（信号与信息处理专业论文）rfid在自主转向轨道车中的应用研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 射频识别技术( r f i d ) 一种新兴的自动识别技术，目前广泛应用在货物采购与分配、 商业贸易和物流等领域中，在交通行业的应用主要存在于自动收费等方面。目前，r f i d 在车辆自动控制方面中的应用尚为少见。鉴于轨道交通具有运营速度高，运输能力大， 运营费用低，安全、舒适，对环境影响小等特点，我校提出了独轨车的概念，并建立了 模型。 本课题在我校建筑学院教授申请的北京市自然科学基金项目、北京市教育委员会科 技发展计划重点项目一一自主转向悬挂式独轨车及其轨道结构研究的基础上，建立了 r f i d 在自主转向轨道车中的应用模型，提出了相关的解决方案，利用r f i d 系统中的标 签作为轨道道路信息的存储载体，读写器作为车辆上信息采集系统，读写器中的微处理 器作为采集到的信息的处理单元，同时作为控制信号的产生单元，从而实现车辆的转向 控制。 论文首先介绍目前存在的多种智能车辆导航方式，并对它们进行较全面的比较和分 析，介绍使用r f i d 技术的优势所在；然后阐述r f i d 系统的组成和技术原理，重点介绍 r f i d 系统中读写器的组成以及u h f 频段的读写器设计方案；其次分析r f i d 在自主转向 车中的应用模型设计，硬件连接以及代码实现等；最后提出基于本研究的基础上可以进 行的拓展工作等。 随着r f i d 标准的不断确立，以及国家对r f i d 的推广和大力支持，将r f i d 应用在自 主转向车辆中的研究，具有很现实的意义。首先，首次在自主转向车辆控制系统研究中 采用r f i d 技术，不仅提出一种新颖的轨道车辆的智能导航方式，而且在某种程度上使 r f i d 技术在交通行业的应用得到进一步的拓展；其次，r f i d 的高速识别速度适应轨道 交通中行车速度快的特点，而且系统采用r f i d 和g i s 相结合的方式，建立了一个较为 完善的系统构成；再次，系统研究了一款集数据采集、数据处理、车辆控制等于一体的 车载读写器系统，充分利用了硬件资源，减少了系统冗余；最后，利用r f i d 进行转向 控制的系统，可以方便地进行系统功能的扩充，实现车辆行驶过程中的进行物体的上传 和下载等。 关键词：射频识别技术，自主转向，u h f 射频识别读写器 北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e w l yd e v e 】o p e da u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y r f i d( r 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 ) i sc u r r e n t l yw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d ss u c ha sp r o c u r e m e n ta n dd i s t m u t i o no f g o o d s ，t r a d e ，1 0 垂s t i c sa i l d s oo n ，a n di tm a i n l yf o ra u t o m a t i ct o nu s ei nt r a n s p o n a t i o n h o w e v e r ，i ti ss t i l ls e l d o m 印p l i e dt ov e h i c l ea u t o m a t i cc o n t r 0 1 f o rt h ef 0 1 l o w i n gf e a t u r e so f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns u c ha sh i 曲e r - s p e e do p e r a t i o n ，h i 曲e r t r a n s p o r tc a p a c i t y ，l o w e rc o s t ， s a f ea n dc o m f o r t a b l e ，l e s sh a n nt 0e n v i r o n m e n ta n ds oo n ，w ep u tf b 刑a r dt h ec o n c 印ta n d m o d e l e df o ra1 【i n do fs i n g l e r a i l w a yc a r o nt h eb a s i so fm eb e i ji n gn a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c ta n db e i ji n gm u n i c i p a l e d u c a t i o nc o m m i s s i o n sk e yp r o j e c t ，s t u d yo fa u t o - v e 甜n gs u s p e n d e ds i n g l e r a i l w a yc a r a n di t sr a i l w a ys t r u c t u r e ，t h i ss u b je c t s e tu pa 印p l i e dm o d e lo fr f i du s e di na u t o - v e e r i n g r a i l w a yc a r ，a i l dp u tf o 刑a r dr e l a t e dr e s o l v e m ，t h a ti st ou s et a g so fi 江i ds y s t e m 蕊m e m o 巧 u n i t so fr o a d w a yi n f o n l l a t i o n ，r e a d e ra s 距i n f 0 珊a t i o nc o l l e c t i o ns y s t e mi n s t a l l e di nm ec 码 t h em i c r o - p r o c e s s o ra st h ep r o c e s s i n gu 1 1 i to fg a t h e r e di n 旬啪a t i o na 1 1 d g e n e r a t i n gu n i to f c o n t r 0 1 1 i n gs i 印a l s ，a st oc o n t r o lv e e ro f m ec 缸 h lt h i sp 印e r ，i tf i r s t l yi n t r o d u c e ss e v e r a lk i n d so fc u r r e n t l yu s e dn a “g a t i n gm e t h o d so f i n t e l l i g e n tv e h i c l e ，c o m p a r e sa n d 锄a l y z e st h e s em e t h o d s i nd e t a i l ，a n dp u tf o r w a r d a d v a i l t a g e st 0u s er f i d 1 1 1 e n ，i td e s c 曲e ss t m c t u r ea n dt e c h l l o l o g yt h e o 巧o fi 心ds y s t e m ， m a i n l yi n t r o d u c e ss t r u c t u r eo fr e a d e ri nr f 卫da i l dt h ed e s i g no fu h fr e a d e r a f t e rt h a t ，i t d e s c 曲e sd e s i 盟o fs y s t 锄a p p l ) ，i n gr f dt oa u t o v e e 血gc 瓯w h i c hi n c l u d e sh a r d w a r e c o l l l l e c t i o na i l dc o d i n g a tl a s t ，i tb r i n g sf 0 刑a r ds o m es u g g e s t i o no nt h ef a t h e rr e s e a r c hb a s e d o nt h i ss u b j e c t r f i ds t a n d a r di sb e i n ge s t a b l i s h e ds t 印b ys t 印，a i l db e i n gs p r e a da l l ds u p p o n e db yt h e s t a t e ，s oi tm a l ( e s 铲e a ts e n s et oa p p l yr f i dt oa u t o v e e 咖gc 牡f i r s t l y ，t ou s er f i d t e c h n o l o g yi ns u c has y s t e m ，n o to n l yb r i n g sf o 州a r dan o v e ln a v i g a t i n gm e t h o do fr a i l w a y c 甄b u ta l s oe x t e n d st h ea p p l i c a t i o no fr f di nt r a n s p o r t a t i o na tac e i r t a i ne x t e n d s e c o n d l y ， m eh i 曲一s p e e dr e c o 印i z i n gm a l 【e sr f i da d a p tf o rt h er a i l w a y 仃a m cw h i c hi sc h a r a c t e ro f h i 曲t r a v e ls p e e d ，a i l dc o m b i n a t i o no fi 疆i da n dg i sm a k e sac o m p l e t e l ys y s t e m t h i r d l y t o d e s i g nak i n do fr e a d e rt h a tc a ng a t h e ri n f o 彻a t i o n ，p r o c e s sd a t aa n dc o n t r o lt h et r a i nm a k e sa 伊e a ts e n s e i tc a j lm a k ee n o u 曲u s eo ft h eh a r d w a r ea i l dr e d u c es y s t 锄r e d u n d a n cy f i n a l l y ， t h es y s t 哪u s i n gr f i dc a nb ee a s i l ye x t e n d e di nt h en e x tr e s e a r c h k e yw o r d s ：r f i d ，a u t o v e e r i n g ，u h fr e a d e r 2 独创性声明 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。据我所知，除了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j 匕友三些太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：巷金斗 签字日期跏韶年胡】妇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北方工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权北方工业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：专金冉 签字日期；黼午岁月胡 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：囵 重嚣岫? 曩一 签字日期：排f 月万日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 l 引言 1 1 课题研究的背景与意义 随着城市化进程的加快，城市人口急剧增加，大量流动人口涌入城市，人员出行和 物资交流频繁，城市交通面临着严峻的局势。我国大中城市都普遍存在着道路拥挤、车 辆堵塞、交通秩序混乱的现象。由于公路交通拥挤、道路占地多、道路建设投资大、对 自然地貌和老城旧村破坏严重、分隔爬行动物通道、交通污染、交通事故频发、消耗大 量矿物能源、对抗大雪大雾洪水能力不足、需要大量驾驶员及驾驶劳动；铁路交通机动 性差、不能直达、间隔时间长、需转运；空运交通对抗大雪大雾能力不足、不能直达、 需转运、交通能耗大；水运交通速度慢、覆盖面小等问题。由于轨道交通具有运营速度 高、节约出行时间；运输能力大；运营费用低，综合经济效益较高；安全、舒适；对环 境影响小等特点，一些国家和地区正在积极探索一种安全、节能、经济、节地、环保、 快速、方便、直达、无须驾驶的路面轨道两用交通工具。 我校建筑学院胡应平教授在基于目前交通形势以及国际道路解决方案的基础上，提 出了自主转向悬挂式独轨车的概念，该独轨车可以实现路面和轨道两用行驶，可以实现 车辆的自主转向，对于当前的交通形势具有实际的应用价值。 本课题在胡应平教授申请的北京市自然科学基金项目、北京市教育委员会科技发展 计划重点项目一一自主转向悬挂式独轨车及其轨道结构研究的基础上，主要进行自主转 向悬挂式独轨车实现自主转向的方案研究，从而建立一种切实可行的、经过实验验证的 转向控制方案。 目前的车辆自主控制的实现方式主要是机器视觉和电子地图等导航方式，利用射频 识别技术( r f i d ) 实现车辆自主控制的研究方法尚属首例。本课题的研究意义在于利用 r f i d 实现车辆的自主转向控制，可以延长系统的使用寿命、而且后期使用过程中的维护 更加方便，同时，可以方便地对系统进行功能性扩展。 1 2r fld 在智能交通中的应用现状 1 2 1 智能车辆概述 智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于 一体的综合系统。它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动 控制等技术，是典型的高新技术综合体。它具有道路障碍自动识别、自动报警等功能。 其主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的 北方工业大学硕士学位论文 道路行进。智能车辆的基本原理如图1 1 所示：m 也1 图1 1 智能车辆的基本原理 1 2 2 智能车辆中的多种导航技术 机器视觉技术是目前智能车辆领域发展最快的技术之一为在智能车辆上应用，机器 视觉必须具备实时性、鲁棒性、实用性这三个特点。实时性是指系统的数据处理必须与 车辆的高速行驶同步进行。鲁棒性是指智能车辆对不同的道路环境( 如高速公路、市区 标准公路、普通公路等) 、复杂的路面环境( 如路面及车道线的宽度、颜色、纹理、动态 随机障碍与车流等) 、变化的气候条件( 如日照及景物阴影、黄昏与夜晚、阴天与雨雪等) 均具有良好的适应性。实用性指智能车辆能够为普通用户所接受。目前，机器视觉主要 用于路径的识别与跟踪。与其它传感器相比，机器视觉具有检测信息最大、能够遥测等 优点，但数据处理量大，容易导致系统的实时性问题。 雷达技术可以轻松解决视觉技术在深度信息方面的难题。利用雷达技术可以得到车 辆周围的深度信息，从而可以准确地发现车辆周围所存在的障碍及前方车辆与行人。在 准确提供远距离的车辆及障碍信息上，雷达具有得天独厚的优势。雷达在车辆防碰撞系 统，如适应性巡航控制( a d a p ti v ec r u is ec o n t r 0 1 ) 中具有广泛的应用前景。雷达系统 一般与视觉系统共同应用到智能车辆上，通过两种传感器的触合，可以得到更为准确的 路面信息。 磁性导航技术源自a g v s a u t o g u i d e dv e h i c l es y s t e m 的地下埋线的导航方式中的 磁性导航技术。它通过在车道上埋设磁性标志来给车辆提供车道的边界信息。磁性材料 具有好的环境适应性，它对雨天、冰雪顶盖、光照不足甚至无光照的情况都可适应，不 2 北方工业大学硕士学位论文 足之处是需要对现行的道路设施做出较大的改动，成本较高。同时磁性导航技术无法预 知车道前方的障碍，因而不可能单独使用；另外，磁性参照物所设定的路性固定，可变 性差。美国和日本在2 0 世纪9 0 年代中期，提出在道路中间铺设磁块的方式来进行导航， 并于1 9 9 6 及1 9 9 7 年在公路上做过实验。美国加州进行的p a t hp r o g r a m 项目即是在高 速公路上，采用安装磁性铁钉来实现道路边界的标识。另外，美国明尼苏达州的高速公 路自动扫雪车也采用磁性参照物的导航方式。目前在工业生产中广泛应用的a g v s 大都 采用这种磁性导航的导航方式。 高精度的数字地图是智能车辆导航的有力工具，当智能车辆利用g p s 获得自身的位 置信息后，便可以通过数字地图确定自身所在的车道位置与目的地的关系，根据要求规 划出最优行驶路线，实现车辆导航与定位跟踪。高精度的电子地图目前还难以获取，由 于制作成本很高，需要政府及有关都门联合作业才能完成这项艰巨的工作。g p s 目前只 有c a 码对民用开放，c a 码的单点定位精度在3 0 m 左右，因此不能够直接将g p s 信号 用于车辆导航。目前，美国的d e m oi q ，德国的u b m 等都采用了g p s 系统。法国雷诺汽 车公司准备在辅助驾驶系统上应用数字地图实现车辆导航。【3 l - 【9 1 1 2 3r f l d 在智能交通中的应用 r f i d 目前在交通领域中的应用方面有：公交卡，不停车收费系统，数量统计，速度 计算，进入控制等。 其中高速公路自动收费系统是r f i d 技术在交通领域最成功的应用之一。目前中国 的高速公路发展迅速，而高速公路收费却存在一些问题，一是交通堵塞，在收费站口许 多车辆要停车排队，造成交通瓶颈；二是少数不法的收费员贪污路费，使国家造成损失。 r f i d 技术应用在高速公路自动收费上，能够充分体现它非接触识别的优势，让车辆高速 通过收费站的同时自动完成收费，同时可以解决交通拥堵以及收费员贪污路费的问题。 使用r f i d 技术还能使交通流向均匀，从而大大提高道路利用率。【1 0 1 【1 1 1 除高速公路收费应用，r f i d 还广泛应用于公交一卡通系统，如：香港的八达通、深 j 9 l i 的深圳通、广州的羊城通等，目前，北京也已经开始使用公交一卡通系统。 1 3 本文的主要工作和研究成果 本课题的主要内容是：利用r f i d 的自动识别功能进行轨道与车辆之间的“对话”， 通过嵌入式微控制器进行数据的处理，从而实现轨道车的自主转向功能。设计并实现一 款可投入实际应用的方案所需要进行的工作主要包括： ( 1 ) 车辆行驶路径的获取：作为系统中的一个研究模块，该部分主要实现车辆最短路 径的查询和下载； ( 2 ) 系统软件实现：读写器的核心控制单元能够进行标签信息的采集，同时能够进行 北方工业大学硕士学位论文 获取信息的处理，以及控制信号的产生； ( 3 )车载读写器的硬件设计：这部分主要设计适用于自主转向控制轨道车的读写器系 统，通过锁相环电路产生u h f 载波，进行调制，功率放大后进行发射，并进行信 号的接收，接收信号的解调，该读写器应具有转向控制器的控制模块。 本论文的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 在了解射频识别技术应用的现状的基础上，我们认为将射频识别系统应用到车 辆的转向控制系统中，在当前射频识别技术的应用中尚属首例，同时，论文中分析了 射频识别技术在自主转向车辆的控制系统中应用的可行性； ( 2 ) 研究了系统软件设计结构，重点介绍最短路径的实现以及系统电子地图功能的 实现； ( 3 ) 在研究r f i d 读写器硬件构成的基础上，设计一款集数据采集、数据存储、数据 处理和车辆控制于一体的智能车载读写器系统，重点介绍了设计思想，设计过程，电 路设计等； ( 4 ) 对本论文已经完成的工作进行测试和总结，针对一些模块提出了测试方案，并 展望以后的工作，对下一步的工作提出了建议。 1 4 本章小结 本章简要概述了课题的选题背景和选题的意义，r f i d 在当前智能交通中的应用，列 出了课题的主要工作，以及本论文的主要工作。 4 北方工业大学硕士学位论文 2 射频识别技术 2 1射频识别技术原理 射频识别技术( 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 ) 是一项从八十年代开始逐步走 向成熟的自动识别技术。随着超大规模集成电路技术的发展，射频识别系统的体积大大 缩小，进入了实用化的阶段。r f i d 利用电磁感应、无线电波或微波进行非接触通信，从 而达到识别并交换数据的目的。“2 1 2 1 1 射频识别系统的组成 最基本的r f i d 系统由三个部分组成，如图2 1 ： ( 1 ) 电子标签( t a g ，或称射频标签、应答器) ：电子标签由芯片及内置天线组成。 芯片内保存有一定格式的电子数据，放置在被识别物体之处，作为待识别物品的标识性 信息，是射频识别系统真正的数据载体；电子标签的内置天线用于和射频天线间进行通 信。 ( 2 ) 读写器：是读取或读写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标 签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信 息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。一台典型的读写器包含有高频模块 ( 发送器和接收器) 、控制单元，以及与应答器相连接的耦合元件，许多读写器还配有 附加的接口( 如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等只以便将所获得的数据进一步传输给另外的系统( 如 个人计算机、机器人控制装置等) 。n 3 1 ( 3 ) 天线：标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。 图2 1 射频识别系统的基本组成部分 2 1 2 射频识别系统工作原理 r f i d 的工作原理是：电子标签进入天线磁场后，如果接收到读写器发出的特殊射频 北方工业大学硕士学位论文 信号，就能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( 无源标签) ， 或者主动发送某一频率的信号( 有源标签) ，读写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。【1 4 1 发生在读写器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种： ( 1 ) 电感耦合：变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感 应定律；电感耦合式应答器几乎都是无源工作的。这表示：微芯片工作时所需要的全部 能量必须由读写器供应。读写器的天线线圈产生高频的强电磁场，这种磁场穿过线圈横 截面和线圈周围的空间，如图2 2 所示。1 1 3 】 电感耦合方式一般适用于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有： 1 2 5 k h z ，2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 。识别作用距离小于1 m ，典型作用距离为1 0 一2 0 c m 。 图2 2 电感耦合式射频识别系统 ( 2 ) 电磁反向散射耦合【l ：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射， 同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律，如图2 3 所示；通常在长距离 系统( 读写器和标签之问的有效作用距离远大于1 m ) 中，使用电磁反向散射耦合。 电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的 工作频率有：4 3 3 m h z ，9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。识别作用距离大于l m ，典型作用距 离为3 一l o m 。 子标签 图2 3 电磁反向散射耦合 2 2射频识别系统的基本特征 北方工业大学硕士学位论文 射频识别系统的基本工作方式分为全双工( f d x ) 、半双工( h d x ) 系统以及时序( s e q ) 系统。在全双工和半双工系统中，电子标签的应答响应是在读写器接通高频电磁场的 情况下送出去的；因为与阅读器本身的信号相比，电子标签的信号在接收天线上是很弱 的，所以必须使用合适的传输方法，以便把标签的信号与读写器的信号区别开来；从读 写器到电子标签的能量传输是连续的，与数据的方向无关。而时序则与之相反，读写器 的电磁场段时间周期地断开，这些间隔被标签识别出来，并被用于从标签到读写器的 数据传输；但时序法的去点是：在读写器发送间歇时，标签的能量供应中断，这就必须 通过装入足够大的辅助电容器或辅助电池进行补偿。 射频识别系统一个重要的特征是电子标签的供电。无源的电子标签本身没有电源， 因此，无源的标签工作用的所有能量必须从读写器的电磁场中取得。与此相反，有源的 标签包含一个电池，为微型芯片的工作提供全部或部分( “辅助电池”) 能量。 工作频率是射频识别系统的一个重要特征。根据电子标签的工作频率不同将射频识 别系统分为低频、中频及高频系统。 ( 1 ) 低频系统的工作频率在1 0 0 一5 0 0 k h z ，其特点是是标签成本低、读写距离近 ( 0 1 0 c m ) 、数据传输速度慢。目前市场上应用较多的人员门禁控制、“一卡通”消费等 系统大多属于这一类。 ( 2 ) 中频系统的工作频率在1 0 一1 5 m h z ，其典型工作频率为1 3 5 6 蛐z 。其特点是标 签成本适中、读写距离较远( o 1 0 0 c m ) 、数据传输速度快，因此比较适合需传送大量数 据的应用。该类型产品将是近期r f i d 市场上的主流。 ( 3 ) 高频系统的工作频率分为两种：超高频( u h f ) 8 5 0 9 5 0 m h z ，和微波频段2 4 5 g h z 及5 8 g h z 。其特点是读写距离远、读写速度极快、抗干扰能力强，因此特别适合高速运 动物体的识别，如高速公路不停车收费、火车运行监控等。但此系统目前价格较贵，一 张标签的市场价在2 0 0 元以上。其中u h f 频段射频识别产品由于方便采用无源设计、体 积小、价格低、适应大规模生产，正在得到全球范围内的众多厂商的一致认可，将逐步 成为r f i d 领域内的主流产品。n 5 1 2 3射频识别技术的通信及物理基础 2 3 1射频识别技术的通信基础 对射频识别系统来说，读写器和电子标签之间的数据传输需要三个主要的功能块。 按从读写器到标签的数据传输方向，它们是读写器的信号编码( 信号处理) 和调制器( 载 波电路) ，传输介质( 通路) ，以及电子标签中的解调器( 载波回路) 和信号译码( 信号 处理) 。信号编码系统的作用是要使传输的信息和它的信号表示尽可能最佳地与传输通 道的性能相匹配。数字通信系统如图2 4 。 7 北方工业大学硕士学位论文 习 i j 发送器 里圈 接收器 - 区 悃 图2 4 数字通信系统中的信号和数据流 信号编码系统的作用是使要传输的信息和它的信号表示尽可能最佳地与传输通道 的性能相匹配。这样的处理包括对信息提供某种程序的保护，以防止信息受干扰或碰撞， 以及对某些信号特性的蓄意改变。调制是改变高频载波的信号处理，即使其振幅、频率 或相位与调制的基带信号相关。传输介质把信息传输过一段预定的距离。在射频识别系 统中唯一采用的传输介质是磁场( 电感耦合) 和电磁波( 微波) 。解调是一种另外的调 制过程，以再生基带信号，因为信息源输入不仅存在于标签中，也存在于读写器中，并 在两个方向上交替传输信息，所以读写器和标签两端都应由调制器和解码器。信号解码 的任务是从基带编码的接收信号中恢复原来的信息，并识别和标识出传输错误。”1 2 3 2 电磁反向散射耦合 本课题中使用的是9 1 5 m h z 远距离射频识别系统，以下对反向散射调制的能量传递 过程进行介绍。 电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。到达目标的电磁能量一部分被 目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部分最终返回发 射天线。一- 对射频识别系统来说，可以采用反向散射调制的系统，利用电磁波反射完成从 电子标签到读写器的数据传输。 1 读写器到电子标签的能量传输 在距离读写器距离r 的电子标签处的功率密度为： 一p t x g h e i r p 4 积24 积2 公式( 2 1 ) 式中，嘞为读写器的发射功率；g n 为发射天线的增益；r 是标签到读写器之间的 距离；e i r p 为天线有效辐射功率，是指读写器发射功率和天线增益的乘积。 在电子标签和发射天线最佳对准和正确极化时，电子标签可吸收的最大功率与入射 波的功率密度s 成正比。可表示为： p 口g2 彳e s 公式( 2 2 ) ，2 其中，a 。= 惫g 脚，g 而；为电子标签的天线增益，所以有： 点 北方工业大学硕士学位论文 吐s = 等g 砸s = 脚p ( 去y 公式( 2 3 ) 无源射频识别系统标签通过电磁场供电，标签功耗越大，读写距离越端，性能越差。 射频电子标签是否能够工作也主要由电子标签的工作电压来决定，这也决定了无源射频 识别系统的识别距离。现代低功耗i c 设计技术使电子标签本身的功耗逐步降低。目前， 典型的低功耗电子标签工作电压在1 2 v 左右，标签本身的功耗可以低至5 0 “w 甚至5 u w 。 这使得u h f 无源电子标签的识别距离在无线电发射功率限制下可以达到l o m 以上的识别 距离。 2 电子标签到读写器的能量传输 电子标签返回的能量与它的雷达散射界面o ( r c s ) 成正比，它是目标反射电磁波 能力的测度。散射截面取决于一系列的参数，例如目标的大小、形状、材料、表面结构 以及波长和极化方向等。电子标签返回的能量为： 砖嘲= 祭盯= 等仃 所以返回读写器的功率密度为： = 器 接收天线的有效面积4 。= 名g 触( 4 万) ， 功率为： = s 以= 锵 公式( 2 4 ) 公式( 2 5 ) 其中g 瓜为接收天线增益，可以得出接收 公式( 2 6 ) 公式( 2 6 ) 表示，如果以接收的标签反射能量为标准，反向散射的射频识别系统的 作用距离与读写器发送功率的四次方根成正比。n 0 1 2 4u c o d eh s l 标签芯片研究 2 4 1u c o d eh s l 芯片概述 本课题中使用的射频识别系统中的电子标签的核心芯片的u c o d eh s l 。u o c d eh s l 是飞利浦公司推出的智能标签i c 家族中的一个产品，是一种专用的非接触式无源i c 芯 片，运行在9 0 0 m h z 和2 4 5 g h z 的u h f 超高频段，也是业界首款兼容i s o l 8 0 0 0 一4 和 i s 0 1 8 0 0 0 6 标准的读写智能标签产品，可用于远距离智能电子标签和电子标牌，也特 别适用于物品供应链和后勤应用方面的信息管理，当需要数米远的操作距离时，选择该 芯片是最为恰当的。 9 北方工业大学硕士学位论文 u c o d eh s l 系统提供在询问读写器天线有效电磁场范围内，可以同时区分和操作多 张标签( 反冲突机制) 。以u c o d eh s l 芯片制造的电子标签产品，特别适合操作距离可 达数米的远距离应用场合的设计，并且标签不需要额外的电源供电，它是依靠非接触式 通信界面，从读写器的天线以无线电波方式，向标签内的天线传送能量而产生谐振式感 应电源，而系统时钟由内建的振荡器产生，并由外部提取的钟频进行同步。读写器对标 签数据的询问和发送，是根据r f 界面的高频调制解调电路来完成，并且，高速率无线 电波通信界面允许数据作双向通讯。【1 6 1 2 4 2u c o d eh s l 标签芯片主要特性 在上节介绍的u c o d eh s l 标签芯片的特点中，该无源标签的主要特性有： ( 1 ) 射频特性：工作频率为u h f 段的8 6 0 m h z 一9 6 0 m h z 和微波段的2 4 g h z 一2 5 g h z ； 采用1 6 位c r c 校验；具有防冲突仲裁机制；在使用单边天线时，最大有效操作距离可 达到8 4 m ； ( 2 ) 存储单元：具有2 0 4 8 b i t s 的存储空间( 包括数据锁存标志位) ；6 4 b i t su i d 码， 位于存储器的0 7 字节单元；位于存储器8 2 2 3 字节单元的2 1 6 b y t e s 存储空间可供用 户读写； ( 3 ) 安全特性：6 4 位的唯一产品序列号：每字节的写保护机制； ( 4 ) 操作距离：基于该u c o d e hs l 的标签可达到的操作距离可以用公式( 2 7 ) 计算： = 脚奉g 蟾半( 去) 2 r 一= 公式( 2 7 ) 公式( 2 8 ) 其中，r 。为最大的有效操作距离，e i r p 为射频功率，g 翻6 为获驭的t a g 天线个 数，见为载波波长，吃g 为t a g 需要的最小射频功率。在各个地区使用不同的标准规范 情况下，不同工作频段和不同的发射功率可以得到差别很大的读写距离，其具体对照表 格如表2 1 。 表2 1 各地区不同标准下的u c o d eh s l 读取距离理论值 频率范围 地区 射频功率读取距离的理论值 8 6 8 4 8 6 8 6 5 m h z ( u h f )欧洲( c e p t l e t s il 标准)o 5 w 4 0 m 9 0 2 9 2 8 m h z ( u h f ) 美国( f c c l 标准) 4 w8 4 m 8 6 0 9 3 0 m h z( u h f ) 其它地区 2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 欧洲( c ep 1 、2 e t s l 2 标准)o 5 w ( 户外) 0 6 m 2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 美国( f c c l 标准) 4 w1 8 m 2 4 0 0 2 4 8 3 5 g h z 其它地区 注：最人的写入距离是其读取距离的7 0 。 l o 北方工业大学硕士学位论文 2 4 3u c o d eh s l 芯片的内部结构 u c o d eh s l 芯片结构分为三个主要部分：射频接口、控制中心和e e p r o m 存储器。如 图2 5 所示。 图2 5u c o d eh s l 标签i c 内部方框图 其中，射频接口部分有调制解调模块、天线接口和电源电路。调制解调模块完成对 发送接收信号的调制解调；电源电路通过天线线圈接收到电压后给控制中心提供稳定的 电压。控制中心由冲突检测、读写控制、存取控制、e e p r o m 接口控制和r f 接口控制部 分组成，主要负责处理与外部通信协议和与读写e e p r o m 。1 7 1 2 5 射频识别系统读写器 对一个非接触式数据载体的读、写操作是严格按照“主一从原则”来进行的，如图 2 6 。这表示，读写器和应答器的所有动作均由应用软件来控制。因此，在一个分层的 系统结构中，应用软件是作为主动方，而读写器则作为从动方，即只对应用软件的读写 指令做出反应。 主辞= = 令从 回嚣 篙垣 l 数据：兰j 北方工业大学硕士学位论文 为了执行应用软件发出的一条指令，读写器与一个应答器建立通信。而相对于应答 器来讲，此时的读写器是主动方。应答器只响应读写器所发出的指令，从不自主活动( 除 最简单的只读应答器) 。 由应用软件向读写器发出的一条简单读取指令，此时会在读写器和某个应答器之间 出发一系列的通信步骤。表2 2 所示的例子中，可以看出一条读取命令首先启动了一个 应答器并进行身份验证，然后是传送所要求的数据。 表2 2 在应用软件、读写器和应答器之间的一条读命令的分解操作例子 应用程序 读写器读写器 应答器注释 一 b l o c k r e a d a d d r e s s 0 0 从地址处读取虑答器存储器 一 r e q u e s t 应答器是否在区域内? g e t r a n d o m 进行身份验证 s e n d t o k e n1 r e a d 一 0 0 读命令 地址 一d a t a 9 8 7 6 5 4 3 21 0 从应答器中取出数据 将数据送往应用程序 o p e n ( ”s e l e c t 半f r o mg e o i n f o ”， 一v 撕a n t - t ( ( i d i s p a t c h 术) r n _ p c o n n e c t i o n ，t m e ) ，a d o p e n s t a t i c ，a d l o c k o p t i m i s t i c ，a d c m d t e x t ) ； 采用g e t c o l l e c t 方法可以从数据库中读取出某项记录数据： _ v 撕a n t _ tv p l a c e ； v p l a c e = m p r e c o r d s e t 一 g e t c o l l e c t ( “p 1 a c e ”) ； 3 3 1 3在v c + + 中加载电子地图 m a p x 控件是m a p i n f o 公司推出的具有强大的地图分析功能的a c t i v e 控件组件。由 于它是一种标准的w i n d o w s 平台的组件，因而可以支持大部分的w i n d o w s 平台的开发环 境，编程人员可以在丌发环境中嵌入地图功能，并且可以脱离m a p i n f o 的平台运行。2 2 1 在v c + + 建立的单文档工程g p s 中点击菜单中p r o j e c t a d dt op r o j e c t c o m p o n e n t s a n dc o n t r o l s ，选择m a p i n f om a p xv 5 添加控件m a p x ，然后通过调用m a p x 中的方法， 可以方便地实现对电子地图的操作功能。1 计算机地图文件是多个图层( 1 a y e r ) 的集合，这些图层包括教育与科技机构层、 2 0 北方工业大学硕上学位论文 商业层、企业层、郊区层等。每个含有图形对象的数据表都可以显示为一层，其中每个