（测试计量技术及仪器专业论文）rfid在中长跑体能测试上的应用.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 长期以来，国家对青少年的体质健康问题非常重视，将学校体育工作列为重要内容。 在学校的众多体育项目中，中长跑体能测试一直是作为衡量学生身体素质的一项种要标 准。然而，该项目的测试确是一件耗时，费力的工作。本文通过对目前用于运动计时方 法一人工计时、光学方法和射频方法的分析，认识到人工计时方法的精度低与人为操 作性太强和光学方法不能对个体进行识别等不足，而射频识别方法具有适应性强、可靠 性高、安全防冲突、反应时间短、多目标个体识别等优点，如今广泛用于国内外的很多 领域，诸如公共交通、票务系统、门禁控制、动物识别、电子支付和仓储管理。近些 年来该方法在国内外体育项目上的应用事例明显增多，显示出一种广阔的前景。通过对 一些计时产品的比较，综合应用环境，成本价格，系统的复杂程度等因素，本文以射频 识别技术为核心，采用非接触长距离无线有源电子标签方式来记录测试者的计时时间。 首先，本文对整个系统的构成方案进行了描述，并对系统从终点计时方法和终点识 别范围2 个方面进行可行性分析；其次，本文对r f i d 技术的基本理论进行详细介绍， 涉及了基带编码、多路存取、数据的安全性和数据的完整性等4 个方面；再次，本文对 硬件的各部分电路、p c b 布局、软件流程和电路调试过程作了具体阐述。 整个系统的关键在于标签识别，工作流程可以简述为： 只要测试者到达终点就会立即进入接收器天线区域，在接收器周期性询卡信号的扫描下 就会采集到该卡号( 扫描周期o 1 s ) ，与此同时，根据标签传送的信息记录测试者的计时 信息和剩余圈数信息，测试者达到终点( 剩余圈数为o ) 时关闭标签，从而完成测试者 的自动识别、自动记圈和自动计时工作。 关键词；射频识别自动计时，中长跑体能测试。有源标签 r f m 在中长跑体能测试上的应用 t h e a p p l i c a t i o no fr f i d i nt h ep h y s i c a la b i l i 够t e s t i n go f m i d d l e d i s t a n c er a c e a b s t 瑚l c t a i lt l l et i m e ，t 1 1 en a t i o nh 鹊b e e np a y i i l gm u c ha n e l l t i o nt 0t 1 1 eh e 砌t l lp r o b l e m0 f t c c 衄g 哪觚dc l 鼬s i f i e ss c h o o ls p o r t s 觞i l l l p o n 觚tc o m e m a m o n ga l lk i n d so fs p o r t s i t e i i l so fs c h 0 0 l ，m i d d l ed i s t a i l c cm c ei s 锄i m p o r t 锄ts t a i l 捌o fs c a l i n gs t u d e m sp h y s i c a lq m l n y b i i tt h et c s t i n go ft l l i si t 锄e x p e l l d sm u c ht i m e 锄dl a b o r n 哟u 曲t l l ea n a l y s i so ft l l ec u r r e mt i l l l i l l gm e t l l o d sf o rc 锄p a i g n ，i l l c l l l d i n ga f t i f i c i a it i i l l i n g ，o p t i c a lm e m o d 锄dr a d i o 舶q 咖c yi n d e n t i f i c a t i o n ，t l l e r ei sal i 砌es h o t a g et l l a ta n i f i c i a lt i i i l i n gi sl o wp r _ c c i s i o n 柚ds 砸o l l sp e 】l l a lb c h a v i o r ，t i l a to p t i c a lm e t l l o dc 柚n o ti d e n t i 母t h ei n d j v i d l l a l h o 哪e r ，r a d i o 雠q u e n c yi n d e n t i f i c a t i o nh a v em a i l ym 商t s ，s u c ha sg o o da d 印t a b i l i 饥h i g hr e l i a b i l 毋，c 0 i l f l i c tp r e v e m i o n ，s h o nr e a c t i o nt i m e ，m u n i - t a r g e ti n d i v i d u a li d e n t i f i c a t i o n n o w d a y s ，r a d i o 脯q u e n c yi n d e 确f i c a t i h 硒b e e i le ) 【由哪i v e l yu d i nm a n yd o m e s t i c 锄df o r e i 驴f i e l d s ，f o rc x 锄p l e ，p u b l i c 咖s p o n ，t i c k e t i n gs y s t e m ，a c c e 豁l ，锄 i m a li d e n t i f i c a t i o i l ，e l e c 撖) l l i cp a y m e ma 1 1 dw a r c h o l l s i n gm 锄a g e m e m f u 山e rm o r e ，m ei n s t 锄c e so fm d i of b q 啪c yi d e m i f i c a t i o n 印p l i e di i ls p o r si t 锄sa r eo b v i o u s l yi n c r e a s i n g i nh o m ea n da b o a r d ，锄dr a d i o 舶q u e n c yi d e m m c a t i o nh a v eab r o a dp r o s p e c t b yc o m p 撕s o no fs o m e 伽1 i i l i n gp f o d u c t s ，c o n s i d 酣n g 吐砖f a c t o 龉o na p p l i c a t i o ne n v i r o n m e m ， t 1 1 ec o s la n dm ec 鲫p 】i 强毋0 ft l l es y s l 伽，t 1 1 ep a p e rt a k e sf a d j ol 沁q 咖c yi d 锄l i 矗倒 彻t e c l l i l o l o g y 鼬t l l ec o 佗，甜l da d o p t sw i r e l e s se l e c 仃o n i cl a b e lm o d eo fn o n - c o i l t a c tl o n gd i s t a i l c et o 他c o r dt l l et i l n i n gt i m eo ft c s t i n go b j e c t f i r s t l y ，t l l ep a p e rd e r i b e st l l es t n l c t u r eo ft i l e w h o l es y s t e m ，a 1 1 a l y s i s i n gt l l ef e a s i b i l i t yo ft l l es y s t e i n 丘d mb o t hf 如t o r so nt e m l i n a l 缸m i n g 锄dt e 肌i n a lr c c o g i l i t i o p e s e c o n d l y ，也ep 乏l p e rm a k e sad e t a i l e di n s t m c t i o na b o u tb a s i ct l l e o r ya b o u tr a d i of 醅q u e i l c yi d e n t i f i c a t i o n ，i n v o i v i i l g4a s p e d 【s ：b 船e - b 锄dc o d i n g ，m l l l t i p l ea c c e s s ，d a 恤s e c u r i t ) ，a n d 加i n l e 鲥t y m o r e o w 墨t l l ep a p e re l a b o r a t e so ns p e c i f i ch a r d w a r ec i r c u i t ，p c bl a y o u t ，s o f h a r cp r o c e s s 觚dc i f c u i td e b u g 百n gp r o c e d u r e s 一i i 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 1 ek e yt o 也ew h o l es y s t e ml i e si n 也el a b e li d e n t m c a t i ，锄dt l l ew o r k f l o wc a nb es k e i c l l e d ：0 l i l l yt l i et e s t i n go b j e c t 枷v e st e 咖i n a lp o i 咄c 觚h ec o m e si nt o 仙e r 缸go fr e c e i v e da r e ao fa n t 咖a ，t l l e 陀c e p t o ri n q i l i r yc a r ds i 印a la 1 1 da c q u i r ec a r dn u m b e rp e r i o d i c a i i yq e r i o di so 1 s ) ，a tt h es a l l l e t i m e ，a c c o r d i n gt 0t l l ei n f o 肿a t i o no fl a b e ln 彻s m m e d ，r c c o r dt i l et e s t i n go b j e c t st i m ei n f o n n a t i o n 锄d 陀s i d u a lc y c l ei n f o r n l a t i ，a 1 1 dc o m p l e t et h ew o r ko fa u t o m a t i ci d e n t i 匆，卸t o m a t i cc y c l er e p o r t 锄da u t o m a t i ct i m i n g 1 畸w o r d s ：砌d i of r e q u e n c yi d e n 饰c a t i o n ，a t o m h ct i m i n g ，孙y s 蛔ia b i 吐t yt 馏t i n g o f m i d d l e 司缸t a c er a c e ，a c t i v el a b e l 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：丛亟! = 日期：竺7 ：二：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名：导师签名：常一吒 日期：二。7 弓，二 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源 在我国的教育体制中，以德、智、体全面发展作为培养合格学生的标准。有资料显 示，自从1 9 8 5 年以来，中国学生体质健康状况连续1 8 年呈下降趋势，尤其是2 0 0 0 年 以来，6 到1 8 岁的学生中，肥胖生高达1 5 ，一些学校的肥胖生比例甚至突破了3 0 。 同时农村肥胖学生的比例也在上升。更令人担忧的是一些原本在中老年人身上出现的如 高血压、高血脂、冠心病、糖尿病等与肥胖相关的病症，近年来在青少年身上也时有发 生，且患病年龄提前了1 0 到2 0 年。针对这一情况，国家出台了以“健康第一”为总旨 的学生体制健康状况干预措施。 教体艺( 2 0 0 2 ) 1 2 号文件教育部国家体育总局印发的学生体质健康标准( 试 行方案) 及学生体质健康标准( 试行方案) 实施办法的通知，各地教育行政部门 和学校应把标准的实施作为学校体育工作的重要内容。 在众多体育项目中，中长跑体能测试一直都是衡量学生个人身体素质的一项指标， 例如8 0 0 1 0 0 0 米的中长跑。 目前，在国内外运动计时的方法大致分为三类：人工手动计时、光学方法( 或摄像) 、 射频识别方法。 人工手动计时方式存在很多问题：需要配备一定人员来记录成绩，计时成绩可能被 人为改写，同时到达终点时，人为操作性强并且辨识误差很大，精度低。 光学方法应用广泛，精度很高，但是不能识别个体。 射频识别方法因为具有能够识别个体的特点，在体育项目中应用越来越广泛。 国际上比较成熟的射频识别技术运动计时公司主要有c h a m p i o nc h i p ，a m b _ 1 t ， w i n n i n g1 r i m eu s a ，r f i dr a c et i m i n 2 等，其中，前三家公司均获得了获得美国田 径协会路跑技术委员会( u s a t fr o a dr u l l i l i n g t e c l l l l i c a lc o t h l c i l ) 认可。比较而言，c h a m p l 0 nc h i p 的计时设备在世界各地的跑步比赛中应用最广泛，r f i d 黜i c et i m i n g 的 产品影响力较小，其它公司的产品则更多地用在世晃各地的汽车赛、摩托车赛、自行车 赛等赛事。 r 兀d 在中长跑体能测试上的应用 国内在运动计时研究上不是很多，目前已经成形的有东华大学信息科学与技术学院 研制的马拉松计时系统和清华大学研究的竞时自动记圈及计时系统雌】。 1 2 课题的研究目的、采用技术 基于上述，本课题主要以实现普通院校学生8 0 0 l o o o 米中长跑测试计时为目的进行 设计。综合应用环境、成本价格、系统的复杂程度等因素，本设计没有采用上述马拉松 计时系统和竞时自动记圈计时系统中无源标签地毯式天线方式，而是采用非接触长距离 无线有源电子标签方式( i 玎i d ) 记录测试者的计时时间。该设计方法同样可以达到终点位 置辨识误差小，防止人为改写计时成绩操作等问题，而且测试操作方便，快速，准确， 公平，缩短了测试时间。 1 3 课题的主要工作 本文以实现同时8 人8 0 0 l 0 0 0 米的计时成绩为例，测试指标如下： ( 1 ) 个体识别功能( 测试者号码、测试者成绩及成绩是否达到标准) 。 ( 2 ) 实现o 9 9 9 9 s 的电子计时功能，精度为o 1 s 。 ( 3 ) 自动记录被测试者剩余的圈数。 ( 4 ) 有违例处理功能，剔除违例和中途退出的个体的成绩。 ( 5 ) 自动记录被测试者达到终点时的成绩，并根据需要，可上传到p c 机。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 系统的整体设计及可行性分析 2 1 系统的整体设计 i 强i d 是自动设备识别中最优秀和应用领域最广泛的技术之一，利用无线射频方式进 行非接触双向数据通信，识别目标并交换数据，具有环境适应性强，无接触抗干扰能力 强，可靠性高，安全防冲突，实现多目标识别、运动目标识别等一系列优点。典型的r f i d 由读写器和射频卡( 也称应答器电子标签) 两部分组成，其数据存储在电子数据载体 ( 应答器电子标签) 之中。 为了便于描述，以中国现在通用的标准4 0 0 米跑道( 弯道半径为3 6 米，弯道长为 2 2 8 0 8 米，直道长为1 7 1 9 2 米) 为例说明整个系统的构成。整个系统如图2 1 所示，主要 由以下3 部分构成： ( 1 ) 标签主要用于存储卡号数据等信息，作为读写器读写的对象( 识别个体) 。 ( 2 ) 读写器l ( 主控单元) 完成测试前的卡号登记和其他控制工作。 ( 3 ) 读写器2 完成终点的卡号识别、计时与上传工作。 读写器2 放在距离终点线垂直方向5 0 m ( 假设) 的a 点，这样选好测试终点位置再选 择起点位置，使得读写器2 不会因为要满足识别距离而放置在跑道内部，碍于测试，如 b 点和c 点。 图2 1 整体结构图 f i g 2 1e n 血es 扪j c t u r e r 兀d 在中长跑体能测试上的应用 2 2 系统的可行性分析 从图2 1 可以看出：只要测试者到达终点就会立即进入天线区域，读写器2 在周期 性的扫描下就会采集到该卡号( 扫描周期o 1s ) ，并根据标签传送的信息算出到达时间。 对于同时到达的测试者，采用防碰撞算法逐一确认并记录到达的准确时间。 需要注意2 点： ( 1 ) 终点计时时间的计算 终点时间= 识别出一个无冲突卡号的时间，o 1 s + 该卡号的延时命令数据 定义延时命令数据，其目的是为了保证在识别区域中，若是在o 1 s 的时问内，没能 识别区域内的全部测试者就有新的测试者进来时作为先后到达的顺序标志。读写器根据 标签传送的延时命令数据值就可以准确得到测试者实际到达时的准确时闻。并且保证在 每圈识别之后，标签中延时命令数据恢复初始值o ，以保证测试者最后到达终点计时的 准确性。 ( 2 ) 终点识别范围计算 以下是无线覆盖半径为2 5 m 时的终点识别范围，如图2 2 所示。 n 、 ? d 0 e - = 2 5 m ，d e = o 5 m ，o f = 4 9 7 m o e - = 2 5 m ，d e = o 2 m ，o f - 3 1 5 m o e ：= 2 5 m ，d e ：o 1 m ，o f = 2 2 3 m 图2 2 识别范围示意图 f j g 2 2m a po f e 】l l i b i t i 册o f i d c i l l i f y 打l gr 锄g e s 下面给出半径取为2 5 m 的识别范围的分析： 按照相关规定，标准田径场的跑道设有6 8 条分道，每条分道宽为1 2 2 1 2 5 米。 假设为8 跑道，为保证每条跑道都能收到无线信号，其覆盖半径要为1 0 m 。假设半径0 e = 1 0 m ，得到d e = o 1 m ，o f = 1 1 4 m ；在o e = 1 5 m ，得至ud e ：0 1 m ，o f = 1 7 2 m ；在o e 沈阳工业大学硕士学位论文 一2 0 1 1 1 ，得到d e = 0 1 m ，0 f = 1 9 9 m ；o e = 3 0 m 得到d e = o 1 m ，o f = 2 4 4 m 。以终点识别2 m 的范围为界限，确定o e = 2 5 m 是比较适合的。 假设测试者以1 0 s 运动1 0 0 m 距离的平均速度计算( 世界纪录) ，在o 1 s 内通过的 距离为l m 。对于读写器的o 1 s 的扫描周期来讲，卡号的最初采集点可能为终点线前方 1 m 距离的任何地方。所以，对于正常的奔跑速度，误差范围 1 m ，在允许的范围内计 时精度o 1 s 是可以达到的。 综上所述，本文运用r f i d 技术的计时系统的设计和运行是可行性的，计时时间和 计时精度是可以保证的。 r m 在中长跑体能测试上的应用 3r f i d 系统及其基本理论 3 1r f i d 技术的概念 r f l d 技术最早出现在2 0 世纪8 0 年代，当初用于无法使用条形码跟踪技术的特殊 工业场合，后来利用它来定位、确认及跟踪库存产品或其他目标。在i c 卡出现以前的 识别系统普遍存在存储能力小以及不能改写的不足。在日常生活中，我们经常看到电话 i c 卡、银行卡等以触点式工作的电子数据载体。但在多数情况下，这种机械式的接通是 不可靠的，若是能以非接触式的方式传输数据则会灵活得多，即r f i d 就是这样一种非 接触式的射频识别系统。它与磁卡、l c 卡等识别方式的本质区另u 在于：它是利用无线射 频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。从信息技术的发展和功能实 现方面看射频识别技术( r f i d ) 属于自动识别技术p j 。 射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合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。射频识别是一种非接触的自动识别技术，利用电磁场或 电磁波为传输手段，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。i 强i d 系统在具体的应用过程中，根据不同得应用目 的和应用环境，系统的组成会有所不同，但从r f i d 系统的工作原理来看。系统一般都 由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成【4 】，如图3 1 所示。 信号发射机为了不同的应用目的，会以不同的形式存在，典型的就是标签( 即应答 器，以下称为应答器) 。它相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信 息，另外，与条码不同的是，它必须能够主动或在外力的作用下，把存储的信息主动发 射出去。它放在需要识别的物体上，可以发送和接收信息，可根据收到的操作命令作读 写等处理。 在i 江l d 系统中，信号接收机一般叫做读写器。根据支持的应答器类型不同与完成 的功能不同，读写器的复杂程度是显著不同的。读写器的基本功能是提供与应答器进行 数据传输的途径。另外，读写器还提供相当复杂的信号状态控制、校验纠错功能等。在 应答器中，除了含有需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息。该数据信息和附 沈阳工业大学硕士学位论文 加信息按照一定的结构编制并按特定的顺序向外发送。一旦到达读写器的信息被正确的 接收和破译后，根据事先约定的规则进行特定操作，包括选择，读写，取消选择命令等。 耦合元件 ( 线圈、微波天线) 图3 1 射频识别系统基本组成 f i 昏3 1p r i m a r yc o m p o s i t i o no f r f l ds y s t e m 天线是应答器与读写器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系统 的功率，天线的形状和相对位置也会影响到数据的发射与接收，需要认真衡量【4 5 l 。 3 2r f i d 系统的发展状况 r f i d 的最大优点是非接触式识别，因此可以同时识别多个电子标签及高速运动的 电子标签。由于它的优点，在国外r f i d 技术己被广泛用于诸如工业自动化、商业自动 化、交通运输控制管理等众多领域。如澳大利亚将i u i d 产品用于澳洲机场旅客行李管 理中并发挥了出色的作用；欧共体宣布1 9 9 7 年开始生产的新车型必须具有基于r f l d 技术的防盗系统；瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客列车上安装i 强i d 自动识别系统， 调度员可以实时的掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减小发生事故的可能性； 1 9 9 6 年1 月韩国在汉城的6 0 0 辆公共汽车上安装r f l d 系统用于电子月票，还计划将这 套系统推广到铁路和其它城市”德国汉莎航空公司试用非接触的电子标签作为飞机票，改 变了传统的机票购销方式等等。 我国政府在1 9 9 3 年制定的金卡工程实施计划及全国范围的金融卡网络系统的l o 年 规划，是一个旨在推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。由此，各种自动识 r 肿在中长跑体能测试上的应用 别技术的发展及应用十分迅猛。现在，射识别技术做为一种新兴的自动识别技术，也正 在中国快地普及。可以说，射频识别产品的市场是十分巨大的【3 1 。 现在的i u i d 已经逐步的发展成为一个独立的跨专业领域，它将大量的不同领域的 技术综合到一起，例如高频技术、e m c 、半导体技术、数据保护、制造技术和许多专业 领域。与其它识别系统相比，射频识别系统具有以下优点： ( 1 ) 数据量大，保密性高，费用低。 ( 2 ) 使用时无需和应答器接触，操作快捷。 ( 3 ) 抗干扰性强，允许多个发射器的同时操作。 ( 4 ) 反应时间短，阅读速度高。 ( 5 ) 由于使用时没有机械触点，提高了反应的可靠性和设备的寿命。 ( 6 ) 安全性高，不怕污染，在很恶劣的条件下替代其它接触式的识别方式。 3 3r f i d 系统的当今应用 r f i d 技术正逐步进入各工商企业，促进企业管理和技术的更新，提高企业的竞争 力。r f i d 技术应用领域众多，目前国内外在以下几个领域应用比较成功。 ( 1 ) 公共交通 射频识别系统应用潜力最大的领域之一就是公共交通领域。因为其交易时间短，天 气适应性强，使用寿命相对较长，操作便利，为公交系统乘客、司机及其公交公司、交 通联合体都带来了好处。迄今为止最大的使用r f i d 的电子车票系统( a f c ) 于1 9 9 6 年初 在韩国汉城投入正常运营；德国吕内堡，奥尔登堡公交系统在以前i c 卡的基础上成功 尝试了非接触i c 卡的f a l l r s m a n i i 系统，所使用的系统即为飞利浦公司的m i f a r e 射频 识别系统。 ( 2 ) 票务系统 汉莎航空公司的“无机票飞行”项目是德国射频识别系统的示范项目。公司对经常 乘客发放的“m i l e s & m o r e ”卡采用射频识别技术，大大提高了机场效率，节省了乘客 的时间。 ( 3 ) 门禁控制、交通系统、动物识别、电子闭锁防盗装置等 沈阳工业大学硕十学位论文 这些应用的成功，标志着i 疆i d 系统在信息系统中已经取得了举足重轻的地位。在 国内l 强i d 系统也有一定范围的应用，但一般都是引进的国外技术，随着国内r f i d 系 统应用的不断扩大，市场不断增长，现在国内的一些i c 设计企业也开始设计自己的r f i d 系统产品如华大、上海华虹、清华同方等。上海华虹设计生产的非接触i c 卡已经开始 量产上市。因此，r f i d 系统在国内有着长足的发展前景。 ( 4 ) 电子支付智能卡 国外的各种交易大多利用各种卡来完成，而我国普遍采用现金交易。现金交易不方 便也不安全，还容易出现税收漏洞等。目前的收费卡多用磁卡、i c 卡，而射频卡也开始 抢占市场，原因是在一些恶劣的环境中，磁卡、l c 卡容易损坏，而射频卡则不易磨损， 也不怕静电及其他情况。同时，射频卡用起来方便、快捷，不用打开包装，在读写器前 扫描一下就完成了收费。还可以同时识别几张卡，并行收费。如香港地区的“八达通卡” 不仅用于公交系统的收费，而且具有许多信用卡的功能，可以在几百家商场购物，实现 一卡多用。 ( 5 ) 仓储管理 将i 强i d 系统用于智能仓库货物管理，有效地解决了仓库与货物流动有关的信息管 理。它不但增加了一天内处理货物的件数，而且还监看这些货物的一切信息。射频天线 安置在仓库相关的各个部位和货物所通过的仓库大门边上，每辆叉车上都有读写器和天 线，每个货物都贴有电子标签，所有电子标签信息都被存储在仓库的中心计算机里，该 货物的有关信息都能在计算机里查到。当货物被装走运往别处时，相关的读写器就能识 别并告知计算中心它被放在哪辆拖车上。这样，管理中心可以实时地了解到已经入库了 多少货物和发送了多少货物或者货物在仓库转移的情况，并可自动识别货物，确定货物 的位置f 3 。 3 4r f i d 系统的基本理论 射频识别系统从某个角度来讲也是一个数字通信系统，其数据传输含包括三个主要 的功能模块。从读写器到应答器的数据传输方向，它们是应答器( 发射器) 中的信号编 码( 信号处理) 和调制器( 载波回路) ，传输介质( 信息通路) 和读写器( 接收器) 中 r f l d 在中长跑体能测试上的应用 的解调电路( 载波回路) 和信号译码器( 信号处理) ，如图3 2 。由此得出三个功能模 块分别是：信息通道、发送器和接收器。当信号传输方向改变的时候依此类推。 图3 2 数字通信系统中的信号和数据 f 培- 3 2s i g a la n dd a l ao f d i 舀t a lc o m m u m c a t i o ns y s t e m 信号编码是每个数字通信系统必备部分，也被称为基带编码。其作用是将所要传输 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。编码处理后可以对信息 提供某些程度的保护，以抗干扰、防碰撞或是某些信息特征的蓄意修改。 调制就是在发送端将所要传送的信号( 它的频率一般是较低的) “附加”在高频振荡 上，使其振幅，频率或相位与调制的基带信号相关，再由天线发射出去。传输介质在 r f l d 中表现为磁场或是电磁波。 解调就是从已调波中恢复出基带信号以得到原有的信息。我们可以看到，有时不仅 在应答器中，在读写器中也有信息源输入，双方在交替传达数据信息，都有调制与解调 部分，可见其应用的普遍性。 信号解码的目的是从接收的信号中恢复出原来的信息，并识别和标识或纠正传输错 误【6 】。 3 4 1 基带编码 编码就是用不同形式的代码来表示二进制的1 和o 。射频识别系统中通常使用下 列类型的编码的一种：n r z ( 反向不归零) 编码、m 锄c h e s t e r ( 曼彻斯特) 编码、d b p ( 差动双相) 编码、m i l l e r ( 米勒) 编码、p p ( 脉冲一间歇) 编码、单极归零制编码( u p i p o l a r r z ) 。每种编码都有其使用场合。 ( 1 ) n r z ( 反向不归零) 编码 沈阳工业大学硕士学位论文 “高”信号表示二进制“l ”，“低”信号表示二进制“o ”，在f s k 或p s k 调制 中几乎仅仅使用n r z 编码。 ( 2 ) m 雒c h e 姗( 曼彻斯特) 编码 在半个b i t 周期负边沿表示二进制“1 ”，半个b “周期的正边沿表示二进制“o ”。 m 锄c h e 咖r 编码经常用于从应答器到读写器的数据传输。 ( 3 ) d b p ( 差动双相) 编码 在半b i t 周期中的任意边缘表示二进制“o ”，而没有边缘就表示二迸制“1 ”。此 外在每个b i t 周期开始时，电平都要反向一次，这种编码的特点是位节拍信号比较容易 重建。 ( 4 ) m i l l e r ( 米勒) 编码 在半b i t 周期的任意边缘表示二进制“1 ”，而经过下一个周期中不变的“1 ”电平 表示二进制“o ”。如果连续一串零在b i t 周期开始时产生电平交变。对于r f i d 系统， 从读写器到应答器的数据传输编码采用的是变形的m i l l e r 编码，即编码中的每个边缘都 为一“负”脉冲来取代。这样，很短的脉冲持续时间就可以在数据传输过程中保证从读 写器的高频场中连续供给应答器能量。 ( 5 ) p p ( 脉冲间歇) 编码 对于p p 编码，在下一个脉冲前的暂停持续时间t 表示二进制“l ”，而下一个脉冲 前的暂停持续时间2 t 则表示二进制“o ”。 ( 6 ) u n i p o kr z ( 单极归零制) 编码 在半个b “周期中的“高”信号表示二进制“1 ”，而持续整个周期的低信号表示二 进制“o ”。 不同的系统在选择编码方式时，应注意不同的边缘条件，最重要的是调制后的信号 频谱以及对传输故障的敏感度。本文中采用m 锄c h e s t 盯编码方式。选用该编码是根据 l s 0 1 4 4 4 3 标准来进行的，同时也是为了解决多路碰撞的问题而使用的。“m 锄c h e s t e r 编 码”在数据传输过程中不允许“没有变化”的状态，如果出现这种状态将其标志为传输 碰撞位。这样即使多个应答器同时发出数据的数位有不同值时，接收的上升沿和下降沿 相互抵消，以至在这个位窗持续的时间内收到的是不问断的载波信号中信号碰撞导致没 r f i d 在中长跑体能测试上的应用 有变化的状态，从而可以用一定的方法跟踪碰撞的出现。当接收的数据经译码后为 1 0 l ? ? 0 1 0 时，可以推算出数据流可能的码序列有四个：1 0 1 0 0 0 1 0 ，1 0 1 0 1 0 1 0 ，1 0 11 0 0 1 0 ， 1 0 1 1 1 0 l o 。所以如果找到一种能够判定碰撞位置的搜索算法，就可以很快的在读写器作 用范围内找到一个唯一确定的应答器了。 3 4 2 多路存取理论 大量的事实表明，在r f l d 系统中，不排除可能会有一个以上应答器同时处于读写 器的工作范围内的情况。这样当有两个或两个以上的应答器同时发送数据时就会出现数 据相互的碰撞，所以需要制定适当的通信方式。一般在r f i d 系统中有两种不同的基本 通信方式： ( 1 ) 第一种通信方式 从读写器到应答器的数据传输为第一种通信形式，即发送的数据流同时被所有的应 答器接收，这种通信方式称为“无线电广播”( r a d i o ) 。如图3 3 。 图3 3 读写器广播通信方式 f i g 3 2b r o a d c a s tc o m m u n i c a t i o nm o d eo f r e a d e rd e v i ( 2 ) 第二种通信方式 在读写器的应答范围内有多个应答器的数据同时传输给读写器，这种通信方式称为 多路存取。这是r f i d 系统中的主要通信方式之一。如图3 4 。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 4 读写器多路存取方式 f i 舀3 4m u l t i p l ea c c e 鹞m o d eo f r e a d e r d g v i 在现阶段的r f i d 系统中，多路存取技术大致分为以下4 种方式：空分多路( s d m a ) 、 频分多址( f d m a ) 、码分多址( c d m a ) 、时分多路( n ) m a ) 。 1 ) 空分多路( s d m a ) 法 s d m a 可以把s d m a 理解为在分离空间范围内重新使用确定的资源的技术。其主 要实现方式是在读写器上使用相控阵天线作为电子控制定向天线，使天线的方向图依次 对准作用范围内不同的标签。所以相邻的读写器区域内如有其他应答器仍可以相互交换 信息而不会受到相邻的干扰，这样许多应答器在这个阵列中由于空间分布可以 同时读出而不会相互影响，从而实现多路存取。另外一种方法是在读写器上利用一个自 适应控制的天线，直接对准某个应答器。所以不同的应答器可根据其在读写器作用范围 内的角度位置区分开来。缺点是复杂的天线系统和相当高的实施费用。 2 ) 频分多路( f d m a ) 法 f d m a 是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时提供给用户使用的技术。对 于i 疆i d 系统来说，就是要求应答器对于读写器的应答使用不同的频率，这种方法的缺 点是读写器的成本相当高，因为每个接收通路由于频率不同，必须有自己的接收器。因 此只用于一些特殊场合。 3 ) 码分多路( c d m a ) 法 c d m a 是在数字技术的分支扩频通信技术上发展起来的一种崭新的无线通信 技术。它主要基于扩频通信技术，c d m a 主要由扩频和码分组成，扩频完成信息带宽的 扩展及信息传输，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带 褂在中长跑体能测试上的应用 宽的高频伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经过载波调制并发送出去， 接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把带宽信号换成原信 息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。码分解决基站与用户信道的标识问题。由 于通信频带及技术复杂性，c d m a 技术很难在r f i d 系统中应用。 4 ) 时分多路( t d m a ) 法 1 i ) m a 法是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术。它在数字 移动无线电系统的范围内推广使用，由于实现方便，n ) m a 构成了r f i d 系统反碰撞法 的最大一族。下面简要介绍几种典型的基于t d m a 的防标签碰撞算法。 硝o h a 算法 这种协议建立在一种防碰撞原则的基础上，当若干应答器在随机的时间间隔发送数 据包时，如果发生数据包冲突，则应答器就会等待一个随机的时间段之后再次发送数据。 这种算法只适用于只读标签的应用场景，且吞吐率较低，只有o 1 8 4 。 时隙a l o l l a 算法：是一种由读写器控制的随机t d m a 方法，可以改善舢o h a 算法的吞 吐率。它将信道分为很多时隙，每个时隙正好传送一个分组。时隙的长度由系统时钟决 定，各控制单元必须与此时钟同步。对于r f i d 系统，应答器只在规定的同步时隙内才 能传输数据包，对所有的应答器所必须的同步由读写器控制，发生碰撞后，各标签仍是 经过随机时延后分散重发的，吞吐率为0 3 6 8 。 动态时隙朋o l l a 算法 这种方法可以动态调整时隙的数量。读写器在等待状态中的循环时隙段内发送请求 命令( 使在读写器作用范围内的所有应答器同步，并促使标签在下一个时隙里将它的序 列号传输给读写器) ，然后有l 2 个时隙给可能存在的应答器使用。如果有较多的应答 器在两个时隙内发生了碰撞，就用下一个请求命令增加可供使用的时隙的数量( 如4 、 8 、) ，直到能够发现一个唯一的应答器为止。不论是a l o h a 算法、时隙a l o h a 算法还 是动态时隙舢0 1 1 a 算法，所有应答器的数据发送都是随机的，相对来说不能够保证整个 系统的可靠性，信道的利用率也比较低。 二进制树 沈阳工业大学硕士学位论文 如果数据包在传输过程中发生碰撞，这种协议允许读写器使用二进制搜索树的运算 法则和一个比特的数据来解决冲突。因为每个应答器本身都有一个i d ，所以读写器可 以指定一个特定范围内的i d 来读取应答器，而这些应答器必须对读写器的询问做出应 答，其他应答器则保持缄默。这时如果有两个应答器由于同时上传数据而发生碰撞，读 写器可以精确的检测出m 发生碰撞的比特位并找出对应的应答器。依靠这种复杂的二 进制搜索树运算理论，读写器可以读出所有的应答器。 动态二进制树 在二进制树搜索算法的基础上，从缩小搜索范围和传输数据的冗余出发，又提出了 动态二进制树搜索算法。动态二进制树搜索算法是在分析读写器请求命令数据与应答器 应答数据之间的互补性的基础上，动态地改变读写器请求命令数据位数和标签应答数据 位数，从而避免应答器数据序列号在两个方向上完整传输。这样就大大减少了数据的传 输量，缩短了系统通讯时间。同其他多路存取方法相比，系统的吞吐率可以达到约o 5 。 在i s 刚e c1 4 4 4 3 a 标准和e p cc l 髂s o 标准中，都以动态二进制树搜索算法作为防碰撞 方法【硎。 本文采用的是跳跃式动态树形反碰撞算法，它与动态二进制搜索算法类似之处又有 不同之处。以下为算法详斛1 0 1 。 实现该算法的必要前提是能辨认出在读写器数据碰撞的比特的准确位置。为此，选 用m 锄c h e s t e r 编码。为了便于描述算法，引入了一组指令。这组指令能由应答器处理。 此外，每个应答器都拥有一个唯一的序列号。下面以8 位序列号为例说明。为了保证序 列号的唯一性，该系统最多能带2 5 6 个应答器( e p c 代表一个8 位序列号) 。相应指令如 下： 命令1 请求( e p c i n 幔，x ) ：读写器发送一个e p c n 卜x 参数( e p c 值的第1 n x 位) 给区 域内标签，区域内e p c 值第1 n x 位与之相符的标签应答，返回剩余的x 位信息( 第x 一1 o 位1 ，缩小预选的标签范围。说明：假设标签的e p c 为8 位，则m = 7 ；第1 次问询时，x = 8 ， e p c l n x 应为空，用n u l 表示；所以r c q u e s t 命令为：r e q u e s 州u l ，8 ) 。 r 皿在中长跑体能测试上的应用 命令2 选择( e p c ) ：用某个( 事先确定的) e p c 作为参数发送给标签。具有相同 e p c 的标签将以此作为执行其他命令( 例如读出和写入数据) 的切入开关，即选择这 个标签。 命令3 读出数据：选中的标签将存储的数据发送给读写器( 在实际的系统中， 还有鉴别或写入等命令) 。 命令4 一关闭：取消一个事先选中的标签，标签进入“无声”状态。在这种状态 下标签完全是非激活的，对收到的r c q u e s t 命令不作应答。 假设读写器作用范围内有5 个标签，看读写器利用该算法来识别它们。开始，读写 器对区域内标签处于未知状态，所以发送r c q u e s t ( n u l ，8 ) 命令，要求区域内所有的标 签应答。算法示意图如图3 5 所示，详细执行过程如下： 标签1 ：0 1 0 0 l 0 0 1 标签2 ：0 1 1 l o o o o 标签3 ：0 l 0 0 1 0 0 0 标签4 ：0 1 1 1 1 0 0 0 标签5 ：o 1 0 0 0 0 0 1 - 前进 ，后退 1 0 ，3 ) 图3 5 跳跃式动态树形反碰撞算法示意图 f i g 3 5m 印o f 哪t i c o l l i s i a l g o 枷1 i l lb 鹊e do n j 啪p i n g a 1 1 dd ”砌i cs e a r c h i n g 第1 次：读写器发送r e q u e s t ( n u l ，8 ) 命令，标签l 、2 、3 、4 、5 用自己8 位的e p c 代 码应答。读写器由m 锄c h e s t e r