CN103065166A - 一种开放式rfid实验平台及标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开放式RFID实验平台及标签，一方面可以作为RFID标签集成各类传感器进行感知能力开发；另一方面可以作为RFID协议设计的测试和验证平台。本发明的开放式RFID实验平台包括被动式可编程RFID标签和RFID集成仿真器RFID-IS：被动式可编程RFID标签包括微处理单元、JTAG接口、通用接口、存储器、天线，用于提供传感标签硬件测试平台；RFID-IS用于提供软、硬两种仿真环境，包括软仿真组件库、硬仿真组件库，控制处理模块、数据分析模块、数据展示模块。基于RFID-IS即可以进行RFID协议设计及感知功能的快速开发和软件仿真，又可以支持基于被动式可编程RFID标签的硬件开发。可广泛用于各类RFID应用、研究的验证和开发，提高开发速度并为进一步丰富和发展RFID及物联网技术提供支撑。

Description

一种开放式RFID实验平台及标签

技术领域

本发明属于射频识别技术领域，具体涉及一种开放式RFID（Radio FrequencyIDentification）实验平台及被动式可编程RFID标签。

背景技术

随着物联网的大力发展，RFID技术被广泛用于物品标记、身份验证等物联网前端应用当中。但由于目前广泛采用的超高频UHF(Ultra High Frequency)标签通信协议安全性较弱，应用中面临隐私泄露、非法访问等诸多隐患。为解决传统RFID应用中所面临的问题，保障RFID快速发展，尤其是针对特殊领域应用需求人们对RFID协议进行了大量研究。但受限于市场上被动式无源RFID标签不具备开发能力，普遍缺乏一个有效的RFID协议测试及实验平台，难以在较真实的环境下对所设计协议加以测试分析。

市场上被动式无源RFID标签不具备开发能力，普遍缺乏一个有效的RFID协议测试及实验平台，难以在较真实的环境下对所设计协议加以测试分析。由于现有RFID标签只能提供简单的标识功能，人们期望能够获得开放的标签平台，提供更为便捷的开发能力，具有一定计算能力和对物体状态信息的感知能力。传统的RFID无源标签受能量、存储空间和计算能力等限制远远不能满足这一需求。

为了实现对RFID提高更为便捷的开发能力，出现了面向领域的RFID应用系统仿真平台，针对行业需求提出面向行业应用的RFID应用系统仿真平台架构，在RFID系统现场部署和实施前，利用仿真平台可以有效地指导RFID应用系统设计和优化，提高现场部署和实施的效率，但是仅是对应用场景规划的模拟，并未涉及协议通信过程的模拟。上述与RFID相关的仿真系统软件虽然对RFID应用仿真做出了贡献，但对协议仿真缺乏真实环境的测试和验证，RFID协议设计研究人员还是缺乏一个真实、有效、可信的仿真平台。

发明内容

本发明的目的在于克服现有RFID实验平台的不足，提供一种开放式RFID实验平台，不仅可以为RFID标签提供多种传感器，作为传感标签应用开发的硬件实验平台；同时还可作为RFID通用协议的仿真平台，便于使用者对其设计的RFID协议进行验证。

本发明的开放式RFID实验平台包括被动式可编程RFID标签和RFID集成仿真器RFID-IS（RFID Integrated Simulator）：

被动式可编程RFID标签包括微处理单元、JTAG（IEEE 1149.1标准测试协议）接口、通用接口、存储器、天线，所述微处理单元用于处理来自通用接口的传感数据，以及来自天线的信号，所述通用接口用于外接传感器；所述标准JTAG接口与微处理单元相连，通过所述JTAG接口对被动式可编程RFID标签进行编程和在线调试；所述存储器用于存储微处理单元的处理信息及被动式可编程RFID标签的信息；

RFID集成仿真器RFID-IS，集开发、调试及仿真功能于一体，具有软、硬两种仿真环境，兼顾标签端和阅读器端的开发、调试与分析，RFID-IS采用模块化结构设计，提供可视化的操作、分析及展示功能，便于用户对RFID协议和系统进行开发与分析。本发明的RFID-IS包括软仿真组件库、硬仿真组件库，控制处理模块、数据分析模块、数据展示模块，其中：

硬仿真组件库用于真实环境下的RFID协议开发，并通过JTAG接口写入被动式可编程RFID标签；

软仿真组件库用于RFID协议的开发和测试，并生成模拟标签、模拟阅读器；

控制处理模块用于控制实体阅读器、模拟阅读器工作，通过实体阅读器读取所述被动式可编程RFID标签的数据、通过模拟阅读器读取模拟标签的数据；

数据分析模块用于处理控制处理模块传送的数据，并将处理结果送至数据展示模块进行显示。

本发明开放式RFID实验平台，首先在前台方面，提供了被动式可编程RFID标签，从而提高了本发明的实验平台的可扩展性，使之成为开放式的传感标签硬件测试平台；在后台方面，提供了一个兼容软、硬两种环境的RFID集成仿真器RFID-IS。基于RFID-IS的本基础组件库（软仿真组件库、硬仿真组件库）即可以进行RFID协议设计及感知功能的快速开发和软件仿真，又可以在被动式可编程RFID标签的硬件环境下模拟实际应用，为用户在进行RFID系统的设计、分析及快速开发提供了基础实验平台。

为了便于对被动式可编程RFID标签的在线调试，本发明被动式可编程RFID标签还包括集成的电源接口模块，所述电源接口模块能外接稳压电源，用于被动式可编程RFID标签的在线调试；所述电源接口模块还用于稳压电源和天线供电的切换和电源管理。

本发明的软仿真组件库、硬仿真组件库分别包括器件初始化模块、命令操作及解析模块、通信模块及安全协议模块，其中

软仿真组件库中：

器件初始化模块，用于定义操作对象，模拟标签和模拟阅读器，并对所述模拟标签和模拟阅读器操作方法进行定义；

命令操作及解析模块，用于模拟标准RFID协议中各个操作命令（阅读器对标签的相关操作指令）的实现过程；

通信模块，用于模拟标签与阅读器的通信过程；

安全协议模块，用于提供模拟标签与模拟阅读器通信过程中的安全加解密处理；

硬仿真组件库中：

器件初始化模块，用于对实体标签和阅读器进行初始化处理；

命令操作及解析模块，用于执行标准RFID协议中各个操作命令；

通信模块，用于实体阅读器与客户端之间的通信，及被动式可编程RFID标签和实体阅读器之间的通信过程，将所述RFID-IS的操作指令发送到实体阅读器，并控制、监测被动式可编程RFID标签与实体阅读器之间的通信过程；

安全协议模块，用于提供被动式可编程RFID标签与实体阅读器通信过程中的安全加解密处理。

本发明的软、硬件仿真组件库可采用面向对象的方法实现，使用者都可以根据具体使用需求更改本发明的件初始化模块、命令操作及解析模块、通信模块及安全协议模块的协议流程及操作功能，通过对象继承与多态，用户的软仿真代码程序调试通过后，可以将软仿真代码直接编译成硬件目标代码扩展到硬仿真环境得到更加接近真实的测试结果，实现软硬件仿真环境的无缝切换。

本发明还公开了一种用于本发明的开放式RFID实验平台的被动式可编程RFID标签，以解决市场上被动无源RFID标签不具备开发能力的技术问题。

本发明的被动式可编程RFID标签包括微处理单元、JTAG接口、通用接口、存储器、天线，所述微处理单元用于处理来自通用接口的传感数据，以及来自天线的信号，所述通用接口用于外接传感器；所述标准JTAG接口与微处理单元相连，通过所述JTAG接口对被动式可编程RFID标签进行编程和在线调试；所述存储器用于存储微处理单元的处理信息及被动式可编程RFID标签的信息；所述被动式可编程RFID标签能由阅读器读取。

综上，本发明的技术方案能带来以下有益效果：

（1）使被动式无源RFID标签具有开发能力；

（2）本发明的开放式RFID实验平台所提供的软、硬两种RFID协议仿真环境，在RFID集成仿真器RFID-IS下进行一次开发，既可根据需要编译成软、硬两种环境下的测试目标代码，在快速完成软仿真之后进行实际环境下的硬仿真测试，实现RFID协议通信过程的快速开发；

（3）通过被动式可编程RFID标签可以模拟标签端程序在实际RFID标签中工作过程，比如可以通过标准EPC Class1 Generation2协议与商用阅读器直接通信反馈传感监测数据，或与定制协议阅读器协同验证自定义协议通信过程，从而大大提高RFID研究人员设计、开发效率；

（4）在RFID集成仿真器RFID-IS下提供统一的控制、分析和展示界面，即可供普通用户操作RFID应用，又可供RFID研究人员能够方便、直观、有效地进行协议设计与调试。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明中被动式可编程RFID标签的结构示意图；

图2是本发明中RFID-IS的系统示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明的开发式RFID实验平台，包括前台被动式可编程RFID标签和后台RFID集成仿真器RFID-IS。

参见图1，本发明的被动式可编程RFID标签，支持EPC Class1 Generation2标准，可由标准阅读器读取。用户可通过JTAG接口对被动式可编程RFID标签进行编程和在线调试，通过自定义被动式可编程RFID标签的通用接口可外接多种类型的传感器，主要包含以下器件：

1）微处理单元（MCU）：通过对其编程开发，可以控制被动式可编程RFID标签处理来自通用接口的传感数据及来自天线的信号，并能够通过IIC与EEPROM进行通信，保存标签的信息及处理的数据；

2）电可擦可编程只读存储器（EEPROM）：可采用24AA08型号的EEPROM，用来存储微处理器存储的信息及标签的EPC和TID等信息；

3）通用接口：可开放数个（8个）通用接口并提供扩展插槽，通过缓冲和电平转换外接多种类型的传感器（如图1中的传感器1、2、…、8），用于扩展被动式可编程RFID标签的感知能力；

4）扩展传感器板：集成了3D加速度传感器、温度传感器、LED和TS5A3166单通道模拟开关，可通过插槽连接被动式可编程RFID标签；

5）天线：①采用5级检波整流机制采集阅读器能量，再经滤波稳压处理后对整个被动式可编程RFID标签进行供电；②将收到的模拟信号经过比较和电平转换后传输给MCU处理；③MCU将要发送的信息经过天线反馈给阅读器；

6）电源：被动式可编程RFID标签的集成电源接口可外接稳压电源，用于在线调试模式下进行测试开发，同时所述集成电源接口模块负责稳压电源和天线供电之间的切换和电源管理；

7）JTAG接口：用于实现对被动式可编程RFID标签进行编程和在线调试。

为了实现对被动式可编程RFID标签的在线配置与调试，在被动式可编程RFID标签的MCU中嵌入式主控程序、设备驱动程序、标准通信协议等。

本发明的RFID集成仿真器RFID-IS分为硬仿真环境和软仿真环境两种，用户可根据需要自由选择。用户通过调用RFID-IS的仿真组件库，在提供的基本控制程序上，根据所设计的协议流程编写实验代码、调试和运行实验程序，完成RFID协议开发、分析及应用等实验，从而提高RFID协议设计的可靠性和安全性。通过RFID-IS的数据展示模块展示协议测试及验证结果，比如数据收发、加解密、通信等等基本情况。此外，还可以根据需要利用被动式可编程RFID标签上提供的8个通用接口外接各种传感器，通过在程序中调用接口驱动，尽快扩展RFID标签感知能力的实验和应用。下面RFID-IS的各个模块功能进行说明：

参见图2，本发明的RFID-IS包括软仿真组件库、硬仿真组件库，控制处理模块、数据分析模块、数据展示模块：

1）硬仿真组件库用于真实环境下的RFID协议开发，并通过JTAG接口写入被动式可编程RFID标签，包括器件初始化模块、命令操作及解析模块、通信模块及安全协议模块，其中：

器件初始化模块，用于对实体标签（被动式可编程RFID标签）和阅读器进行初始化处理，包含了标签及阅读器的工作频率、标签和阅读器之间的通信调制方式、标签和阅读器内部芯片的初始化设置等；

命令操作及解析模块，用于执行标准RFID协议中各个操作命令的实现步骤，如QUERY、ACCESS、WRITE、READ等命令；

通信模块，用于实体阅读器与客户端之间的通信，及被动式可编程RFID标签和实体阅读器之间的通信过程，将所述RFID-IS的操作指令发送到实体阅读器，并控制、监测被动式可编程RFID标签与实体阅读器之间的通信过程；

安全协议模块，用于提供被动式可编程RFID标签与实体阅读器通信过程中常用的安全加解密运算，例如hash运算、随机数生成算法、DES算法、AES算法、椭圆曲线加密算法等。用户可以调用本模块定义的运算对协议进行安全改进。另外，安全协议模块还提供双向认证、隐私保护和/或节点采样调度控制处理。

2）软仿真组件库用于RFID协议的开发和测试，并生成模拟标签、模拟阅读器，包括器件初始化模块、命令操作及解析模块、通信模块及安全协议模块，其中：

器件初始化模块，用于定义操作对象：模拟标签和模拟阅读器，并对所述模拟标签和模拟阅读器操作方法进行定义；

命令操作及解析模块，用于模拟标准RFID协议中各个操作命令的实现过程，如符合EPC（Electronic Product Code，产品电子代码）global标准中的QUERY、ACCESS、WRITE、READ等命令；

通信模块，可采用进程通信机制模拟标签与阅读器的通信，代替实际物理设备加快仿真实现过程，并可以加入通信延迟、干扰等模型，模拟真实情况下的通信情况。

安全协议模块，用于为模拟标签与模拟阅读器通信过程提供常用的安全加解密运算，例如hash运算、随机数生成算法、DES算法、AES算法、椭圆曲线加密算法等。用户可以调用本模块定义的运算对协议进行安全改进。

3）控制处理模块，提供了一系列的可视化控制功能，可采用菜单和控制按钮等方式控制实体或模拟阅读器的工作；该模块还通过串口接收从实体阅读器或阅读器模拟进程传送来的标签的数据、协议仿真过程及传感数据。并实现对本实验平台的配置功能。

4）数据分析模块用于处理（对数据的筛选、合并、分析及模式识别等处理操作）控制处理模块传送的数据，并将处理结果送至数据展示模块。

5）数据展示模块用于展示协议测试及验证结果，包括被动式可编程RFID标签EPC、传感器类型、传感数据、协议通信过程、加解密等信息。

基于本发明的开发式RFID实验平台进行RFID系统的开发设计及测试分析的具体过程为：

步骤（1）：根据所设计的RFID系统，调用和/或修改本发明的软仿真组件库，开发模拟阅读器程序、模拟标签程序，用于模拟实体阅读器和标签的实际工作流程。两程序的开发可通过调用RFID-IS提供的软仿真组件库的API接口快速开发、定制程序基本功能，如器件初始化、通信过程、协议命令及安全等。

步骤（2）：通过RFID-IS调用已开发的模拟阅读器程序、模拟标签程序创建多线程模拟多个阅读器和标签，即生成模拟阅读器、模拟标签；基于RFID-IS的控制处理模控制模拟阅读器与模拟标签的通信过程，实现软环境下的调试和测试，完成软仿真实验。

在软仿真环境中，可根据需要定制一定数量的模拟阅读器和模拟标签模，并可仿真不同频道RFID标准协议。虚拟设备调用软仿真组件库实现阅读器和标签功能，在考虑通信延迟、干扰等模型基础上采用进程间通信方式模拟实际RFID设备通信过程。

步骤（3）：使用者可在步骤（1）开发的开发模拟阅读器程序、模拟标签程序的基础上不对代码进行重复修改，直接重编译后生成标签和阅读器硬件目标代码（即标签和阅读器程序）；或采用与软仿真相同方式通过调用硬仿真组件库中的底层模块实现所设计的通信和感知功能，在硬件平台上直接开发标签和阅读器程序；然后通过IAR嵌入式开发环境烧入实体标签（本发明的被动式可编程RFID标签）和实体阅读器中。

步骤（4）：基于RFID-IS的控制处理模，控制阅读器与被动式可编程RFID标签的通信过程，控制处理模块通过串口接收从实体阅读器传送来的被动式可编程RFID标签的数据、传感数据等，实现硬环境下的调试和测试，完成硬仿真实验。

步骤（5）：从数据展示模块获取到协议测试及验证结果。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种开放式RFID实验平台，其特征在于，包括被动式可编程RFID标签和RFID集成仿真器RFID-IS：

所述被动式可编程RFID标签包括微处理单元、JTAG接口、通用接口、存储器、天线，所述微处理单元用于处理来自通用接口的传感数据，以及来自天线的信号，所述通用接口用于外接传感器；所述标准JTAG接口与微处理单元相连，通过所述JTAG接口对被动式可编程RFID标签进行编程和在线调试；所述存储器用于存储微处理单元的处理信息及被动式可编程RFID标签的信息；

所述RFID集成仿真器RFID-IS用于提供软、硬两种仿真环境，包括软仿真组件库、硬仿真组件库，控制处理模块、数据分析模块、数据展示模块：

硬仿真组件库用于真实环境下的RFID协议开发，并通过JTAG接口写入被动式可编程RFID标签；

软仿真组件库用于RFID协议的开发和测试，并生成模拟标签、模拟阅读器；

控制处理模块用于控制实体阅读器、模拟阅读器工作，通过实体阅读器读取所述被动式可编程RFID标签的数据、通过模拟阅读器读取模拟标签的数据；

数据分析模块用于处理控制处理模块传送的数据，并将处理结果送至数据展示模块进行显示。

2.如权利要求1所述的开放式RFID实验平台，其特征在于，所述被动式可编程RFID标签还包括集成的电源接口模块，所述电源接口模块能外接稳压电源，用于被动式可编程RFID标签的在线调试；所述电源接口模块还用于稳压电源和天线供电的切换和电源管理。

3.如权利要求1或2所述的开放式RFID实验平台，其特征在于，所述软仿真组件库、硬仿真组件库分别包括器件初始化模块、命令操作及解析模块、通信模块及安全协议模块：

软仿真组件库中：

器件初始化模块，用于定义操作对象，模拟标签和模拟阅读器，并对所述模拟标签和模拟阅读器操作方法进行定义；

命令操作及解析模块，用于模拟标准RFID协议中各个操作命令的实现过程；

通信模块，用于模拟标签与阅读器的通信过程；

安全协议模块，用于提供模拟标签与模拟阅读器通信过程中的安全加解密处理；

硬仿真组件库中：

器件初始化模块，用于对实体标签和阅读器进行初始化处理；

命令操作及解析模块，用于执行标准RFID协议中各个操作命令；

通信模块，用于实体阅读器与客户端之间的通信，及被动式可编程RFID标签和实体阅读器之间的通信过程，将所述RFID-IS的操作指令发送到实体阅读器，并控制、监测被动式可编程RFID标签与实体阅读器之间的通信过程；

安全协议模块，用于提供被动式可编程RFID标签与实体阅读器通信过程中的安全加解密处理。

4.如权利要求3所述的开放式RFID实验平台，其特征在于，所述安全协议模块还包括双向认证、隐私保护和/或节点采样调度控制处理。

5.如权利要求3所述的开放式RFID实验平台，其特征在于，所述软仿真组件库的通信模块中，还设置有通信延迟、干扰模型。

6.如权利要求3所述的开放式RFID实验平台，其特征在于，所述软、硬件仿真组件库可采用面向对象的方法实现。

7.一种被动式可编程RFID标签，其特征在于，包括微处理单元、JTAG接口、通用接口、存储器、天线，所述微处理单元用于处理来自通用接口的传感数据，以及来自天线的信号，所述通用接口用于外接传感器；所述标准JTAG接口与微处理单元相连，通过所述JTAG接口对被动式可编程RFID标签进行编程和在线调试；所述存储器用于存储微处理单元的处理信息及被动式可编程RFID标签的信息；所述被动式可编程RFID标签能由阅读器读取。

8.如权利要求7所述的被动式可编程RFID标签，其特征在于，还包括集成的电源接口模块，所述电源接口模块能外接稳压电源，用于被动式可编程RFID标签的在线调试；所述电源接口模块还用于稳压电源和天线供电的切换和电源管理。

9.如权利要求7或8所述的被动式可编程RFID标签，其特征在于，所述通用接口设置有数个通用接口并提供扩展插槽，通过缓冲和电平转换外接不同类型的传感器。

10.如权利要求9所述的被动式可编程RFID标签，其特征在于，还包括通过扩展插槽与被动式可编程RFID标签连接的扩展传感器板，所述扩展传感器板集成有3D加速度传感器、温度传感器、LED和单通道模拟开关。

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