【硕士论文】RFID门禁系统的研究与实现.pdf

y 1 0 i 6 9 e 3 分类号密妞 蝙号 案渗恭 硕士学位论文 r f i d 门禁系统的研究与实现 学位申请人：型瞳量墅一 导师姓名理职称：垒l 垫尘l 一 计算机技求 中山人学坝i 学位论史 r f i d 门禁系统的j d f 究。，实现 r f id 门禁系统的研究与实现 专业：计算机技术 硕 1 i ：陈忠刚 指导占帅：李荔教授、陆舜讲师 摘要 门禁系统它作为一种新型现代化安全管理系统，集自动识别技术和计算机控 制信息符理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术，通讯技术、生物 技术等诸多新技术。门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展起来的。近 年来无线射频识别技术飞速发展，已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交 通运输控制管理等众多领域。基于无线射频识别技术的门禁系统的设计和开发是 今后f j 禁系统建设的发展方向。 本文首先介绍了门禁系统的分类及其今后的发展方向，其次对实现r f i df - j 禁系统的关键技术r f i d 技术进行的探讨，接着重点阐述了一个基于该技术的门 禁系统的分析、设计和实现。本文最后对该门禁系统一些不足之处提出了改进建 议和方案。 关键词：门禁系统、r f i d 、单片机、r s 4 8 5 、韦根2 6 协议 中山人学坝f 学位论文 r f l d 门禁系统的研究0 实j 盯 t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fr f i da c c e s sc o n t r o l s y s t e m m a j o r ： n a m e ： s u p e r v i s o r c o m p u t e rt e c h n o l o g y c h e nz h i g a n g p r o f l i l e i l uy o n g a b s t r a c t a c c e s sc o n t r o ls y s t e mi sau e wm o d e r n i z e ds e c u r i t ym a n a g e m e n ts y s t e m i t u n i f yt h ef u n c t i o no fa u t o m a t i ci d e n t i f yt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rc o n t r o li n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts o l u t i o n i ti n v o l v e sm a n yn e wt e c h n o l o g i e s t h e s et e c h n o l o g i e si n c l u d e e l e c t r o n i c , o p t i c s ，c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n db i o l o g yt e c h n o l o g y a c c e s sc o n t r o ls y s t e md e v e l o pq u i c k l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i c i d e n t i f yt e c h n o l o g y r e c e n t l y , r f i dt e c h n o l o g ye x p a n df a s t i th a sb e e nw i d e l yu s e d i nm a n yf i e l d ss u c ha si n d u s t r ya u t o m a t i c ，b u s i n e s sa u t o m a t i c ，t r a n s p o r t a t i o nc o n t r o l m a n a g e m e n t ，t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tb a s e do nr e i da c c e s sc o n t r o ls y s t e mi s t h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no f a c c e s sc o n t r o ls y s t e mc o n s t r u c t i o ni nt h ef u t u r e f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e s t h ea c c e s sc o n t r o ls y s t e mc l a s s i f ya n dt h e d e v e l o p i n gd i r e c t i o ni nt h ef u t u r e s e c o n d l y , t h et h e s i sd i s c u s s e sa b o u tt h ek e y t e c h n o l o g yt or e a l i z er h d a c c e s sc o n t r o ls y s t e m a n dt h e n ，t h et h e s i se m p h a s i z e s o ne x p a t i a t i n gt h ea n a l y s i s ，d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no faa c c e s sc o n t r o ls y s t e m a tl a s t ，t h et h e s i sp u tf r o w a r ds o m ei m p r o v e ss u g g e s t i o n sa n ds o l u t i o nf o rt h ed e f e c t s o f a c c e s sc o n t r o ls y s t e m i 始y w o r d s ：a c c e s sc o n t r o ls y s t e m ；m c u ；r f i d ；r s 4 8 5 ；w i e g a n d 2 6 中山人学硕i 。学位论文 r f i d 门禁系统的研，宄i 实现 原创性声明 学位论文原创性卢明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 、 学位论文作者签名：两，考诵0 日期： j 0 0 - 年f | 月上。日 学位论文使用授权卢明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文保密的学位论文在解密后使用本规定 学位论文作者签名；障冬冈j 日期：2 司年f f 月上b 日 导师签名： 日期：沙 馆磅 。7 犁f ，自洳 中山人学硕l 学位论文 r f i d 门禁系统的研究j 实现 第1 章：门禁系统的概念与发展 1 1 门禁系统的概念 随着科技发展以及现代社会发展的需要，以单纯的门道及钥匙管理的传统时 代正逐步结束。一种集计算机控制、信息管理、识别技术于一体的智能门禁系统 已经走迸了我们的生活。 门禁系统l ”，又称出入管理控制系统，是一种管理人员进出的数字化管理系 统。一套有效的门禁管理系统可以大大提高单位或大厦的安全保卫能力，防止非 法闯入、盗窃、抢夺等不良行为的发生。还可以为建立公平合理的考勤制度打下 j 基础，创造出一种公平的、具有紧迫感的工作环境。 常见的门禁系统有：密码门禁系统，磁卡、接触式i c 卡门禁系统，非接触i c f 卡、m 卡( r f i d 卡) 门禁系统，指纹虹膜掌型生物识别门禁系统等。 1 2 门禁系统的分类嘲 1 2 1 按进出识别方式划分 门禁系统按进出识别方式可分为密码识别、卡片识别、生物识别三大类： 1 2 1 1 密码识别 密码识 3 1 l ：通过检验输入密码是否正确来识别进出权限。 这类产品又分两类：一类是普通型，一类是乱序键盘型( 键盘上的数字不固 定，不定期自动变化) 。 普通型： 中山人学硕卜羊位论立= r f i d 门禁系统的州究j _ 实现 优点：操作方便，无须携带卡片；成本低。 缺点：速度慢，输入密码。般需要好几秒中，如果进出的人员过多，需要 排队。如果输入错淡，还斋重新输入，耗时炙长。安全性差，旁边的人容易通过 手势记住别人的密码，密码容易忘记或者泄露。 高。 乱序键盘型( 键盘上的数字不固定，不定期自动变化) ： 优点：操作方便，无须携带卡片，“安全系数稍普通型高 缺点：密码容易泄露，安全性还是不高；无进出记录；只能单向控制。成本 1 2 1 2 卡片识别 卡片识别：通过读卡或读卡加密码方式来识别进出权限，按卡片种类又分为： 1 、接触式卡 包括磁卡和接触式i c 卡 优点：成本较低；一人一卡( 密码) ，安全一般，可联微机，有开门记录 缺点：卡片，设备有磨损，寿命较短；卡片容易复制；不易双向控制。磁卡 卡片信息容易因外界磁场丢失，使卡片无效。 2 、非接触式卡 包括非接触式l c ，i d 卡 优点：卡片。设备无接触，开门方便安全：寿命长，理论数据至少十年：安 全性高，可联微机，有开门记录；可以实现双向控制。卡片很难被复制 缺点：成本较高 2 中山人学坝i + 学位论文r f i d 门禁系统的研究j 实现 1 2 1 3 生物识别 小物谚! 别：通过检验人焚q t 物特祉一等疗，束谚! 圳进。仃指纹犁虫i 膜型， 面部识别型。 优点：从识别角度来说安全性极好；重复的几率少，不容易被复制。无须携 带卡片。 缺点：成本很高。识别率不高，对环境要求高，由于牛物识别需要比对很多 参数特征，比对速度慢，不利于人员人数过多的场合。人体的生物特征会随着环 境和时间的变化而变化，因此容易产生拒识率( 明明是这个人，但是他的生物特 征变了，而认为不是本人) ，例如：指纹由于季节和干湿度不同而不同，掌型和 人像由年龄的增长而改变，虹膜由于眼部患病而改变等。所以，生物识别门禁 系统虽然先进和安全，但是应用的范围有限，只在人数不多，安全性要求高，不 担心成本高等少数领域进行应用，不是当前门禁系统的主流。 值得注意的是一般人认为生物识别的门禁系统很安全，其实这是误解f 门禁 系统的安全不仅仅是识别方式的安全性，还包括控制系统部分的安全，软件系统 的安全，通讯系统的安全，电源系统的安全整个系统是一个整体，哪方面不过关， 整个系统都不安全。例如有的指纹门禁系统，它的控制器和指纹识别仪是一体的， 安装时要装在室外，这样一来控制锁开关的线就露在室外，很容易被人打开。 1 2 2 按设计原理划分 门禁系统按设计原理可分为以下两类： 3 中山人学颂l 学位论文 r y i df - j 禁系统的研究j 实现 1 2 2 1 控制器自带读忙器 这种没计的缺陷址 训j l j 器颂安装相。fj 外，此部分控制线必须露n ：j 外，内 行人无须卡片或密码可以轻松j l - l 一j 。 1 2 2 2 控制器与读卡器( 识别仪) 分体的 这类系统控制器安装存室内，只有读卡器输入线露在室外，其它所有拧制线 均在室内，而读卡器传递的是数字信号，因此，若无有效卡片或密码任何人都无 法进门。 1 2 3 按门禁控制器与控制中心之间的数据传输方式划分 门禁系统按门禁控制器与控制中心之间的数据传输方式可分非联网fj 禁和 联网门禁两大类。 j 2 3 1 非联网门禁 非联网门禁各门禁控制器独立运行，无须联网，使用手提电脑到现场进行系 统设置、校对时间、下载开门记录等操作。特点是价格便宜，安装维护简单。， 不适合人数量较多或者人员经常流动( 指经常有人入职和离职) 的地方，也不适 合门数量多于5 的工程。 联网模式各门禁控制器联网运行，在监控中心使用“基站门禁系统监控软件” 即可完成系统设置、校对时问、下载丌门记录等工作。 4 中山人学顾l 学位论文 r f i d 门禁系统的研究j 实现 1 ，2 3 。2 联网门禁 联网fj 禁系统能够和计算机进行通通过安装以引算机f ：的fj 禁管理软件 进行卡的权限的设置和分析查询门禁出入记录。电脑不开，系统也可以脱机正常 运行。软件运行可以进行权限和参数的设置，可以实时监控各个门的进出情况。 可以统计考勤报表等。联网门禁系统主要有两个类型： l 、4 8 5 联网门禁系统，就是门禁控制器和控制中心采用r s 4 8 5 信号进行通 讯。可以直接使用软件进行管理，包括号和事件控制。所以有管理方便、控制集 中、可以查看记录、对记录进行分析处理以用于其它目的。 2 、t c p i p 门禁系统，也叫以太网联网门禁系统，也是可以联网的门禁系统， 但是通过网络线把电脑和控制器进行联网。除具有4 8 5 门禁联网的全部优点以 外，还具有速度更快，安装更简单，联网数量更大，可以跨地域或者跨城联网。 适合安装在大项目、人数量多、对速度有要求、跨地域的工程中。这类系统的缺 点是设备价格高，系统的通讯部分的稳定需要依赖于局域网的稳定。 1 3 门禁系统的发展 密码门禁系统由于其本身的安全性弱和便捷性差已经面临淘汰，而磁卡、接 触式i c 卡对操作环境的要求较高，磁卡及i c 卡本身的工作有一定寿命期，再加 之识别过程中操作者的动作和所需时间明显多于非接触式卡，因而，虽然磁卡、 接触式i c 卡、读卡器在门禁系统的应月 中还有一部分市场，但从发展趋势上看， 除宾馆锁外，磁卡i c 卡读卡器已在逐步快速地退出门禁系统市场。势必将全面 取代磁卡、i c 卡市场的是目前发展势头j 下旺的非接触式i d 卡和i c 卡。 5 中山人学琐i 擘位论文 r f i d 门禁系统的研究，实现 1 4 门禁系统的功能 以联嘲式| j 禁系统为例fj 禁系统需要j l 簖的最牧小j 力能仃： i 、设定进出门的权限：对每个门禁进行设置，确定哪些卡可以进出； 2 、设定每张卡进出门的时段：设置每个门禁上每张卡在什么时自j 范围内可 以进出； 3 、实时监控功能：系统管理人员可以通过监控计算机实时奄看每个门人员 的进出情况、每个门的状态( 包括门的丌关，各种非正常状态报警等) 。紧急情 况发生时会打开某一个门或所有的门； 4 、出入记录查询功能：系统可储存所有的进出记录、状态记录，可按不同 的查询条件查询。可将开门的数据转为考勤数据、巡更数据，这样，无需考勤机、 巡更机就能考勤、巡更； 5 、异常报警功能：当门打开时间过长，非法闯入、门锁被破坏等情况出现 时，可以实现计算机报警。另输出报警信号供防盗系统用； 6 中l “人学顺l 。学位论文r f i d 门荣系统的研究ij 实现 第2 章实现r f i d 门禁系统的关键技术和标准 2 1r f i d 技术 2 1 1r f i d 技术的概念 无线射频识别技术 3 1 ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) ，或称射频识别 技术，是从二十世纪9 0 年代兴起的一项非接触式自动识别技术。它是利用射频 方式进行非接触双向通信，以达到自动识别 标对象并获取相关数据，具有精度 高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。 2 1 2r f i d 技术的发展状况 近年来，无线射频识别技术在国内外发展很快，r f i d 产品种类很多，像1 1 、 m o t o r o l a 、p h i l i p s 、m i c r o c h i p 等世界著名厂家都生产r f i d 产品，并且各有特点， 自成系列。r f i d 已被广泛应用予工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理 等众多领域，例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品 管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防 盗等。随着成本的下降和标准化的实话，r f l d 技术的全面推广和普遍应用将是 不可逆转的趁势。 2 1 3r f i d 技术在实现门禁系统上的优势 目前门禁系统常用的识别技术中，磁卡的成本较低，但是都容易磨损，且数 据量8 1 l d , ；接触式i c 卡的价格稍高些，数掘存储量较大，安全性好，但是也容 易磨损，寿命短；r f i d 卡相对于其它传统的卡类来说有以下的优势： 1 、实现了免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，无需可见光源， 7 中山人学硕i ：学位论义 r f i d 门禁系统的研究。，实现 穿透性好，抗污染能力和耐久性强 译： 2 、可以存恶劣环境下t 作，对环境要求低 3 、读取螂! 离远，| l 二需与 j 标t i ! 耋= 触就f q 以得到数掘； 4 、支持写入数据，无需重新制作新的标签，可重复使用； 5 、安全可靠、误读或不读卡的机率几乎为零，成百上千亿的密码，无法破 6 、使用了防冲撞技术，能够_ 【 别高速运动物体并可同时识别多个射频卡； 2 1 4r f i d 系统的组成 r f i d 系统因应用不同其组成会有所不同1 4 i ，但基本都由电子标签( t a g ) 、 阅读器( r e a d e r ) 和数据交换与管理系统( p r o c e s s o r ) 三大部分组成。屯子标签 ( 或称射频卡、应答器等) ，由耦合元件及芯片组成，其中饱含带加密逻辑、串 行e e p r o m ( 电可擦除及可编程式只读存储器) 、微处理器c p u 以及射频收发 及相关电路。电子标签具有智能读写和加密通信的功能，它是通过无线电波与读 写设备进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。阅读器，有 时也被称为查询器、读写器或读出装置，主要由无线收发模块、天线、控制模块 及接口电路等组成。阅读器可将主机的读写命令传送到电子标签，再把从主机发 往电子标签的数据加密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。数据交换与管 理系统主要完成数据信息的存储及管理、对卡进行读写控制等。 2 1 5r f i d 系统的工作原理 r f i d 系统的工作原理如下1 3 1 ：阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一 频率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲 8 中山人学域i j 学位论文 r f i d 门禁系统的研究j 实现 信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、 密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息。 经加密、编码、调制后通过k 内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进 行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写 命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写e e p r o m 中的 内容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息r f i d 基 本原理框图如下图所示。 f 图2 - 1 ) 2 1 6r f i d 技术的分类 r f i d 技术的分类方式常见的有下面四种p i ： 2 1 6 i 按工作频率划分 根据电子标签工作频率的不同通常可分为低频( 3 0 k h z 3 0 0 k h z ) 、中频 ( 3 m h z 3 0 m h z ) 和高频系统( 3 0 0 m i - i z 3 g h z ) 。r f i d 系统的常见工作频率 有低频1 2 5 k h z 、1 3 4 2 k h z ，中频1 3 5 6 m h z ，高频8 6 0 m l - i z 9 3 0 m l - l z 、2 4 5 g h z 、 5 8 g h z 等。低频系统特点是电予标签内保存的数据量较少，阅读距离较短，电 q 中山人学顾l 学位论文r f i d 门禁系统的研究。，实现 于标签外形多样，阅读天线方向性不强等。主要用于短距离、低成本的应用中， 如多数的门禁控制、校同号、煤气表、水表等；中频系统则用于需传送人嚣数据 的应用系统：岛频系统的特点是电f 丰，j i 签发阅读器成本均较高，标签内保存的数 据量较大，阅读距离较远( 可达十几米) ，适应物体高速运动，性能好。阅读天 线及电子标签天线均有较强的方向性，但其天线宽波束方向较窄且价格较高，主 要用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，多在火车监控、高速公路收费 等系统中应用。 2 1 6 2 按电子标签的不同划分 根据电子标签的不同可分为可读写卡( r w ) 、一次写入多次读出卡( w o r m ) 和只读卡( r o ) 。r w 卡一般比w o r m 卡和r o 卡贵得多，如电话卡、信用卡 等；w o r m 卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变，比r w 卡要 便宜：r o 卡存有一个唯一的号码，不能逐改，保证了安全性。 2 1 6 3 按电子标签的有源和无源划分 根据电子标签的有源和无源又可分为有源的和无源的。有源电子标签使用卡 内电流的能量、识别距离较长，可达十几米，但是它的寿命有限( 3 1 0 年) ， 且价格较高；无源电子标签不含电池，它接收到阅读器( 读出装置) 发出的微波 信号后，利用阅读器发射的电磁波提供能量，一般可做到免维护、重量轻、体积 小、寿命长、较便宜，但它的发射距离受限制，一般是几十厘米，且需要阅读器 的发射功率大。 1 0 中山人学硕l 学位论文r f i d 门禁系统的研究。j 实现 2 1 6 3 按电r 标签凋制方式的不同划分 根据电子标签调制方式的不同还可分为主动式( a c t i r et a g ) 和被动式( p a s s i v e t a g ) 。主动式的电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器，主要用于 有障碍物的应用中，距离较远( 可达3 0 米) ；被动式的电予标签，使用调制散射 方式发射数据，它必须利用阅读器读写器的载波调制自己的信号，适宜在门禁或 交通的应用中使用。 2 1 7r f i d 技术标准 目前常用的r f i d 国际标准1 5 1 主要有用于对动物识别的1 8 0 1 1 7 8 4 和 1 s o l l 7 8 5 ，用于非接触智能卡的1 s 0 1 0 5 3 6 ( c l o s ec o u p l e dc a r d s ) 、i s o1 5 6 9 3 ( v i c i n i t yc a r d s ) 、i s 0 1 4 4 4 3 ( p r o x i m i t ye a r a s ) ，用于集装箱识别的i s o1 0 3 7 4 等。 目前国际上制定r i f d 标准的组织比较著名的有三个：i s o ，以美国为首的e p c g l o b a l 以及日本的u b i q u i t o u si dc e n t e r ，而这三个组织对r f i d 技术应用规范都 有各自的目标与发展规划。下面对常见的几个标准加以简介 2 1 7 1i s 01 1 7 8 4 和i s o1 1 7 8 5 技术标准 i s o1 1 7 8 4 和i s o1 1 7 8 5 分别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标准 中没有对应答器样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物的各种 形式，如玻璃管状，卫标或项圈等。代码结构为“位，其中的2 7 至6 4 位可由 各个国家自行定义。技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工作 频率为1 3 4 2 k h z ，数据传输方式有全双工和半双工两种，阅读器数据以差分双 1 1 中山人学碗i 学位论文r f l d 门禁系统的研究j 实现 相代码表示，应答器件采用f s k 调制，n r z 编码。由于存在较长的应答器充电 时m 和t 作频率的限制，通信速率较低。 2 1 7 2i s 01 0 5 3 6 、i s 01 5 6 9 3 和i s 0 1 4 4 4 3 技术标准 i s o1 0 5 3 6 标准发展于1 9 9 2 年1 9 9 5 年白j ，由于这种卡的成本高，与接触式 l c 卡相比优点很少，因此这种卡从未在市场上销售。i s o1 4 4 4 3 和1 s o1 5 6 9 3 标 准在1 9 9 5 年丌始操作，其完成则是在2 0 0 0 年之后，二哲皆以1 3 5 6 m h z 交变信 号为载波频率。i s o1 5 6 9 3 读写距离较远，而i s o1 4 4 4 3 读写距离稍近，但应用 较广泛。目前的第二代电子身份证采用的标准是i s o1 4 4 4 3t y p eb 协议。i s o 1 4 4 4 3 定义了t y p ea 、t y p eb 两种类型协议，通信速率为1 0 6 k b i t s ，它们的不 同毛要在于载波的调制深度及位的编码方式。t y p ea 采用| 丌关键控( o n o f f k e y i n g ) 的m a n c h e s t e r 编码，t y p e b 采用嘞l 的b p s k 编码。t y p e b 与t y p e a 相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力列强的优点。r f i d 的核 心是防冲撞技术，这也是和接触式l c 卡的主要区别。i s o1 4 4 4 3 3 规定了t y p e a 和t y p eb 的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同，前者是基于位冲撞检 测协议，而t y p eb 通信系列命令序列完成防冲撞。i s o1 5 6 9 3 采用轮寻机制、 分时查询的方式完成防冲撞机制。防冲撞机制使得同时处于读写区内的多张卡的 正确操作成为可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。 2 1 7 3i s 01 0 3 7 4 i s o1 0 3 7 4 标准说明了基于微波应答器的集装箱自动识别系统。 应答器为有源设备，工作频率为8 5 0 m l - i z 9 5 0 m h z 及2 4 g i - l z 2 5 g i - l z 。只 要应答器处于此场内就会被活化并采用变形的f s k 副载波通过反向散射调制做 1 2 中山人学坝i 学位论文r f l d 门禁系统的研究j 实现 出应答。信号在两个副载波频率4 0 k h z 和2 0 k h z 之i 日j 被调制。 此标准和i s 0 6 3 4 6 共同应用于集装箱的识别，i s 0 6 3 4 6 规定了光学识别，i s o 1 0 3 7 4 则用微波的方式束表征光学识别的信息。 2 1 7 4i s o1 8 0 0 0 技术标准 i s o1 8 0 0 0 是一系列标准，此标准是目前较新的标准，原因是它可用于商品 的供应链，其中的部分标准也难在形成之中。i s o1 8 0 0 0 6 基本上是整合了一些 现有r f i d 厂商的减速器规格和e a n u c c 所提出的标签架构要求而订出的规 范。i s o1 8 0 0 0 只规定了空气接口协议，对数据内容和数据结构无限制，因此可 用于e p c 。 2 1 8r f i d 防碰撞算法 防碰撞方法综述 6 1 早期的r f i d 系统中，1 次只能读写1 个射频卡。射频卡之间要保持一定距 离，确保一次只有一个卡在读写区域内，应用起来很不方便。很多时候不可避免 地会出现多个射频卡进入识别区域时信号互相干扰的情况，即碰撞。具有防碰撞 性能的系统可以同时识别进入识别距离的所有射频卡，其并行工作方式大大提高 了系统的效率。 常见的防碰撞措施有四种。 空分多路法( s d m a ) 的主要实现方式是在读写器上使用相控阵天线作为电 于控制定向天线，使天线的方向图依次对准作用范围内不同的标签，从而实现多 路存取。缺点是复杂的天线系统和相当高的实施费用。 频分多路法( f d m a ) 是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时提供给 中山人学硕l 学位论史 r f l d 门禁系统的研究j 实现 用户使用的技术。对于r f i d 系统束说，就是要求标签对于读写器的应答使用不 同的频率，这种方法的缺点是读写器的成本相当高，冈为每个接收通路由于频率 小州，必须有自己的接收器。 码分多路法( c d m a ) 主要基于扩频通信技术，c d m a 主要由扩频和码分组 成，扩频完成信息带宽的扩展及信息传输；码分解决基站与用户信道的标识问题。 由于通信频带及技术复杂性，c d m a 技术很难在r f i d 系统中应用。 时分多路法( t d m a ) 是把整个可供使用的通路容量按时问分配给多个用户 的技术。由于其实现的方便性，r f i d 系统中的多路存取技术大部分是基于t d m a 的。下面简要介绍几种典型的基于t d m a 的防标签碰撞算法。 2 1 8 1 纯a l o h a 算法 纯a l o h a 算法算法建立在一种防碰撞原则的基础上，当若干标签在随机的时 间间隔发送数据包时，如果发生数据包冲突，则标签就会等待一个随机的时间段 之后再次发送数据。这种算法只适用于只读标签的应用场景，且吞吐率较低，只 有o 1 8 4 。因此又发展了时隙a l o h a 算法。 2 1 8 2 时隙a l o h a 算法： 时隙a l o h a 算法是一种由读写器控制的随机t d m a 方法，可以改善a l o h a 算法的吞吐率。它将信道分为很多时隙，每个时隙正好传送一个分组。时隙的长 度由系统时钟决定。各控制单元必须与此时钟同步。对于r f i d 系统，标签只在 规定的同步时隙内才能传输数据包，对所有的标签所必须的同步由读写器控制， 和a l o h a 算法一样，发生碰撞后，各标签仍是经过随机时延后分散重发的。与 1 4 中山人学硕t 学位论文 r f i d 门禁系统的研究o j 实现 a l o h a 算法相比，吞吐率为0 3 6 8 。为了改善在多标签环境下的性能，又提出了 动态时隙a l o h a 算法。 2 1 8 3 动态时隙a l o h a 算法 动态时隙a l o h a 算法可以动念调整时隙的数量。读写器在等待状念中的循环 时隙段内发送请求命令( 使在读写器作刚范围内的所有标签同步，并促使标签在 下一个时隙罩将它的序列号传输给读写器) ，然后有1 之个时隙给可能存在的标 签使用。如果有较多的标签在两个时隙内发生了碰撞，就用下一个请求命令增加 可供使用的时隙的数量( 如4 、8 、) ，直到能够发现一个唯一的标签为止。不 论是a l o h a 算法、时隙a l o h a 算法还是动态时隙a l o h a 算法，所有标签的数据发 送都是随机的，相对来说不能够保证整个系统的可靠性，信道的利用率也比较低。 2 1 8 4 二进制树 如果数据包在传输过程中发生碰撞，这种协议允许读写器使用二进制搜索树 的运算法则和一个比特的数据来解决冲突。因为每个标签本身都有一个i d ，所 以读写器可以指定一个特定范围内的m 来读取标签，而这些标签必须对读写器 的询问做出应答，其他标签则保持缄默。这时如果有两个标签由于同时上传数据 而发生碰撞，读写器可以精确的检测出i d 发生碰撞的比特位并找出对应的标签。 依靠这种复杂的二进制搜索树运算理论，读写器可以读出所有的标签。 中山人学硕i j 学位论文r f i d 门禁系统的研究，实现 2 1 8 5 动态二进制树 ：进制树搜索箢利、的肚硎；f ：从缩小搜索范和传输数抓的) c 余发，义 提出了动念二进制树搜索算法。动念二进制树搜索算法是在分析读写器请求命令 数据与标签应答数据之间的互补性的基础上，动态地改变读写器请求命令数据位 数和标签应答数据位数，从而避免标签数据序列号在两个方向上完整传输。例如； 标签的序列号为n 位，碰撞位置为x 位这时读写器请求命令只需发送要搜索 的序列号的n - x 位和有效位的编号作为搜索依据，而标签应答只需传送( x 1 ) 一1 位数据即可。这样就大大减少了数据的传输量，缩短了系统通讯时间。同其 他多路存取方法相比，系统的吞吐率可以达到约o 5 。在i s o b e c1 4 4 4 3 a 标准和 e p cc l a s s 0 标准中，都以动态二进制树搜索算法作为防碰撞方法。 2 2 串行数据接口标准 2 2 1r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 的由来川 r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 与r s 4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协 会( e i a ) 制订并发布的，r s 2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为e i a - 2 3 2 e ，作为工 业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。r s 4 2 2 由r s 2 3 2 发展丽来，它是为 弥补r s 2 3 2 之不足而提出的。为改进r s 2 3 2 通信距离短、速率低的缺点，r s 4 2 2 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到1 0 m b s ，传输距离延长到4 0 0 0 英 尺( 速率低于1 0 0 k b s 时) ，并允许在一条平衡总线上连接最多1 0 个接收器。 r s 4 2 2 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为 t i a e 1 a - 4 2 2 a 标准。为扩展应用范围，e 1 a 又于1 9 8 3 年在r s 4 2 2 基础上制定 了r s 4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条 1 6 中山人学l 鳓 。学位论殳r f i d 门荣系统的研究j 实现 总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围， 后命名为t i a e i a 4 8 5 一a 标准。由于e i a 提出的建议标准都足以“r s ”作为l j i 缀，所以往通吼圳l 业领域，仍然习惯将上述标准以r s 作日i 缀称嘴。 r s 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插 件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界 的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如录像 机厂家中的s o n y 与松下对录像机的r s 一4 2 2 控制协议是有差异的，视频服务器上 的控制协议则更多了，如l o u t h 、o d e t i s 协议是公开的，而p r o l i n k 贝l j 是基于p r o f i l e 上的。 2 2 2r s 2 3 2 串行接口标准 目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。r s 2 3 2 被定 ： ：! 。 义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传 输方式，即所谓单端通讯 西 2 4 2 3 2 2 2 l 麟r s - 2 3 2 ；，鹫 鹏2 5 连接鼯；i 弹 话 1 7 1 6 1 5 ( 图2 1 ) 收、发端的数据信号是相对于信号地，如从d t e 设备发出的数据在使用d b 2 5 连接器时是2 脚相对7 脚( 信号地) 的电平，d b 2 5 各引脚定义参见上图。典型 的r s 2 3 2 信号在正负电平之| 日j 摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平 嘶 咖嗽ml呈雕h伽n眨u加98765432l 中山人学顾i 。学位论文r f i d 门禁系统的研究实现 在+ 5 + 1 5 v ，负电平在5 一1 5 v 电平。当无数掘传输时，线上为1 r r l ，从丌始 传送数据到结束，线一卜电平从t t l 电平到r s 2 3 2 电平再返网r r l 电平。接收 器媳型的工作电半住+ 3 + 1 2 v 与一3 1 2 v 。由j 二发送f 乜乎与接收电平的差仪为 2 v 至3 v 左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送 距离最大为约1 5 米，最高速率为2 0 k b s 。r s 2 3 2 是为点对点( 即只用一对收、 发设备) 通讯而设计的，其驱动器负载为3 7 k q 。所以r s 2 3 2 适合本地设备 之间的通信。其有关电气参数参见表2 1 。 规定r s 2 3 2r = s 4 2 2r 4 8 5 工作方式单端差分 差分 节点数1 收、1 发1 发1 0 收1 发3 2 收 最大传输电缆长度5 0 英尺4 0 0 英尺4 0 0 英尺 最大传输速率 2 0 k b s1 0 n b s1 0 m b s o 2 5 v 最大驱动输出电压 + - 2 s v - 7 v + 1 2 v + 6 v 驱动器输出信号电平 负载+ | 斟七1 1 5 v + - 2 0 v + - 1 5 v ( 负载最小值) 驱动器输出信号电平 空载 + 1 - 2 5 v+ - 6 v + - 6 v ( 空载最大值) 驱动器负载阻抗( q ) 3 k 7 k 1 0 0 5 4 摆率( 最大值) 3 0 v i j sn a n a 接收器输入电压范围 + - 1 5 v 一1 0 v + 1 0 v一7 v + 1 2 v 中山人学颂f j 学位论史 r f l d 门禁系统的研究。j 实现 接收器输入门限 + - 3 v 接收器输入电阻( q ) 3 k 7 k j 。j ! + - 2 0 0 m yi + - 2 0 0 m y | + 4 k ( 最小) ： 1 2 k ： i “。1 驱动器共模电压- 3 v + 3 v - 1 v + 3 v 接收器共模电压 - 7 v + 7 v- 7 v + 1 2 v 表2 1 2 2 3r s 4 2 2 与r s 4 8 5 串行接口标准 2 2 3 1 平衡传输 r s - 4 2 2 、r s - 4 8 5 与r s - 2 3 2 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡 传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为a ，另一线定义为b ，如图2 2 。 ( 圈2 2 ) 通常情况下，发送驱动器a 、b 之间的正电平在+ 2 + 6 v ，是一个逻辑状态。负 电平在- 2 6 v ，是另一个逻辑状态。另有一个信号地c ，在r s 4 8 5 中还有一“使 能”端，而在r s 4 2 2 中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与 传输线的切断与连接。当“使能”端起作用时，发送驱动器处于高阻状态，称作 “第三态”，即它是有别于逻辑“1 ”与“0 ”的第三态。 接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通过平衡双绞线将a a 与b b 对应 相连，当在收端a b 之问有大于+ 2 0 0 m v 的电平时，输出正逻辑电平，小于2 0 0 m v 时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在2 0 0 m v 至6 v 之 中山人学硕i + 学位论文r f l d 门禁系统的研究0 实现 i 、日j 。参见图2 3 。 2 0 撕。 - 秘9 l 。置1 2 2 3 2r s - 4 2 2 电气规定 ( 幽2 3 ) v 姻 电压范围 传赣电压范糟 r s - 4 2 2 标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电 路的特性。图2 5 是典型的r s 4 2 2 四线接口。实际上还有一根信号地线，共5 根线。图2 4 是其d b 9 连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱 动器比r s 2 3 2 更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最 多可接1 0 个节点。即一个主设备( m a s t e r ) ，其余为从设备( s a l v e ) ，从设备之 白j 不能通信，所以r s - 4 2 2 支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4 k ，故发 端最大负载能力是1 0 x 4 k + 1 0 0 q ( 终接电阻) 。r s 4 2 2 四线接口由于采用单独的 发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必须的信号交换均可 以按软件方式( x 0 n x 0 f f 握手) 或硬件方式( 一对单独的双绞线) 。 中山人学硕i 擘位论文r f i d 门禁系统的研究j 实现 t xb6 r xb 7 8 + 9 v9 图2 4 g n i ) t xa r xa g n d g 一发送疆动_r 一接毂_ 4 - 糟号壤 一霹护鼍或帆籀境g w g 一电瓣地 图2 5 r s - 4 2 2 的最大传输距离为4 0 0 0 英尺( 约1 2 1 9 米) ，最大传输速率为1 0 m b s 。 其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在1 0 0 k b s 速率以下，才可能达到最大 传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般1 0 0 米长的双绞线 上所能获得的最大传输速率仅为1 m b s 。 r s 一4 2 2 需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在矩距离 传输时可不需终接电阻，即一般在3 0 0 米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输 电缆的最远端。 r s - 4 2 2 有关电气参数见表2 1 2 2 3 3r s - 4 8 5 电气规定 由于r s - 4 8 5 是从r s 一4 2 2 基础上发展而来的，所以r s - 4 8 5 许多电气规定与 r s 4 2 2 相仿。如都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终接电阻等。r s 4