（信号与信息处理专业论文）基于rfid的智能停车场管理系统关键技术研究.pdf

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 ，r f i d ) 技术，是利用射频通信实现 的非接触式自动识别技术，利用无线射频方式在阅读器和应答器之间进行非接 触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条码或磁条识 别技术相比，射频识别技术具有非接触、作用距离远、精度高、适于恶劣环境、 信息的收集和处理快捷灵活及较好的应用环境适应性、可识别运动目标等一系 列的优点，在工业自动化、商品控制、交通运输控制管理等众多领域得到广泛 的发展。同时r f i d 标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点，可 支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。 本课题首先设计了一种基于r f i d 的智能停车场管理系统，该方案集远距 离感应式射频技术、自动控制技术和车辆检测技术于一体，应用于停车场收费 管理、车辆控制与人员管理，具有先进、可靠、安全、方便、快捷等特点，有 效的解决了业主和车主的难题；同时该系统还可方便的配合其他系统如门禁、 消费等，从而实现不停车管理。 然后根据射频识别系统碰撞产生的原因，研究分析了二进制搜索算法、动 态二进制搜索算法的工作原理和过程。通过比较两种算法的优缺点，提出了一 种返回式动态二进制搜索算法，既可以减少数据传输量，也能很好的利用阅读 器已经识别出的前缀及碰撞信息和冲突位。返回式二进制搜索算法可以缩小标 签搜索范围，从而大大减少阅读器与标签之间的通信时间和传输的数据量。 最后通过仿真程序，实现动态二进制搜索算法和返回式动态二进制搜索算 法，程序结果输出随机生成的标签i d 、正确识别的标签i d 、模拟阅读器和标签 之间的通信次数和通信总数据量。对比分析两种算法的通信次数和通信总数据 量，通过统计的结果和图形比较，返回式动态二进制搜索算法大大降低了系统 的通信次数和通信数据量，提高了系统识别效率。 关键词：r f i d ，阅读器，智能停车场，防碰撞，二进制搜索算法 a b s t r a c t r f i di san o n - c o n t a c ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hc a nr e a l i z eb yu s i n g r a d i of r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n f o rt h ei d e n t i f i c a t i o na n dt h ed a t ae x c h a n g e ，i t c o m m u n i c a t e sb yr a d i of r e q u e n c yb e t w e e nr e a d e ra n dt r a n s p o n d e r s c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lb a rc o d eo rm a g n e t i cs t r i pi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , 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 nt e c h n o l o g yh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sc o n t a c t l e s s ，l o n gw o r k i n g d i s t a n c e ，s u i t a b l ef o rb a de n v i r o n m e n t ，e f f i c i e n tr e c o g n i z i n ga b i l i t y , r f i di sr a p i d l y s p r e a d i n gi ni n d u s t r y , c o m m e r c e ，a n dt r a f f i ct r a n s p o r tm a n a g e m e n tf i e l d se t c a t t h es a m et i m e ，r f i dt a g sh a v eas m a l ls i z e ，h i g hc a p a c i t y , l o n gl i f e ，r e u s a b l e ，a n d o t h e rf e a t u r e s ，s u p p o r t sf a s tr e a da n dw r i t en o n - v i s u a lr e c o g n i t i o n ，m o b i l e i d e n t i f i c a t i o n ，m u l t i t a r g e t i d e n t i f i c a t i o n ，l o c a t i o n a n d l o n g - t e r mt r a c k i n g m a n a g e m e n t t h i ss u b j e c td e s i g n sa ni n t e l l i g e n tp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nr f i d ， w h i c hg a t h e r sl o n g - r a n g er a d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g y , a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dv e h i c l ed e t e c t i o nt e c h n o l o g i e si ni n t e g r a lw h o l e i ti sm a i n l ya p p l i e dt op a r k i n g t o l lm a n a g e m e n t ，v e h i c l ec o n t r o la n dp e r s o n a lm a n a g e m e n t i ts o l v e dd i f f i c u l t p r o b l e me f f e c t i v e l yb e t w e e no w n e ra n da u t oo w n e rf o ri t sa d v a n c e ，r e l i a b l e ，s a f e ， c o n v e n i e n ta n dr a p i dc h a r a c t e r s a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mc o u l da l s of a c i l i t a t e c o o r d i n a t i o nw i t ho t h e rs y s t e m s ，s u c ha sa c c e s sc o n t r o la n dc o n s u m p t i o n ，t h u s r e a l i z e dn o n - s t o pm a n a g e m e n t a c c o r d i n gt ot h ec o l l i s i o nc a u s eo fr 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 i s p a p e ra n a l y s i st h ew o r ka n dp r i n c i p l e so fp r o c e s so fb i n a r ys e a r c h i n g a l g o r i t h ma n d d y n a m i cb i n a r ys e a r c h i n ga l g o r i t h m b yc o m p a r i n g t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so ft w oa l g o r i t h m s ，p u t sf o r w a r da ni m p r o v e da l g o r i t h m ，r e c o v e r a b l e d y n a m i cb i n a r ys e a r c ha l g o r i t h mb a s e do nt h e s ea l g o r i t h m s i tn o to n l yr e d u c et h e d a t at r a n s m i s s i o n ，b u ta l s oc a ng o o du s ei d e n t i f i e dp r e f i x ，c o l l i s i o ni n f o r m a t i o na n d t h ec o n f l i c tb i t a tt h es a m et i m e ，r e c o v e r a b l ed y n a m i cb i n a r ys e a r c ha l g o r i t h mc a n n a r r o wt h es c o p eo ft h es e a r c ht a g ，t h u sg r e a t l yr e d u c i n gc o m m u n i c a t i o nt i m ea n d i i d a t ab e t w e e nr e a d e ra n dt a g s f i n a l l y , r e a l i z e dd y n a m i cb i n a r ys e a r c h i n ga l g o r i t h ma n dr e c o v e r a b l ed y n a m i c b i n a r ys e a r c ha l g o r i t h mb ys i m u l a t e dp r o g r a m s t h es i m u l a t e dp r o g r a m so u t p u to f r a n d o mg e n e r a t i o no ft a gi d ，t h ec o r r e c ti d e n t i f i c a t i o nt a gi d ，c o m m u n i c a t i o n t r a n s t i m e sa n dt r a n s b i n a r yb e t w e e ns i m u l a t i o nr e a d e ra n dt a g s c o m p a r a t i v e a n a l y s i so fc o m m u n i c a t i o nt r a n s t i m e sa n dt r a n s b i n a r yo ft w oa l g o r i t h m s ，s t a t i s t i c a l r e s u l t sa n dg r a p hc o m p a r i s o n ，r e c o v e r a b l ed y n a m i cb i n a r ys e a r c ha l g o r i t h md o e s a c h i e v et h et a r g e tt h a ts y s t e mr e d u c e sc o m m u n i c a t i o nt i m e sa n dc o m m u n i c a t i o n d a t a a m o u n t ，t h es y s t e me f f i c i e n c yi si m p r o v e dg r e a t l y k e yw o r d s ：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 ) ，r e a d e r , i n t e l l i g e n tp a r k i n g , a n t i c o l l i s i o n ，b i n a r ys e a r c h i n ga l g o r i t h m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 武汉理l i 火学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着中国经济的迅猛发展，城市汽车的拥有量不断增加，汽车在给人们带 来交通快捷方便的同时，由于停车管理不善等问题也给人们带来了诸多不便。 因此，近年来汽车的静态管理和动态平衡己成为许多有识之士重点研究的新问 题。为满足人们生活和工作环境更科学、更规范的要求，管理高效、安全合理、 快捷方便的智能停车场管理系统己成为许多大型综合性建筑物和居民小区必备 的配套设施。地处繁华地带的许多高级公寓、大型娱乐场所、宾馆、办公楼、 球场等停放汽车较多、车流量大，为了保证车辆安全和交通方便，迫切需要采 用自动化程度高、方便快捷的停车场自动管理系统，提高停车场管理水平。射 频识另l j ( 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 ) 技术1 1 】f 2 】1 3 】，是利用射频通信实现的 非接触式自动识别技术，利用无线射频方式在阅读器和应答器之间进行非接触 双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条码或磁条识别 技术相比，射频识别技术具有非接触、作用距离远、精度高、适于恶劣环境、 信息的收集和处理快捷灵活及较好的应用环境适应性、可识别运动目标等一系 列的优点，在工业自动化、商品控制、交通运输控制管理等众多领域得到广泛 的发展1 4 j 1 5 1 。同时r f i d 标签具有体积小、容量大、寿命长、可重复使用等特点， 可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理。 本课题提出一种基于r f i d 的智能停车场管理系统，该方案集远距离感应式射频 技术、自动控制技术和车辆检测技术于一体，应用于停车场收费管理、车辆控 制与人员管理，具有先进、可靠、安全、方便、快捷等特点，有效的解决了业 主和车主的难题；同时该系统还可方便的配合其他系统如门禁、消费等，从而 实现不停车管理1 6 j 【7 j 。 r f i d 技术在中国处于一个起步的阶段，但是它的发展潜力是巨大的，它 的前景非常诱人。在信息社会，人们对于各种信息的获取都要求快速而准确， 所以在不久的将来r f i d 技术将同其它识别技术一样深入并改善我们的生活。 武汉理工人学硕士学位论文 1 2 背景知识 1 2 1 自动识别技术 自动识别技术是信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段， 它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。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 ( 卡) 技术、光学字符识别、系统集成化、r f i d 、声音识别及视觉识别等集计算 机、光、机电通信技术为一体的高新技术学科，如图1 - 1 所示【8 】。 自动识别方法的任务和目的是提供关于个人、动物、货物和商品的信息。 近年来，自动识别方法在许多服务领域、货物销售与后勤分配、商业部门、生 产企业和材料流通领域得到了快速的普及和推广。 1 2 。2 智能卡技术 图1 - 1 自动识别技术 智能卡( 即i n t e l l i g e n tc a r d ，又称为电子标签，或称l c 卡) 技术是目前应用 范围最广的一种自动识别技术。l c 卡一般是指一张固定大小的卡片，上面封装 了集成电路芯片，用于存储和处理数据。l c 卡是在较为原始的磁卡的基础上发 展起来的，大致经过了从接触式i c 卡( 如存储卡、加密存储卡、c p u 卡) 到非接 触的射频卡的发展阶段。接触式l c 卡使用时要将其插入读卡机中，通过表面上 2 武汉理i = 大学硕士学位论文 的电极触点的物理接触来实现数据、命令和卡片状态的传递；接触式l c 卡是一 种数据存储器系统，必要时，还可以具有附加的计算能力。接触式i c 卡的最主 要的优点之一是可防止其内部存储的数据被恶意的存取和处理，缺点是触点对 腐蚀和污染缺乏抵抗能力，这样经常会由于触点发生故障而增加维护费用。 接触式i c 卡已经走过十几年的历程并得到了广泛的应用，但随着应用规模 的扩大，其本身不可克服的缺点，如具有接触磨损、难以维护、基础设施投入 大等，就成了它进一步发展的绊脚石。 1 2 3r fid 技术 r f i d 是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 的缩写，即射频识别技术，是自动识 别技术中的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识 别并获取相关数据。 r f i d 系统属于一种非接触式的i c 卡，它与接触式l c 卡有着密切的关系。 数据存储在应答器芯片中，然而应答器的能量供应及应答器与阅读器之间的数 据交换不是通过电流的触点接通而是通过磁场或电磁场，它采用了无线电和雷 达技术。 射频识别技术具有很多突出的优点：r f i d 技术不需要人工干预，不需要直 接接触、不需要光学可视即可完成信息输入和处理，可工作于各种恶劣环境， 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，实现了无源和免 接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长，机具无直接对最终用户开放的物 理接口，能更好地保证机具的安全性；数据安全性能高，除标签的密码保护外， 读写器和标签之间也可互相认证，实现安全通信和存储；总体成本一直处于下 降状态，越来越接近接触式i c 卡的成本，为大量应用奠定了基础1 9 j 。 1 3 国内外射频识别技术发展状况 射频识别技术是在射频技术、通信技术、计算机技术等现代信息技术的基 础上于2 0 世纪8 0 年代中期问世的。自出现以来，由于它极大加速信息的收集 和处理，近年来获得迅速的发展。经济发达国家和地区已经将其应用于很多领 域，并积极推动相关技术与应用标准的国际化。近年来，中国已初步开展了r f i d 相关技术的研发及产业化工作，并在部分领域开始应用，但相对基础薄弱，缺 3 武汉理l ：人学硕士学位论文 乏核心技术，应用分散，不具备规模优势。 目前全世界已经安装了约5 0 0 0 个r f i d 系统，实际年销售额约为9 6 4 亿美 元，但主要用于宠物与野生动物跟踪、公路和停车收费等有限的领域。但事实 上，r f i d 还有望在高速公路自动收费及交通管理、门禁保安、r f i d 卡收费、 生产线自动化、仓储管理、汽车防盗、防伪、电子物品监视系统、火车和货运 集装箱的识别、物流管理、生产线追踪等领域大展身手。国外发展最著名的例 子即是年营业额占全球零售业两成，美国零售业六成的w a l m a r t 百货公司。 w a l m a r t 百货正式宣布，截止2 0 0 5 年底，所有供应w a l m a r t 百货的商品装箱 上，都要有应用r f i d 技术的电子商品条形码。w a l m a r t 百货预期能从新技术 进一步降低成本，尤其是与库存流程相关的物流失误与降低人力成本。一位分 析师估计，w a l m a r t 百货完成建制后，节省成本预估每年可达8 4 亿美元。另外， 英国航空公司正进r f i d 的试验计划，并允许某些特定的可读写型电子标签在 被扫描的同时可改变其记录内容，无需重新换贴新的电子标签。如此将使航空 公司利用存储在电子标签中的重量数据的加重而很容易侦测到旅客利用转机夹 带非法物品的可能性。此外，旅客报到时不再需要使用条形码扫描器，亦可达 到简化手续流程的好处。国际航空运输协会( i a t a ) 在数年前即己进行r f i d 标 准的制定工作。还有各国码头货柜的运输管制作业，将检查过的货柜加上r f i d 标签进行密封，有效防止货柜内物品被调包，并追踪整个货柜行进的路线。 我国在r f i d 技术的研究方面也发展很快，市场培育己初步开花结果。比 较典型的是在中国铁路车号自动识别系统建设中，推出了完全拥有自主知识产 权的远距离自动识别系统。铁道部曾将“货车自动抄车号”项目列为八五重点攻 关技术研究课题。在2 0 世纪9 0 年代中期，国内有多家研究机构参与了该项技 术的研究，探索了多种实现方案，最终确定了r f i d 技术为解决货车自动抄车 号的最佳方案。进而，在r f i d 实现技术方面又探索了有源标签和无源标签等 方案，最后选定了无源标签r f i d 方案。经过多年的现场运行考验，铁路车号 自动识别系统工程于1 9 9 9 年全面投入建设。经过两年左右的建设与试运行，目 前铁路车号自动识别系统工程已经发挥出了系统设计功能，并且辐射与渗透到 其他应用方面。 随着r f i d 技术的重要性日益体现，我国政府也希望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 6 年6 月中 4 武汉理1 ：人学硕士学位论文 国射频识别( r f i d ) 技术政策白皮书【1 0 l 在北京发布，该白皮书为r f i d 技术与 产业未来几年的发展提供了系统性的指南。 1 4 论文内容安排 本文主要研究了基于r f i d 的智能停车场管理系统关键技术，重点集中于 r f i d 识别系统中的防碰撞算法和阅读器与射频标签之间数据通信的完整性和 安全性。各章内容安排如下： 第1 章提出了课题研究背景，简单介绍了射频识别技术的历史背景、发展 现状、应用情况以及技术特点，并简要阐述了本论文所做的具体工作。 第2 章介绍了r f i d 系统的组成和基本工作原理及射频识别系统的分类。典 型的r f i d 系统由射频卡( t r a n s p o n d e r ) ，读写蒙$ ( r e a d e r w r i t ed e v i c e ) 以及数据交换、 管理系统等组成。其中射频识别技术，是利用射频通信实现的非接触式自动识 别技术，利用无线射频方式在阅读器和应答器之间进行非接触双向数据传输， 以达到目标识别和数据交换的目的。然后分析了r f i d 系统的基本工作原理，之 后介绍了射频识别系统的分类。 第3 章介绍了射频识别系统的能量耦合及数据传输方式、基带常用编码方 式等。接着讨论了射频识别系统中数据传输的完整性和安全性方面问题。 第4 章通过需求分析，明确了智能停车场管理系统所要具备的功能，进而 提出了智能停车场管理系统的结构设计图。针对停车场的用户群体，分别分析 和设计了临时用户和固定用户的出入场工作流程，实现固定用户的不停车出入 停车场。 第5 章分析了射频识别系统碰撞的产生原因和常用的防碰撞算法。具体研 究分析了r f i d 系统中常见的二进制搜索算法、动态二进制搜索算法原理和实 现过程，并在此基础上提出了一种返回式动态二进制搜索算法，详细研究了返 回式动态二进制搜索算法原理和实现过程。通过仿真程序，实现动态二进制搜 索算法和返回式动态二进制搜索算法，程序结果输出正确识别的标签i d 、模拟 阅读器和标签之间的通信次数和通信总数据量，并把通信次数和通信总数据量 作变量参数对两种算法进行对比分析。 第6 章结论部分，总结本论文的主要工作和存在的不足，并且展望下一步 要做的工作。 5 武汉理：【大学硕士学位论文 第2 章射频识别技术概述 2 1r fid 系统技术基础 2 1 1r fid 系统的构成 射频识别系统由电子标签、读写器、计算机通信网络三部分组成，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 射频识别系统的结构框图 ( 1 ) 电子标签 电子标签存储着需要被识别物品( 物体) 的相关信息，通常被放置在需要 识别的物品( 物体) 上，它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触方式 读写获取。 ( 2 ) 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。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 计算机通信网络 在射频识别系统中，计算机通信网络通常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，以便实现通信和 数据传输功能。 2 1 2r fid 系统的基本模型 射频识别系统的基本模型如图2 2 所示。电子标签与阅读器之间通过耦合 元件实现射频信号的空间( 无接触) 耦合，在耦合通道内，根据时序关系，实 现能量的传递和数据的交换【l l l 。 数据 能量时序 图2 2 射频识别系统的基本模型图 发生在阅读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，如图2 3 所示。电感耦合方式一般适用于中、低频的近距离射频 识别系统。典型的工作频率有：1 2 5k h z ，2 2 5k h z 和1 3 5 6m h z 。识别作用 距离小于1 米，典型作用距离为1 0 - - 2 0 厘米。 ( 2 ) 电磁反向散射耦合。雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标反射， 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 - 4 所示。电磁 反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的 7 武汉理r 大学硕士学位论文 工作频率有：4 3 3m h z ，9 1 5m h z ，2 4 5g h z 和5 8g h z 。识别作用距离大 于1 米。 图2 - 3 电感耦合 图2 4 电磁耦合 2 1 3r fid 系统基本工作流程 射频识别系统的基本工作流程如下【9 】： ( 1 ) 读写器将无线电载波信号经过发射天线向外发射； ( 2 ) 当电子标签进入发射天线的工作区时，电子标签被激活，将自身信息的 代码经天线发射出去； ( 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，送往后台的电脑控制器； ( 4 ) 电脑控制器根据逻辑运算判断标签的合法性，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； 8 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 5 ) 执行机构按照电脑的指令动作； ( 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，可以 根据不同的软件来完成要实现的功能。 2 2 射频识别的分类 射频识别技术根据采用频率的不同可分为低频系统和高频系统两大类；根 据电子标签内是否装有电池为其供电，又可分为有源系统和无源系统两大类； 从电子标签内保存的信息注入的方式可将其为分集成电路固化式、现场有线改 写式和现场无线改写式三大类；根据读取电子标签数据的技术实现手段，可分 为广播发射式、倍频式和反射调制式三大类。 1 ) 低频系统一般工作频率小于3 0m h z ，典型的工作频率有：1 2 5k h z ，2 2 5 k n z ，1 3 5 6m h z 等，这些频点应用的射频识别系统一般都有相应的国际标准 予以支持。其基本特点是电子标签的成本较低、标签内保存的数据量少、阅读 距离短( 典型1 0 厘米、电子标签外形多样( 卡状、环状、笔状) 、天线方向性不强 等。 2 ) 高频系统一般指其工作频率大于4 0 0m h z ，典型的工作频率有：9 1 5 m h z ，2 4 5g h z 和5 8g h z 等。高频系统也有众多国际标准予以支持。高频 系统的基本特点是电子标签及阅读器成本高、标签内保存的数据量大、阅读距 离远( 可达几米至十几米) ，适应物体高速运动性能好、外形一般为卡状、阅读 天线及电子标签天线均有较强的方向性。 3 ) 有源电子标签内装有电池，一般具有较远的阅读距离，不足的是电池寿 命有限( 3 1 0 年) ；无源电子标签内无电池，它接收到阅读器发出的微波信号后， 将部分电磁波能量转化为直流电供自己工作，一般可做到免维护。相比有源系 统，无源系统在阅读距离及适应物体运动速度方面略有限制。 4 ) 集成固化式电子标签内的信息，一般在集成电路生产时即将信息以 r o m 工艺模式注入，其保存的信息一成不变；现场有线改写式电子标签一般将 电子标签保存的信息写入其内部的e e p r o m 存储区中，改写时需要专用的编程 器，改写过程中必须为其供电；现场无线改写式电子标签一般适用于有源类电 子标签，具有特定的改写指令，电子标签内保存的信息也位于其中的e e p r o m 存储区。一般改写电子标签数据所花费的时间远大于读取电子标签所花费的时 9 武汉理j ：人学硕十学位论文 问。常规改写所花费的时间为秒级，阅读的时间为毫秒级。 5 ) 广播发射式射频识别系统实现最简单。电子标签用有源方式工作，并实 时将其储存的标识信息向外广播，阅读器相当于一个只收不发的接收机。这种 系统的缺点是电子标签因须不停地向外发射信息，对其自身而言费电，对环境 而言造成电磁污染，同时系统不具备安全保密性。 6 1 倍频式射频识别系统实现起来有一定难度。一般情况下，阅读器发出射 频查询信号，电子标签返回的信号载频为阅读器发出射频的倍频。这种工作模 式对阅读器接收处理回波信号提供了便利，但是，对无源电子标签来说，电子 标签将收到的阅读器发来的射频能量转换为倍频回波载频时，其能量转换效率 较低，提高转换效率需要较高的微波技巧，这就意味着更高的电子标签成本。 同时这种系统工作须占用两个工作频点，一般较难获得无线电频率管理委员会 的产品应用许可。 7 ) 反射调制式射频识别系统实现起来要解决同频收发问题。系统工作时， 阅读器发出电磁波查询信号，无源电子标签收到电磁波查询信号后将一部分能 量整流为直流电供电子标签内的电路工作，另一部分微波能量信号被电子标签 内保存的数据信息调制后反射回阅读器。阅读器接收反射回的幅度调制信号， 从中提取电子标签中保存的标识性数据信息。系统工作过程中，阅读器发出电 磁波信号与接收反射回的幅度调制信号是同时进行的。反射回的信号强度较发 射信号要弱，因此实现上采用下行副载波调制的方式用于同频接收。 2 3 射频识别技术的应用 射频识别技术的应用正在逐渐改善着我们生活的各个方面，它不仅大大方 便用户消费便利的电子付款等，还可完成各种资料的查询、统计、报表和打印 功能。极大提高了管理水平和工作效率，为科学管理提供了有力的客观依据【1 2 j ： 1 ) 在超市中，射频识别技术的运用使得数以万计的商品种类、价格、产地、 批次、货架、库存、销售等各环节被管理得井然有序； 2 ) 采用车辆射频识别技术，使得路桥、停车场等收费场所避免了车辆排队 通关现象，减少了时间浪费，从而极大地提高了交通运输效率及交通运输设施 的通行能力； 3 ) 在铁路运营中，采用自动设备识别技术可将飞驰的列车机车、车辆的标 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 识信息在查询点上自动采集下来送入铁路运输信息管理系统( t m i s ) 中，为铁路 运营提供及时的车辆追踪管理所需的基础信息； 采用射频识别技术的防伪车牌系统，将使被盗车辆大白于本地监视系统 之下，从而有效地防范车辆被盗案件的发生； 5 ) 在自动化的生产流水线上，整个产品生产流程的各个环节均被置于严密 的监控和管理之下； 6 ) 在公交车的运行管理中，射频识别系统准确地记录着车辆在沿线各站点 的到发站时刻，为车辆调度及全程运行管理提供实时可靠的信息。 还有，射频卡门禁、食堂消费管理等其他常见的射频识别应用系统等，都 大大方便了我们的日常生活，提高社会现代化的水平。 总之，射频识别技术作为从八十年代起走向成熟的一项自动识别技术在消 费、运输、防伪等科学自动化管理方面的应用【1 3 1 1 1 4 1 【1 5 1 。而正是由于大规模集成 电路技术的成熟，才使射频识别系统的体积大大缩小，并进入实用化的阶段。 它利用射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目标并交换数据。它与同期 或早期的接触式识别技术不同，r f i d 系统的射频卡和读写器之间不用接触就可 完成识别，具有耐用，容量大，安全性高和使用方便等优点，因此可在更广泛 的场合中应用。同时，也要看到射频识别技术在中国还处于一个8 , j s w j 起步的阶 段，但是它的发展潜力巨大，前景诱人。在信息社会，对于各种信息的获取及 处理要求快速、准确，在不久的将来r f i d 技术就将同其它信息技术一样深入 并改善我们的生活。 2 4 本章小结 本章首先介绍了r f i d 系统的构成、基本工作原理、工作流程和基本模型。 接着介绍了射频识别系统的分类及应用。对于r f i d 的实用性而言，高频、超 高频段的系统应用面极广，本文研究对象就是基于r f i d 的智能停车场管理系统。 下文将着重智能停车场管理系统设计，同时对射频识别系统的通信及防碰 撞关键技术进行探讨和研究。 武汉理j ：大学硕士学位论文 第3 章射频识别系统的通信 射频识妇j ( r f i d ) 技术是利用无线电波或微波能量进行非接触双向通信，来 实现识别和数据交换功能的自动识别系统。射频卡和读写器之间的射频信号传 输包括数据信号和能量信号的传输。其中数据信号为双向传输，系统工作在半 双工模式；而能量信号为单向传输，由读写器发送到射频卡，利用传输数据信 号的载波的能量为无源的射频卡工作提供所需的能量。射频标签与读写器之间 通过耦合原件实现射频信号的空间( 非接触) 耦合。在耦合通道内，根据时序关 系，实现能量的传递和数据的交换【7 】。读写器通过天线与射频标签( 射频卡) 进行 无线通信，可以实现对射频标签识别码和内存数据的读出或写入操作。 3 1 射频识别过程的工作流程 读写器上电复位后，首先对各功能模块进行初始化，然后发出读卡应答 ( r e q b ) 指令寻找有效范围内的射频卡。射频卡在有效范围外为无电状态，不能 进行任何操作。当进入读写器的载波有效范围内时，射频卡上电复位，进入等 待接收读卡应答指令的状态。收到读卡指令后，射频卡会发出自己独有的i d 码，读写器根据收到的i d 码发出选卡指令，选择该卡进行下一步的通信。 在应用中很有可能会遇到多张射频卡同时在读写器的有效工作范围内的 情况，这些射频卡就会在收到读卡指令后，同时发出自己的i d 码时发生互相冲 突的情况，因此就要求系统能够具有防冲突的机制，才能从多张卡中选择出一 张。当射频卡在收到读写器发来的读卡应答指令后，首先进入防冲突状态。如 果读写器发出的选卡命令中包含了某一张卡的i d 识别码，则表示该卡被选中， 该卡进入正常的工作状态，完成读写器的各种指令。没被读写器选中的卡则进 入等待状态，等待读写器发出选择自己的指令，再进入工作状态，或者收到读 卡指令，重新发出自己的l d 码。 对于处于工作状态的射频卡，读写器可以发出停止工作指令，使其进入停 止工作状态，暂时停止其工作，被禁止工作的射频卡，停止发出信号，不会干 扰下一次的读卡、选卡操作，以便于读写器继续选择下一张卡。对于任何没有 1 2 武汉理- 大学硕十学位论文 处于工作状态的卡，收到读卡指令或应答指令或者不处于暂停状态的卡收到停 止工作指令后均返回到最开始的等待读卡应答指令的状态，重新进入选卡流 程。射频卡的状态转移流程图如图3 - 1 所示【1 9 l 。 图3 1 射频卡的状态转移流程图 3 2 射频识别系统能量耦合和通信形式 令 根据射频识别系统作用距离的远近情况，标签天线与读写器天线之间的耦 合可以分为三类：密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统。而本文中设计的智 能停车场管理系统要求射频标签无源、射频标签与读写器支持多标签读写，同 时要适用于高速移动物体的识别和远距离识别，因此我们选用远距离耦合系统 和反向散射调制的能量传递。 反向散射调制技术是指无源r f i d 射频标签将数据发送回读写器所采用的 1 3 武汉理 人学硕士学位论文 通信方式。射频标签返回数据的方式是控制天线的阻抗，控制射频标签天线阻 抗的方法用很多种，在此系统中我们选择基于一种称为“阻抗外关 的方法。 要发送的数据信号是具有两种电平的信号，通过一个简单的混频器( 逻辑门) 与 中频信号完成调制，调制结果连接到一个阻抗开关，有阻抗开关改变天线的反 射系数，从而对载波信号完成调制。 这种调制方式和普通的数据通信方式有较大的区别，在整个数据通信链路 中，仅存在一个发射机，却完成了双向的数据通信。射频标签根据要发送的数 据来控制天线开关，从而改变匹配程度。例如，要发送的数据为“o ”时，天线开 关打开，标签天线处于失配状态，辐射到标签的电磁能量大部分被反射回读写 器；当要发送的数据为“1 ”时，天线开关关闭，标签天线处于匹配状态，辐射到 标签的电磁能量大部分被吸收，从而反射回的电磁能量相应的减小。这样，从 标签返回的数据就被调制到返回的电磁波幅度上i 删。 射频识别系统中存在三种不同的通信形式：第一种是“无线广播”式，即在 个读写器的阅读范围内存在多个电子标签，读写器发出的数据流同时被多个 电子标签接收。这同多个无线电广播接收机同时接收一个发送信息类似，而信 息是由一个无线电广播发射机发射的。这种通信方式被称作“无线电广播”( 如图 3 2 所示1 。第二种是在读写器的作用范围内有多个电子标签同时传输数据给读 写器( 如图3 3 所示) ，这种通信方式称为多路存取通信。第三种情况是多个读写 器同时给多个电子标签发送数据。现在射频识别系统中这种情况很少遇到，通 常遇到的是“多路存取”通信方式【9 j 。 图3 - 2 无线电广播方式 1 4 武汉理 ：大学硕十学位论文 图3 3 多路存取通信 3 3 射频识别系统数据传输方式 射频识别系统阅读器与应答器( 射频卡) 之间的数据传输需要三个主要的功 能块。按从阅读器到应答器的数据传输方向，分别是阅读器中的信号编码( 信号 处理) 、调制器( 载波电路) 、传输介质( 无线通路) 以及应答器中的解调器( 载波回 路) 和信号译码( 信号处理) 【1 8 1 【1 纠。具体结构原理图见图3 4 所示。 噪声 喇 阅读器应答器 信号源 ，匝恒 。f ；函败l 州 ，匿陋 到信号接收 n d 图3 4 射频识别系统信号传输原理图 信号编码系统的作用是将要传输的信息和它的信号表示尽可能最佳的与传 输信道的性能匹配，以对信息提供某种程度的保护，防止信息受到干扰或相碰 撞，也称信号编码为基带中的编码。 调制是改变高频载波的信号处理，即在发送端使其振幅、频率或相位受基 带信号的控制而变化，而解调则是在接收端通过检测载波提取基带信号来完成 接收，以提高接收数据的可靠性等。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 信号解码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【8 l 【1 8 l1 1 9 l 【2 0 1 。 射频识别系统通常使用的编码方式有：反向不归零编码( n z r ) 、曼彻斯特 ( m a n c h e s t e r ) 编码，单极归零g l j ( u n i p o l a rr 动编码、差动双相( d b p ) 编码、米勒 ( m i l l e r ) 编码、差动编码和脉冲间隙( p p ) 编码，而又以曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码 见多。曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码：在半个比特周期内的负边沿表示二进制“1 ”， 半个比特周期内的正边沿表示二进制“o ”。其在采用副载波的负载调制时经常用 于从射频卡到阅读器的数据传输，因为这有利于发现数据传输的错误。 3 4 射频识别系统数据传输的完整性 数据的完整性用来描述数据传输过程中，一组、一帧或一包数据的内在关 联一致性。使用非接触技术传输数据时，比较容易受到干扰，使传输数据发生 改变，从而导致传输错误。通常采用数据检错与纠错算法来解决这个问题，最 常用的方法有奇偶校验和循环冗余校验等。这些方法用于识别传输错误，并启 动校验措施，或者舍弃错误传输的数据，或者要求重传有错误的数据块。 ( 1 ) 奇偶校验 奇偶校验是把一个奇偶校验位组合到每一个字节中，并被传输，即每字节 发送九位。奇偶校验位值是这样设定：奇校验时，若每字节的数据位中1 的个 数为奇数时，则奇偶校验位之值为0 ，反之，则为1 。偶校验则与奇校验相反。 奇偶校验可以通过奇偶校验发生器对字节内所有数据位x o r 逻辑来实现。 ( 2 ) 循环冗余校验( c r c ) c r c 校验可以用生成多项式去除一个数据字节多项式求得。c r c 值为相除 后得到的余项。如为了计算4 位的c r c ，先把数据向左移4 位，用c r c 的起 始值填入变空的4 位，并将生成多项式按以下方式重复的经x o r 门用数据字节 选通：如数据字节的最高位用x o r 逻辑选通了生成多项式，则中间结果的起始 零被删除，并从右边用数据字节或起始值位填补，以便与生成多项式执行新的 x o r 选通。这个操作反复执行，直到留下4 个余数，即数据字节的c r c 值。 如将该c r c 值附在数据字节后，并执行新的c r c 计算，则所得新c r c 之值为 零。c r c 算法的这种特征可以用来检测串行数据传输的错误。当一数据块被传 输时，在发送器内计