3]。國(guó)際上通用的動(dòng)物射頻識(shí)別技術(shù)采用的是低頻134.2 kHz[4]，這種低頻信號(hào)通過(guò)電感線(xiàn)圈耦合方式工作，不易受環(huán)境電磁反射影響，能透過(guò)水、金屬，識(shí)度距離短，滿(mǎn)足近距離(10 cm)識(shí)度要求。

我國(guó)將射頻識(shí)別技術(shù)用于動(dòng)物身份識(shí)別上主要體現(xiàn)在牲畜電子耳標(biāo)上。2011年，《動(dòng)物電子耳標(biāo)試點(diǎn)方案》(農(nóng)辦醫(yī)[2011]75號(hào))發(fā)布，對(duì)電子耳標(biāo)質(zhì)量提出基本要求。其中包括了134.2 kHz和920～925 MHz兩種頻段，并在2012年1-8月開(kāi)展了對(duì)奶牛的試戴工作。到目前為止，低頻耳標(biāo)在成都市等某些地區(qū)使用性良好。青海省2019年啟動(dòng)牦牛、藏羊原產(chǎn)地可追溯工程，對(duì)牦牛藏羊佩戴超高頻電子耳標(biāo)。政府引導(dǎo)引發(fā)了動(dòng)物電子耳標(biāo)的開(kāi)發(fā)熱潮,有的超高頻電子耳標(biāo)附加有聲光提醒功能。2021年，農(nóng)辦牧[2021]3號(hào)文發(fā)布了新版《牲畜電子耳標(biāo)技術(shù)規(guī)范》，規(guī)定了超高頻電子耳標(biāo)應(yīng)符合ISO/IEC18000-6C[5]協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為920 MHz～925 MHz；低頻電子耳標(biāo)應(yīng)符合ISO11784/5協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為134.2 kHz。同時(shí)規(guī)定了電子耳標(biāo)的識(shí)讀距離測(cè)試條件為發(fā)射功率27 dBm。

牲畜電子耳標(biāo)是指在普通牲畜耳標(biāo)中注塑封裝進(jìn)寫(xiě)入了畜禽標(biāo)識(shí)編碼信息的電子芯片(帶天線(xiàn))。這種耳標(biāo)除了符合普通牲畜耳標(biāo)的強(qiáng)度性能要求，還需要符合射頻性能要求。

對(duì)采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的超高頻牲畜電子耳標(biāo)檢測(cè)的項(xiàng)目在文獻(xiàn)[6]中已列出。依據(jù)國(guó)標(biāo)生產(chǎn)的牲畜電子耳標(biāo)，需要參考國(guó)標(biāo)GB/T29768[7]來(lái)進(jìn)行。國(guó)標(biāo)采用了我國(guó)的很多專(zhuān)利技術(shù)而成。

3 ISO/IEC18000-6C和GB/T29768的幾點(diǎn)不同

3.1 頻率范圍 ISO/IEC18000-6C的頻率范圍為860～960 MHz，在全球范圍內(nèi)使用；GB/T29768的頻率范圍為840～845 MHz和920～925 MHz兩個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)有20個(gè)信道，信道帶寬為250 kHz。實(shí)際上840～845 MHz主要用于無(wú)人機(jī)。牲畜電子耳標(biāo)使用頻段為920～925 MHz。

3.2 編碼方式 從識(shí)讀器到標(biāo)簽的前向鏈路中，ISO/IEC18000-6C中規(guī)定采用的是PIE編碼，信號(hào)一個(gè)脈沖占一位；GB/T29768中規(guī)定采用的是TPP編碼，信號(hào)兩個(gè)脈沖占一位，以提高數(shù)據(jù)率和平均占空比。

3.3 調(diào)制方式 從識(shí)讀器到標(biāo)簽的前向鏈路中，ISO/IEC18000-6C中規(guī)定采用雙邊帶幅移鍵控(DSB-ASK)、單邊帶幅移鍵控(SSB-ASK)和反相幅移鍵控(PR-ASK)三種方式；GB/T29768只有前面兩種方式。

3.4 鄰道功率泄漏比 ISO/IEC18000-6C規(guī)定第一和第二鄰道的功率泄露不得超過(guò)-20 dB和-50 dB，GB/T29768規(guī)定更嚴(yán)，為不超過(guò)-40 dB和-60 dB。

3.5 參考時(shí)基TariISO/IEC18000-6C有6.25 μs、12.5 μs和25 μs三個(gè)數(shù)值，GB/T29768中只使用12.5 μs和25 μs，未使用最短的6.25 μs，這是為了降低占用信道帶寬。

3.6 反向鏈路頻率BLFISO/IEC18000-6C中標(biāo)簽根據(jù)前向鏈路前導(dǎo)碼中的DR計(jì)算出鏈接頻率，進(jìn)行自身調(diào)節(jié)與計(jì)算值相同，是40 kHz至640 kHz的連續(xù)數(shù)值。GB/T29768中的是由啟動(dòng)查詢(xún)命令中的反向速率因子數(shù)據(jù)域決定的，是64 kHz至640 kHz之間的8個(gè)獨(dú)立數(shù)值。由于定義了反向鏈路速率因子，不再依賴(lài)于前向鏈路速率，并且使用了非整數(shù)速率有利于提高抗干擾性能。

3.7 標(biāo)簽存儲(chǔ)區(qū)MemBankISO/IEC18000-6C的標(biāo)簽存儲(chǔ)區(qū)分為保留區(qū)(Reserved或RFU)、編碼區(qū)(UII)、信息區(qū)(TID)和用戶(hù)區(qū)(User)。保留區(qū)內(nèi)包含了標(biāo)簽滅活口令(字0和字1)和確認(rèn)口令(字3和字4)；UII區(qū)包含了協(xié)議控制(PC)、物品編碼(UII)、校驗(yàn)碼(CRC)和擴(kuò)展信息等內(nèi)容；信息區(qū)包含了8位的TID標(biāo)識(shí)符。

GB/T29768中標(biāo)簽的存儲(chǔ)區(qū)分為標(biāo)簽信息區(qū)、編碼區(qū)、安全區(qū)和用戶(hù)區(qū)4個(gè)邏輯存儲(chǔ)區(qū)，每個(gè)區(qū)包含一個(gè)或多個(gè)字。編碼區(qū)和信息區(qū)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相似。安全區(qū)分為三個(gè)子區(qū)，子區(qū)一中的字0和字1存儲(chǔ)滅活口令，字3和字4存儲(chǔ)鎖定口令，與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的保留區(qū)相似；子區(qū)二存儲(chǔ)安全參數(shù)，子區(qū)三存儲(chǔ)鑒別密鑰。兩者的用戶(hù)區(qū)皆為可選區(qū)。

3.8 鏈接時(shí)序T1為識(shí)讀器發(fā)出查詢(xún)命令結(jié)束到標(biāo)簽發(fā)送響應(yīng)的時(shí)間。ISO/IEC18000-6C中T1的公稱(chēng)值取RTcal和10Tpri兩者中較大者，GB/T29768直接用10Tpri。其中Tpri指反向鏈路的基準(zhǔn)時(shí)鐘周期，為反向鏈路頻率的倒數(shù)。

4 檢測(cè)中需要注意的幾點(diǎn)

4.1 頻點(diǎn)的選擇 針對(duì)頻率范圍項(xiàng)目，可以測(cè)量邊界頻率，對(duì)ISO/IEC18000-6C的符合性測(cè)試可以選860 MHz和960 MHz，對(duì)GB/T29768的符合性測(cè)試可以選920 MHz和925 MHz。

4.2T1的計(jì)算T1不是標(biāo)準(zhǔn)給出的確定值，需要根據(jù)測(cè)試規(guī)范給出的測(cè)試條件計(jì)算出來(lái)。以針對(duì)ISO/IEC18000-6C的測(cè)試為例,計(jì)算出要求T1的范圍。

T1的公稱(chēng)值(T1nominal)為MAX(RTcal,10Tpri)，最小值為MAX(RTcal,10Tpri)×(1-|FT|)-2 μs，最大值為MAX(RTcal,10Tpri) ×(1+|FT|)+2 μs。FT為鏈接頻率允差，在640 kHz時(shí)為±15%，320 kHz時(shí)為±10%，40 kHz時(shí)為±4%。

根據(jù)測(cè)試規(guī)范ISO/IEC18047[8]給出的測(cè)試條件，RTcal為3Tari，先計(jì)算公稱(chēng)值，見(jiàn)表1；根據(jù)FT和公稱(chēng)值，計(jì)算T1的范圍，見(jiàn)表2。

表1 T1的公稱(chēng)值Tab 1 T1 Nominal

表2 T1的范圍Tab 2 Range of T1

4.3 識(shí)讀距離 標(biāo)簽獲得能量的多少直接影響其識(shí)讀距離[9]，能量的獲得與天線(xiàn)的增益和極化特性密切相關(guān)。天線(xiàn)的增益為增加在特定方向上的能量強(qiáng)度。EIRP(Effective Isotropic Radiated Power)即等效全向輻射功率,指發(fā)射機(jī)功率與在給定方向上天線(xiàn)絕對(duì)(相對(duì)于全向天線(xiàn))增益的乘積。識(shí)讀器的天線(xiàn)一般是平板圓極化天線(xiàn)，而電子耳標(biāo)標(biāo)簽天線(xiàn)一般為線(xiàn)極化即單極化天線(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生極化損失，標(biāo)簽最多只能接受到傳輸功率的一半。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，指在規(guī)定發(fā)射功率下，標(biāo)簽?zāi)鼙蛔x取的最短距離?？稍陂_(kāi)闊場(chǎng)地按照規(guī)范要求的條件測(cè)量。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中一般要求在射頻屏蔽箱內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。若受屏蔽箱尺寸限制，需要通過(guò)下列公式[10]換算求得。

(1)

公式(1)中，Range為識(shí)讀距離，r為識(shí)讀器天線(xiàn)到標(biāo)簽天線(xiàn)的距離，實(shí)際測(cè)量中為天線(xiàn)與標(biāo)簽間的距離；EIRP為識(shí)讀器天線(xiàn)處的等效全向輻射功率。

實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)牛耳標(biāo)的識(shí)讀性能一般較好。在于牛耳標(biāo)的尺寸大，適合采用方形區(qū)域內(nèi)兩個(gè)相互垂直的偶極子天線(xiàn)、其間相位差為900的真3D圓極化標(biāo)簽。而羊耳標(biāo)由于尺寸所限，多采用偽3D圓極化標(biāo)簽，有些識(shí)度比較困難。

4.4 定制功能 如電子耳標(biāo)發(fā)光功能。這種設(shè)計(jì)是鉛封功能的演變，主要是在標(biāo)簽芯片上連接有發(fā)光LED燈，芯片的4個(gè)管腳中除了RF和GND接天線(xiàn)，另外兩個(gè)管腳之間連接LED燈，設(shè)置特定的命令控制發(fā)光開(kāi)關(guān)通斷。測(cè)試發(fā)光功能，需要了解其針對(duì)的存儲(chǔ)區(qū)位置、所作的特定動(dòng)作，運(yùn)用其設(shè)置，將命令代碼寫(xiě)入正確的命令中，如查詢(xún)、選擇等，查看返回響應(yīng)信號(hào)并且目測(cè)到燈亮即可。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著超高頻射頻識(shí)別技術(shù)被越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)用于動(dòng)物識(shí)別和畜禽養(yǎng)殖[11]，對(duì)畜禽電子標(biāo)簽的檢測(cè)需求會(huì)越來(lái)越多。應(yīng)深入理解射頻識(shí)別的原理，理解不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的異同，針對(duì)不同的電子標(biāo)識(shí)采取合適的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。