毕业设计（论文）-基于RFID智能仓储管理系统设计.doc

i目目录录第一章第一章绪论绪论.551.1自动识别技术简介.51.2RFID技术的现状及发展.61.2.1RFID技术的应用现状.61.2.2RFID技术的发展方向.7第二章第二章RFIDRFID技术概述技术概述.992.1RFID技术简介.92.1.1什么是射频识别技术.92.1.2射频识别技术发展历史.102.1.3射频识别技术的发展.102.2RFID系统的分类.112.2.1根据标签的供电形式分类.112.2.2根据标签的数据通信方式分类.112.2.3根据工作频率分类.112.2.4根据标签的可读性分类.112.2.5根据RFID系统标签和读头之间的通信工作时序分类.112.3RFID技术的优势.122.4RFID技术的应用.122.4.1无源RFID技术.123.1RFID系统组成.163.1.1阅读器.163.1.2天线.163.1.3电子标签.163.1.4RFID中间件.173.1.5RFID应用系统软件.173.2RFID系统工作原理.17第四章第四章RFIDRFID系统中的数据编码与防冲突技术系统中的数据编码与防冲突技术.18184.1编码与校验.184.1.1RFID系统通信模型.184.1.2RFID数据传输常用编码格式.184.1.3RFID传输数据校验.214.2防冲突技术.214.2.1RFID系统的冲撞问题.214.2.2防冲突算法研究.214.2.3动态调整二进制树形搜索法.224.2.4算法的复杂度分析.25第五章第五章基于基于RFIDRFID技术的仓储管理系统设计开发技术的仓储管理系统设计开发.27275.1仓储管理现状.275.2仓储管理的发展方向.27ii5.3基于RFID技术的仓储管理系统总体设计方案.285.3.1RFID技术的系统硬件结构.285.3.2RFID技术系统的软件结构.295.1本论文的主要工作.335.2未来工作展望.33参考文献参考文献.3535致致谢谢.36363第一章第一章绪论绪论1.1自动识别技术简介在我们的现实生活中，各种各样的活动或者事件都会产生这样或者那样的数据，这些数据包括人的、物质的、财务的，也包括采购的、生产的和销售的，这些数据的采集与分析对于我们的生产或者生活决策来讲是十分重要的。如果没有这些实际工况的数据支援，生产和决策就将成为一句空话，将缺乏现实基础。在计算机信息处理系统中，数据的采集是信息系统的基础，这些数据通过数据系统的分析和过滤，最终成为影响我们决策的信息。在信息系统早期，相当部分数据的处理都是通过人工手工录入，这样，不仅数据量十分庞大，劳动强度大，而且数据误码率较高，也失去了实时的意义。为了解决这些问题，人们就研究和发展了各种各样的自动识别技术，将人们从繁沉的重复的但又十分不精确的手工劳动中解放出来，提高了系统信息的实时性和准确性，从而为生产的实时调整，财务的及时总结以及决策的正确制定提供正确的参考依据。在当前比较流行的物流研究中，基础数据的自动识别与实时采集更是物流信息系统（LMIS，LogisticsManagementInationSystem）的存在基础，因为，物流过程比其他任何环节更接近于现实的物，物流产生的实时数据比其他任何工况都要密集，数据量都要大。那么，究竟什么是自动识别技术（autoidentification）呢？自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相关后续处理的一种技术。举例说明。商场的条形码扫描系统就是一种典型的自动识别技术。售货员通过扫描仪扫描商品的条码，获取商品的名称、价格，输入数量，后台POS系统即可计算出该批商品的价格，从而完成顾客的结算。当然，顾客也可以采用银行卡支付的形式进行支付，银行卡支付过程本身也是自动识别技术的一种应用形式。自动识别技术是以计算机技术和通信技术的发展为基础的综合性科学技术，它是信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段，归根到底，自动识别技术是一种高度自动化的信息或者数据采集技术。自动识别技术近几十年在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码技术、磁条磁卡技术、IC卡技术、光学字符识别、射频技术、声音识别及视觉识别等集计算机、光、磁、物理、机电、通信技术为一体的高新技术学科。一般来讲，在一个信息系统中，数据的采集（识别）完成了系统的原始数据的采集工作，解决了人工数据输入的速度慢、误码率高、劳动强度大、工作简单重复性高等问题，为计算机信息处理提供了快速、准确地进行数据采集输入的有效手段，因此，自动识别技术作为一种革命性的高新技术，正迅速为人们所接受。自动识别系统通4过中间件或者接口（包括软件的和硬件的）将数据传输给后台处理计算机，由计算机对所采集到的数据进行处理或者加工，最终形成对人们有用的信息。在有的场合，中间件本身就具有数据处理的功能。中间件还可以支持单一系统不同的协议的产品的工作。完整的自动识别计算机管理系统包括自动识别系统（AutoIdentificationSystem简称AIDS），应用程序接口(ApplicationInterface简称API)或者中间件（Middleware）和应用系统软件（ApplicationSoftware）。也就是说，自动识别系统完成系统的采集和存储工作，应用系统软件对自动识别系统所采集的数据进行应用处理，而应用程序接口软件则提供自动识别系统和应用系统软件之间的通讯接口包括数据格式，将自动识别系统采集的数据信息转换成应用软件系统可以识别和利用的信息并进行数据传递。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。1.2RFID技术的现状及发展1.2.1RFID技术的应用现状RFID技术的应用已趋成熟。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部都得到了相当广泛的应用。典型的应用领域包括：(1)铁路车号自动识别管理。如：北美铁路、中国铁路、瑞士铁路等。(2)车辆道路交通自动收费管理。如：北美部分收费高速公路的自动收费中国部分高速公路自动收费管理、东南亚国家部分收费公路的自动收费管理。(3)旅客航空行包的自动识别、分拣、转运管理。如：北美部分机场。(4)车辆出入控制。如：停车场、垃圾场、水泥场车辆出入、称重管理等。(5)校园卡、饭卡、乘车卡、会员卡、驾照卡、健康卡(医疗卡)等国内、国外均有大应用。(6)生产线产品加工过程自动控制。主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上。(7)动物识别(养牛、养羊、赛鸽等)。大型养殖厂、家庭牧场、赛鸽比赛。(8)物流、仓储自动管理。大型物流、仓储企业。(9)贮气容器的自动识别管理。(10)汽车遥控门锁、电子门锁等。目前国内RFID成功的行业应用有中国铁路的车号自动识别系统。其辐射作用已涉及到铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统等。正在计划推广5的应用项目还有电子身份证、电子车牌、铁路行包自动追踪管理等。1.2.2RFID技术的发展方向RFID技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面RFID的成功应用反来又极大地促进了应用需求的扩展。从技术角度说，RFID技术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说，RFID技术的发展目的在于不断满足日益增涨的应用需求。一、RFID技术未来的发展RFID技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括：芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。RFID技术的发展已经走过50余年，在过去的10多年里得到了更快的发展。随着技术的不断进步，RFID产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。可以预计，在未来的几年中，RFID技术将持续保持高速发展的势头。RFID技术的发展将会在电子标签(射频标签)、阅读器、系统种类、标准化等方面取得新的进展。二、RFID电子标签方面电子标签芯片所需的功耗更低，无源标签、半无源标签技术更趋成熟。1)作用距离更远。2)无线可读写性能更加完善。3)适合高速移动物品识别。4)快速多标签读写功能。5)一致性更好。6)强场强下的自保护功能更完善。7)智能性更强。8)成本更低。三、RFID阅读器方面1)多功能(与条码识读集成、无线数据传输、脱机工作等)。2)智能多天线端口。3)多种数据接口(RS232，RS422485，USB，红外，以太网口)。4)多制式兼容(兼容读写多种标签类型)。5)小型化、便携式、嵌入式、模块化。6)多频段兼容。7)成本更低。四、RFID系统种类方面1)低频近距离RFID系统具有更高的智能、安全特性。2)高频远距离RFID系统性能更加完善，系统更加完善。五、RFID标准化方面1)标准化基础性研究更加深入、成熟。62)标准化为更多企业所接受。3)系统、模块可替换性更好、更为普及。7第二章RFID技术概述2.1RFID技术简介2.1.1什么是射频识别技术射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。射频识别系统通常由电子标签(射频标签)和阅读器组成。电子标签内存有一定格式的电子数据，常以此作为待识别物品的标识性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令，电子标签根据收到的阅读器的命令，将内存的标识性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。电子标签具有各种各样的形状，但不是任意形状都能满足阅读距离及工作频率的要求，必需根据系统的工作原理，即磁场耦合(变压器原理)还是电磁场耦合(雷达原理)，设计合适的天线外形及尺寸。电子标签通常由标签天线(或线圈)及标签芯片组成。标签芯片即相当于一个具有无线收发功能再加存贮功能的单片系统(SoC)。从纯技术的角度来说，射频识别技术的核心在电子标签，阅读器是根据电子标签的设计而设计的。虽然，在射频识别系统中电子标签的价格远比阅读器低，但通常情况下，在应用中电子标签的数量是很大的，尤其是物流应用中，电子标签由可能是海量并且是一次性使用的，而阅读器的数量则相对要少的多。实际应用中，电子标签除了具有数据存贮量、数据传输速率、工作频率、多标签识读特征等电学参数之外，还根据其内部是否需要加装电池及电池供电的作用而将电子标签分为无源标签(passive)、半无源标签(semi-passive)和有源标签(active)三种类型。无源标签没有内装电池，在阅读器的阅读范围之外时，标签处于无源状态，在阅读器的阅读范围之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。半无源标签内装有电池，但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少。标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态，相当于无源标签。标签进入阅读器的阅读范围时，受到阅读器发出的射频能量的激励，进入工作状态时，用于传输通信的射频能量与无源标签一样源自阅读器。有源标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为标签与阅读器通信所需的射频能量。射频识别系统的另一主要性能指标是阅读距离，也称为作用距离，它表示在最远为多远的距离上，阅读器能够可靠地与电子标签交换信息，即阅读器能读取标签中的数据。实际系统这一指标相差很大，取决于标签及阅读器系统的设计、成本的要求、应用的需求等，范围从0100m左右。典型的情况是，在低频125kHz、13.56MHz频点上一般均采8用无源标签，作用距离在1030cm左右，个别有到1.5m的系统。在高频UHF频段，无源标签的作用距离可达到310m。更高频段的系统一般均采用有源标签。采用有源标签的系统有达到作用距离至100m左右的报道。2.1.2射频识别技术发展历史从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递)，在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。1948年哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通信”奠定了射频识别射频识别技术的理论基础。射频识别技术的发展可按十年期划分如下：1940-1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。1950-1960年：早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。1960-1970年：射频识别技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。1970-1980年：射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速。出现了一些最早的射频识别应用。1980-1990年：射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。1990-2000年：射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。2000年后：标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。至今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。特别值得一提的是在1998年美国麻省理工学院的DavidBrock博士和SanjaySarma教授在喝咖啡聊天时，谈及物品自动识别技术手段问题时产生的从系统的角度来解决物品自动识别问题的灵感，由此导致了供应链中物品自动识别概念的一次革命，并最终在1999年10月1日正式创建Auto-IDCenter非盈利性的开发组织。Auto-IDCenter诞生后，迅速提出了产品电子代码EPC(ElectronicProductCode)的概念以及物联网的概念与构架，并积极推进有关概念的基础研究与实验工作。可以说，EPC与物联网的概念将射频识别技术的应用推到了极致，对射频识别技术的发展与应用的推广起到了极大的推动作用。2.1.3射频识别技术的发展射频识别技术的发展，一方面受到应用需求的驱动，另一方面射频识别技术的成功应用反过来又将极大地促进应用需求的扩展。从技术角度说，射频识别技术的发展体现在若干关键技术的突破。从应用角度来说，射频识别技术的发展目的在于不断满足日益9增涨的应用需求。射频识别技术的发展得益于多项技术的综合发展。所涉及的关键技术大致包括：芯片技术、天线技术、无线收发技术、数据变换与编码技术、电磁传播特性。随着技术的不断进步，射频识别产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。可以预计，在未来的几年中，射频识别技术将持续保持高速发展的势头。射频识别技术的发展将会在电子标签(射频标签)、阅读器、系统种类等方面取得新进展。在电子标签方面，电子标签芯片所需的功耗更低，无源标签、半无源标签技术更趋成熟。其作用距离将更远，无线可读写性能也将更加完善，并且能够适合高速移动物品识别，识别速度也将更加快，具有快速多标签读写功能。与此同时，在强场强下的自保护功能也会更加完善、智能性更强，成本更低。在读写器方面，多功能读写器，包括与条码识别集成、无线数据传输、脱机工作等功能将被更多的应用。同时，多种数据接口包括RS232，RS422485，USB，红外，以太网口也将得到应用。而读写器将实现多制式多频段兼容，能够兼容读写多种标签类型和多个频段标签。读写器会朝着小型化、便携式、嵌入式、模块化方向发展，成本将更加低廉，应用范围更加广泛。在系统方面，低频近距离系统将具有更高的智能、安全特性；高频远距离系统性能将更加完善，成本更低。而2.45GHz和5.8GHz系统将更加完善。同时，无芯片系统将逐渐得到应用。总而言之，射频识别技术未来的发展中，在结合其它高新技术，比如GPS、生物识别等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时，将结合现代通信及计算机技术，实现跨地区、跨行业应用。2.2RFID系统的分类2.2.1根据标签的供电形式分类依据射频标签工作所需能量的供给方式，可以将RFID系统分为：有源、无源和半有源系统。2.2.2根据标签的数据通信方式分类标签的数据调制方式即标签是通过何种形式方法与读头之间进行数据交换，据此RFID可分为主动式、被动式和半主动式。2.2.3根据工作频率分类RFID系统的工作频率即为读头发送无线信号时所用的频率，一般可以分为低频、高频、超高频和微波。低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M960MHz、微波2.4G，5.8G。2.2.4根据标签的可读性分类射频标签内部使用的存储器类型不一样，可以分为可读写卡(RW)，一次写入多次读出卡(WORM)和只读卡(RO)，只读卡标签内一般只有只读存储器（ROM）和随即存储器（RAM）和缓冲存储器，而可读写卡一般还有非活动可编程记忆存储器。这种存储器除了存储数据功能外，还具有在适当条件下允许多次写入数据的功能。102.2.5根据RFID系统标签和读头之间的通信工作时序分类时序指的是读头和标签的工作次序问题，即是读头主动唤醒标签（RTFReaderTalkFirst）还是标签首先自报家门（TTF，TagTalkFirst）的方式。一般来说，无源标签一般是TTF方式，TTF系统通信协议比较简单，防冲撞能力更强，速度更快。2.3RFID技术的优势作为一项新技术，和传统的条形码技术相比较，其具有非常明显的技术和应用上的优势，具体表现在：1.读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行，有效识别距离更长；自带电池的主动标签，有效识别距离可达到30米以上。2.识别速度快：标签一进入磁场，阅读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别。3.数据容量大：一维条形码的容量是50字节，二维条形码最大的容量可储存23000字符，RFID最大的容量则有数百万字节。4.使用寿命长，应用范围广：其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码。5.标签数据可动态更改：利用编程器可以向电子标签里写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间比打印条形码更短。6.更好的安全性：RFID电子标签不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性。7.动态实时通信：标签以每秒50100次的频率与阅读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在阅读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。2.4RFID技术的应用目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中感应器有无源和有源两种方式。2.4.1无源RFID技术一、低频(从125KHz到134KHz)其实RFID技术首先在低频得到广泛的应用和推广。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用.通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流可作供电电压使用.磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。特性：1.工作在低频的感应器的一般工作频率从120KHz到134KHzTI的工作频率为11134.2KHz。该频段的波长大约为2500m。2.除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。3.工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。4低频产品有不同的封装形式。好的封装形式就是价格太贵，但是有10年以上的使用寿命。5虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。6相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。7感应器的价格相对与其他频段来说要贵。主要应用：1畜牧业的管理系统2汽车防盗和无钥匙开门系统的应用3马拉松赛跑系统的应用4自动停车场收费和车辆管理系统5自动加油系统的应用6酒店门锁系统的应用7门禁和安全管理系统符合的国际标准：a)ISO11784RFID畜牧业的应用编码结构b)ISO11785RFID畜牧业的应用技术理论c)ISO14223-1RFID畜牧业的应用空气接口d)ISO14223-2RFID畜牧业的应用协议定义e)ISO18000-2定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议f)DIN30745主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准二、高频(工作频率为13.56MHz)在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀活着印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作。也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。特性：1.工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m。2.除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但是往往会降低读取距离。感应器需要离开金属一段距离。3.该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。4.感应器一般以电子标签的形式。125.虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。6.该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。7.可以把某些数据信息写入标签中。8.数据传输速率比低频要快，价格不是很贵。主要应用：1图书管理系统的应用2瓦斯钢瓶的管理应用3服装生产线和物流系统的管理和应用4三表预收费系统5酒店门锁的管理和应用6大型会议人员通道系统7固定资产的管理系统8医药物流系统的管理和应用9智能货架的管理符合的国际标准：a)ISOIEC14443近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm。b)ISOIEC15693疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m。c)ISOIEC18000-3该标准定义了13.56MHz系统的物理层，防冲撞算法和通讯协议。d)13.56MHzISMBandClass1定义13.56MHz符合EPC的接口定义。三、超高频(工作频率为860MHz到960MHz之间)超高频系统通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。主要是通过电容耦合的方式进行实现。特性：1在该频段，全球的定义不是很相同欧洲和部分亚洲定义的频率为868MHz，北美定义的频段为902到905MHz之间，在日本建议的频段为950到956之间。该频段的波长大概为30cm左右。2目前，该频段功率输出目前统一的定义(美国定义为4W，欧洲定义为500mW)。可能欧洲限制会上升到2WEIRP。3超高频频段的电波不能通过许多材料，特别是水，灰尘，雾等悬浮颗粒物资。相对于高频的电子标签来说，该频段的电子标签不需要和金属分开来。4电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。5该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。6有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。13主要应用：1供应链上的管理和应用2生产线自动化的管理和应用3航空包裹的管理和应用4集装箱的管理和应用5铁路包裹的管理和应用6后勤管理系统的应用符合的国际标准：a)ISOIEC18000-6定义了超高频的物理层和通讯协议；空气接口定义了TypeA和TypeB两部分；支持可读和可写操作。b)EPCglobal定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通讯的协议。例如：Class0Class1UHFGen2。c)UbiquitousID日本的组织，定义了UID编码结构和通信管理协议。在将来，超高频的产品会得到大量的应用。例如WalMart、Tesco、美国国防部和麦德龙超市都会在它们的供应链上应用RFID技术。2.4.2有源RFID技术（2.45GHz、5.8G）有源RFID具备低发射功率、通信距离长、传输数据量大可靠性高和兼容性好等特点与无源RFID相比在技术上的优势非常明显，被广泛地应用到公路收费、港口货运管理等应用中。总之，射频识别技术以其独特的优势，逐渐的被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断的降低，其应用将越来越广泛。14第三章RFID系统组成及工作原理3.1RFID系统组成3.1.1阅读器读写器也称阅读器、询问器（readerinterrogator），是对RFID标签进行读写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。读写器是RFID系统中最重要的基础设施，一方面，RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号，再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形，最后从中解调出返回的信息，完成对RFID标签的识别或读写操作；另一方面，上层中间件及应用软件与读写器进行交互，实现操作指令的执行和数据汇总上传。在上传数据时，读写器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤，将其加工为读写器事件后再上传，以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量，因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统，实现一部分中间件的功能，如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势，还将具备更加强大的前端控制功能，例如直接与工业现场的其它设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。在物联网中，读写器将成为同时具有通讯、控制和计算（communicationcontrolcomputing）功能的C3核心设备。3.1.2天线天线（antenna）是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。RFID系统中包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，由于它已经和RFID标签集成为一体，因此不再单独讨论，另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视，在实际应用中，天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性，还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门设计。3.1.3电子标签RFID标签俗称电子标签，也称应答器（tagtransponderresponder），根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类，本文主要研究被动式RFID标签及系统。被动式RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成，利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。RFID标签中存储一个唯一编码，通常为64bits、96bits甚至更高，其地址空间大大高于条码所能提供的空间，因此可以实现单品级的物品编码。当RFID标签进入读写器的作用区域，就可以根据电感耦合原理（近场作用范围内）或电磁反向散射耦合原理（远场作用范围内）在标签天线两端产生感应电势差，并在标签芯片通路中形成微弱电流，如果这个电流强度超过一个阈值，就将激活RFID标签15芯片电路工作，从而对标签芯片中的存储器进行读写操作，微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。RFID标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元四部分。3.1.4RFID中间件中间件（middleware）是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。中间件在RFID应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景、硬件接口、适用标准造成的可靠性和稳定性问题，还可以为上层应用软件提供多层、分布式、异构的信息环境下业务信息和管理信息的协同。中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器的读写器事件进行过滤、聚合和计算，抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业务事件，以满足来自多个客户端的检索、发布订阅和控制请求。3.1.5RFID应用系统软件应用软件（applicationsoftware）是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。由于应用软件需要根据不同应用领域的不同企业进行专门制定，因此很难具有通用性。从应用评价标准来说，使用者在应用软件端的用户体验是判断一个RFID应用案例成功与否的决定性因素之一。3.2RFID系统工作原理RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的RFID系统是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据送给应用程序做相应的处理。以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成感应偶合(InductiveCoupling)及后向散射偶合(BackscatterCoupling)两种一般低频的RFID大都采用第一种式而较高频大多采用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。16第四章RFID系统中的数据编码与防冲突技术4.1编码与校验4.1.1RFID系统通信模型射频识别系统的结构与通信系统的基本模型相类似，满足了通信功能的基本要求。读写器和电子标签之间的数据传输构成了与基本通信模型相类似的结构。读写器与电子标签之间的数据传输需要三个主要的功能块，如图1所示。按读写器到电子标签的数据传输方向，是读写器（发送器）中的信号编码（信号处理）和调制器（载波电路），传输介质（信道），以及电子标签（接收器）中的解调器（载波回路）和信号译码（信号处理）。图4.1射频识别系统的基本通信结构框图在图中，信号编码系统的作用是对要传输的信息进行编码，以便传输信号能够尽可能最佳地与信道相匹配，这样的处理包括了对信息提供某种程度的保护，以防止信息受干扰或相碰撞，以及对某些信号特性的蓄意改变。调制器用于改变高频载波信号，即使载波信号的振幅、频率或相位与调制的基带信号相关。射频识别系统信道的传输介质为磁场（电感耦合）和电磁波（微波）。解调器的作用是解调获取信号，以便再生基带信号。信号译码的作用则是对从解调器传来的基带信号进行译码，恢复成原来的信息，并识别和纠正传输错误。4.1.2RFID数据传输常用编码格式可以用不同形式的代码来表示二进制的“1”和“0”。射频识别系统通常使用下列编码方法中的一种：反向不归零（NRZ）编码、曼彻斯特（Manchester）编码、单极性归零（UnipolarHZ）编码、差动双相（DBP）编码、米勒（Miller）编码利差动编码。（1）反向不归零（NRZ，NonReturnZero）编码反向不归零编码用高电平表示二进制“1”，低电平表示二进制“0”，如图4.2所示。17图4.2NRZ编码此码型不宜传输，有以下原因：（a）有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量；（b）收端判决门限与信号功率有关，不方便使用；（c）不能直接用来提取位同步信号，因为在NRZ中不含位同步信号频率成分；(d）要求传输线有一根接地。（2）曼彻斯特（Manchester）编码曼彻斯特编码也被称为分相编码（SplitPhaseCoding）。在曼彻斯特编码中，某位的值是由该位长度内半个位周期时电平的变化（上升下降）来表示的，在半个位周期时的负跳变表示二进制“1”，半个位周期时的正跳变表示二进制“0，如图4.3所示。图4.3曼彻斯特编码曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或者反向散射调制时，通常用于从电子标签到读写器的数据传输，因为这有利于发现数据传输的错误。这是因为在位长度内，“没有变化”的状态是不允许的。当多个电子标签同时发送的数据位有不同值时，接收的上升边和下降边互相抵消，导致在整个位长度内是不间断的副载波信号，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。（3）单极性归零（UnipolarRZ）编码单极性归零编码在第一个半个位周期中的高电平表示二进制“1”，而持续整个位周期内的低电平信号表示二进制“0”，如图4.4所示。单极性归零编码可用来提取位同步信号。18图4.4单极性归零编码（4）差动双相（DBP）编码差动双相编码在半个位周期中的任意的边沿表示二进制“0”，而没有边沿就是二进制“1”，如图4.5所示。此外，在每个位周期开始时，电平都要反相。因此，对接收器来说，位节拍比较容易重建。图4.5差动双相编码（5）米勒（Miller）编码米勒编码在半个位周期内的任意边沿表示二进制“1”，而经过下一个位周期中不变的电平表示二进制“0”。位周期开始时产生电平交变，如图4.6所示。因此，对接收器来说，位节拍比较容易重建。图4.6米勒编码（6）差动编码差动编码中，每个要传输的二进制“1”都会引起信号电平的变化，而对于二进制“0”，信号电平保持不变，如图4.7所示。用XOR门的D触发器就能很容易地从NRZ信号中产生差动编码，具体电路如图4.8所示。图4.7差动编码19图4.8从NRZ编码产生差动编码4.1.3RFID传输数据校验在REID系统中，由于使用的电子标签常常是无源的，市无源标签需要在读写器的通信过程中获得自身的能量供应。为了保证系统的正常工作，信道编码方式首先必须保证不能中断读写器对电子标签的能量供应。另外，作为保障系统可靠工作的需要，还必须在编码中提供数据一级的校验保护，编码方式应该提供这些功能，并可以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。在RFID系统中，当电子标签是无源标签时，经常要求基带编码在每两个相邻数据位元间具有跳变的特点，这种相邻数据间有跳变的码，不仅可以保证在连续出现“0”的时候对电子标签的能量供应，而且便于电子标签从接收到的码中提取时钟信息患。在实际的数据传输中，由于信道中干扰的存在，数据必然会在传输过程中发生错误，这时要求信道编码能够提供一定程度检测错误的能力。这些都是选择编码方法的考虑因素。4.2防冲突技术4.2.1RFID系统的冲撞问题在很多应用场合，阅读器要在很短时间内尽快识别多个标签。由于阅读器和标签通信共享无线信道，阅读器和标签的信号可能发生冲突，使阅读器不能正确识别标签，即发生了碰撞（Collision）。因此，需要一种防冲撞技术减少冲突达到快速准确识别多个标签的目的。由于EPC标准和ISO标准在RFID系统上主要采用无源标签和RTF的工作方式，所以一般的防冲撞技术都基于无源标签和RTF方式。RFID系统中的冲撞分为标签冲撞和阅读器冲撞。标签冲撞是指多个标签同时响应阅读器的命令而发送信息，引起信号冲突，使读写器无法识别标签。阅读器冲撞指多个阅读器之间由于工作范围重叠，导致信息读取失败所产生的冲突。由于整个阅读器系统一般是一个静止的体系，只需在全局上合理分配时间和频率就可有效地克服阅读器碰撞问题。对于阅读器冲撞问题比较容易解决，而标签冲撞问题却成为RFID系统发展的瓶颈。4.2.2防冲突算法研究由于RFID的冲撞问题主要是标签冲撞问题，故以下针对RFID的标签防冲撞问题进行分析。对RFID冲撞问题的解决一般有4种方式：SDMA（SpaceDivisionMultipleAccess），FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess），CDMA（CodeDivisionMultipleAccess），TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）。其中，TDMA时分多址方式由于应用20简单，容易实现大量标签的读写，所以被多数防冲撞算法采用。现有防冲撞算法主要包括ALOHA算法和树分叉算法两种。由于ALOHA算法随机性大，当大量标签并存时，帧冲突严重，引起性能急剧恶化，不适宜大规模标签读取。所以主要发展树分叉算法。目前树分叉算法主要有IS0180006B的二进制搜索算法、动态二进制防冲撞算法、后退式二进制树形搜索算法等。ISOTypeB的防冲突机制利用随机产生的0、1信号达到二进制树形搜索的目的，本质上仍然是基于概率的，不适合大规模标签读写。动态二进制算法对发送指令长度进行了研究，但未对多个标签的连续有序性读取进行分析。后退式二进制树形搜索算法：碰撞发生时，根据碰撞的最高位，跳跃式向前搜索；无碰撞时，采取后退策略，实现标签的有序读取。但其发送指令长度比较固定，仍需进一步改善。我们将讨论动态调整二进制树形搜索算法，保持标签读取的有序性，并动态调整发送指令长度，高效地利用信道。4.2.3动态调整二进制树形搜索法用Manchester编码判别位碰撞，保持后退式二进制树算法的后退机理，提出动态调整二进制树形搜索的改进算法。该算法能更快速、有效地对