第一章

日常生活中的 RFID 技术

  • 身份证（高频）
    • typeB
    • 13.56MHz
  • 一卡通（高频）
    • ISO/IEC 14443 typeA
  • 图书馆
  • 门禁
  • 停车场
  • 门票
  • ETC
    • 微波段、超高频
  • 服装快销品牌

物联网定义

  • 最初的定义
    • 将各种信息传感设备，如射频识别 (RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置，与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。
  • 欧盟定义
    • 将现有的互联的计算机网络扩展到互联的物品网络

RFID 的定义

  • RFID 是一种能够让物品 “开口说话” 的技术，是物联网感知层的一个关键技术

  • RFID 是一种自动识别技术，它利用无线射频信号实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别

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自动识别技术

  • 常见自动识别技术（看 PPT 了解一下）
    • 条形码
    • 磁卡
    • IC 卡
    • RFID
    • …

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  • RFID 特点

    • 防碰撞
    • 移动识别
    • 适应多种环境
    • 足够大内存
    • 可半永久性（无源标签）
    • 可靠性高
    • 非接触性
    • 可穿透物体

  • RFID 劣势

    • 成本问题
      • 成本影响了 RFID 的拓展速度，改善制造流程与提高市场规模是 RFID 降价的关键。
    • 信号干扰问题
      • RFID 主要是基于无线电波传送原理，当遇到金属或是液体时，信号传导会产生干扰与衰减，影响数据读取的可靠性与准确度
    • 频段管制问题
      • 尤其是在超高频和微波频段，各国开放的频率不一，使得 RFID 在跨国应用时产生许多问题
    • 国际标准制定
    • 隐私权问题

RFID 的分类

大家重点关注于这两种按能量的分类和频率的分类。尤其是频率的分类，它的特点的话，我们都是要掌握的

按频率分类⭐

  • 低频（LF）
    • 工作频段
      • 使用的频段在 30～300KHz 之间，以 125KHz、135KHz 最为常见。
      • 低频 RFID 标签读取距离一般短于 10cm，低频 RFID 标签一般在出厂时就初始化好了不可更改的编码。
    • 优点
      • 信号穿透性好，抗金属和液体干扰能力强，不易受干扰。
      • 价格很低，成本低廉。工作频率不受无线电频率管制约束。
    • 缺点
      • 标签存贮数据量较少 **，读取距离短、无法同时辨识多个标签。**
      • 一般为只读性，安全性不高，很容易复制完全相同的 ID 号。
    • 应用范围：
      • 动物追踪与识别、门禁管理、动物芯片、汽车防盗器和其他封闭式追踪系统中。
  • 高频 (HF)
    • 工作频段
      • 工作频率为 3MHz～30MHz，常见高频工作频率有 6.75MHz、13.56MHz 和 27.125MHz。
      • 其读取距离大多在 1m 以内。
    • 优点
      • 与低频相比，高频 RFID 标签的存储的数据量增大，感应距离较长、读取速度较快
      • 而且可以同时间辨识多个标签。
    • 缺点
      • 除金属材料外，可穿透大多数的材料，但读取距离会降低
      • 抗噪音干扰性较差，易受干扰。
    • 应用范围：
      • 证、卡、票领域（二代身份证、公共交通卡、门票等），供应链的物品追踪、门禁管理、图书馆、医药产业、智能货架等
  • 超高频 (UHF)
    • 工作频段：433MHz，860MHz~960MHz，一般以 915MHz 为主
  • 微波
    • 工作频段
      • 2.45GHz、5.8GHz
    • 优点
      • 传输速度最快，通信速率 250kbps~1Mbps。
    • 缺点
      • 抗金属液体能力最差。
    • 应用范围
      • 路桥收费等。

按能量供应分类

分类 是否有电池 能量供应 特点 ✨ 主要应用 主要频率
无源 (被动式) 无 读写器 价格低，体积小，读取距离近，无寿命限制 物流、车票、门禁 125kHz、13.56MHz、915MHz
有源 (主动式) 有 电池 价格高，读取距离远，使用寿命有限 车辆管理、航运管理、矿井管理 2.45GHz、5.8GHz
半有源 (半被动式) 有 电池 + 读写器 读取距离近，价格适中，使用寿命有限 医药、食品 都有可能

RFID 系统组成

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  • 在读写器里面，我们会注意到它有相应的射频的模块，通过这个射频模块，通过天线，发射出去一定的能量。
  • 电子标签通过天线，接收到我阅读器传过来的一些能量，以及接收到阅读器发送给他的数据。通过这个射频模块，获取到了一定的能量获取的能
  • 获取到能量，获取到数据之后，通过一定的控制模块。比如说我要完成我的编码、调制、解调等等，包括防碰撞的一些部分，都属于这个控制的模块。对于有一些电子标签的话，它还有一定的存储器

电子标签

  • 结构

    • 电子标签由芯片和天线组成
      • 天线用于收集读写器发射到空间的电磁波，并把标签本身的数据信号以电磁波的形式发射出去。
      • 芯片具有一定的存储容量，可以存储被识别物体的相关信息。电子标签芯片对接收的信号进行解调、解码等各种处理，并对标签需要返回的信号进行编码、调制等处理。

  • 技术参数

    • 标签激活的能量要求
    • 标签信息的容量
    • 标签的封装尺寸
    • 标签信息的读写速度：可达毫秒级
    • 标签信息的传输速率📝
    • 标签的读写距离📝
    • 标签的可靠性
    • 标签的工作频率📝
    • 标签的价格📝

读写器

  • 功能

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  • 结构

    • 射频模块（包含发送器和接收器）

      • 产生发射功率以启动应答器并提供能量
      • 对发射信号进行调制，用于将数据传送给应答器
      • 接收并解调来自应答器的射频信号

    • 控制模块也称为读写模块

      • 与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发来的动作指令
      • 控制与应答器的通信过程
      • 信号的编码与解码；防冲突算法的执行
      • 对物理读写器与应答器之间传送的数据进行加密和解密
      • 进行物理读写器与应答器之间的身份认证

    • 天线

      • 读写器天线的作用是发射电磁能量以激活电子标签，并向电子标签发出指令，同时也要接收来自电子标签的信息。

  • 技术参数

    • 工作频率：与电子标签的工作频率保持一致，可支持多协议

    • 作用距离

    • 数据传输速率

    • 安全性

    • 多电子标签同时识读性

    • 输出功率：满足应用的需要，符合国家和地区对无线发射功率的许可

    • 输出接口：接口形式多样，根据需要具有 RS232、RS485、USB、Wifi、GSM 等多种接口

    • 读写器形式：固定式、手持式、工业读写器等

天线

天线作用⭐

  • 承担接收能量和发射能量的作用

    • 无源射频标签芯片要启动电路工作，需要通过天线在读写器天线产生的电磁场中获得足够的能量

  • 决定了射频标签与读写器之间的通信信道和通信方式

    • 它在射频标签与读写器实现数据通信过程中起到了关键的作用。

广义的 RFID 系统：阅读器、电子标签、上层的应用系统

系统高层

  • 系统高层可以将许多读写器获取的数据信息有效地整合起来，完成查询、管理与数据交换等功能

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第二章

两个问题：电子标签的能量是怎么获取的、数据是怎么传输的

考试：射频前端电路设计（单一或结合），单一的话要知道其设计要求

能量获取

  • 电子标签天线电路设计
  • 阅读器的天线电路
  • 二者耦合的过程

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⭐⭐⭐采用的电路，电路的设计要求，实现什么功能，谐振频率，会计算谐振频率（看第二章 PPT）

阅读器

  • 阅读器射频前端的设计要求：

    • 天线线圈的电流最大，用于产生最大的磁通量
    • 功率匹配，以最大限度地利用磁通量的可用能量，即最大程度地输出读写器的能量
    • 足够的带宽，保证载波信号的传输，使读写器信号无失真输出

  • 射频前端天线电路的结构

    • RFID 阅读器的射频前端常采用串联谐振电路。

    • 串联谐振回路具有电路简单、成本低，激励可采用低内阻的恒压源，谐振时可获得最大的回路电流等特点，被广泛采用

  • 等效阻抗

电子标签

  • 电子标签天线的设计要求
    • 电子标签天线上的感应电压最大，使电子标签线圈输出最大的电压。
    • 功率匹配，电子标签最大程度的耦合来自读写器的能量。
    • 足够的带宽，使电子标签接收的信号无失真
  • 射频前端天线电路的结构
    • RFID 电子标签的射频前端常采用并联谐振电路。
    • 电感 L 由天线组成，电容 C 与电感 L 并联，构成并联谐振电路。实际应用中，电感 L 和电容 C 有损耗，并联谐振电路相当于电感 L、电容 C 和电阻 R 三个元件并联而成。

  • 导纳

电感耦合

会画图，会描述📝

  • 当电子标签进入阅读器产生的交变磁场时，电子标签的电感线圈上就会产生感应电压，当距离足够近，电子标签天线电路所截获的能量可以供应答器芯片正常工作时，阅读器和电子标签才能进入信息交互阶段

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  • ⭐⭐⭐应答器直流电源电压的产生 （分析题）
    • 整流器
      • 电子标签可采用全波整流电路，线圈耦合得到的交变电压通过整流后得到直流电压。
    • C~P~
      • 电容 Cp 滤除高频成分，同时作为储能元件
    • 稳压电路
      • 由于电子标签和读写器的距离不断变化，使得电子标签获得交变电压也不断变化，导致整流后的直流电压不是很稳定，因此需要稳压电路。稳压电路的输出给电子标签的芯片提供所需直流电压

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数据获取

  • 负载调制技术
    • 开关控制负载调制电阻 R~mod~ 的接入与否，开关 S 的通断由二进制数据编码信号控制

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第三章

编码和调制

结合具体应用出题

  • 一般通信系统结构

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RFID 系统中的编码的特殊需要

  • 电子标签能量来源
    • 电子标签常常是无源的，需要在读写器的通信过程中获得自身的能量供应
    • 编码方式必须保证不能中断读写器对电子标签的能量供应
  • 电子标签检错能力
    • 由于信道中干扰的存在，需要根据码型的变化来判断是否发生误码或有电子标签冲突发生
  • 电子标签时钟提取
    • 电子标签芯片中，一般不会有时钟电路，电子标签芯片一般需要在读写器发来的码流中提取时钟

编码方式

⭐写出编码规则和特点

反向不归零编码

  • 高电平表 1，低电平表示 0

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  • 此码型不宜传输，有以下原因
    • 有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量；
    • 接收端判决门限与信号功率有关，不方便使用；
    • 在连续出现 “0” 或 “1” 时，难以找到同步信号，即不能直接用来提取位同步信号

📝身份证，两个方向的数据传输采用的都是反向不归零编码

曼彻斯特编码⭐⭐

  • 负跳变表示二进制 “1”，半个比特周期时的正跳变表示二进制 “0”

  • 易于发现传输错误
    • 在比特长度内，“没有变化” 的状态是不允许的。
  • 容易提取时钟信号
    • 跳变都发生在每一个码元中间，接收端可以方便地利用它作为同步时钟。
  • 容易发现碰撞位
    • 当多个标签同时发送的数据位有不同值时，则接收的上升边和下降边互相抵消，导致在整个比特长度内是不间断的负载波信号，由于该状态不允许，所以读写器利用该错误就可以判定碰撞发生的具体位置。

📝校园卡，S50 卡，使用 14443 typeA 采用曼切斯特编码，易于发现碰撞位

电子标签到阅读器：曼彻斯特编码

阅读器到电子标签：修正密勒码

  • 曼彻斯特编码电路⭐

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密勒（Miller）码

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调制

什么是调制，什么是解调

什么是调制

  • 调制是指将信息信号通过调制器转换为与其不同的载波信号，从而实现信息的传输。调制的基本原理是在载波信号上叠加信息信号，通过改变载波信号的某些特征，如频率、振幅、相位等，来携带信息信号并传输到接收端。在接收端，通过解调器将信息信号从载波信号中分离出来，恢复原始的信息信号。

为什么要调制

  • 天线尺寸限制
    • 当馈送到天线上的信号波长和天线的尺寸可以相比拟时，天线才能有效地辐射或接收电磁波
  • 频分复用，提高通信容量
    • 将多个基带信号分别搬移到不同的载频处，从而实现在一个信道里同时传输许多信号，提高信道利用率
  • 提高信号抗干扰能力
    • 可以扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰落能力，提高传输的信噪比

调制方式

需要记住英文简写✨

会画三种调制的图✨

  • 数字振幅调制（ASK）

  • 数字频率调制（FSK）

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  • 数字相位调制（PSK）

副载波的调制

调制到一个比较低的频率上，然后再调制到一个比较高的频率

  • 定义
    • 电子标签将基带编码调制到低频率的副载波频率上，最后再采用 ASK、FSK 或 PSK 对副载波进行二次调制。
  • 好处
    • ①采用副载波信号进行负载调制时，调制管每次导通时间较短，对电子标签电源的影响较小
    • ②调制器的总导通时间减少，总功耗下降
    • ③有用信息的频谱分布在副载波附近而不是载波附近，便于阅读器对传送数据信息的提取，但射频耦合回路应有较宽的频带

第四章

差错、监测

差错的控制方式⭐

检纠错码

⭐实现方法，纠错原理

奇偶校验⭐⭐

大概率考

  • 实现方法
    • 在每个被传送码的左边或右边加上 1 位奇偶校验位 0 或 1
    • 奇校验：需把每个编码中 1 的个数凑成奇数
    • 偶校验：需把每个编码中 1 的个数凑成偶数

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  • 原理

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  • 特点
    • 实现简单
    • 无错误定位和纠错能力
    • 多采用奇校验

CRC

了解

  • 方法

    • 去看湖科大的计网课

  • 原理

    • 合法的 CRC 码应当能被生成多项式整除
    • 若 CRC 码不能被生成多项式整除，说明出现了信息的传送差错

防碰撞⭐

  • 什么是碰撞
    • 在 RFID 系统应用中，因为多个读写器或多个标签，造成的读写器之间或标签之间的相互干扰，统称为碰撞
  • 分类
    • 多标签碰撞
    • 多读写器碰撞

防碰撞算法

非确定性算法（标签控制法）

  • ⭐⭐⭐帧时隙 ALOHA 算法 **（必考）**

自己设计，要体现出防碰撞

  • 帧时隙 ALOHA 算法的特点
    • 简化了时隙 Aloha 的随机退避机制
    • 当标签数远大于 N 时，出现 “饿死现象”
    • 当标签数远小于 N 时，较多时隙空闲，产生浪费

二进制搜索（确定性算法）

第五章

安全的漏洞、安全的解决方式

基于共享秘密和伪随机函数的安全协议 (三次认证)⭐

会画图

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  • 三次认证过程
    • 阅读器发送查询口令的命令给应答器，应答器作为应答响应传送所产生的一个随机数 RB 给阅读器。
    • 阅读器产生一个随机数 RA，使用共享的密钥 K 和共同的加密算法 EK，算出加密数据块 TOKEN AB，并将 TOKEN AB 传送给应答器。TOKEN AB＝EK (RA,RB)
    • 应答器接受到 TOKEN AB 后，进行解密，将取得的随机数与原先发送的随机数 RB 进行比较，若一致，则阅读器获得了应答器的确认。
    • 应答器发送另一个加密数据块 TOKEN BA 给阅读器，TOKEN BA 为 TOKEN BA＝EK (RB1,RA)
    • 阅读器接收到 TOKEN BA 并对其解密，若收到的随机数与原先发送的随机数 RA 相同，则完成了阅读器对应答器的认证。

哈希锁⭐

会描述过程⭐⭐⭐

  • Hash 锁是一种更完善的抵制标签未授权访问的安全与隐私技术。整个方案只需要采用 Hash 函数，因此成本很低。
  • Hash 函数特点
    • 给定 x，计算 h (x) 较容易，硬件、软件都可以实现；
    • 给定 h (x)，求 x 计算上不可行（单向性）；
    • 对于任意 x，找到一个 y，且 y≠x 使得 h (x)= h (y)，计算上是不可行的（抗弱碰撞性）；
    • 发现一对 (x，y) 使得 h (x)=h (y)，计算上也是不可行的。（强碰撞性）
  • Hash-lock 协议流程
    • ① 标签 T 进入阅读器 R 的有效范围，接收到阅读器 R 发出的命令 Query 请求认证
    • ② 标签 T 通过反向信道发送 metalID 作为回复。[注：metaID=hash（key）]
    • ③ 阅读器 R 将 metalID 传送给后台数据库 B，数据库查询是否存在相等的 metalID 值
    • ④若匹配则发送相应的标签信息 (key, ID) 给阅读器 R。
    • ⑤ 阅读器仅将其中的 key’发送给标签。标签验证 key’是否等于 key。
    • ⑥若 key’＝key 则标签将其 ID 发送给阅读器。阅读器收到标签发送过来的 ID 与后台应用系统传输过来的 ID 进行对比，相同则认证成功，否则认证失败

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  • 优点
    • 解密单向 Hash 函数是较困难的，因此该方法可以阻止未授权的阅读器读取标签信息数据；
    • 该方法只需在标签上实现一个 Hash 函数的计算，以及增加存储 metaID 值，因此在低成本的标签上容易实现。
  • 缺点
    • 由于每次询问时标签回答的数据是特定的，因此其不能防止位置跟踪攻击；
    • 阅读器和标签问传输的数据未经加密，窃听者可以轻易地获得标签 Key 和 ID 值。

第六章

三大标准体系各自的特点

三大体系

  • EPCglobal

    • 由美国主导，代表欧美利益全球实力最大的物联网 RFID 标准组织

    • EPCglobal 标准体系面向物流供应链领域，可以看成是一个应用标准。EPCglobal 的目标是解决供应链的透明性和追踪性

  • ISO/IEC

    • 承担制定全球多种标准的任务，是最早制定 RFID 标准的组织

  • UID

    • 日本物联网 RFID 标准组织

特点

特点是让 AI 写的，PPT 没找到

  • ISO/IEC
    • ISO/IEC 是信息技术领域最重要的标准化组织之一，制定 RFID 标准时考虑了物流供应链领域的单品标识以及电子票证、物品防伪、动物管理、食品与医药管理、固定资产管理等应用领域。ISO/IEC 的 RFID 标准体系突出了产品和实用，但可能存在兼容性和利益操控性的问题。
  • EPCglobal
    • EPCglobal 标准体系是面向物流供应链领域的，目标是解决供应链的透明性和追踪性。为此，EPCglobal 制定了 EPC 编码标准，为所有物品提供单件唯一标识，还制定了空中接口协议、读写器协议等与 ISO 标准体系类似的标准。EPCglobal 尽量与 ISO 兼容，但也有其局限范围，如关注 UHF 860～930 MHz。EPCglobal 非常强调供应链各方之间的信息共享，为此制定了信息共享的物联网相关标准。
  • UID
    • UID 是日本泛在识别通信协会，制定的 Ucode 泛在码是日本国家标准。UID 的 RFID 标准以泛在码为核心，旨在实现物品的全球唯一标识和数据共享。UID 的 RFID 系统由数据载体、阅读器和信息服务器组成，具有高精度、可扩展、安全可靠等特点。
ISO/IEC EPCglobal
应用领域 不同领域 物流供应链
关注频段 各个频段 主要关注 UHF860~930MH
标准内容 仅仅考虑自动身份识别与数据采集的相关标准，数据采集以后如何处理、共享并没有作规定。 除信息采集外，还制定了 EPCIS、ALE、LLRP 等多个标准。

ISO/IEC 14443 标准内容

看 PPT（第六章 P35-63）

  • ISO/IEC 14443-1 物理特性
  • ISO/IEC 14443-2 频谱功率和信号接口
  • ISO/IEC 14443-3 初始化和防碰撞算法
  • ISO/IEC 14443-4 通讯协议

第八章

13.56MHz RFID 技术

电子标签 (S50 卡)

频率 型号 内存 可读 / 写 支持协议
13.56MHz MF1 S50 1024bytes Read/write ISO 14443A
  • 交互过程⭐**（会画）**

  • 存储结构⭐

    • 存储容量为 1024×8 b 字长 (即 1 KB)
    • M1 卡分为 16 扇区，每扇区分为 4 块，分别为块 0、块 1、块 2 和块 3，每块 16 字节；
    • 扇区前 3 块为数据块 , 用于存贮数据 ，最后 1 块为控制块 , 存放密码 A、存取控制、密码 B
    • 0 区 0 块用于存放厂商代码，已经固化，不可修改
    • IC 卡的读写以块为单位

  • 数据块

    • 读写块：用作一般的数据操作，可用读 / 写命令直接读 / 写整个块
    • 值块：用作定值操作，可以进行加值 / 减值（INC/DEC）的运算。

阅读器

  • 设计阅读器电路需考虑的问题
    • 阅读器是便携式还是固定式
    • 支持一种还是多种电子标签的读 / 写
    • 阅读器的读 / 写的距离
    • 阅读器和电子标签的周边环境，如电磁环境、温度、湿度、安全等
    • 供电方式与节约能耗的措施、电磁兼容（EMC）性能
    • 与高层通信接口的方式
    • 防碰撞算法的实现方法、加密的需求
    • 选用现有的阅读器集成芯片还是自行进行电路设计
    • 若自行进行电路设计，还应设计其编 / 解码、防碰撞处理、加 / 解密等电路
    • 微控制器（MCU）的选用
    • 收发信号的调制方式与带宽、天线的形式与匹配方法
  • 阅读器的结构

  • RC522

    • 通信协议：IIC，SPI，RS232
    • 支持的协议：ISO14443A
    • FIFO 深度：64

  • 相关函数

名称 函数
通信函数 PcdComMF522(…)
复位函数 PcdReset(…)
寻卡函数 PcdRequest(…)
防碰撞函数 PcdAnticoll(…)
选卡函数 PcdSelect(…)
认证函数 PcdAuthState(…)
读函数 PcdRead(…)
写函数 PcdWrite(…)
中止函数 PcdHalt(…)
值操作（初始化） PcdIntPurse
值操作（加值） PcdIncrease
值操作（减值） PcdDecrease

第十章

中间件

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  • 架构
    • 读写器接口位于中间件最底层，包括了系统支持的所有硬件的设备驱动，并管理所有的硬件相干的参数，如读写器协议、空中接口、主机侧通信。
    • 数据处理和存储单元层负责处理和存储来自读写器的原始数据，由本层携带的处理逻辑对数据过滤、聚合和转换。
    • 中间件管理层帮助管理射频识别中间件的配置，如添加、配置、修改连接射频读写器；修改应用程序级参数；添加和移除射频识别中间件支持的服务等。
    • 应用程序接口提供带 API 的应用程序来访问、通信、配置射频识别中间件。
  • 作用
    • Savant 是连接标签读写器和企业应用程序的纽带。
    • Savant 系统完成的任务主要是数据校对、读写器协调、数据传送、数据存储和任务管理等。

ONS

  • ONS 功能
    • ONS（对象名称解析服务），系统主要处理电子产品编码与对应的 EPCIS 信息服务器地址的映射管理和查询。
    • 利用 DNS 构架实现 ONS 服务
  • ONS 和 DNS 的区别

EPCIS

  • 功能

    • EPCIS 是最终用户与 EPCglobal 网络进行数据交换的主要桥梁。

    • 作为网络数据库来实现的，EPC 被用作数据库的查询指针。

    • EPCIS 提供信息查询的接口，可与已有的数据库、应用程序及信息系统相连接。

  • 数据来源

    • EPCIS 服务器上的数据由供应链上下游的企业共享获得的。EPC 相关数据包括 EPC 标签和识读器获取的相关信息，以及商业上一些必须的附加数据。

工作流程

  • EPC 的工作流程
    1. 读写器从标签上识读出 EPC 标签的编码信息。
    2. 分布式 Savant 软件系统处理和管理由读写器读取的 EPC 标签信息。
    3. Savant 将 EPC 传给 ONS。
    4. ONS 指示 Savant 到一个保存产品文件的 PML 服务器的 IP 地址。
    5. PML 服务器利用 PML 技术把产品信息传到供应链上

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