（信息与通信工程专业论文）基于rfid无线通信系统的防碰撞算法设计与研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 乳上 一日期： 毕年旦月上日 学位论文版权使用授权书 摘要 射频识别( 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 ，简称r f i d ) 技术，作 为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础， 已经被公认为本世纪十大重要技术之一。 本文是针对大红山铜矿数字矿山建设项目对射频识别技术进行 分析和研究的。通过利用射频识别技术自动的识别人员信息，采集周 围环境数据，提高矿山的数字化建设，为管理提供依据。重点研究了 该项目中的防碰撞算法以及读卡器和电子标签。通过对读卡器、电子 标签的研究，并比较和研究多种防碰撞算法，最终设计并确定了大红 山铜矿数字矿山项目采用的主要硬件设备、工作频率和防碰撞算法。 本文首先对射频识别系统的组成、工作原理以及标准进行了分析 和研究，然后深入研究了射频识别系统中两个重要组成部分一读写器 和电子标签。重点对射频识别系统中主要的防碰撞算法进行了研究和 对比，并提出了一种适合大红山铜矿数字矿山建设项目的防碰撞算 法。 在防碰撞算法的研究部分，首先对a l o h a 算法和二进制算法这 两个不同的算法进行了研究，并且详细列举了这两个算法的七种变异 和改进算法。其次对g e n 2 和c l a s s l 这两个标准中的防碰撞算法进行 了分析。 基于上面对电子标签、读写器和各种防碰撞算法的分析，确定采 用n o r d i c 公司的n e w m s gr f 9 0 5 b 作为读卡器的控制核心，并确定 采用9 15 m h z 作为系统的工作频率，最后设计了一种改进的防碰撞算 法即：b 动态时隙a l o h a 算法。 结尾部分对论文进行了总结，并对已提出的b 动态时隙a l o h a 算法中需要改进的工作进行了展望。 关键词：r f i d 系统，矿井，读写器，电子标签，防碰撞算法 a bs t r a c t 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 ，r f i d ) t e c h n o l o g y ，a st h e b a s i co far a p i d ，r e a l t i m e ，a c c u r a t ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go ft h e h i g h t e c ha n di n f o r m a t i o ns t a n d a r d i z e d ，h a sb e e nr e c o g n i z e da so n eo f t h et o pt e nt h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g yo ft h i sc e n t u r y t h i sa r t i c l ei sa i m e da tt h ed a h o n g s h a nc o p p e rm i n ec o n s t r u c t i o n p r o j e c t s t oa n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo fr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n t h ed a h o n g s h a nc o p p e rm i n ec o n s t r u c t i o np r o j e c t s u s e t h er a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yt oa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n o fp e r s o n n e li n f o r m a t i o n ，c o l l e c t i n gd a t ao nt h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ， i m p r o v et h en u m b e ro fm i n ec o n s t r u c t i o n ，t op r o v i d eab a s i sf o r m a n a g e m e n t t h i sm a j o rr e s e a r c h p r o je c t i nt h i sa r t i c l ei si nt h e a n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h ma n dr e a d e ra n de l e c t r o n i ct a g s t h r o u g ht h ec a r d r e a d e r , r f i dr e s e a r c h ，a n dt oc o m p a r ea n ds t u d yav a r i e t yo f a n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m ，t h ef i n a lf i g u r e sf o rd a h o n g s h a nc o p p e rm i n e p r o j e c ti d e n t i f i e st h em a i nu s eo fh a r d w a r e ，o p e r a t i n gf r e q u e n c y ，a sw e l l a sa n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h er f i ds y s t e mf o ro p e r a t i n g p r i n c i p l e sa n ds t a n d a r d s ，a n dt h e na n a l y s i st h et w op a n so ft h er 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 ns y s t e m ：t h er e a d e ra n de l e c t r o n i ct a g s t h i si s a l s ot h em o s ti m p o r t a n tr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，t h em o s t i n e v i t a b l ea n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m sh a v eb e e ns t u d i e df o rc o m p a r i s o n ， a n dp r e s e n t sas u i t a b l ea n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m sf o rd a h o n g s h a nc o p p e r m i n ec o n s t r u c t i o np r o je c t st oi m p r o v et h ep r o je c tw o r k i nt h ep a r to ft h ea r t i c l et oa n a l y s i st h ea n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m ，f i r s t o fa l lc o m p a r ea n da n a l y s i st w od i f f e r e n tt y p e so fa n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m t h ea l o h a a l g o r i t h ma n dt h eb i n a r ya r i t h m e t i ca l g o r i t h m s ，a n dd e t a i l e d e x a m p l e so ft h et w oa l g o r i t h m s ，a sw e l la st h ei m p r o v e ds e v e nk i n d so f a l g o r i t h mv a r i a t i o n s s e c o n d l y ，o n t h eg e n 2a n dc l a s slt h e s et w o s t a n d a r d si nt h ea n t i c o l l i s i o na l g o r i t h mf o ra n a l y s i s b a s e do nt h et o pp a r to ft h ee l e c t r o n i ct a ga n dr e a d e ra n a l y s i s ，a s w e l la sv a r i o u sa n t i c o l l i s i o na l g o r i t h ma n a l y s i s d e t e r m i n et h eu s eo f i i n o r d i cc o m p a n i e sn e w m s g _ r f 9 0 5 br e a d e r s a sac o n t r o lc o r e a n d 915 m h zf o rt h ec o r ep a r to f t h es y s t e mo p e r a t i n gf r e q u e n c y a n dg w e s t h eb a l g o r i t h mf o rd y n a m i cs l o ta l o h a t ob et h es y s t 锄a n t l 一c o l l l s l o n a l g o r i t h m f i n a l l y ，t h i sa r t i c l es u m m a r i z e st h es t u d ya n d l o o ka tt h ep r o s p e c t s f o rf u t u r er e s e a r c h r f i ds y s t e m s ，m i n e s ，r e a d e r ，e l e c t r o n i cl a b e l s ， a n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m i i i 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 应用现状及发展1 1 3 论文的结构安排。3 第二章r f i d 系统工作原理及标准4 2 1r f i d 系统构成4 2 2r f i d 系统的物理学原理6 2 3r f i d 系统的基本工作流程7 2 4r f i d 标；准7 2 5 小结1 0 第三章r f i d 电子标签与读写器1l 3 1 电子标签11 3 1 1 电子标签的功能1 1 3 1 2 电子标签的基本组成1 2 3 1 - 3 电子标签的分类1 2 3 1 4 电子标签的天线1 4 3 1 5 电子标签的发展趋势1 4 3 2 读写器1 4 3 2 1 读写器的功能1 4 3 2 2 读写器的基本组成1 5 3 2 3 读写器的工作方式1 7 3 2 4 读写器天线18 3 2 5 读写器的发展趋势1 8 3 3 小结。1 9 第四章防碰撞算法的研究2 0 4 1 防碰撞算法简介2 0 4 1 1 防碰撞算法的设计要求2 0 4 1 2 防碰撞算法的原理2 0 4 2 防碰撞算法2 4 4 2 1a l o h a 算法2 4 4 2 2 时隙a l o h a 算法2 5 4 2 3f r a m e ds l o t t e da l o h a 算法2 5 4 2 4d y n a m i cf r a m e ds l o t t e da l o h a 2 6 4 2 5 二进制树算法2 7 4 2 6 动态二进制树算法3 0 4 2 7 后退式二进制树算法31 4 3 各种标准中的防碰撞算法3 2 4 3 1c l a s s l 标准中的二进制树算法3 2 i v 4 3 2g e n 2 标准中的a l o h a 算法3 5 4 4 小结3 9 第五章系统设计4 0 5 1 大红山井上井下综合通讯技术与系统4 0 5 2 读卡器和电子标签4 0 5 2 1 读卡器的设计4 l 5 2 2 电子标签设计4 6 5 3 防碰撞算法设计。5 0 5 3 1b 时隙动态a l o h a 算法思想5 0 5 - 3 2b 一时隙动态a l o h a 算法要点5 l 5 3 3b 时隙动态a l o h a 算法的具体过程5 2 5 3 4b 时隙动态a l o h a 算法的优缺点5 3 5 4 小结5 3 第六章总结与展望5 4 6 1 论文总结5 4 6 2 后续工作展望5 4 参考文献5 6 至l 【谢。6 0 攻读学位期间的研究成果6 l v 硕七学位论文 第章绪论 第一章绪论 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，是一种利用射频通信实 现的非接触式自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，并取得相关数 据，识别过程无需人工干预，可以工作在各种恶劣的环境下。随着微型集成电路的 进步，微型智能r f i d 标签得到了很大应用发展。尤其是在产品资源的管理和可 跟踪性方面，它将条形码及无线技术的优势带入资产管理、产品跟踪、海运及运 输识别、库存控制和定位检测等领域中，体现出了巨大的优势。 1 1 课题背景及意义 我国矿井地质情况复杂，近年来，危险性事故频频发生，直接威胁着矿工的 人身安全，因此煤矿安全生产管理是一个迫在眉睫急需解决的重大问题。如何加 强安全生产的防范措施，正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准备、 实时、快速的通信联络，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，都是亟待解决的 问题。同时实现矿井的数字化、信息化是所有矿产企业关心的问题，也提高了矿 山企业的管理信息化【1 1 。 随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在矿井安全生产监测应用领域中 的不断发展，如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置需要得到进一 步地解决。特别是随着射频识别技术在国内的引进和发展，r f i d 技术不仅可以 识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，实现对井下人员进行考勤记录、定 位记录、追踪记录，使得对下井人员进行实时监测，充分利用了现有资源，加强 了企业人员管理机制，减轻工作量，提高了工作效率，同时也使救援工作做到了 目标定位准确、速度快、针对性强。 目前，射频识别技术在国内外发展很快，各种r f i d 产品也趋于成熟，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多个领域。随着r f i d 技术的广泛应用，越来越多的研究者开始重视r f i d 系统中的诸多技术问题，防 碰撞算法是其中的热点问题之一。为了消除或减少r f i d 系统中的碰撞问题，研 究人员进行了不懈的努力，提出了各种不同的算法。现在，许多新的算法还在不 断涌现。 论文选题来源于大红山铜矿数字矿山建设项目。主要是针对大红山铜矿数字 矿山建设项目的井下无线通信系统现存的问题，通过改进设备，设计适合的防碰 撞算法，以提高射频识别技术自动识别人员信息，采集周围环境数据的效率，建 硕七学位论文第一章绪论 设高效益的数字化矿山为目标。针对大红山铜矿现有的采矿工艺和生产设备，亟 待解决的问题就是确保这些工艺和设备能够充分发挥效益和效率，降低生产过程 中各类事故的发生率、提高安全性，同时提高大红山铜矿的技术和管理水平，这 就是整个论文的研究意义。 1 2 应用现状及发展 1 2 1 国外r f i d 技术发展现状及水平 国外r f i d 应用最著名的例子是年营业额占全球零售业两成的被称为全球企 业新独裁者的沃尔玛百货公司。到2 0 0 5 年底截止，所有供应沃尔玛百货的商品 包装箱上，都要有应用r f i d 技术的电子商品条形码。一位分析师估计，沃尔玛 百货应用r f i d 技术以后，每年节省成本可达8 4 亿美元。 目前，r f i d 技术在国外发展得很快。r f i d 产品种类很多，像德州仪器、 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。他们的产品 各有特点，自成系列。r f i d 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。如澳大利亚将它的r f i d 产品用于机场旅客行李管理 中并发挥了出色的作用；瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装r f i d 自 动识别系统，调度员可以实时掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减少了 发生事故的可能性。b m w 公司将r f i d 系统应用在汽车生产流水线的生产过程 控制中等。 据有关权威数据显示，r f i d 产品在全世界的销量以每年2 5 3 的比例增长。 在国外，2 0 0 5 年r f i d 技术成功应用到了南非的采矿业中，取得了很好的效 果。自从测试安装了第一个系统以来，数据读取成功率是1 0 0 ，系统能够在连 续的基础上跟踪设备和矿工的移动情况。r f i d 系统矿井带来的利益，矿井所有 人是非常清楚的。它不仅改良了矿井作业人员的安全机制，设备维护管理的成本 效益更优化，而且控制了设备丢失并且更精确地管理设备的使用情况。 1 2 2 国内r f i d 技术发展现状及水平 我国政府在1 9 9 3 年制定金卡工程实施计划，由此带动了各种自动识别技术 的快速发展【2 】。现在，r f i d 技术作为一种新兴的自动识别技术，也将在中国很 快地普及。目前，我国的r f i d 技术主要应用在下列几个行业中； ( 1 ) 安全防护领域门禁保安； ( 2 ) 商品生产销售领域生产自动化； ( 3 ) 管理与数据统计领域数目管理； ( 4 ) 交通运输领域高速公路自动收费及交通管理。 2 硕士学位论文第一章绪论 在国内，深圳格润电子有限公司于2 0 0 3 年8 月开始研究“矿井人跟踪定位 及考勤管理系统，于2 0 0 4 年1 2 月通过国家级技术鉴定，在无线双频技术领域 达到国内领先水平。 2 0 0 6 年4 月，北京维深电子技术有限公司和国家煤炭安全主管部门采用 r f i d 技术联合开发的井下人员定位系统顺利通过我国煤炭行业煤安( m a ) 认 证。 2 0 0 6 年4 月，上海派秀电子科技有限公司与国家安全生产监督总局通信信 息中心，结合长春东煤高技术开发公司的k j 1 9 传输平台而研制的“井下人员安 全定位系统 在山西吕梁柳林矿应用【3 】。 可见r f i d 技术在我国的发展非常有前景，特别是在矿山产业中，它不仅仅 能够提高管理效率，也能够在发生矿难时对人员定位起到很大的作用。 1 3 论文的结构安排 本文分为六个部分： 第一章简要介绍了r f i d 的发展历史和当前国内外的研究现状，同时对本文 的研究内容进行了简单的介绍。 第二章介绍了r f i d 系统工作原理及标准，首先了解了r f i d 的系统构成及 其工作流程，然后着重介绍r f i d 的物理学原理，通过电磁学原理以及数据传输 原理来进行介绍，最后介绍了r f i d 系统在目前世界上的几大标准。 第三章介绍和分析了r f i d 电子标签和读写器这两个射频识别系统重要的组 成部分，对电子标签和读写器的功能、组成、类型以及以后的发展趋势进行了分 析。 第四章着重对r f i d 系统中最重要的防碰撞算法进行研究，首先对a l o h a 算法和二进制树算法两大类进行介绍和研究，接着分析和研究了c l a s s l 和g e n 2 这两个不同标准中的防碰撞算法。 第五章对系统中的读写器以及电子标签进行分析，确定采用n o r d i c 公司的 n e w m s gr f 9 0 5 b 作为控制核心，并把9 1 5 m h z 作为本系统的工作频段。在基于 二进制分类的思想上设计了一种改进的动态时隙a l o h a 算法- b d f s a 算 法。该算法满足大红山矿山数字项目的要求，增强了防碰撞算法的准确性和实时 性。 第六章对以前的工作进行总结并对以后的工作做出了展望。 3 硕士学位论文 第二章r f i d 系统t 作原理及标准 第二章r f id 系统工作原理及标准 2 1r f i d 系统构成 r f i d 是一种非接触式射频识别技术，它和其他识别方式的本质区别在于它 的能量和数据交换是运用无限电波实现的以及它的非接触性【4 】。射频识别系统通 常由电子标签、读写器、计算机通信网络三部分组成。图2 1 为射频识别系统的 结构框图。 ：计算机通信网络： i i 图2 - l 射频识别系统的结构框图 电子标签：电子标签存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要 识别的物品上，它所存储的信息通常可被射频识别读写器通过非接触方式读写 获取。 读写器：读写器是可以利用射频技术读写电子标签信息的设备。读写器读 出的标签信息可以通过计算机以及网络系统进行管理和信息传输。 计算机通信网络：在射频识别系统中，计算机通信网络通畅用于对数据进行 管理，完成通信传输功能。读写器可以通过标准接口与计算机通信网络连接，以 4 硕士学位论文 第二章r f i d 系统工作原理及标准 便实现通信和数据传输功能。以便读取的数据通过网络传输到计算机中进行处理 和分析。 从图2 1 可以看出，在射频识别系统工作过程中，始终以能量作为基础，通 过一定的时序方式来实现数据交换。因此，在射频识别系统工作的信道中存在有 三种事件模型：以能量提供为基础的事件模型；以时序方式实现数据交换的事件 模型；以数据交换为目的的事件模型【引。 ( 1 ) 以能量提供为基础的事件模型 读写器向电子标签提供工作能量。对于无源标签来说，当电子标签离开读写 器的工作范围以后，电子标签由于没有能量激活电子标签，电子标签通过整流的 方法将接收到的能量转换为电能存储在电子标签内的电容器里，从而为电子标签 提供工作能量。对于有源标签来说，有源标签始终处于激活状态，和读写器发出 的电磁波相互作用，具有较远的识别距离以及可以利用电子标签自己发起会话与 读写器进行通信。 ( 2 ) 以时序方式实现数据交换的事件模型 时序指的是读写器和电子标签的工作次序。通常有两种时序：一种是r t f ( 读写器先发言) ；另一种是t t f ( 标签先发言) ，这是读写器的防碰撞协议方 式。 r t f ( 读写器先发言) 指的是首先由读写器发起会话，进行通信而电子标签 用于应答读写器发出的信号；用于这种方式的电子标签可以为有源标签和无源标 签。t t f ( 标签先发言) 指的是由电子标签首先发起会话，读写器用于应答电子 标签发起的会话；用于这种方式的电子标签一般为有源标签。 ( 3 ) 以数据交换为目的的事件模型 读写器和电子标签之间的数据通信包括了读写器向电子标签的数据通信和 电子标签向读写器的数据通信。在读写器向电子标签的通信中，又包括了离线数 据写入和在线数据写入。在电子标签向读写器的数据通信中，工作方式包括以下 两种：电子标签被激活以后，向读写器发送电子标签内存储的数据；电子标签被 激活以后，根据读写器的指令，进入数据发送状态或休眠状态。 电子标签和读写器之问的数据通信是为应用服务的，读写器和应用系统之间 通常有多种接口。接口具有以下功能：应用系统根据需要，向读写器发出读写器 配置命令；读写器向应用系统返回所有可能的读写器的当前配置状态；应用系统 向读写器发送各种命令；读写器向应用系统返回所有可能命令的执行结果。而电 子标签和读写器之间的数据通信都是为了完成读写器和应用系统通信功能和要 求的。 s 硕士学位论文第二章r f i d 系统工作原理及标准 2 2r f i d 系统的物理学原理 2 2 1 电磁场基本理论 射频识别系统中的读写器和电子标签通过各自的天线构建了二者之间的非 接触信息传输信道。这种空间信息传输信道的性能完全由天线周围的场区特性来 决定的，这是电磁传播的基本规律。根据观测点距离天线距离的不同，天线周围 辐射的场呈现出来的性质也不相同。通常可以根据观测点距离天线的距离将天线 周围的场划分为三个区域：无功近场区、辐射近场区和辐射远场区。 ( 1 ) 无功近场区 无功近场区也被称为电抗近场区，它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近 场区域。在该区域中，电抗性储能场占支配地位。通常，该区域的界限取为据天 线口径表面旯2 x ( 名为天线波长) 处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储 能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场之间的转换，因而 也可以将这些金属物体看作组合天线的一部分。在该区域中束缚于天线的电磁场 没有做功，因而将该区域称为无功近场区。 ( 2 ) 辐射近场区 超过电抗近场区就到了辐射场区，辐射场区的电磁能已经脱离了天线的束 缚，并作为电磁波进入空问。按照离开天线距离的远近，又将辐射场区分为辐射 近场区和辐射远场区。在辐射近场区中，场区中辐射场占优势，并且辐射场的角 度分布与距离天线口径的距离有关。天线各单元对观察点辐射场的贡献，其对相 位和相对复读时天线距离的函数。对于通常的天线，此区域也被称为菲涅尔区。 由于大型天线的远场测试距离很难满足，因此研究该区域中场的角度分布对于大 型天线的测试非常重要。 ( 3 ) 辐射远场区 辐射远场区就是人们常说的远场区，又称夫朗荷费区。在该区域中，辐射场 的角分布与距离无关。严格地讲，只有距离天线无穷远处才到达天线的远场区。 但在某个距离上，辐射场的角度分布与无穷远时的角度分布误差在允许的范围以 内时，即把该点至无穷远的区域称为天线远场区。公认的辐射近场区和辐射远场 区的分界距离尺：尺= 2 d 2 五( d 为天线直径，五为天线波长，d z ) 。 2 2 2 数据传输原理 在射频识别系统中，读写器和电子标签之间的通信是通过电磁波来实现，按 照通信距离，可以划分为近场和远场。相应的，读写器和电子标签之间的数据交 换方式也被划分为负载调制和反向散射调制【6 】。 6 硕士学位论文第二章r f i d 系统丁作原理及标准 负载调制。近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合来实现的。在这 种情况下，读写器和电子标签之间的天线能量交换方式类似于变压器模型，称之 为负载调制。负载调制实际是通过改变电子标签天线的负载电阻的接通和断开， 来使读写器天线上的电压发生变化，实现用近距离电子标签对天线电压进行振幅 调制。如果通过数据来控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从电子 标签传输到读写器了。这种调制方式在1 2 5 1 d - i z 和1 3 5 6 k h z 射频识别系统中得到 了广泛应用。 反向散射调制。反向散射调制是指无源射频识别系统中电子标签将数据发送 回读写器时所采用的通信方式。电子标签返回数据的方式是控制天线的阻抗，控 制电子标签天线阻抗的方法有很多种，都是一种基于“阻抗开关”的方法。 2 3r f i d 系统的基本工作流程 射频识别系统是由读写器和应用通信系统控制并管理一些实际事件的实用 系统，它的基本工作流程如下： ； f ( 1 ) 读写器将无线电载波信号经过发射天线向外发射，用于与电子标签进 行通信； ( 2 ) 当电子标签进入发射天线的工作区时，电子标签被激活并且处于激活 j 状态，将载有自身信息的代码经电子标签自身的天线发射出去； ( 3 ) 系统的接收天线接收电子标签发出的载波信号，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，然后通过其与应用系统通信送 。 往后台的电脑控制器； ( 4 ) 电脑控制器根据逻辑运算判断该标签的信息，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； ( 5 ) 执行机构按照电脑的指令动作进行特定的处理和控制； ( 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，可 以根据不同的项目设计不同的软件来完成要实现的功能，形成针对不同项目的实 际应用系统。 2 4r f i d 标准 r f i d 标准争夺的核心主要在r f i d 标签的数据内容编码标准这一领域。目 前已经形成了五大标准组织，分别代表了国际上不同团体或者国家的利益。e p c g l o b a l 在全球拥有上百家成员，得到了零售巨头沃尔玛等跨国公司的支持，而 a i m 、i s o i e c 、u i d 则代表了欧美国家和同本。i p x 的成员则以非洲、大洋洲、 亚洲等国家为主。但是目前，应用比较广泛的是e p cg l o b a l 、i s o i e c 和u i d 7 硕士学位论文 第二章r f i d 系统工作原理及标准 三大标准 7 1 。下面分别对这三个标准进行描述。 2 4 1e p cg l o b a l e p cg l o b a l 是由美国同归代码协会( u c c ) 和国际物品编码协会( e a n ) 于2 0 0 3 年9 月共同成立的非营利性组织，其前身是a u t o i d 中心。它是制定电 子产品( e p c ) 标准化的主要组织机构。全球最大的零售商沃尔玛连锁集团等1 0 0 多家企业都是e p c 的成员，同时由美国i b m 公司等进行技术研究支持。此组织 除发布工业标准外，还负责e p cg l o b a l 号码注册管理。e p cg l o b a l 系统是一种 基于e a n u c c 编码的系统。作为产品与服务流通过程信息的代码化表示， e a n u c c 编码具有一整套涵盖了贸易流通过程各种有形或无形的产品所需的全 球唯一的表示代码，包括贸易项目、物流单元等识别代码。e a n u c c 表示代码 随着产品或服务的产生在流通源头建立，并伴随着该产品或服务的流动贯穿全过 程。 e p c 码是由一个版本号加上依次为域名管理者、对象分来、序列号这三段 数据组成的一组数字。其中版本号标识了e p c 的版本，它使得e p c 码段可以有 不同的长度；域名管理者是描述于此e p c 相关的生产厂商的信息；对象分类记 录产品精确类型的信息，例如娃哈哈矿泉水；序列号码段能够唯一的标识产品， 它可以精确的标识出是哪瓶娃哈哈矿泉水。表2 1 具体说明了e p c 编码系统， 它能够方便地为单一产品标记产品的唯一标识码，从而唯一的区分出产品。在 e p c 标签信息规范1 1 中采用6 4 9 6 位的电子产品编码；在e p c 标签2 0 规范中 采用9 6 2 5 6 位的电子产品编码。现在已有的e p c 标签标准包括c l a s s o 、c l a s s l 和新一代标签标准u h fc l a s s lg e n e r a t i o n 2 ，并且第二代( g e n 2 ) r f i d 标准已经 纳入i s o i e c18 0 0 06 c 标准【8 】。g e n 2 协议标准相对与其他的标准有如下的一些 优点【9 1 。 表2 - 1e p c 编码方案 编码方案编码类型版本号域名管理对象分类序列号 e p c 6 4 t y p e l22 11 72 4 t y p e 221 51 33 2 t y p e 322 61 32 3 e p c 9 6 t y p e l 82 8 2 4 3 6 e p c 一2 5 6 t y p e l83 25 61 6 0 t y p e 286 45 6 1 2 8 t y p e 381 2 85 66 4 ( 1 ) g e n 2 是一个开放的标准。e p cg l o b a l 批准的u h fg e n 2 标准对e p c g l o b a l 成员和签订了e p cg l o b a li p 协议的单位和部门免收专利费，允许这些厂商 8 硕士学位论文第二章i f 1 0 系统工作原理及标准 生产基于该标准的产品。这就表示更多的技术提供商可以根据此标准在不缴纳专 利授权费的情况下生产符合用户需要的产品，也减少了最终用户部署射频识别系 统的费用，可以吸引更多的用户采用r f i d 技术。同时也在一定程度上降低了电 子标签的价格。有利于r f i d 技术在全球的推广应用。 ( 2 ) 保证了各厂商产品的兼容性。目前r f i d 的三大阵容由于标准的不同 意，导致了产品不能互相兼容，给r f l d 的大范围应用带来了困难。u h fg e n 2 协 议标准的推出，保证了不同生产商的设备之间将具有良好的兼容性，也保证了 e p cg l o b a l 网络系统中不同组件之间的协调性。 ( 3 ) 设置了k i l l 指令。g e n 2 标准让人们具有了控制标签的权力，也就是说 人们可以通过使用k i l l 指令( 灭活指令) 使标签永久失效以保护隐私。如果不想 使用某种产品或者是发现某种产品存在着安全隐私问题，就可以使用k i l l 指令来 停止芯片的功能，有效的防治芯片被非法读取，提高数据的安全性，减少了人们 对隐私问题的担忧。被k i l l 的标签在任何情况下都会保持被k i l l 的状态，不会再 被激活。 ( 4 ) 设置了专门的口令。g e n 2 标签在公开( u n c o n c e a l ) 、解锁( u n l o c k ) 和( 灭活) k i l l 指令中都设置了专门的口令，使得标签不能随意被公开、解锁和 灭活。标签具有了更好的安全加密功能，保证了在读写器读取信息的过程中不会 把数据扩散出去。保证了安全性。 ( 5 ) 更广泛的频谱与射频分布。u h fg e n 2 协议的频谱与射频分布比较广 泛，这个优点提高了u h f 的频率调制性能。减少了与其他无线电设备的干扰问 题。 ( 6 ) 除了以上五点以外基于g e n 2 标准的读写器还具有较高的读取率和识 读速度；对电子标签进行多次读写等优点。 2 4 2i s o ，i e c 与e p cg l o b a l 相比，i s o 有着天然的公信力，因为i s o i e c 是公认的全球 非赢利工业标准组织。与e p cg l o b a l 之专注于8 6 0 , - , 9 6 0 m h z 频段不同，i s o i e c 在各个频段的射频识别都颁布了标准。 国际标准化组织( i s o ) 以及其他国际标准化机构如国际电工委员会( i e c ) 、 国际电信联盟( i t u ) 等是r f i d 估计标准的主要指定机构。i s o i e c 组织下面 有多个分技术委员会从事r f i d 标准研究。大部分r f i d 标准都是由i s o 的技术 委员会或者分技术委员会指定的。 9 硕士学位论文 第二章r f i d 系统工作原理及标准 2 4 3u l d 日本的泛在识别中心( u b i q u i t o u si dc e n t e r ) 成立于2 0 0 2 年1 2 月，具体负 责研究和推广自动识别的核心技术，即在所有的物品上植入微型芯片，组建网络 进行通信。u i d 的核心是赋予现实世界中任何物理对象唯一的泛在识别号 ( u e o d e ) 。u e o d e 具备了1 2 8 位的充裕容量，提供了3 4 0 1 0 3 6 编码空间，更可 以用1 2 8 位为单元进一步扩展至2 5 6 、3 8 4 或者5 1 2 位。 u c o d e 的最大优势是能包容现有编码体系的元编码设计，可以兼容多种编 码，包括j a n 、u p c 、i s b n 、i p v 6 地址甚至电话号码。u c o d e 标签具有多种形 式，包括条码、射频标签、智能卡、有源芯片等。还在识别中心把标签进行分类， 设立了9 个级别的不同认证标准。 2 5 小结 本章对射频识别系统进行了总体的介绍，射频识别系统由电子标签、读写器 和计算机构成。读写器通过计算机网络实现读写器与主机的通信，从主机那里得 到指令；然后通过天线与电子标签进行通信获得主机要求得到的信息。实现整个 系统的信息流通，这也是整个系统的基本工作流程。为分析读写器与电子标签通 信的物理学原理，分别对其电磁原理和数据通信原理进行了分析。最后本章对 r f i d 的三大常用标准e p cg l o b a l 、i s o i e c 和u i d 进行了比较和分析，特别对 e p c g l o b a l 的u h fg e n 2 标准的优点进行了剖析，并且对e p c 码这种能够唯一标 识出一个产品码制的构成和版本进行了详细的介绍。 1 0 硕士学位论文第三章r f i d 电子标签与读写器 第三章r f ld 电子标签与读写器 作为世界公认的2 1 世纪十大重要技术之一的射频识别技术，在生产、零售、 物流、交通等各个行业都有着广阔的应用前景。尽管r f i d 在很多领域都具有良 好的应用前景，但要让这项技术被广泛应用还需要解决几个方面的问题。 首先，电子标签必须使用起来更加方便；其次，电子标签和读写器的成本必 须降低；另外，工业界还要考虑改善用户界面和利用新的频带；此外还要大力推 进技术的发展以便能方便地处理由标签生成的海量信息。 r f i d 要想在对信息的保密要求的领域展开应用，还面临着信息安全方面的 障碍，同样r f i d 的基本验证机制也存在严重的安全缺陷，而对于硬件来说，限 制射频识别技术发展的主要因素是电子标签和读写器。 电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物 体目标对象上。电子标签内编写的程序可以按特殊的应用进行随时的读取和改 写。 读写器是射频识别系统中的一个重要组成部分，读写器在数据管理系统的控 制下发送出一定频率的射频信号，当电子标签进入磁场时产生感应电流从而获得 能量，发送出自身编码等信息。 下面对电子标签和读写器进行详细的介绍。 3 1 电子标签 电子标签技术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，识别工作无需人工干预，可以工作于各种恶劣环埘1 们。 电子标签是由i c 芯片和无线通信天线组成的小标签。标签中一般保存有约定格 式的电子数据，在实际应用中，无线标签常常附着在待识别物体的表面【l l 】。 3 1 1 电子标签的功能 电子标签通常具有以下