（信号与信息处理专业论文）无线电子标签系统的设计.pdf

沈阳航空工业学院硕士学位论文 摘要 本文利用2 4 g h z 有源的无线电子标签技术对集装箱信息的获取进行了研究。该技 术的基本思想源于射频识别技术( r f i d ，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 ) 。 射频识别技术是自动识别技术中一个快速发展的领域，已经广泛应用于物流跟踪、 运载工具、货架识别以及动物识别管理等许多要求非接触数据采集和交换的场合。近些 年来，随着全球物流产业的日益发展，集装箱运输以其高效、便捷、安全的特点成为交 通运输现代化的重要形式。然而，在整个集装箱的运输过程中，集装箱的识别都是通过 它的唯一的标识号来鉴别的，且集装箱采用的传统的箱号识别方式准确率不高，易受天 气状况等环境的影响，手工信息采集不但易出差错，花费的时间也相对较长，无法达到 准确、实时的要求。利用集装箱无线电子标签自动识别技术，不仅可以提高集装箱进 出货栈的通行速度，而且统一和规范了集装箱的信息管理，克服了传统方法信息准确率 低、实时性不强等现象，极大地提高了集装箱运输管理的效率和管理水平，将为集装箱 运输带来了显著的经济效益。 本文首先介绍了2 4 g h z 有源的无线电子标签系统，包括它的组成和工作原理；然 后分别从硬件和软件方面对系统的各个组成部分进行了详细的阐述。其中，硬件方面， 根据系统功能需要，确定了以2 4 g h z 有源的无线电子标签系统来完成本设计的总体方 案；软件方面，主要介绍了防碰撞法的实现、有源电子标签的低功耗工作机制的设计与 实现以及一个低成本、实用的系统安全解决方案的实现。其中在防碰撞法的实现方面， 本文基于时隙a l o h a 法的基本思想并结合实验调试结果提出了一种改进的方法。最后 对系统的完善与改进提出了建议。 本文设计的2 4 g h z 有源无线电子标签系统具有一定的通用性，在此硬件平台的基 础上，配合适当的应用系统便可以扩展应用于其他多种场合。 关键词：有源电子标签：防碰撞；低功耗；安全性；集装箱运输； 沈阳航空工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e st h eu s eo f2 4 g h za c t i v ew i r e l e s se l e c t r o n i c t a gt e c h n o l o g yt ot h e r e s e a r c ho nc o n t a i n e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，t h ei d e ao ft h i s t e c h n o l o g yc o m e sf r o mt h e r f i dt e c h n o l o g y t h er f i d ( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) t e c h n o l o g y i st h ed o m a i nw i t haf a s t d e v e l o p m e n ta m o n gt h ea u t o m a t i cd i a g n o s i st e c h n o l o g i e s ，i th a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nm a n y f i e l d ss u c ha sl o g i s t i c st r a c k i n g ，c a r r i e r , s h e l fr e c o g n i t i o n ，a sw e l la sa n i m a lr e c o g n i t i o n m a n a g e m e n t ，e t c ，w h i c hg e ta n ds w i t c hd a t aw i t h o u tt o u c h i n g i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed a i l y g r o w t ho fg l o b a l1 0 9 i s t i c s ，t h ec o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n ，w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h l y e f f e c t i v e ，c o n v e n i e n t ，s a f e ，e t c ，h a sb e c o m et h ei m p o r t a n tf o r mo ft r a n s p o r t a t i o n m o d e m i z a t i o n h o w e v e r , i ti sc l e a rt h a tc o n t a i n e r sa r ei d e n t i f i e db yt h e i ru n i q u ec o n t a i n e r n u m b e ri nt h ew h o l ep r o c e s so fc o n t a i n e r t r a n s p o r t a t i o n t h ev e r a c i t yo ft r a d i t i o n a l i d e n t i f i c a t i o ni sl o w , a n di ti se a s i l yi n f l u e n c e db yw e a t h e rc o n d i t i o n s d a t ac o l l e c t i o nb y m a n u a lw o r ki sn o to n l ye a s yt om a k em i s t a k e sb u ta l s oc o s tm u c ht i m e ，w h i c hc a nn o tm e e t t h er e a l - t i m ea n da c c u r a t er e q u i r e m e n t s t h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s se l e c t r o n i ct a ga u t o m a t i c r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yo nc o n t a i n e rc a nn o to n l ye n h a n c et h es p e e dt h a tc o n t a i n e rp a s s i n gt h e h a r b o r , b u ta l s ou n i f ya n ds t a n d a r d i z et h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to fd o m e s t i ct r a d e c o n t a i n e r , o v e r c o m i n gt h ep h e n o m e n ao fl o wi n f o r m a t i o na c c u r a c yr a t e ，n o tr e a l - t i m e ，e t c ， g r e a t l yi m p r o v i n gt h et r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c ya n dm a n a g e m e n t ，a n di tw i l lb r i n go b v i o u s e c o n o m i ce f f i c i e n c yt ot h ec o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e2 4 g h za c t i v ew i r e l e s se l e c t r o n i ct a gs y s t e m ，i n c l u d i n g i t sc o m p o s i t i o na n dw o r kp r i n c i p l e ；t h e ni tc a r r i e sd e t a i l e de x p o s i t i o nt oe a c hc o n s t i t u e n tf r o m t h ea s p e c t so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a m o n gt h e m ，t h eh a r d w a r ea s p e c t ，a c c o r d i n gt ot h e s y s t e mf u n c t i o nn e e d ，a2 4 g h za c t i v er f i ds y s t e mi sc o n f i r m e dt ob eu s e dt oa c c o m p l i s h t h i sd e s i g n ；t h es o f t w a r ea s p e c t ，m a i n l yi n t r o d u c e st h ea n t i - c o l l i s i o nm e t h o dr e a l i z a t i o n ，t h e i i 沈阳航空工业学院硕士学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa c t i v ee l e c t r o n i ct a g sl o wp o w e rl o s sw o r k i n gm e c h a n i s m ，a sw e l l a st h er e a l i z a t i o no fal o wc o s ta n dp r a c t i c a ls o l u t i o nf o rs y s t e ms a f e t y a m o n gt h e m ，o nt h e h a l fo fa n t i 。c o l l i s i o nm e t h o dr e a l i z a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h es l o t t e da l o h a a l g o r i t h mi d e aa n d t h ee x p e r i m e n td e b u g g i n gr e s u l t ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e dm e t h o d f i n a l l y , i tp u t s f o r w a r ds o m ea d v i c e st os y s t e mp e r f e c t i o na n di m p r o v e m e n t t h e2 4 g h za c t i v ew i r e l e s se l e c t r o n i ct a gs y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nb ea p p l i e d n o to n l yt ot h em a n a g e m e n to fc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n ，b u ta l s ot oo t h e rf i e l d so nt h eb a s eo f h a r d w a r ep l a t f o r mp r o p o s e di nt h i sp a p e rw i t hs o m eo t h e ra p p r o p r i a t eo p e r a t i n gs y s t e ma n d d a t a b a s es y s t e m k e y w o r d s ：2 4 g h za c t i v ew i r e l e s se l e c t r o n i ct a gs y s t e m ；a n t i - c o l l i s i o nm e t h o d ；l o w p o w e rl o s s ；s a f e t ys o l u t i o n ；c o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n ； i i i 沈阳航空工业学院硕士学位论文 1 1 研究背景与动机 第1 章绪论 白1 9 5 6 年4 月我国第一个集装箱投入使用，集装箱在各种运输方式中的使用比重 不断上升【lj 。目前，全球每年约有1 0 亿吨货物以集装箱方式运输。集装箱运输使传统运 输方式获得了革命性变化，是运输过程中的装卸效率和安全性极大提高，为全球化产业 分工的深化创造了条件。2 1 世纪初我国集装箱运输进入成熟时期。2 0 0 1 年一2 0 0 8 年，我 国港口集装箱吞吐量复合增长率为2 3 8 。未来：0 年中国集装箱吞吐量复合增长率也 将会维持在1 0 左右 2 。然而，在信息和网路技术如此发到和普及的今天，对作为货物 运输主要载体的集装箱的管理和监控自动化、信息化程度却很低，这显然不能适应现代 化物流所信息化管理的需求。目前全球集装箱采用的箱号识别技术基本都是采用箱号图 像识别，即通过摄像头识别集装箱表面的印刷箱号，通过图像处理形成数字箱号采集到 计算机中。这种识别技术的准确率只有9 0 左右，受阴雨大雾等天气和集装箱破损程度 的影响很大。而且要将集装箱箱号以手工来进行记录，并输入到转运站计算机的过程是 经常容易出错的，部分信息是不准确或不实时的【3 ，4 l 。据统计，高达3 0 的识别信息曾 被错误地输入过一测5 | 。所以手工采集根本无法准确及时追踪到集装箱信息，成为影响 现代物流效率、货物配送效益、供应链管理水平的主要瓶颈。 射频识别技术( r f i d ，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 ) 是自动识别技术 6 , 7 1 中一个快 速发展的领域，已经广泛应用于物流跟踪、运载工具、货架识别以及动物识别管理等许 多要求非接触数据采集和交换的场合。然而，应用范围较广的是无源r f i d 系统，例如 1 3 5 6 m h z 无源射频识别系统的应用已经很成熟；有源r f i d 系统的应用则较少。 相比于无源r f i d 系统，有源r f i d 系统的识别距离远，这一点优势在提高集装箱 信息采集的效率方面显得尤为重要。同时，对用于集装箱信息采集的自动识别装置必须 要能够适应以下特殊的工作环境：集装箱运输过程中的大部分时间在海上( 或者内 河中) 完成，因此载体必须要能够在湿度为3 5 8 0 的环境下工作。港口的自然环 境恶劣，而且作业是全天候的，因此信息载体不仅需要承受3 0 。c 的寒冬，还需要承受 高达4 0 。c 以上的酷暑，同时还必须可以在狂风、大雨等恶劣天气下工作。为保证存 沈阳航空工业学院硕士学位论文 储集装箱中的货物信息以及运输过程中的相关信息，至少要求信息载体具有4 k 字节左 右的存储能力。为加速通行速度，集装箱的相关信息必须能够远距离访司 7 1 。 因此，本研究课题试图借鉴r f i d 技术的思想，利用2 4 g h z 有源无线电子标签技 术来实现对集装箱运输的自动识别与管理。 1 2 无线电子标签技术简介 无线电子标签技术的基本原理是电磁理论。数据存储在电子标签( t a g ) 中，电子 标签的能量供应以及电子标签与读写器之间的数据交换通过磁场( 低频) 或电磁场( 高 频) ，无需经过接触就可以完成对数据的读写，适用于实现自动化且不易损坏。而且电 子标签能应用于油渍、灰尘污染等恶劣的环境中。 1 2 1 无线电子标签系统的构成 r f i d 系统是无线电子标签系统的一种。一般的无线电子标签系统由图1 1 所示的三 个部分组成 5 1 8 】： ( 1 ) 射频标签( t a g ) ，也称为射频卡、无线电子标签。它包含存有产品信息的i c 芯 片与天线组成的射频电路，通过天线接收来自所属读写器发射的射频信号，并应答出标 签芯片中包含的数据信息。依据发送射频信号方式的不同，分为主动式和被动式两种 9 】， 主动式通常由内置电池供电，主动向读写器发送射频信号，又称为有源标签；被动式不 带电池，其内部所有部件运行所需能量均来自读写器发送的电磁波，又称为无源标签。 因而无线电子标签系统有无源系统和有源系统之分。 彳陟 能量 时序 数据输入 数据输出 图1 1 无线电子标签系统组成框图 ( 2 ) 读写器( r e a d e r ) ，控制射频模块向电子标签发射读取信号，并接收电子标签的 应答信号，对电子标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息等其他相关信息传输 到主机以供处理。根据系统应用场合的不同，读写器可以是手持式或固定式。 2 沈阳航空工业学院硕士学位论文 储集装箱中的货物信息以及运输过程中的相关信息，至少要求信息载体具有4 k 字节左 右的存储能力。为加速通行速度，集装箱的相关信息必须能够远距离访司 7 1 。 因此，本研究课题试图借鉴r f i d 技术的思想，利用2 4 g h z 有源无线电子标签技 术来实现对集装箱运输的自动识别与管理。 1 2 无线电子标签技术简介 无线电子标签技术的基本原理是电磁理论。数据存储在电子标签( t a g ) 中，电子 标签的能量供应以及电子标签与读写器之间的数据交换通过磁场( 低频) 或电磁场( 高 频) ，无需经过接触就可以完成对数据的读写，适用于实现自动化且不易损坏。而且电 子标签能应用于油渍、灰尘污染等恶劣的环境中。 1 2 1 无线电子标签系统的构成 r f i d 系统是无线电子标签系统的一种。一般的无线电子标签系统由图1 1 所示的三 个部分组成 5 1 8 】： ( 1 ) 射频标签( t a g ) ，也称为射频卡、无线电子标签。它包含存有产品信息的i c 芯 片与天线组成的射频电路，通过天线接收来自所属读写器发射的射频信号，并应答出标 签芯片中包含的数据信息。依据发送射频信号方式的不同，分为主动式和被动式两种 9 】， 主动式通常由内置电池供电，主动向读写器发送射频信号，又称为有源标签；被动式不 带电池，其内部所有部件运行所需能量均来自读写器发送的电磁波，又称为无源标签。 因而无线电子标签系统有无源系统和有源系统之分。 彳陟 能量 时序 数据输入 数据输出 图1 1 无线电子标签系统组成框图 ( 2 ) 读写器( r e a d e r ) ，控制射频模块向电子标签发射读取信号，并接收电子标签的 应答信号，对电子标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息等其他相关信息传输 到主机以供处理。根据系统应用场合的不同，读写器可以是手持式或固定式。 2 沈阳航空工业学院硕士学位论文 ( 3 ) 应用系统，一般由应用程序接口、应用程序和数据库完成。应用程序接口主要 负责与读写器的通信，应用程序用来完成数据库的访问、更新等操作，数据库用来存放 射频标签信息。 1 2 2 无线电子标签系统的工作流程 无线电子标签系统的基本工作流程9 1 如下： ( 1 ) 读写器通过发射天线将载波信号发射出去； ( 2 ) 当电子标签进入读写器的工作区时，电子标签被激活，将其携带的信息经天线 发射出去； ( 3 ) 系统的接! 睫天线接收电子标签发出的信号，经天线的调节器传输给读写器；读 写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的p c 机控制器； ( 4 ) p c 机控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处 理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作； ( 5 ) 执行机构按照p c 机的指令动作； ( 6 ) 通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，根据不同的项目 可以设计不同的应用系统来完成要达到的功能。 1 3 无线电子标签系统的研究现状 1 3 1国外研究现状 r f i d 系统在国外的研究起步较早也较快，从标签芯片设计、天线设计、射频模块 设计、基带系统设计等组成r f i d 系统的各个方面都有较为深入的研究，形成了一套 r f i d 系统特有的理论体系。从全球的范围来看，美国已经在r f i d 标准的建立、相关 软硬件技术的开发和应用领域走在世界的前列。欧洲的r f i d 标准追随美国主导的 e p c g l o b a l 标准。在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经 提出u i d 标准，但主要得到本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走； r f i d 在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视【6 。此外，还有相当多的r f i d 技术方面的发明专利、理论著作、学术论文等等。德国学者k l a u sf i n k e n z e l l e r 的专著“射 频识别( r f i d ) 技术”中，较为详尽的论述了r f i d 技术的原理和应用案例，成为本领 域的权威著作7 1 。 3 沈阳航空工业学院硕士学位论文 ( 3 ) 应用系统，一般由应用程序接口、应用程序和数据库完成。应用程序接口主要 负责与读写器的通信，应用程序用来完成数据库的访问、更新等操作，数据库用来存放 射频标签信息。 1 2 2 无线电子标签系统的工作流程 无线电子标签系统的基本工作流程9 1 如下： ( 1 ) 读写器通过发射天线将载波信号发射出去； ( 2 ) 当电子标签进入读写器的工作区时，电子标签被激活，将其携带的信息经天线 发射出去； ( 3 ) 系统的接! 睫天线接收电子标签发出的信号，经天线的调节器传输给读写器；读 写器对接收到的信号进行解调解码，送往后台的p c 机控制器； ( 4 ) p c 机控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处 理和控制，发出指令信号控制执行机构的动作； ( 5 ) 执行机构按照p c 机的指令动作； ( 6 ) 通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，根据不同的项目 可以设计不同的应用系统来完成要达到的功能。 1 3 无线电子标签系统的研究现状 1 3 1国外研究现状 r f i d 系统在国外的研究起步较早也较快，从标签芯片设计、天线设计、射频模块 设计、基带系统设计等组成r f i d 系统的各个方面都有较为深入的研究，形成了一套 r f i d 系统特有的理论体系。从全球的范围来看，美国已经在r f i d 标准的建立、相关 软硬件技术的开发和应用领域走在世界的前列。欧洲的r f i d 标准追随美国主导的 e p c g l o b a l 标准。在封闭系统应用方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经 提出u i d 标准，但主要得到本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走； r f i d 在韩国的重要性得到了加强，政府给予了高度重视【6 。此外，还有相当多的r f i d 技术方面的发明专利、理论著作、学术论文等等。德国学者k l a u sf i n k e n z e l l e r 的专著“射 频识别( r f i d ) 技术”中，较为详尽的论述了r f i d 技术的原理和应用案例，成为本领 域的权威著作7 1 。 3 沈阳航空工业学院硕士学位论文 无源系统方面，c h i e n h ok o 1 0 设计了一个利用r f i d 技术实现的无线网络楼房维 护系统，经实地试验后表明基于无线网络技术、数据库技术和管理理论的集成r f i d 技 术能够提高工厂设备、楼房等的维护效率；l e n i n 等人 1 1 提出一种称为s i x t h s e n s e 的企 业个人情报系统，该系统假设某空间内，个人以及物体都贴有无源r f i d 标签，并且 r f i d 读写器的读写能力能够覆盖大部分空间，该系统可以跟踪和推断个人与个人、个 人与物体( 比如，书、手机、笔记本等) 以及个人与工作地点之间的交互关系，并通过 a p i ( 能够提供有效的应用和服务) 可将这些关系进行计算处理的平台。可以说， s i x t h s e n s e 展现了一种把可移动运算能力用于非计算能力主体的形式；m e l a n i e 等 4 4 】在 文中提出来r f i dg u a t r d i a n 方案，该方案可以查询、记录并显示在附近区域内的所有电 子标签，管理r f i d 密码和附近已经授权的r f i d 读写器，阻止未授权的读写器接入用 户的电子标签。这样一来，人们可以找到发生在他们身边的r f i d 行为并根据需要做出 相应的反应，有效地防止了用户由于购买了带有r f i d 标签的商品而导致个人信息被恶 意破坏或偷取的情形。 有源系统方面，h a e 掣1 3 1 在文中将r f i d 技术引入导航系统，结合g p s 和陀螺仪技 术，经实验，该方案有效地提高了定位信息准确度，尤其是在地道和市区区域；s o u t h e r n c o 在近日完成的实验中使用了一套r f i d 系统来训练员工如何防止过度暴漏于辐射 1 4 】，系统识别q t 5 0 0 有源r f i d 电子标签发出的特殊频率，并把这个信号同佩戴标签的 员工的名字联系起来，在训练期间，系统可以监测最多1 0 个员工的位置，接收电子标 签发出的信息从而让软件计算出每个员工接受到的核辐射量，系统中设置了好报警点， 一旦辐射数量超过了阈值，标签就会报警提示员工离开那个位置；德国e r l a n g e n 档案馆 采用“有源r f i d 防火系统装置预防火灾【l5 1 ，该系统如果检测到火灾，两分钟内大量 氮气会涌入房间，替换房间绝大多数的氧气，扑灭火焰，整个过程无需使用到水，也就 不会损坏文档，另外该系统还采用了u b i s e n s e 的实时定位，在档案室的书架边安装了多 台读写器，每位工作人员或客人都佩戴一个有源u b i s e n s e 标签，读写器记录信号，采用 到达时间和到达角度计算每个标签及其佩戴人员的位置，当火灾发生时，援救人员可以 在危险情况下迅速找到被困人员。 1 3 2 国内研究现状 我国在r f i d 系统的研究方面起步较晚，然而随着r f i d 技术的重要性的日益体现， 4 沈阳航空工业学院硕士学位论文 我国政府也希望能够在这项技术上有所创新。2 0 0 4 年2 月，我国国家标准化管理委员会 宣布成立“电子标签( r f i d ) ”国家标准工作组，负责起草、制定我国有关“电子标签” 的国家标准。2 0 0 5 年1 1 月在北京召开的全球r f i d 中国峰会上，“中国r f i d 产业联盟” 成立。2 0 0 6 年6 月“中国r f i d 发展政策白皮书”出台 4 1 。我国r f i d 标准体系框架的研 究工作已基本完成。2 0 0 9 年6 月2 3 日，国家金卡工程、中国r f i d 产业联盟理两家机 构正式发布了( 2 0 0 8 年度中国r f i d 发展报告 1 6 】。报告显示：2 0 0 8 年中国r f i d 产业 市场规模达到6 5 8 亿元人民币，比2 0 0 7 年增长了2 4 8 。2 0 0 8 年中国r f i d 发展已从 技术研发阶段进入到应用驱动阶段，其主要特点是市场与应用需求增长稳健，规模越来 越大。报告预测：2 0 0 9 年中国r f i d 市场规模将为7 9 3 亿元，比2 0 0 8 年增长2 0 6 。 由于金融危机的影响，2 0 0 9 年的增速可能放缓，但未来几年，在政府和行业管理机构的 不懈推动下，随着我国r f i d 相关标准的逐步建立，以及行业性规模化应用的不断启动， 国内r f i d 相关产品的成本将不断降低，技术也会日益成熟，产用结合、互动发展局面 将会形成。 r f i d 在国内的应用范围不断拓展，从先前的以身份识别、电子票证，已逐渐向安 全监督、图书馆、物流等物品识别发展；在频段的利用也从低、高频，逐渐向超高频和 微波成长；在电子标签方面也从无源卡( 被动卡) 逐渐向有源卡( 主动卡) 开展应用。 无源系统方面，香港c s l 公司在2 0 0 9r f i d 新产品发布会上发布了最新产品 _ r f i d 面形识别解决方案17 1 ，该方案糅合了远距离无源r f i d 技术和高速面形识别 系统两项技术之所长，可改善考勤情况，包括加快繁忙时段的考勤速度、免却出示职员 卡的需要、双重认证，确保员工身份、杜绝一人多卡j 的考勤情况、严禁尾随而未经 身份核实之人仕进入等；目前中国建设银行正在银行数据中心试用r c g ( 宏霸数码r c g h o l d i n g s ) 的资产和数据安全管理系统【1 8 】。系统中的无源超高频( u h f ) 标签粘附在i t 资产上，这些标签操作频率在9 0 0 m h z 9 3 0 m h z ，符合e p cc l a s s1g e n 2 标准，并特为 防金属干扰而设计，该系统整合了位置监测和跟踪、数据安全、存取控制来改善银行的 i t 资产安全。 有源系统方面，y i y a n g 等人1 9 1 提出了一种新的室内环境下的物体定位方法，称作 v i r t u a lr e f e r e n c ee l i m i n a t i o n ( v 也) ，该方法使用少量的有源电子标签即可确定室内某 5 沈阳航空工业学院硕士学位论文 目标的位置，而且准确率比常用的l a n d m a r c 方法要高出1 7 ，所使用的标签数量 也比较少；深圳讯流科技有限公司和深圳碧沙科技有限公司联合推出一款有源r f i d 实 时定位系统2 0 1 ，并将其成功应用于加拿大安大略省某医院的r f i d 定位医护患者和贵重 仪器的定位项目。经测定，该系统的定位精度可达到4 米，而且使用的是普通有源r f i d 标签，无须特别定制，成本更低；中国银行还引入了r c g ( t x 霸数码r c gh o l d i n g s ) 现金柜管理系统1 8 ，提高了现金柜运送到其他分行的安全性。现金柜上粘附了有源 4 3 3 9 6m h zr f i d 标签，此标签专用于粘附金属。该标签采用了专有的空中接口协议用 来与连接到一对安装在银行入口处的单向天线的r f i d 读写器通信，以检测每个现金柜 的离开和抵达。全方位天线也被安装在银行内，来追踪内部现金柜的踪迹；台湾故宫博 物酣2 1 1 引用r f i d 技术用于提升搜寻、找片、清查、盘点、稽核等作业的效率，首先在 文物底片储放柜上安装主动式r f i d 晶片，然后透过读取器就能确认文物底片存放位置， 便于工作人员操作，也省下翻箱倒柜寻找的时问。 1 4 本文的主要研究任务 本研究课题的目的就是利用2 4 g h z 有源无线电子标签技术设计一个集装箱信息自 动化识别系统，实现集装箱运输车进出货栈时的快速通行。基于此目的，本文把整个课 题的研究任务分为以下三个部分来完成： ( 1 ) 无线电子标签系统的设计需求。 这个部分从实际的应用场合出发，分别从应用背景特性、系统的软硬件设计需求三 个方面介绍了本课题研究的内容。 ( 2 ) 系统的硬件设计与实现。 这个部分首先介绍本课题研究的2 4 g h z 有源无线电子标签系统的总体硬件设计方 案，包括其组成和工作原理；然后从部件选择、电路原理图设计等方面分别介绍了系统 中有源电子标签和读写器的硬件实现。 ( 3 ) 系统的软件设计与实现。 这个部分首先介绍2 4 g h z 有源无线电子标签系统中读写器和电子标签的整体工作 流程；其次对射频识别技术中多路存取技术( 防碰撞法) 进行探讨与对比，确定了适合 本系统的防碰撞算法并实现；然后针对有源电子标签的功耗低的性能设计并实现标签低 6 沈阳航空工业学院硕士学位论文 功耗的工作机制；最后从系统的安全性能角度出发，提出了一个成本低、实用的无线电 子标签系统安全解决方案。 7 沈阳航空。i ：业学院硕士学位论文 第2 章2 4 g h z 有源无线电子标签系统的设计需求 2 1 应用背景特性 集装箱号码是集装箱唯一的身份。作为产品，自集装箱离开生产线到客户手中，需 经过运输、暂存等环节；作为物流载货的工具，集装箱要经过客户、港口、码头、堆场、 物流中心、拼箱仓库、陆运、船运等环节，这期间会有多次的箱号信息采集。因此，箱 号信息的采集手段对物流效率的提高有着极其重要的作用。 堆场忙口 f 集装箱 集装箱ii 集装箱i 。，纛、 址峨出盐甜， 一j f j 集装箱车皮 集卡装货 曼 集卡提货 集装箱堆场 图2 1 集装箱运输管理流程示意图 图2 1 给出了某港集装箱运输管理中出港的流程示意图。集装箱到港后，经装货、 堆场、提货等环节，集装箱卡车离开堆场。可见，在堆场卡口处提高集装箱箱号信息采 集的效率对提高整个集装箱运输管理的效率和管理水平有着重要的作用。 从图2 1 中各个环节来看，将r f i d 技术应用到集装箱运输车进出货栈时的快速通 行无疑是正确的选择。然而，无线电子标签系统有无源系统和有源系统之分，目前广泛 使用的是无源电子标签系统。在无源电予标签系统中，电子标签为无源的，自身不带电 池，其工作的能量是从来自读写器的射频信号中耦合而来，因此为了实现远距离通信， 读写器需提高其发射功率【6 】。发射功率大，则对读写器等设备的要求较高，且不益于人 的身体健康。有源电子标签系统则可以避免这个问题。有源电子标签系统采用有源电子 标签，即电子标签自身带有电池，其工作的能量由电池提供，因而，读写器无需提供发 射功率即可实现远距离的通信【6 1 。 8 曩函 沈阳航空工业学院硕士学位论文 综上，有源的无线电子标签系统能够更好地实现集装箱卡车进出货栈的快速通行， 进而提高集装箱运输管理的效率和管理水平。 2 2 软硬件设计需求 2 2 1 硬件设计需求 有源无线电子标签系统中最主要的是读写器和有源电子标签，由于应用系统是建立 在硬件基础上的，对于不同的应用方案可以开发不同的系统，但其底层的模块基本是一 样的，所以本课题研究的有源无线电子标签系统的硬件方面只包括两部分，即读写器和 有源电子标签，读写器完成部分应用系统所需的功能，如身份认证等。 有源电子标签中存有集装箱的相关信息，当带有电子标签的集装箱卡车进入到读写 器的工作区后，响应读写器指令，并根据读写器的指令做出读写等处理。 读写器主要是用于采集电子标签中存储的相关信息，并对电子标签发出读写、选择 等操作指令，在整个系统中处于主导地位。当带有电子标签的运输车进入读写器的工作 区域时，经认证确认标签的合法身份后，读写器与电子标签进行数据通信，实现集装箱 运输车的自动识别与信息采集，并将相关信息如车牌号、通关时间等在l c d 上显示； 若多辆运输车同时在读写器的工作区时，即工作范围内存在多个电子标签，则启动防碰 撞机制，各标签依次与读写器完成数据通信，实现各个运输车的自动识别。 2 2 2 软件设计需求 有源无线电子标签系统的软件方面主要包括有源电子标签的低功耗工作机制部分、 防碰撞部分和系统安全性的解决方案部分。 有源电子标签相对于无源电子标签具有识别距离远、存储能力强等优点，然而其寿 命则相对较短。因此，较低的功耗是设计有源电子标签时需要考虑的问题，不仅在器件 的选择方面，标签的工作机制方面也是很重要的。 当读写器的工作区域内有多辆运输车时，即多个电子标签同时出现在读写器的工作 范围，此时会出现数据碰撞的情况，导致有些电子标签无法与读写器实现通信，这在实 际情况中是不允许的。有效的防碰撞法可以使得读写器依次与每个标签进行通信，实现 各个运输车的自动识别。 电子标签中存储着集装箱的相关信息，这些信息是不允许被随意读取或随意篡改的。 9 沈阳航空工业学院硕士学位论文 综上，有源的无线电子标签系统能够更好地实现集装箱卡车进出货栈的快速通行， 进而提高集装箱运输管理的效率和管理水平。 2 2 软硬件设计需求 2 2 1 硬件设计需求 有源无线电子标签系统中最主要的是读写器和有源电子标签，由于应用系统是建立 在硬件基础上的，对于不同的应用方案可以开发不同的系统，但其底层的模块基本是一 样的，所以本课题研究的有源无线电子标签系统的硬件方面只包括两部分，即读写器和 有源电子标签，读写器完成部分应用系统所需的功能，如身份认证等。 有源电子标签中存有集装箱的相关信息，当带有电子标签的集装箱卡车进入到读写 器的工作区后，响应读写器指令，并根据读写器的指令做出读写等处理。 读写器主要是用于采集电子标签中存储的相关信息，并对电子标签发出读写、选择 等操作指令，在整个系统中处于主导地位。当带有电子标签的运输车进入读写器的工作 区域时，经认证确认标签的合法身份后，读写器与电子标签进行数据通信，实现集装箱 运输车的自动识别与信息采集，并将相关信息如车牌号、通关时间等在l c d 上显示； 若多辆运输车同时在读写器的工作区时，即工作范围内存在多个电子标签，则启动防碰 撞机制，各标签依次与读写器完成数据通信，实现各个运输车的自动识别。 2 2 2 软件设计需求 有源无线电子标签系统的软件方面主要包括有源电子标签的低功耗工作机制部分、 防碰撞部分和系统安全性的解决方案部分。 有源电子标签相对于无源电子标签具有识别距离远、存储能力强等优点，然而其寿 命则相对较短。因此，较低的功耗是设计有源电子标签时需要考虑的问题，不仅在器件 的选择方面，标签的工作机制方面也是很重要的。 当读写器的工作区域内有多辆运输车时，即多个电子标签同时出现在读写器的工作 范围，此时会出现数据碰撞的情况，导致有些电子标签无法与读写器实现通信，这在实 际情况中是不允许的。有效的防碰撞法可以使得读写器依次与每个标签进行通信，实现 各个运输车的自动识别。 电子标签中存储着集装箱的相关信息，这些信息是不允许被随意读取或随意篡改的。 9 沈阳航空工业学院硕士学位论文 这就涉及到了系统安全性的问题。在本文设计的安全性解决方案中，主要从认证协议和 数据加密两方面入手。 2 3 本章小结 本章主要从应用背景特性和软硬件设计需求两方面介绍了本课题的有源无线电子标 签系统的设计需求，确定了本课题的研究内容和主攻方向。 1 0 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第3 章2 4 g h z 有源系统硬件设计与实现 3 1 2 4 g h z 有源系统硬件的总体设计 3 1 1 系统的总体硬件设计 2 4 g h z 有源无线电子标签系统的整体框图如图3 1 所示。系统的主要功能是实现对 集装箱运输车的相关信息的远程自动采集并显示。该系统中读写器处于主导地位，它与 电子标签之问的通信由读写器发送唤醒指令开始。当电子标签进入读写器的工作区后就 响应唤醒指令，从而使得读写器识别到电子标签并与它进行数据通信，实现运输车的自 动识别与信息采集。当读写器的作用区内有多个电子标签时，采用防碰撞法，多个电子 标签将会依次被识别并完成数据通信。 读写器有源电子标签 射控 外控射 i 哆 天l频 制 围制频 天 照 _ 亟 h 堕 线 线 1r 堕 堕 兀兀 兀兀兀 亏圣一 下下下t 有源无线电子标签系统框图 标签中存有集装箱运输车的相关信息，由控制单元、射频单元、电源单元 和天组成。读写器主要是用于采集标签中存储的相关信息，并对标签发出读写、选 择等指令，由控制单元、射频单元、电源单元、外围电路和天线等组成，在整个系 统中主导地位。 32系统的工作原理分析 电子标签一般是处于休眠状态，休眠时间达到之后监听公共信道。若此时 处于器的工作区域，则可以监听到来自读写器的唤醒信号，响应该信号进入数据通 信过若不在读写器工作区域之内，则继续转入休眠状态，等待下一次“醒来”。读 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第3 章2 4 g h z 有源系统硬件设计与实现 3 1 2 4 g h z 有源系统硬件的总体设计 3 1 1 系统的总体硬件设计 2 4 g h z 有源无线电子标签系统的整体框图如图3 1 所示。系统的主要功能是实现对 集装箱运输车的相关信息的远程自动采集并显示。该系统中读写器处于主导地位，它与 电子标签之问的通信由读写器发送唤醒指令开始。当电子标签进入读写器的工作区后就 响应唤醒指令，从而使得读写器识别到电子标签并与它进行数据通信，实现运输车的自 动识别与信息采集。当读写器的作用区内有多个电子标签时，采用防碰撞法，多个电子 标签将会依次被识别并完成数据通信。 读写器有源电子标签 射控 外控射 i 哆 天l频 制 围制频 天 照 _ 亟h堕 线 线 1r 堕 堕 兀兀 兀兀兀 亏圣一 下下下 t 有源无线电子标签系统框图 标签中存有集装箱运输车的相关信息，由控制单元、射频单元、电源单元 和天组成。读写器主要是用于采集标签中存储的相关信息，并对标签发出读写、选 择等指令，由控制单元、射频单元、电源单元、外围电路和天线等组成，在整个系 统中主导地位。 32系统的工作原理分析 电子标签一般是处于休眠状态，休眠时间达到之后监听公共信道。若此时 处于器的工作区域，则可以监听到来自读写器的唤醒信号，响应该信号进入数据通 信过若不在读写器工作区域之内，则继续转入休眠状态，等待下一次“醒来”。读 沈阳航空工业学院硕士学位论文 写器则不断地向外发送唤醒信号，若收到响应信号则进入数据通信过程，识别电子标签 所携带的信息，通信完成之后，则继续发送唤醒信号，等待下一次“通话”。 当集装箱运输车未进入读写器