射頻識別技術在牲畜電子耳標檢測上的運用

張晶聲，張 旭，金聞名，張志軒，于遵波

(中國獸醫藥品監察所，北京 100081)

射頻識別技術(RFID)是一種非接觸式的自動識別技術，它不是一個單一的而是一組識別技術。根據使用的無線電波的頻率不同呈現不同的特性，同時由于采用的傳感技術不同識別物體的技術原理也不同。從上世紀50年代開始至今，經歷了電子科技、IC芯片、無線通訊和計算機技術的發展，射頻識別技術已經在動物身份識別、物流運輸、交通收費、超市商品結算等方面進行了廣泛的運用，并形成了較為完善的標準體系[1]。射頻識別系統的區分主要在于采用的無線電頻率、激發標簽的能量方式和遵循的標準/協議，它們決定了系統的使用范圍、成本和特性。

1 射頻識別簡述

1.1 基本原理[2]利用射頻信號的空間耦合傳輸特性，在識讀器的問訊和標簽的應答過程中，實現能量和信息的傳遞，實現對標簽所附著的物體身份的自動識別。低頻、短距離的射頻識別系統采用電感耦合方式，即識讀器((Reader或Interrogator))天線產生交變磁力線，穿透標簽(Tag或Transponder)線圈在其上產生感應電壓；超高頻及微波頻段的長距離射頻識別系統采用電磁反向散射耦合方式，此時，識讀器天線發射射頻信號，電磁波在天線遠場中傳播衰減，一部分能量傳播到標簽所在的位置，被標簽的天線吸收，提供給標簽芯片內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，并通過標簽內部的阻抗變化把返回信息調制到反向散射的信號上，反向散射的信號被識讀器所接受，解調出標簽所附帶的信息。

1.2 協議標準 系統包括識讀器和標簽兩大元件,通訊過程包括識讀器向標簽傳遞信息的前向鏈路和標簽向識讀器傳遞信息的反向鏈路兩部分。為保證信息傳遞的準確性，形成了規定雙向通訊遵循的調制方式、編碼方式、傳輸速度、時序要求和安全性能的符合性協議標準，規定識讀器和標簽性能的性能標準，以及各自對應的測試規范。在業內具有廣泛使用性的為EPC Global組織制定的EPC系列標準和國際標準化組織制定的ISO系列標準。近年來，我國國家標準體系也日趨完善。在超高頻860～960 MHz領域，EPC UHF Class1Gen2和ISO/IEC18000-6應用最廣,前者于2006年被ISO采用并入后者，成為Type C類型，業間簡稱ISO/IEC18000-6C。我國對應的標準為GB/T29768。

1.3 調制[3]幅度隨時間周期性變化的電信號產生連續電波(CW)，為了傳遞數據，在其上附加相對緩慢變化的變量——稱之為調制，如對其幅度由常量改為變量，這個幅度信號稱之為基帶信息，而頻率相對較高的諧振電波稱為載波。若基帶信號為諧振信號，這種調制的結果在頻域(功率-頻率曲線)上看，就是將載波信號分為了兩個以載波頻率為中心的邊帶信號，導致頻譜變寬，基帶信號的頻率越高，帶寬越大。調制的目的就是將頻率低的數字信號轉換成可以在適合信道傳輸的射頻信號。

1.4 編碼 數字調制中最常用的是OOK(On-Off-Keyed Signal) 信號，高能量用二進制數字1表示，低能量用二進制數字0表示，二進制數字1和數字0各占1/2周期，在數字0時不能持續為標簽提供能量，無源標簽無法持續工作。為了提供持續的能量給標簽,需要先對二進制數據進行編碼,例如采用PIE信號，二進制數字0的時間長度為參考時基Tari，其中高低脈沖時長相等；二進制數字1的時間長度是數字0的1.5～2倍。用PIE編碼的基帶信號對載波進行調制后，即使在數字0時也會有至少50%的能量發送給標簽，從而保證了標簽的工作。

1.5 反向調制 識讀器天線發射經過用特定編碼、調制過的附加在高頻載波上的數據信號，標簽天線接收到后，通過調制開關電路調節負載電阻產生相應的感應電流，通過標簽的邏輯電路來解調。此電流產生反向散射到識讀器端。在標簽到識讀器的反向鏈接中，同樣需要對返回信號進行編碼調制，通過幅度變化(AM)或相位變化(PSK)來進行。常用的一種編碼形式是FMO，在每個信號的起始和結尾有相位的反轉，數字0在信號中部多一次反轉，這樣，讀寫器不是通過高低電平來區分數字1和0，而是要通過相位反轉來判斷。另一種編碼形式是米勒碼，根據一個比特內有多個周期信號時，分為miller2/miller4/miller8，此時的調制稱為副載波調制。

2 射頻識別技術在牲畜電子耳標上的運用

射頻識別技術在動物身份識別上使用的初衷，是為了避免原先在動物體表上做標記污損珍貴的皮毛[3]。國際上通用的動物射頻識別技術采用的是低頻134.2 kHz[4]，這種低頻信號通過電感線圈耦合方式工作，不易受環境電磁反射影響，能透過水、金屬，識度距離短，滿足近距離(10 cm)識度要求。

我國將射頻識別技術用于動物身份識別上主要體現在牲畜電子耳標上。2011年，《動物電子耳標試點方案》(農辦醫[2011]75號)發布，對電子耳標質量提出基本要求。其中包括了134.2 kHz和920～925 MHz兩種頻段，并在2012年1-8月開展了對奶牛的試戴工作。到目前為止，低頻耳標在成都市等某些地區使用性良好。青海省2019年啟動牦牛、藏羊原產地可追溯工程，對牦牛藏羊佩戴超高頻電子耳標。政府引導引發了動物電子耳標的開發熱潮,有的超高頻電子耳標附加有聲光提醒功能。2021年，農辦牧[2021]3號文發布了新版《牲畜電子耳標技術規范》，規定了超高頻電子耳標應符合ISO/IEC18000-6C[5]協議標準，工作頻率為920 MHz～925 MHz；低頻電子耳標應符合ISO11784/5協議標準，工作頻率為134.2 kHz。同時規定了電子耳標的識讀距離測試條件為發射功率27 dBm。

牲畜電子耳標是指在普通牲畜耳標中注塑封裝進寫入了畜禽標識編碼信息的電子芯片(帶天線)。這種耳標除了符合普通牲畜耳標的強度性能要求，還需要符合射頻性能要求。

對采用國際標準的超高頻牲畜電子耳標檢測的項目在文獻[6]中已列出。依據國標生產的牲畜電子耳標，需要參考國標GB/T29768[7]來進行。國標采用了我國的很多專利技術而成。

3 ISO/IEC18000-6C和GB/T29768的幾點不同

3.1 頻率范圍 ISO/IEC18000-6C的頻率范圍為860～960 MHz，在全球范圍內使用；GB/T29768的頻率范圍為840～845 MHz和920～925 MHz兩個頻段，每個頻段內有20個信道，信道帶寬為250 kHz。實際上840～845 MHz主要用于無人機。牲畜電子耳標使用頻段為920～925 MHz。

3.2 編碼方式 從識讀器到標簽的前向鏈路中，ISO/IEC18000-6C中規定采用的是PIE編碼，信號一個脈沖占一位；GB/T29768中規定采用的是TPP編碼，信號兩個脈沖占一位，以提高數據率和平均占空比。

3.3 調制方式 從識讀器到標簽的前向鏈路中，ISO/IEC18000-6C中規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規定第一和第二鄰道的功率泄露不得超過-20 dB和-50 dB，GB/T29768規定更嚴，為不超過-40 dB和-60 dB。

3.5 參考時基TariISO/IEC18000-6C有6.25 μs、12.5 μs和25 μs三個數值，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中標簽根據前向鏈路前導碼中的DR計算出鏈接頻率，進行自身調節與計算值相同，是40 kHz至640 kHz的連續數值。GB/T29768中的是由啟動查詢命令中的反向速率因子數據域決定的，是64 kHz至640 kHz之間的8個獨立數值。由于定義了反向鏈路速率因子，不再依賴于前向鏈路速率，并且使用了非整數速率有利于提高抗干擾性能。

3.7 標簽存儲區MemBankISO/IEC18000-6C的標簽存儲區分為保留區(Reserved或RFU)、編碼區(UII)、信息區(TID)和用戶區(User)。保留區內包含了標簽滅活口令(字0和字1)和確認口令(字3和字4)；UII區包含了協議控制(PC)、物品編碼(UII)、校驗碼(CRC)和擴展信息等內容；信息區包含了8位的TID標識符。

GB/T29768中標簽的存儲區分為標簽信息區、編碼區、安全區和用戶區4個邏輯存儲區，每個區包含一個或多個字。編碼區和信息區與國際標準相似。安全區分為三個子區，子區一中的字0和字1存儲滅活口令，字3和字4存儲鎖定口令，與國際標準中的保留區相似；子區二存儲安全參數，子區三存儲鑒別密鑰。兩者的用戶區皆為可選區。

3.8 鏈接時序T1為識讀器發出查詢命令結束到標簽發送響應的時間。ISO/IEC18000-6C中T1的公稱值取RTcal和10Tpri兩者中較大者，GB/T29768直接用10Tpri。其中Tpri指反向鏈路的基準時鐘周期，為反向鏈路頻率的倒數。

4 檢測中需要注意的幾點

4.1 頻點的選擇 針對頻率范圍項目，可以測量邊界頻率，對ISO/IEC18000-6C的符合性測試可以選860 MHz和960 MHz，對GB/T29768的符合性測試可以選920 MHz和925 MHz。

4.2T1的計算T1不是標準給出的確定值，需要根據測試規范給出的測試條件計算出來。以針對ISO/IEC18000-6C的測試為例,計算出要求T1的范圍。

T1的公稱值(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時為±15%，320 kHz時為±10%，40 kHz時為±4%。

根據測試規范ISO/IEC18047[8]給出的測試條件，RTcal為3Tari，先計算公稱值，見表1；根據FT和公稱值，計算T1的范圍，見表2。

表1 T1的公稱值Tab 1 T1 Nominal

表2 T1的范圍Tab 2 Range of T1

4.3 識讀距離 標簽獲得能量的多少直接影響其識讀距離[9]，能量的獲得與天線的增益和極化特性密切相關。天線的增益為增加在特定方向上的能量強度。EIRP(Effective Isotropic Radiated Power)即等效全向輻射功率,指發射機功率與在給定方向上天線絕對(相對于全向天線)增益的乘積。識讀器的天線一般是平板圓極化天線，而電子耳標標簽天線一般為線極化即單極化天線，會產生極化損失，標簽最多只能接受到傳輸功率的一半。

實際測試時，指在規定發射功率下，標簽能被讀取的最短距離。可在開闊場地按照規范要求的條件測量。實驗室環境中一般要求在射頻屏蔽箱內進行測量。若受屏蔽箱尺寸限制，需要通過下列公式[10]換算求得。

(1)

公式(1)中，Range為識讀距離，r為識讀器天線到標簽天線的距離，實際測量中為天線與標簽間的距離；EIRP為識讀器天線處的等效全向輻射功率。

實際檢測中發現牛耳標的識讀性能一般較好。在于牛耳標的尺寸大，適合采用方形區域內兩個相互垂直的偶極子天線、其間相位差為900的真3D圓極化標簽。而羊耳標由于尺寸所限，多采用偽3D圓極化標簽，有些識度比較困難。

4.4 定制功能 如電子耳標發光功能。這種設計是鉛封功能的演變，主要是在標簽芯片上連接有發光LED燈，芯片的4個管腳中除了RF和GND接天線，另外兩個管腳之間連接LED燈，設置特定的命令控制發光開關通斷。測試發光功能，需要了解其針對的存儲區位置、所作的特定動作，運用其設置，將命令代碼寫入正確的命令中，如查詢、選擇等，查看返回響應信號并且目測到燈亮即可。

5 結 語

隨著超高頻射頻識別技術被越來越多的國家和地區用于動物識別和畜禽養殖[11]，對畜禽電子標簽的檢測需求會越來越多。應深入理解射頻識別的原理，理解不同協議標準的異同，針對不同的電子標識采取合適的方法進行檢驗。