毕业设计（论文）-基于RFID的智能办公系统设计.doc

全套图纸加扣 3012250582 第4页 共IV页编号： 毕业设计说明书题 目： 基于RFID的智能办公 系统设计 学 院： 机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 高级实验师 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2012年 5 月23 日摘要办公室节能作为智能办公和低碳办公的一个核心关键技术，对未来的办公模式提供了明确的方向。在日常办公中，很多电器设备的冗余运行和人为失误造成的资源浪费，使得办公能耗加大、办公成本增加。办公室节能系统的设计变得极其重要。因此，可以利用现有广泛使用的无线射频技术（RFID），对办公室用电器设备进行有效管理，减少人为参与，尽量避免人为失误带来的资源浪费。通过无线射频技术(RFID)的应用，采用刷卡方式对用电办公设备（如打印机等）和空调等大功率设备的使用的记录和优化管理。刷IC卡信息将记录在电脑数据库中，还可以做考勤管理、门禁管理等扩展功能。随着无线射频技术的不断发展，设备成本逐渐的降低，可以适用于普通或者大型公司中。减少公司运营成本，提高资源的共享利用率，减少资源的浪费，具有很好的市场前景。关键字：办公室节能；无线射频技术；资源；IC卡AbstractOffice of Energy-saving is a core and key technologies for intelligent office and low-carbon office. It provides a clear direction for future office model. In daily work, a lot of electric equipment of redundancy operation and human error caused by the waste of resources, it will make the cost of increased energy consumption. Designing office of energy-saving system become extremely important.Therefore, we can use the existing widespread use of radio frequency technology (RFID), and effective management of the office and electrical equipment to reduce human involvement, to avoid human error and waste of resources. Through the application of radio frequency (RFID) technology, the use of records and optimize the management of the credit card on electricity consumption of office equipment (like printers, etc.) and air-conditioning and other power equipment. The credit IC card information will be recorded in a computer database；You can also do the time and attendance management, access control and other extensions.With the continuous development of wireless radio frequency technology and equipment costs decreased, can be applied to the ordinary or large companies. Reduce the companys operating costs; improve the sharing of resources utilization, reducing wastage of resources, with good market prospects.Key words：Office of Energy-saving；RFID；resources；IC cart目录引言1第一章研究背景21.1 射频技术原理21.2.1 电子标签（Tag）21.2 REID 的工作频率41.3 阅读器（Reader）41.3.1 阅读器的作用41.3.2阅读器的结构51.3.3 阅读器的形式51.4 应用软件61.5 RFID 的研究与应用61.6 RFID 的研究情况与标准化61.6.1 EPCgolbal 网络的研究与EPC标准化71.7 非接触型IC卡概要及其动态91.7.1 IC 卡的分类101.8 RFID 系统的应用情况10第二章 单片机控制射频读卡器硬件系统设计原理132.1 总体设计方案132.2 RFID 系统工作频率的选择132.2.1 不同频段 RFID 技术特性简述132.2.2 选择理由分析152.3 电子标签的选择162.4 高频接口电路控制芯片的选择172.5 阅读器终端控制芯片的选择172.6 读卡器和上位机通信接口的选择172.6.1 MF RC500工作特性182.7 Mifare 1 电子标签的功能组成212.7.1 RFID 卡的优点222.8 M1 卡简介222.8.1 主要指标：222.8.2 存储结构：232.8.3 工作原理262.8.3 M1 射频卡与读写器的通讯27第三章读卡器硬件系统设计原理293.1电源部分293.2 AT89S52 与MF RC500芯片的硬件连接设计303.2.1 MF RC500 的电源部分设计323.2.2 晶体振荡电路333.4 天线部分设计383.4.1 环形天线设计中的几个限制因素：383.4.2天线线圈的设计403.5 本章小结41第四章读卡器系统软件驱动程序设计434.1 ISO 14443 标准的相关规定434.1.1物理特性444.1.2射频接口444.1.3初始化与防冲突444.2 系统初始化454.3 MF RC500初始化464.4 读取序列号474.5 请求应答484.6 防冲突操作494.7 选卡片操作494.8认证操作504.9 读操作504.10写操作504.11 本章小结50第五章 上位机控制系统515.1 数据库的管理515.2 IC卡管理51第六章硬件模拟系统52第七章结论53致谢54参考文献：55附录57 全套图纸加扣 3012250582 第64页 共64页引言近年来，随着无线射频技术的不断发展，无线化的趋势越来越明显。无论是公司职工的考勤管理还是设备的管理，都可以采用无线射频技术（简称：RFID）。而且RFID在使用上方便，而且保密也逐渐成熟。RFID技术最早是美国海军用来管理军用品物流，对物流中的军需品进行跟踪式的管理，后来逐渐推广开来，进入一些配件销售和制造行业中。到后来进入到如医疗和食物的管理这样重要的行业中来。在日本使用更多是在于不停车收费、企业原料的管理和食品跟踪等方面。基于RFID的优点，其在国外的使用面更广，程度更高。在国内的使用情况没有国外的那么广泛，大部分只是局限于交通的票证，和二代身份证中，或者是人员记录卡（如一卡通，考勤卡）中。之所以使用的范围比较狭窄，是因为国内RFID技术起步较晚，技术相对于国外来讲还是比较薄弱。随着国家的提倡，和政策上的大力支持，国内越来越多人开始研究无线射频技术。本文也是基于RFID现状，结合节能减排，探讨研究基于RFID技术的办公节能系统。在下文中，主要讲到了RFID技术的背景、发展、和原理。详细介绍了通信协议的国际标准；阅读器的硬件电路设计，芯片选用；智能卡片原理介绍、卡片选择、传输协议，及其与阅读器的联合工作程序的主要部分，以及上位机的基本功能。采用的模拟系统展示节能系统的工作方式。第一章研究背景1.1 射频技术原理阅读器（Reader）通过天线发送一定频率的射频信号，如果有标签（Tag）进入到磁场时，标签中的线圈产生感应电流而获得能量，并发出自身所的编码等信息，被阅读器读取，解码后发送到单片机或者电脑进行判断和做出相应的处理。阅读器（Reader）RS232等接口PCC天线无线电波电子标签(Tag)在射频识别的技术中，较典型的是无源RFID系统，它由无源RFID标签、天线、RFID读卡系统组成。如图1.1.1所示图1.1.1 无源RFID系统硬件组成1典型的RFID系统有RFID标签（Tag），阅读器（Reader）、应用支撑软件三部分组成。1.2.1 电子标签（Tag）电子标签是由芯片和天线（Antenna）组成，每个标签都具有一个唯一的出厂编码。标签附着在要标识的目标的对象上。当带有标签的标识对象进入到具有一定的无限射频信号的范围时，能够反射回携带有数字或者是字母的编码信息信号。再由阅读器的处理识别。在标签的种类中，根据发送射频信号的不同，可以分为主动式(Active)和被动式(Passive)两种。主动式电子标签，是主动向阅读器发送射频信号，通常有内置电池供电，常常又称为有源的电子标签。与它相对的被动式，是不带电池，也称为无源电子标签。阅读器的产生的电磁波为被动式电子标签发射的电波和内部处理器的运行提供能量。被动式电子标签在获得阅读器提供的电磁波信号后，将一部分的电磁能量转化为自身工作的能量。主动式与被动式电子标签的特性如表1-1表1-1 主动式与被动式电子标签的电气特性对比主动式电子标签被动式电子标签能量来源自身电池供电，可持续供电通过电磁感应获取工作距离可达100可达35m，通常取2040cm信号强度要求低高平均价格高低工作寿命24年长从表中可以看到，主动式标签通常具有更远距离的识别，信号也较强，但其价格也比较高，寿命也会因为自身携带电源的寿命而受到影响，被主要用于贵重的物品长距离检测领域中应用。被动式电子标签，在价格和寿命上有明显的优势，但是其的工作距离和存储的容量收到能量的来源的影响而受到影响。标签芯片不同领域，不同场合的使用，对电子标签的芯片的要求也会不同。在电子标签中，控制的操作频率、数据的传输率、信号的调制、数据的加密和解密、数据的读写等机制，都有其自身所带的芯片来完成。在得到工作能量后，芯片会将存储区的数据进行加密，并且通过调制信号的方式经过天线传送到阅读器模块，也可以将阅读器模块发过来的信号解密成更新的数据写到芯片的存储区，完成读写过程。天线电子标签的天线是一个重要的环节，其在感应到阅读器（Reader）发出的射频能量后，完成数据的更新和读取。因此，标签天线的大小和电力是影响整个系统的阅读能力和阅读距离的主要因素之一。在该系统中，标签天线电路使用LC谐振电路或者是采用电双极天线所制成。在谐振频率小于100MHz 时，阅读器和标签之间的通信采用的是电磁感应方式进行，这样的通信方式下的天线称为磁偶极子天线。当谐振频率大于100MHz 时，阅读器与标签之间采用的通信方式是电磁传播的方式进行。但由于所需的LC的值太小，不能以实际的电容和电感元件组成。随着频率的增大，波长变短。此时，需要使用一种简单的导体组成的信号波长的一半或者是，比它小得多的天线来满足系统的需求，这样的天线称为电双极天线。RFID标签根据应用场合、形状、工作频率和工作距离等因素的不同采用不同类型的天线。一个RFID标签通常包含一个或多个天线。标签的天线制作工艺有线圈工艺、蚀刻工艺、印刷工艺等方法：(1) 线圈工艺要求天线线圈要逐个绝缘，因此生产费时，成本较高，不利于大量生产，但通信距离相对较长；(2) 蚀刻工艺是在附着铝箔或铜箔的胶片上进行蚀刻形成的天线。可形成器件卷，用高速贴片机组装，适合于大量生产，价格相对较低，是目前主流工艺；(3) 印刷工艺是通过使用导电油墨(如银糊)的丝网印刷法形成天线的工艺，有望生产最廉价的RFID电子标签。但目前此类天线的电子标签在频率特性和导电稳定性方面还存在问题。为了保护标签的芯片与天线，同时也便于使用者携带和使用，根据不同的人员需求，可以将标签封装成不同形状和大小，如：射频卡、智能标签、玻璃管标签、钥匙挂件、腕带标签等。1.2 REID 的工作频率目前RFID 使用的频率跨越低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波等多个频段。RFID 频率的选择，对信号传输的距离、速度等都会有比较明显的影响，同时还在法律上，各个国家根据自己的实际情况有法律限制。1.3 阅读器（Reader）在RFID 系统中，阅读器（Reader）是一个很重要的组成部分，同时，也被称为查询器、通讯设备或者读卡器等。阅读器的主要任务就是控制射频模块向电子标签发射出相匹配的载波能量，并接受标签的应答信号，对标签的对象的标识信息进行解密，并将标签中的其他信息传送到主机上处理。阅读器的工作频率决定了RFID 系统的工作频段；阅读器的功率将会直接影响到工作距离与阅读效果的好坏。1.3.1 阅读器的作用阅读器是应用系统与标签之间的桥梁，用于实现对标签数据的读写功能。其主要功能如下：(1) 阅读器与标签之间的通信功能：目前技术条件下可实现阅读器和标签之间的双向通信；(2) 阅读器和计算机之间可以通过标准接口如RS232等进行通信，提供本阅读器的识别码、本阅读器读出标签的实时时间、读出的标签信息；(3) 能够在阅读区内实现多标签同时识读，具备防冲撞功能；(4) 能够校验读写过中的错误信息；(5) 对于有源系统，阅读器能够识别标签电池的相关信息，如电量等。1.3.2阅读器的结构阅读器的基本构成分为两个部分：硬件部分和软件部分。软件部分负责对阅读器接收到的指令进行响应和对标签发出相应的动作指令；与应用系统软件进行通信；执行防碰撞算法等。硬件部分通常由两个基本功能模块组成，即控制系统和高频接口(接口器、发送器)。控制系统也称为读写模块，其主要任务是：(1) 执行从应用系统软件发来的动作指令；(2) 控制与射频电子标签的通信过程；(3) 信号的编码与解码；(4) 对阅读器和标签之间传送的数据进行加密和解密；(5) 进行阅读器和标签之间的身份验证。高频接口也称为射频模块，其主要任务是：(1) 产生高频发射能量，激活射频电子标签并为其提供能量；(2) 对发射信号进行调制，用于将数据传输给射频电子标签；(3) 接收并解调来自射频电子标签的射频信号。高频接口和控制器之间的接口将高频接口的状态以二进制的形式表示出来。1 表示有高频信号，0 表示没有高频信号。1.3.3 阅读器的形式根据应用场合和应用范围的不同，阅读器可以制作成手持式或者固定式。目前而言，阅读器的成本还是比较高，而且大多数只能在单一的频段工作，未来的方向可以由单一频段向多频段发展，自动识别不同频率的标签，且价格有大幅降低。2.3.4 阅读器的发展目前的应用和发展来看，阅读器的有如下发展：1) 阅读器模块化，甚至不同的协议、不同的频段均可集合到一个模块上工作；2) 采用相位控制技术，预留多天线接口；3) 多种数据通信的接口，适应各种不同的应用系统需求，不同间接口之间可以相互转换，目前市场已经有了一些成品，多数具有R232/485 、USB 等单一接口方式，也可以提供其他的通信接口方式；4) 阅读器结构的小型化、便携化；5) 与更多新技术的应用，比如智能信道分配技术、通话技术等。1.4 应用软件RFID 应用软件是介于阅读器与企业应用之间的重要组成部分，这样的中间件给企业，公司提供了一系列的计算功能，在电子产品编码规范中被称为Savant。它的功能就是对阅读器和标签之间的数据或者信息进行过滤、计算和汇集，减少阅读器向企业或者单位传送不必要的数据。1.5 RFID 的研究与应用RFID是芯片技术、无线电技术和计算机技术的结合，因此RFID继承了这些技术的优点，同时必然要受到这些技术的规范。目前RFID在应用中受到的限制主要表现在以下几个不同的方面：1) 易受周围不同的开放的电磁环境的影响。2) 在对有电磁波传播有影响的物体上使用成功率小，主要是因为电子波对穿透过有的物体或者是具有吸收电磁波的物体没有很好的效果，使用的工作的成功率也不会很高，甚至在某些情况下完全不能工作。3) 阅读成功率受发射电波能量的制约。在实际工作应用中，RFID标签阅读的准确性不能达到百分之百，单位时间内可阅读的电子标签数量也是有局限的。4) 识读设备之间容易产生相互不同程度的影响。设备中，如天线放置和天线朝向，如果安装不合理，使用效果会受到严重影响，甚至完全失效。正是由于目前的RFID技术的不成熟，关于RFID技术的研究如火如荼，关于阅读器与标签、天线的研究：EPC、EPCglobal网络的研究，UID(Ubiquitous ID)研究等等。今年来，RFID技术在国内外发展很快，被广泛应用于工业自动化、商业自动考勤化、楼宇控制、交通运输控制管理、空间定位与追踪、系统安防等众多方面。1.6 RFID 的研究情况与标准化RFID研究和标准化主要的推动国家和地区有美国、日本、欧洲、和中国等。为推进RFID的研究和标准化工作而建立了EPCglobal和Ubiquitous ID Center等国际团体。同时ISOIEC也在不断的推进RFID的标准化工作。1.6.1 EPCgolbal 网络的研究与EPC标准化1 EPC 概要电子产品编码EPC(Electronic Product Code)是在作为编码ID的条码内容(厂家编码+商品分类编码)的基础上增加顺序编号形成的码制，可实现对个体商品的管理。根据关于EPC标准化的提案(EPC Tag Data Standard Version 11 REV126)(2004年9月19日)，EPC支持各行业以下的码制：GDI(General Identifier)不限定特定对象的一般D体系；GTIN(EANUCC Global Trade Item Number)使用条码等编码的世界通用商品ID体系；SSCC(EAMUCC Serial Shipping ContainerCode)识别集装箱、货运托盘的ID体系；GLN(EANUCC Global Location Number)识别场所的ID体系；GRAI(EANUCC GIobal Returnable Asset Identifier)识别运货托盘和通用包装箱等在企业之间循环使用资产的ID体系。GIAI(EANUCCGlobal Individual Asset Identifier)标准化的企业内部资产管理体系。2EPC的编码体系的组成部分（如图1.6.1）：1) 编码头码段（Header）；2) 行业管理码段（Domain Manager）；3) 商品分类码段（Object Class）；4) 顺序编号码段（Serial Number）。HeaderDomain ManagerObject ClassSerial Number识别编码体系识别企业信息识别商品信息识别编码体系图1.6.1 编码体系组成构件2 EPCglobal 的组织和标准化EPCglobal(EPC：Electronic Product Code)是RFID的国际性标准化团体，是为在全球提供RFID应用服务而开展研究和推进标准化的非营利性组织。包括了中国复旦大学在内的7所国际大学，分为商务活动组(BAG，Business AG)和技术活动组(TAG，Technical AG)正在开展RFID的前瞻性研究工作。BAG编制用于一般消费品流通的需求规范和特殊情况(医药物资流通、军事物品识别、特殊法律要求)的需求规范；根据BAG提出的需求进行软件技术标准化(在阅读器以上的网络层各组成部分的接口规范)和硬件技术标准化(RF ID电子标签与阅读器间通信协议的规范)。研究目标是利用写有EPC的RFID电子标签和阅读器提供全球供货连的体系。跟踪商品从出厂到回收利用的全部生命周期。并随时可以从Web应用层终端获取商品信息并加以利用。EPCglobal网络只读取RFID电子标签的ID(EPC)，而与ID相关联的所有信息均由网络的服务器进行管理。可以实现比条码更有效的商品流通管理。在产品的整个生命周期，EPC代码成为产品的唯一标识，以此EPC编码为索引能实时的在EPC网络上查询和更新产品相关信息，也能以它为线索，在各个流通环节对产品进行定位追踪。在运输、销售、使用、回收等任何环节，当某个阅读器在其读取范围内监测到标签的存在就会将标签所含EPC数据传往与其相连的服务器，最终获取产品的特定信息，进行必要的处理后，触发后端企业应用做更深层次的计算，同时服务器对本次阅读器读取进行记录和修改相应数据。不但可以提高商品的批发、检验等流通过程的管理效率，还能够通过自动读取商品信息实现商品防盗、仓库实时管理等诸多功能。还可以通过网络向生产厂家的EPC信息服务器进行咨询，掌握资源的循环利用情况，以逐步解决环境问题。EPCgolbal应用将产生大量RFID数据。以100个阅读器规模的RFID系统为例，每个阅读器每秒进行10次遍历，整个系统每天产生的RFID数据可达1000G规模。如何对RFID数据进行采集、过滤、分析、存储和提取也是当前RFID研究的热点之一。3 Ubiquitous ID 的研究情况2003年在日本成立了Ubiquitous ID中心，研究开发用于自动识别“物品”和“场所”的核心技术，以及开展以Ubiquitous ID技术为基础的系统应用。Ubiquitous ID中心还研究用于识别“物品”和“场所的码制(ucode)的标准化和编码配置。在信息无处不在的社会中，所有的“物品”和场所都会被赋予写有被称为“Ubiquitous编码”(code)即ID的RFID电子标签(Ubiquitous电子标签-code电子标签)，进而“人也都将持有code电子标签。系统根据这些code电子标签读取的code，可以通过网络向人们提供各种服务。为了识别现实世界中的“物品”和“场所”出现了128bit的code编码(根据需要可以以128bit为单位扩张)。UC(Ubiquitous Communicator)是在Ubiquitous处理环境与人之间进行通信的终端，能够实现在“任何时间”、“任何地点”、从“任何网络或终端获取信息的目的。UC具有PDA型、UCPhone型和称为UC的手表型等不同形式。4 ISO/IEC 的动态ISOIEC正在实施RFID电子标签与阅读器之间无线通信协议的标准化工作。主要RFID电子标签的标准及特征如下表所示表 1-2 ISO/IEC的标准化标准频段特征ISO/IEC18000-2135KHz以下第2部分规定了135KHz一下频段的A、B两种类型。由于是以无源标签为前提，因此通信距离为几十厘米左右。ISO/IEC18000-313.56MHz第3部分规定了1356MHz频段，以无源标签为前提，信用卡大小的电子标签通信距离为几十厘米左右。该标准讨论 了两种模式：模式l以IC卡的标准ISO/IECl5639为基础：模式2通信速率为424kbit/s，在高速识别等要求快速处理场合十分有效。ISO/IEC18000-42.45GHz第4部分规定了245GHz频段，讨论了两种模式：模式l采用了FHSS方式，由于是以无源标签为前提，其通信距4 离为l0m左右；模式2同样采用了FHSS方式，但由于是以内装电池为前提，其通信距离可达l0m左右。ISO/IEC18000-6860960MHz该频段在ITU(国际电信联盟)规定的第三区(亚洲/大洋洲地区)没有被指定为ISM(Industrial Scientific Medical)波860960MHz段，在日本移动电话是该频段的主要业务，但将952954MHz开放用于较大功率RFID电子标签。ISO/IEC1569313.56MHz是非接触型IC卡的近距离(170cm)国际标准。与ISO/IECl4443标准的非接触型IC卡相比存储容量较小，但通信距离较大。ISO/IEC1444313.56MHz是非接触型IC卡的微距离(几毫米几十厘米)国际标准。与ISO/IECl5693标准的非接触型IC卡相比较存储容量较1356MHz 大，通信速率也较快。共有A、B两个类型：类型A用于公用电话IC卡等用途；类型B用于公民基本信息卡和其它卡。另外FeliCa不符合本标准，但通常将其称为类型C。1.7 非接触型IC卡概要及其动态非接触型IC卡是RFID电子标签的一种类型，主要用于付账结算，具有较高的安全性。IC卡与阅读器通过物理接触进行通信的“接触型；通信距离在2mm以内的“微距型”；通信距离在10cm左右的“接近型；通信距离在70cm以内的“近距型；通信距离在70cm以上的“远距型等。除接触型的IC卡以外，都称为“非接触型IC卡，如下图2.3所示。目前，使用最为普及的是接近型IC卡。1.7.1 IC 卡的分类接触型非接触型其中“接近型”非接触IC卡又分为A类卡（Type A）、B类（Type B）和 C类（Type）3种类型。A、B两种类型的卡只能在ISO/IEC14443标准化中实现，C类卡又称为FeliCa 型，是一种特殊的规格卡。在欧美国家应用比较广泛的，A类卡多采用飞利浦公司的Mifare IC 卡。目前，在中国使用的范围也越来越大。摩托拉公司所倡导的B 类卡，大多用与居民的户籍管理。图1.7.1 IC分类1.8 RFID 系统的应用情况90年代中期用该技术生产的装置被开始应用在英国、法国、加拿大、澳大利亚、芬兰及捷克等国的公共交通系统上。随着其应用范围的不断扩大，再加上应用装置的增加，与RFID相关的行业得到了长足的发展。目前RFID典型应用包括：在物流领域用于仓库管理、生产线自动化、日用品销售；在交通运输领域用于集装箱与包裹管理、公交收费、高速公路收费与停车收费；在农牧渔业用于羊群、鱼类、水果等的管理以及宠物、野生动物跟踪；在医疗行业用于药品生产、病人看护、医疗垃圾跟踪；在制造业用于零部件与库存的可视化管理；RFID还可以应用于图书与文档管理、门禁管理、定位与物体跟踪、环境感知和支票防伪等多种应用领域。RFID 在国外的应用情况射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区，射频识别技术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：汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；流水线生产自动化；安全出入检查；仓储管理；动物管理：车辆防盗等。2003年3月，Gartner在“Symposium ITXPO 2003”上预测，RFID(E-Tags)技术属于最近25年(20052008年)将逐渐开始大规模应用的技术。根据ARC顾问集团的预测，到2008年RFID仅在全球供应链领域的市场需求将达到40亿美元目前，RFID已成为IT业界的研究热点，被视为IT业的下一个“金矿”。各大软硬件厂商，包括IBM、Motorola、Philips、TI、Microsoft、Oracle、Sun、BEA、SAP等在内的各家企业都对RFID技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，相继投入大量研发经费，推出了各自的软件或硬件产品及系统应用解决方案。在应用领域，以Wal-Mart、UPS、Gillette等为代表的大批企业已经开始准备采用RFID技术对业务系统进行改造，以提高企业的工作效率并为客户提供各种增值服务。纵观当前全球RFID技术的开发应用情况，美国在其国防部和沃尔玛等大型连锁企业积极推动下，不论在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发、各种独立应用，还是物流应用均走在世界的前列。美国很多政府部门和商业机构都使用了RFID系统。2005年10月沃尔玛已将在美国应用RFID系统的连锁店扩大到了600家，配送中心12个。通过使用RFID系统，沃尔玛不仅减少了商品的流通损耗，还是先了供应链的透明化、库存管理的合理化。吉列(Gillette)在美国销售的女性用剃刀都贴有RFID电子标签。因为这种商品体积小、价格高，在零售商店容易失窃。米其林(Michelin)也在汽车轮胎侧面设置了RFID电子标签，可以通过RFID标签内部的信息快速识别轮胎的技术参数和使用车型等12种相关信息。美国食品及药物管理局(FDA)希望通过RFID标签来确保处方药品的合法性。在这套系统中，每种药品流动都会带有具有唯一序列号的只读RFID标签。供应商可以在流通过程追踪其走向，同时在顾客购买确认时，能准确判断该种药物是否来自合法的供应商以及是否由合法零售商销售。尽管FDA认为很难在如此巨大而复杂的处方药品供应链中实现这套系统，但FDA会不断投资，并计划在2008初步实现该系统。美国国防部也采用了RFID电子标签系统提高重要军事物资在运输过程中的可监控性，取得了良好的效果。在产业方面，TI、Intel等美国集成电路厂商目前都在RFID领域投入巨资进行芯片开发。Symbol等已经研发出同时可以阅读条形码和RFID的扫描器，IBM、Microsoft等也在积极开发相应的软件及系统来支持RFID的应用。欧洲的英国和德国的零售企业也已经开展了RFID系统的试验，很多欧洲企业都在积极进行FID芯片、阅读器产品的开发。德国的麦德龙、法国的家乐福公司都使用了RFID电子标签系统。日本已在图书馆管理、工业制造等领域开始应用RFID技术，政府制定EJapan和UJapan计划，指导企业对RFID在物流领域的应用进行开发、测试和应用试验，鼓励企业尝试RFID在开放系统中的应用。新加坡在92年通过在濒临灭绝的鱼体内注入RFID标签来进行珍惜吴忠的个体管理，防止其走私。98年开发使用了RFID电子标签的图书管理系统，在1千万册图书上装贴了RFID电子标签，实现了世界上最大规模的射频识别图书管理系统。韩国于2004年开始实施了使用UHF频段RFID电子标签的试验。包括对进口澳大利亚牛肉的追溯试验、在济州机场至金普国际机场航线上防止托运行李运输差错的试验，以及军队在武器弹药管理方面的试验。3RFID 在国内的应用情况与发达国家相比，中国在RFID技术和应用上还只是处于发展初期，特别是超高频UHF应用方面基础薄弱、应用分散和缺乏规模优势，没有掌握芯片设计制造、天线设计、封装技术及装备等关键核心技术，相关标准规范不完整。同时，我国射频识别技术又拥有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。相对与条码技术而言，射频识别技术的发展和应用的推广将是我国自动识别行业的一场技术革命。RFID技术在中国的应用可以归结为以下10个领域：小额支付、动物管理、铁路管理、车辆管理、人员管理、传统制造业的改造、矿井井下人员定位、证照管理、市政应用、物流领域应用。目前我国实际应用的领域主要应用是射频卡的应用。RFID卡有可靠性高、稳定性好、智能防伪、防冲撞等技术特点。IC卡与阅读器之间无机械接触，避免了由于接触读写而产生的各种故障。非接触式卡表面无裸露的芯片，无须担心芯片脱落、静电击穿、弯曲、损坏等问题，既便于卡片的印刷，又提高了卡片使用的可靠性。操作方便、快捷由于使用射频通讯技术和防冲撞技术，阅读器在10cm范围内就可以对卡片进行读写，没有插拔卡的动作，且可以对多张卡同时操作。非接触卡使用时没有方向性，卡片可以任意方向掠过阅读器表面，读写时间不大于0.1秒，大大提高了识别的速度。4作为全球的制造业基地，中国将是未来全球最大的RFID应用市场。这对于国内的科研机构和企业将是一次难得的机遇。目前，我国在RFID芯片、RFID系统安全等核心技术方面的研究几乎还是空白，在RFID应用方面也还处于起步阶段。未来在政府推动、企业参与的环境下，在庞大市场空间的吸引下，在中国会有越来越多的企业和研究机构参与RFID技术的研发和应用，会有更多的企业利用RFID技术进行企业信息化改造。中国将不仅主导RFID技术的应用市场，也应该成为RFID技术的全球研发中心。值得注意的是，RFID不仅仅受到全球IT行业和制造业的普遍关注，而当前一些具备前瞻视野的通信设备制造商和电信运营商己着手研究如何将RFID技术与现有或未来的通信系统相结合，开发新的业务和应用，进一步丰富电信业务的种类及功能，推动电信行业的健康可持续发展。RFID将构建虚拟世界与物理世界的桥梁。可以预见，在不久的将来，RFID技术不仅会在各行各业被广泛采用，最终RFID技术将会与普适计算技术相融合，对人类社会产生深远影响。第二章 单片机控制射频读卡器硬件系统设计原理2.1 总体设计方案硬件系统总方案是使用单片机（MCU）控制标签的读写模块芯片（即高频控制芯片），通过标签读写芯片和天线系统，对电子标签的（无接触的IC卡）进行读写操作。由于IC卡的工作涉及到频段的选择，所以必须要先确定的RFID系统的工作频率，选择相应的读写芯片和标签芯片，和合理的上位机与读写器的通信接口电路，把以上的芯片和电路模块通过设计构成一个完整的射频读卡器系统。下面是对是以上内容逐一作了阐述。2.2 RFID 系统工作频率的选择对一个RFID系统来说，它的频段概念是指阅读器通过天线发送、接收并识读的标签信号频率范围。从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，直接决定系统应用的各方面特性。2.2.1 不同频段 RFID 技术特性简述1低频(Low Frequency) ： 使用的频段范围为 1 0 K H z 1 M H z ，常见的主要规格有125KHz、135KHz 等。一般这个频段的电子标签都是被动式的，通过电感耦合方式进行能量供应和数据传输。低频的最大的优点在于其标签靠近金属或液体的物品上时标签受到的影响 较小，同时低频系统非常成熟，读写设备的价格低廉。但缺点是读取距离短、无法同时进行多标签读取( 抗冲突) 以及信息量较低，一般的存储容量在 128 位到 512 位。主要应用于门禁系统、动物芯片、汽车防盗器和玩具等。虽然低频系统成熟，读写设备价格低廉，但是由于其谐振频率低，标签需要制作电感值很大的绕线电感，并常常需要封装片外谐振电容，其标签的成本反而比其他频段高。2 高频(High Frequency)：使用的频段范围为 1MHz400MHz，常见的主要规格为 13.156MHz这个 ISM 频段。这个频段的标签还是以被动式为主，也是通过电感耦合方式进行能量供应和数据传输。这个频段中最大的应用就是我们所熟知的非接触式智能卡。和低频相 较，其传输速度较快，通常在100kbps 以上，且可进行多标签辨识（各个国际标准都有成熟的抗冲突机制）。该频段的系统得益于非接触式智能卡的应用和普及，系统也比较成熟，读写设备的价格较低。 产品最丰富，存储容量从 128 位到8K 以上字节都有，而且可以支持很高的安全特性，从最简单的写锁定，到流加密，甚至是加密协处理器都有集成。一般应用于身份识别、图书馆管理、产品管理等。安全性要求较高的RFID 应用，目前该频段是唯一选择。3 超高频(Ultra High Frequency)：使用的频段范围为 400MHz1GHz，常见的主要规格有 433MHz、868950MHz。这个频段通过电磁波方式进行能量和信息的传输。主动式和被动式的应用在这个频段都很常见，被动式标签读取距离约3 1 0 m 传输速率较快，一般也可以达到100kbps 左右，而且因为天线可采用蚀刻或印刷的方式制造，因此成本相对较低。由于读取距离较远、信息传输速率较快，而且可以同时进行大数量标签的读取与辨识，因此 特别适用于物流和供应链管理等领域。但是，这个频段的缺点是在金属与液体的物品上的应用较不理想同时系统还不成熟，读写设备的价格非常昂贵，应用和维护的 成本也很高。此外，该频段的安全性特性一般，不适合安全性要求高的应用领域。4 微波(Microwave)：使用的频段范围为 1GHz 以上，常见的规格有 2.45GHz、5.8GHz。微波频段的特性与应用和超高频段相似，读取距离约为 2 公尺，但是对于环境的敏感性较高。由于其频率高于超高频，标签的尺寸可以做得比超高频更小，但水对该频段信号的衰减较超高频更高，同时工作距离也比超高频 更小。一般应用于行李追踪、物品管理、供应链管理5 根据应用选择合适频段的射频识别技术前一部分中，我们已经简要介绍了各个频段的射频识别技术的特点。这一部分中我们将重点说明如何来选择合适的射频识别技术。第一，一个射频识别系统的成本，包含硬件成本、软件成本和集成成本等。而硬件成本不仅仅包括读写器和标签的成本，还包括安装成本。很多时候，应用和数据管理 软件和集成是整个应用的主要成本。如果从成本出发考虑，一定要根据系统的整体成本进行，而不仅仅局限于硬件，如标签的价格。这里，我们不进一步讨论和分析 这部分的问题，但读者需要对此有一个了解和认识。下面我们主要讨论从技术层面来看，如何选择合适的频段。第二，我们知道，即使是在同一个频段内的射频识别系统，其通信距离也是差异很大的。因为通信距离通常依赖于天线设计、读写器输出功率、标签芯片功耗和读写器接收灵敏度等等。我们不能够简单地认为某一个频段的射频识别系统的工作距离大于另一个频段的射频识别系统。第三，虽然理想的射频识别系统是长工作距离，高传输速率和低功耗的。然而，现实的情况下这种理想的射频系统是不存在的，高的数据传输率只能在相对较近的距离 下实现。反之，如果要提高通信距离，就需要降低数据传输率。所以我们如果要选用通信距离远的射频识别技术，就必须牺牲通信速率。选择频段的过程常常是一种 折中的过程。第四，除了考虑通信距离以外，在我们选择一个射频系统时，通常还要考虑存储器容量、安全特性等因素。根据这些应用需求，才能够确定适 合的射频识别频段和解决方案。从现有的解决方案来看，超高频和微波射频识别系统的操作距离最大（可以达到 3 到 1 0 米），并具有较快的通信速率，但是为了降低标签芯片的功耗和复杂度，并不实现复杂的安全机制，仅限于写锁定和密码保护等简单安全机制。而且，该频段的电磁波能量在水中衰减严重，所以对于跟踪动物（体内含有超过 50% 的水）、含有液体的药品等是不合适的。低频和高频系统的读写距离较小，通常不超过一米。高频频段为技术成熟的非接触式智能卡采用，非接触式智能卡能够支持 大的存储器容量和复杂的安全算法。如前所述，囿于通信速率和安全性需求，非接触式智能卡的工作距离一般在10cm 左右。高频频段中的 ISO15693 规范通过降低通信速率使通信距离加大，通过大尺寸天线和大功率读写器，工作距离可以达到 1 米以上。低频频段由于载波频率低，比高频13.56MHz 低 100倍以上，因此通信速率最低，而且通常不支持多标签的读取。2.2.2 选择理由分析支持采用低频技术方案的理由主要有：事实上存在的国际规范，兼容性要求。1) 如果采用单天线的解决方案，通常低频系统比高频系统的读写距离要大 20% 到 30%。因为低频系统的数据率低，所以标签芯片的功耗可以做到微瓦以下。2) 虽然低频系统的数据传输速率低，但是鉴于其信号的强壮性，在实际应用中读取效率并不低。3) 低频系统可以穿透动物组织，是植入式的电子标签唯一的频率选择。而支持高频技术方案的理由主要有：1) 国际标准 ISO11784 的动物编码方式完全可以实现在高频和超高频频段的解决方案中，在应用和系统的层面看来并不存在区别。2) 由于频率差异，低频标签需要绕制绕线电感来构成标签天线，制作标签的成本要高于高频标签。高频标签对于信用卡大小的尺寸来说，通常只须绕制 3 圈左右，而且可以采用低成本的印刷工艺。高频标签的整体成本更低。这一点是公认的事实。3) 如果实现合理，高频系统也能够取得和低频系统相当的读写距离。而且高频读写器可以通过门式天线来控制作用范围，利于准确而快速地实现数据采集。4) 完备的防冲突机制，可以快速而准确地实现多目标读取。效率和准确性都要高于采用低频手持机进行数据采集。5) 高频的频率使用已经成为全球统一的规范，采用高频系统在世界各地都不会面临兼容问题。综上所述，各个频段的RFID 技术各有自身的特点。即使是在同一个频段内的射频识别系统，其通信距离也是差异很大的。我们不能够简单地认为某一个频段的射频识别系统的工作距离大于另一个频段的射频识别系统。考虑实际选择射频系统时，所需要的RFID 系统的整体成本，以及存储器容量、安全特性等因素，因此楼宇智能节能管理系统中采用的频段采用的是13.56MHz工作频率。2.3 电子标签的选择在1356MHz频率下工作的RFID系统的电子标签通常以非接触式IC卡(即无线射频IC卡的一种)类型居多，非接触式IC卡技术成熟、成本低廉，因此本题目确