（信号与信息处理专业论文）uhf射频识别系统的防冲突算法研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：南士碉 同期：y 办祜月砑同 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：易士稠 眺冲年妇夕彦日 摘螫 摘要 无线射频识别技术是自动识别技术的其中一个分支，主要利用无线的方式自 动对对象身份进行验证识别，方便快捷，效率高，近几年在我国得到了迅速发展， 在很多领域都得到了广泛应用，像我国已经给居民更换的第二代身份证，2 0 0 8 年北京奥运会的参看比赛门票，以及在2 0 1 0 年上海举行的世博会等，都全面应 用了该技术。去年全球爆发的经济危机给我国的r f i d 产业发展带来了不小的考 验，为此，中国科技部于1 1 月3 同第四届中国无线射频识别技术发展国际研讨 会暨展览会上，继2 0 0 6 年发布白皮书以后，再次发布了蓝皮书，给今后 几年我国r f i d 产业的发展提供了应用性与政策性的指导。 本文首先给出了一个完整的r f i d 系统架构，介绍了各个频段电子标签的种 类及其应用，阅读器的各个组成部分一发射电路、接收电路，探讨了电子标签与 阅读器、阅读器与上位机之间进行的通信方式；其次针对当前比较流行的超高频 频段的r f i d 系统进行研究，分析了基于i s 0 1 8 0 0 0 6 超高频空气接口的三种协 议t y p ea 、t y p eb 、t y p ec 的编解码方式、调制方式、传输速率以及防冲突算 法，并指出了它们的区别。 在前面介绍的三种协议基础之上，本文对u h fr f i d 系统经常容易出现的多 电子标签同时识别的冲突问题进行了算法的研究，包括基于随机概率性的 a l o h a 算法、基于确定型的二进制树搜索算法。文中分别对这两种算法以及它 们的后续改进算法进行了研究，并对它们的性能参数如吞吐率、系统效率、搜索 次数以及时隙数等参数进行了仿真。 最后，对i s 0 1 8 0 0 0 6c 协议使用的时隙a l o h a 算法的不足之处进行了改 进，通过估计现场的标签数目，调整帧时隙数，然后进行了仿真。结果表明与原 有的q 值搜索算法相比，在标签数目相同情况下，提高了吞吐率与信道利用率。 关键词：超高频r f i d ， i s 0 1 8 0 0 0 6c ，a l o 队，二进制树搜索 3 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ni so n eb r a n c ho fa 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 i tm a i n l yu s e st h ew i r e l e s sw a yt ov e r i f ya u t o m a t i c a l l yt h ei d e n t i t yo ft h e d i s t i n c t i v eo b j e c t sw i t hf a s ts p e e d ，h i g he f f i c i e n c ya n ds i m p l eo p e r a t i o n t h e s ey e a r s r f i dt e c h n o l o g yh a v ed e v e l o p e dr a p i d l y , a n da p p l i e di nm a n ya r e a si nc h i n a ，f o r e x a m p l e ，t h es e c o n dg e n e r a t i o n i dc a r dr e p l a c e m e n to ft h er e s i d e n t s ，t h e2 0 0 8 b e i j i n go l y m p i cg a m e sg a m et i c k e t s ，a sw e l la sa tt h e2 0 1 0s h a n g h a iw o r l de x p o ， a l lh a v ea c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o no f t h et e c h n o l o g y t h eg l o b a le c o n o m i cc r i s i sb r o k eo u tl a s ty e a r , a n di th a sb r o u g h tt oc h i n a sr f i d i n d u s t r yd e v e l o p m e n tac r i t i c a lc h a l l e n g e ，f o rw h i c hf o l l o w i n gt h e r e l e a s eo ft h e ”w h i t ep a p e r ”i n2 0 0 6 ，t h ec h i n e s em i n i s t r yo fs c i e n c ei s s u e da ”b l u eb o o k ”o n n o v e m b e r3 ，2 0 0 6o n c ea g a i n ，t h i sp o l i c yw i l lb ea b l et og u i d et h ed e v e l o p m e n to f r f i di n d u s t r yi nt h en e x tf e wy e a r s t h i sd i s s e r t a t i o nb e g i n sw i t hac o m p l e t er f i ds y s t e m ，d e s c r i b e sc o n c r e t e l yt h e t y p e so fe a c hf r e q u e n c yb a n da n da p p l i c a t i o n ，a sw e l la st h er ff r o n t - e n dc o m p o n e n t s o ft h er e a d e r - - t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rc i r c u i tt h e o r y , a n da l s od e s c r i b e s c o m m u n i c a t i o nw a y sb e t w e e nt h et a ga n dt h er e a d e r , a n db e t w e e nt h er e a d e rw i t ht h e h o s tc o m p u t e r s e c o n d l yf o rt h ec u r r e n tp o p u l a ru h fr f i ds y s t e m ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e dt h ei s 0 1 8 0 0 0 - 6u h fa i ri n t e r f a c ep r o t o c o lo ft h r e et y p ea t y p eb ，t y p e c i n c l u d i n gc o d i n g d e c o d i n gm o d e ，m o d u l a t i o nm o d e ，t r a n s m i s s i o n r a t ea n d a n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m ，a n di ta l s op o i n t e do u tt h e i rd i f f e r e n c e s t h i r d l y , o nt h eb a s i so ft h r e et y p e so fs t a n d a r d sd e s c r i b e da b o v e ，t h ep a p e rp a i d a t t e n t i o nt ot h em u l t i - t a gi d e n t i f i c a t i o np r o b l e m so ft h eu h fr f i ds y s t e m n e c o m m o n l yu s e da n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h mi sb a s e do nt d m a ，a n di ti sd i v i d e di n t o r a n d o m - b a s e da l o h aa l g o r i t h ma n db i n a r yt r e es e a r c ha l g o r i t h m t h i sd e s s e r t p o i n t e d o u tt h e s et w ok i n d so fa l g o r i t h m s r e s p e c t i v e l y , a n d t h e i r f o l l o w i n g - u p i m p r o v e da l g o r i t h m s ，w i t ht h e i rp e r f o r m a n c es i m u l a t i o na c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c e p a r e m e n t s ，l i k et h r o u g h p u t ，s y s t e me f f i c i e n c y , t h en u m b e ro fs e a r c h e sa n dt h en u m b e r o f s u c hs l o t s a b s t r a c t f i n a l l y , t h i sp a p e ri m p r o v e dt h es l o t t e da l o h aa l g o r i t h m ，w h i c hi s 0 18 0 0 0 6c p r o t o c o lu s e s t h r o u g he s t i m a t i n gt h el a b e l s n u m b e ro ft h er e a d e r si d e n t i f i c a t i o n f i e l d ，t h e na d j u s tt h en u m b e ro fs l o t si ne v e r yf r a m e ，a tl a s tw ec o m p a r e dt h i s i m p r o v e da l g o r i t h mw i t ht h eo r i g i n a lqa l g o r i t h mu s i n gm a t l a b ，a n dt h er e s u l tp r o v e d t h a tt h ef i r s to n e i m p r o v e d c h a n n e lu t i l i z a t i o na n di n c r e a s e d t h r o u g h p u t k e yw o r d s ：u h fr f i d ，i s 0 1 8 0 0 0 6c ，a l o h a ，b i n a r yt r e es e a r c h i n g 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 自动识别系统1 1 2r f i d 历史背景2 1 3r f i d 技术发展现状4 1 4 论文所作的主要工作6 第2 章r f i d 技术原理8 2 1r f i d 系统组成8 2 1 1 电子标签9 2 1 2 阅读器1 0 2 1 3 天线1 6 2 1 4 后台上位机1 6 2 2r f i d 系统传输特性1 6 2 2 1r f i d 系统的物理特性1 6 2 2 1 数据交换方式1 6 2 2 2r f i d 系统的功率传递1 7 2 3 本章小结1 8 第3 章r f i d 系统标准协议1 9 3 1i s o i e c 技术标准体系2 0 3 2 超高频r f i di s 0 1 8 0 0 0 - 6 协议2 1 l v 3 2 1t y p ea 协议2 3 3 2 2t y p eb 协议2 4 3 2 3t y p ec 协议2 5 3 4 本章小结2 6 第4 章i s 0 1 8 0 0 0 - 6 防碰撞算法研究与仿真2 7 4 1 阅读器防碰撞算法2 7 4 2 标签防碰撞算法2 8 4 2 1a t o h a 算法2 9 4 2 2 二进制树算法3 3 4 2 3i s 0 1 8 0 0 0 6c 协议的随机时隙防碰撞算法3 9 4 3 本章小结4 2 第5 章t y p ec 协议时隙随机防碰撞算法的改进4 3 5 1 理论依据4 3 5 2 算法的改进4 6 5 2 1 估算标签数i ；i 4 6 5 2 2 帧k 度以及分组数的动态调整4 8 5 2 3 改进算法的具体实现4 9 5 2 4 仿真结果比较5 0 5 3 本章小结5 1 第6 章结论与展望5 3 参考文献5 4 致谢5 6 个人简介5 7 、 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 自动识别系统 自动识别技术是自动对所关注的人或物进行信息采集或数据收集的一种技 术，应用领域广阔，特别是在近几十年罩，发展速度迅速，给人们的同常生活 以及工业生产带来了极大便利，已经引起越来越多企业和政府部门的关注，成 为发展的新热点。 自动识别技术是一种自动化程度比较高的信息数据采集技术，包含了自动 识别、数据采集以及移动计算等三方面的应用技术，可对条形码、声音、字符、 影像等装有数据的载体进行自动的识别与辨认，识别过程无需人工干预，操作 过程简单，识别速度快，并可提供后台的计算机处理系统来对获取的数据和信 息进行后续处理，处理能力强大。 自动识别技术包括磁性墨迹识别( m i c r ) 、射频识别( r f i d ) 、语音识别、 磁条识别、生物识别以及条形码识别等。磁性墨迹识别能够用于阅读采用磁性 墨水打印的字符；射频识别主要通过无线的非接触通信方式来获取信息与数掘， 从而识别标识物及目标对象；语音识别主要是让机器通过识别和理解，从而 把语音信号转变为相应的文本或命令的高新技术，涉及的领域包括信号处 理，模式识别、概率统计和信息论与编码技术、发声机理和听觉机理、人 工智能等；磁条技术常用在防伪方面，将磁条贴在信用卡或借记卡上，在 识别过程当中需要将其按照正确的方向放置，而且保证卡与阅读器之间的 物理接触；生物识别技术是指通过人类生物特征进行身份识别的一种技术， 这里的生物特征通常具有唯一的、可以测量或可自动识别、遗传性或终身 不变等特点。该技术的核心在于如何获取这些生物特征，并将这些特征转 换成数字信号，存储于计算机中，利用匹配算法来完成验证与识别个人身 份的过程；条形码识别主要是通过扫描器获取光的反射信号，并转换成相 应的电信号输出到条形码扫描器的放大整形电路来实现的。白条、黑条的 宽度不同，相应的电信号的持续时问也不相同，以此来区分不同的条形码。 综上，在表1 1 中对这几种自动识别技术进行了比较。 表1 1 几种自动识别技术的比较 第1 章绪论 系统参数条形码字符识别生物识别 l ( 卡f f i d 典型数据量 1 ，1 0 i 1 0 0 b1 6 - 5 4 髓1 6 , - , - 。0 4 l 数据密度低低高很高 很高 数据载体纸、翟料或金物体表面生物本身 e e p p o me e p r 0 l - l 属表面 读取方式 c c d 或激光扫光电转换机器识读电擦写无线方式 描 人工读取 受限简单不可不可不町 遮盖的影响 完全失散完全失效依赖于具体不影响 实现技术 方向和位置 很小很小单向不影响 的影响 退化和磨损有限 有限有( 接触)不影响 购买成本 很低中很高低中 运行成本低 低无中( 接触式)无 ! 全性能 无无好好好 阅读- 读取速馒- 约4 s慢，约3 s较慢较慢快，约o 5 s 度 阅读器与我d 堋a l b小于上1 o n 5 0 直接接触0 ，屿_ j 微波 体之问最大频段更短 距离 多对象同时 不能不铯不铑不能能 识别 1 2r f i d 历史背景 r f i d 技术，作为自动识别技术的一个分支，与其他几种技术相比，识别过 程不需要人的参与，对数据的识别速度快，识别距离较远，对环境要求不高， 而且运行时不需要成本，最重要的是可以满足对多个目标的同步识别，还可以 进行加密，安全性能好，诸多优势，使得它从一出现，就以不可挡的优势在各 行各业应用开来。 r f i d 技术最早出现在二战期间英军使用的自家歼机识别系统【2 1 ，但由于当 2 第1 帝绪论 时成本及技术原因，并没有在其他行业得到广泛应用。 1 9 4 8 年，出现了一篇具有划时代意义的论文c o m m u n i c a t j o nb ym e a n so f r e f l e c t e dp o w e r ，给后来的r f i d 技术研究提供了方向性指导。 2 0 世纪6 0 年代，r f i d 的应用丌始出现，首次出现了商用r f i d 系统一电子 商务监视设备，该系统被认为是r f i d 技术最早且在商用系统中应用最为广泛的 技术。 2 0 实际7 0 年代，r f i d 技术丌始成为大家关注的热点，越来越多的机构和 部门开始投身于r f i d 的开发研究，并将其成功运用于汽车自动的电子收费系统、 动物跟踪以及工厂自动化等。 到8 0 年代，世界许多国家像美、法、意、同等都在不同领域、不同程度的 使用r f i d 系统。 到9 0 年代，开始了r f i d 技术的繁荣发展时代，如美国的高速公路不停车 收费系统，欧洲的德州仪器( t i ) 的汽车发动机的启动控制系统，同本的汽车防 盗系统等。 说起r f i d 的应用，就不能不提到w a i - m a r t 。在2 0 0 3 年以前，虽然世界上 很多国家都有对r f i d 技术的研究与应用，但总体上发展速度并不是很猛，尤其 是在我国，了解r f i d 的人并不是很多，甚至很多人都没有听说过。直到2 0 0 3 年，作为全球最大的连锁超市零售商，w a r - m a r t 公司率先在全球范围内要求它 得所有供货商在物品上都贴上电子标签，以满足方便管理、搬运、跟踪，自此 全面掀起了r f i d 技术的热潮。 上面是r f i d 在货物零售方面的典型应用，目前r f i d 在其他领域的应用， 主要表现在【5 】： 1 、企业资产管理 该管理主要包括新增资产、闲置、报废、维修和盘点等内容，从设备生产出 来一直到报废，都可以采用射频技术对其进行管理，如在标签内写入设备的有 关信息，然后粘贴在设备上，每次进行设备资产统计时，只需要用阅读器将标 签存储内容读出来，即可实现对资产追踪管理。 2 、医学方面 有人研制了对血液进行综合性监控，便于对储存温度，型号匹配进行管理。 也有国家已决定在药物上配备有电子标签，可以对药品防盗以及保证方面进行 控制：还有人在对胚胎移植方面使用了该技术。 3 第1 市绪论 3 、交通运输方面 利用r f i d 能够快速读取的特点，将该技术应用在了高速移动车辆管理方面， 既能够进行有效的定位和追踪，又可以实现不停车收费，车流量控制等相关应 用。 4 、生产管理 为了实现中国产业的以信息化带动工业化，工业化带动农业化的发展方针， 将r f i d 结合其它信息技术应用在工业生产上，可以大幅度提高企业的生产效率， 节约人力物力。 5 、图书馆减 将超高频频段r f i d 应用于基于书目查询管理的图书系统，可以实现对2 m 以内的书的自动追踪和读取，从而对图书的位置、流通及分布进行自动记录， 实现和简化了查询、翻阅、借还书服务以及对图书的清点工作，节约了大量的 人力、物力成本以及借阅时间，并能实现电子防盗，减少图书磨损，从而实现 了馆藏的精确化、轻松化管理。 6 、公共安全 目前经常强调要构建和谐社会，像人文和谐，文化和谐，环境和谐，自然 和谐等，而要实现这些，就迫切需要我们加强医药卫生、食品安全、危险品管 理、防卫安全、矿业安全。动物识别、门禁管理等，而r f i d 技术在这方面显示 出了其得天独厚的优势。 目前，我们正走在r f i d 的成长期，经过2 0 0 6 年到2 0 0 8 年的培育期，已经 初步形成了r f i d 的产业链以及良好的应用前景，在快速成长时期，要继续扩展 该项技术的应用领域，形成规模化的生产，促进r f i d 产业健康发展。 2 0 0 9 年1 1 月3 号，国家科技部在上海举行的2 0 0 9 第四届中国无线射频识 别( 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 ) 技术发展国际研讨会暨展览会上【引， 继2 0 0 6 年发布中国射频识别( r f i d ) 技术政策白皮书以后，在此次会上中 国射频识别( r f i d ) 技术发展与应用报告蓝皮书也正式公布，这是国家在技 术政策上的又一次大力推进。 1 3r f i d 技术发展现状 相比其他几种自动识别技术，从第1 节表1 - 1 中我们也可以看到，r f i d 具 4 第1 市绪论 有以下优势i z j ： 1 无需直接接触，因此实现识别工作无需人工干预，使得智能化再此得到 实现； 2 数据存储量大，可以按照不同的产品及需要，存储其身份l d 、目标状况 以及其他一些相关特性信息； 3 处理信息速度快捷，甚至可以达到微秒级别； 4 可靠性强，操作也方便； 5 保密性强，使用了可靠的加解密算法，可防止其他设备对其信息的恶意 攻击； 6 识别范围广，最近几厘米，最远可达几十米； 7 能够同时识别多个目标物，使用防冲突算法，可解决此类问题； 8 具有很强的抗干扰能力，对周围环境具有很强的适应能力。 r f i d 技术涉及到信息、制造、材料等很多高新技术领域，并且涵盖了现代 通信、芯片设计、天线设计、系统集成、信息安全等技术。许多国家及跨国公 司都在进行该项技术的研发，在已经过去的1 0 年中，有关r f i d 的专利就上千 个，主要集中在美国、欧洲、f 1 本等发达国家。 我国也早已开始着手对r f i d 进行了研究，像近年来政府推出“u 化环境 ( u b i q u t i o u s ，无处不在) 的建立，其核心技术就是r f i d 与无线科技的组成与 应用，国内也有许多企业，从事于该项技术的研究与应用，像深圳远望谷，先 施科技等，也都推出了自己的主打产品。不过，我国的基础相对薄弱，缺乏关 键核心技术，特别是u h f 频段，与发达国家还有很大的差距，还需要政府的大 力支持。 回顾2 0 0 9 年，全球经济危机爆发蔓延，许多公司、企业承受不了经济压力， 纷纷倒闭，在这种环境下，国内r f i d 市场有喜有忧，担忧与希望并存，主要表 现在以下四个方面【4 】： 一、产品逐渐多样化 r f i d 已成功应用于生产、管理、安全、交通等各个领域。全球市场的开放 也为r f i d 带来了巨大的发展契机，市场正在从过渡期向成长期转变，研究机构 a b i 一份调查数据显示，2 0 0 9 年r f i d 应答器、阅读器、软件和服务的产值收入 预计可突破5 6 亿美元。另外，高科技行业机构驰昂咨询也表示，2 0 0 9 年中国 r f i d 市场规模也将达到11 0 亿元，比2 0 0 8 年增长3 6 8 增长速度较之去年有 5 第1 章绪论 所放缓【3 引。专家预测，根据2 0 0 9 年r f i d 产业情况上来看，2 0 1 0 年我国r f i d 产业将继续保持快速增长的态势，增长幅度将超过5 0 。2 0 1 0 年我国r f i d 总产 值预计将达到1 6 0 亿。 随着时代发展，单一产品已经不能满足和适应市场的发展，迫切需求与其他 高科技融合，有单一识别向多功能识别发展，这样，对系统的整合可进一步降 低成本。 二、一卡通的广泛推广 一卡通技术在各大高效、医疗、交通等行业均得到了广泛的应用；另外我国 公民刚刚替换的第二代身份证也是成功使用该项技术的典范。 三、新应用领域不断扩展 r f i d 技术已经渗透到不多领域，在智能交通、物产追踪、动物识别等领域 的新应用已经极大改变了人们生活质量以及企业效益。 四、安全问题得以缓解 随着应用的展开，信息安全问题会显得越来越突出和重要，解决不好就会 成为制约r f i d 产业发展的瓶颈。 1 4 论文所作的主要工作 r f i d 技术目前已经渗入到了全球各行各业的领域中，并且必将继续而且将 要在更多的领域得以应用，全球对其关注的程度达到了白热化的程度，同样， 对其技术的研究对推动我国拥有自主知识产权具有重大的现实和历史意义。 本文依据国家科技部新推出的射频识别技术蓝皮书，结合国内外的发展情况， 研究了超高频频段技术标准协议，详细介绍了r f i d 的工作原理以及各个组成部 分，并分别就三种标准中的多电子标签识别时所采用的防碰撞算法进行了研究。 论文结构安排如下： 第1 章内容简单介绍了r f i d 技术的历史背景、国内外的发展情况，以及涉 及到的应用领域，最后给出了本文的论文组织结构。 第2 章分析了r f i d 系统的工作原理，通信流程，并详细介绍了r f i d 系统的 硬件组成部分，就系统的射频收发电路进行了分析，并就功率传输特性进行了 阐述。 第3 章基于r f i d 系统的技术标准，给出了目前超高频r f i d 系统使用的三种 6 第1 帝绪论 协议i s 0 1 8 0 0 0 - 6a 、b 、c ，并分别介绍了它们的编解码方式、调制解调方式， 对这三种协议进行了对比。 第4 章对i s 0 18 0 0 0 - 6a 、b 、c 三种协议使用的防碰撞算法：a t o h a 算法以及 二进制树算法以及它们的改进算法进行了研究，并使用m a t t a b 工具对其在性能上 进行了仿真比较。 第5 章针对t y p ec 协议使用的q 值调整帧时隙算法的不灵活性，对其进行 了算法改进，通过对其进行仿真，相比原来使用的q 算法，性能上得到了提高。 第6 章是文章的结尾部分，对本文进行了总结，并提出了下一步工作任务。 7 第2 章r f i d 技术原理 第2 章r f id 技术原理 2 1r f i d 系统组成 无线射频识别( w i r e l e s sr 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 ) 技术其实 是一种先进的a d 转换技术，它通过天线进行电磁波的发送与接收，从而完成阅 读器与识别物之间数据的传递，对目标进行识别、归类、定位以及跟踪等等。 一般来说，r f i d 系统的硬件组成【6 】包括射频应答器( 电子标签，t a g ) 、射频阅 读器( 读卡器，r e a d e r ) 、天线( 有时候内置) ，也可以结合其他相关组件，如 主机服务器( 上位机) ，无线通信网络设施等，图2 1 是该射频识别系统的示意 框图： 上位机 图2 1 射频识别系统不意图 通信过程具体描述：首先，对上行链路，即从阅读器到标签的通信链路， 阅读器通过串口( 或者网口、蓝牙以及红外) 等接口方式接收上位机发送过来 的命令，然后将该命令按照协议规定的编码方式进行编码，作为基带信号，调 制到射频载波上，然后通过收发天线( 外置) 电路，将已调载波信号发射出去。 进入到阅读器射频场作用区域的电子标签，通过自身的天线对该命令信号进行 接收，进行解调与解码，最后执行该命令，把携带的数据信息发送给阅读器： 对下行链路，即从标签到阅读器的通信链路，标签通过执行阅读器发来的命令 将自身存储的信息发送回给阅读器，接收到该信息的阅读器首先进行解调、解 码，然后把该数据信息上传给上位机，让上位机对该数据信息进行处理，从而 完成了一次通信过程。 8 第2 帝r f i d 技术j 康理 2 1 1 电子标签 电子标签，即通常所说的射频应答器，通常有一个极小的射频芯片以及天 线组成，射频芯片内部存储有数据信息( 唯一的识别代码) ，而天线则用于与 远端的阅读器进行通信。电子标签通常附着在物体表面，或者嵌入到物品内部， 主要用于存储标识物的识别码、状态、属性等信息，其中，识别码必须存在且 唯一，当标签进入到阅读器的射频场作用区域时，标签通过内部射频收发天线， 接收阅读器发送过来的命令信息，然后通过内部电路进行命令解调，最后执行 该命令，将存储器存储的信息发送给阅读器进行识别，图2 1 是一个简单的电 子标签示意图。 幽2 2 电子标签示意图 按照供电方式的不同可以将电子标签分为有源标签和无源标签【1 】，有源标 签内部含有电池，对整个标签工作供给能量，通信范围比较远，最高可达百米， 但是价格比较贵，体积大且寿命不长有限，信息交换比较复杂，对环境要求比 较苛刻；最常用的是无源标签，他们不需要电池对其进行供电，所需要的能量 主要是来自于阅读器，通过电磁耦合过来的。与有源标签相比，寿命长，受环 境影响小，成本也相对便宜很多，表2 1 是两者的对比情况。 表2 1 有源标签与无源标签的比较 对t 匕项有源标签无源标签 频率高低 距离长短 j 茂本 高低 俸积大- j - 主要用途滁物流、认证 9 第2 章r f i d 技术原理 如果按照使用能量的方式，我们还可以将标签分为被动式、半被动式和主 动式电子标签。无源系统称为被动式，在如今最常用到；有源系统称为主动式 或半被动式，所谓半被动式标签，指的是依靠标签自带的电池完成一些简单的 功能，如芯片运行情况，而像商店被唤醒，数据的发送与接收等操作依然要靠 阅读器供能来实现。表2 2 是主动式标签与被动式标签的对比情况。 表2 2 主动式标签与被动式标签的对比 规格主动式标签被动式标签 能量寐痞隳由| ； 电供e 甑司持续供电由阅读器供芦邕 - r 作距日驽司至i10 0 m可达3 , - , 5 m 一般 2 0 - - 4 0 c m 存储容量1 6 k b 以上通常叫吁1 2 8 b 信号强度要求低鬲 价格高低 工作寿命 7 年更长 标签的一个重要参数就是内部存储器容量，合理规划和使用该存储器能够 使标签的性能有很大提高。对存储器的大小依赖于成本和物理方面的要求，例 如，在e a s ( e l e c t r o n i ca r t i c es u r v e i t t a n c e ) 情况下，标签只需要1 b i t 的存 储空问【7 1 ，相比其他较多存储空间的标签来说，成本较低，这些标签不需要拥 有唯一的l d 号，当进入到阅读器的识别区域，只需要这1 位来表示它的存在 即可。除了这类标签，其他种类的存储空间从1 6 b i t s 到几百k b i t s 不等。根据 最新的e p c8 o b a 标准，新一代的被动式标签的存储量将达到2 k b i t s 以上。 有一种标签内部没有i c 集成电路，它在各种反射材料的表面采用独特的编 码方式，这些编码方式就作为数据反射给用户设计好的阅读器，这种标签在金 属和液体周围也能很好的使用，所以应用也很多，另外一种标签是传感器标签， 这种标签用于监视、测量以及记录各种环境情况，这种标签内部封装都有一个 传感器。 2 1 2 阅读器 亦称为读写器，主要用于捕获和处理标签的数据信息，有的阅读器，还可 以向标签中写入数据。图2 3 是目前深圳远望谷研制的两种超高频频段的阅读 器，左边型号是2 0 0 9 年新推出的x c r f - 5 13 固定式一体化阅读器，读写距离最 高可达9 m ，右侧是x c r f 8 1 1 阅读器，天线采用内置的方式。阅读器的另一个 1 0 第2 章r f i d 技术原理 功能就是需要与上位机服务器进行通信。 幽2 3 深圳远望谷生产的两种不同型号阅读器 下面详细介绍阅读器的工作特性： 1 、给标签供能：在标签是被动式或者半被动式的情况下，需要阅读器提 供能量来激活射频场周围的电子标签。阅读器射频场所能达到的范围主要由天 线的大小以及阅读器的输出功率决定的。天线的大小主要是根据应用要求来考 虑的，而输出功率在不同国家和地区，都有不同的规定。 2 、r f i d 系统工作频率：r f i d 系统一个重要的影响因素是阅读器和标签之 间的通信频率。该频率在不同国家、不同标准以及不同应用系统上所使用的不 同。最常用和比较普遍的有低频段( l f ，典型频率是1 2 5 k h z 或13 3 k h z ) 、中 高频段( h f ，典型频率是1 3 5 6 m h z ) 、超高频段( u h f ，典型频率是4 3 3 m h z ， 9 1 5 m h z ) 以及微波( m i c r o w a v ef r e q u e n c y , 典型频率是2 4 5 g h z 和5 8 g h z ) 【2 们。工作频率确定了阅读器与标签之间的数据传输速度，也就是说，工作频率 越低，传输速度越慢。不过，速度并不是设计r f i d 系统工作频率时需要考虑 的唯一影响因素，环境条件的影响也需要同时考虑，比如周围其他频段对该工 作频率是否存在干扰。通常，频率越高，意味着所需要的天线规格越小，标签 尺寸越小，射频场区域越广，自然，限制条件也就越多，成本就比较高。表2 3 给出了这几种频带之间的特性。 第2 市r f i d 技术原理 表2 3r f i d 的i ：作频率 频率频带特征典型频率读写距离应用领域 低频段( l f )1 从8 c 年代开始广泛 i2 5 k 卜： l o o m 动物跟踪 3 0 3 0 c k h z使用： i ，3 k 屹 汽车工业 2 较多工作在金属和门禁安全管理 流体方面； 自动停车场收 3 数据传输速率最费及管理系统 低： 4 耦台方式采用电磁 稿合： 5 不具有多标签识别 功能 中高频频段1 从9 0 年代开始广泛 1 3 5 6 m h zl m 电子车票 ( h f )应用：固定资产管理 3 叼o m h z 2 采用世界统一标准系统 3 i ；i s f e 频频段识别距三表预付费系 离远c3 英寸) ：统 4 成本i ：l s f e 频段高：电子身份证 s 在金属周围性能较 差： 6 具有多标签识别的 防碰撞能力； 7 采用近场电感羯 合 超高频频段1 从9 c 年代后期开始 4 3 3 m h z j二一7 mj 最高 集装箱运输管 ( u h f ) 应用： 8 6 2 ( 9 0 2 - 可到1 0m 左理 4 3 3 m 1 - 旺相2 比高频识别距离远 9 2 8 m h z 右 制造自动化管 8 6 伊峥m 亿( 1 0 英寸x 理 3 标签成本可铯最 -仓储物谚留管理 低： 移动车辆识别 4 具有多标签识别能 力： s 采用电磁耦合方 式 微波 2 4 5 g h z ： 同u h f 车辆大范围的访 1 数据传输黻较快 阎控制 ( 1 1 0 g 心)s 8 g h z 2 具有较远的读取距舰i 匪识别 离 3 、与标签通信。最常见的就是对标签进行读数，这项功能需要有一个可靠 的软件算法确保安全性、可靠性等。除了进行读数以外，有时还需要对标签进 行写入，这样就可以对标签批量生产，由用户按照自己需要对标签进行写入。 1 2 第2 帝r f i d 技术原理 4 、与主机通信。尽管有许多通信连接方式，但比较常用的还是基于t c p i p 连接( 包括以太网有线或者无线连接) 、串口连接( r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 ) ，无线连 接比较典型的是应用在手持阅读器与主机之间的通信。 本文我们主要研究u h f 频段阅读器，按照结构可以分为基带控制模块和射 频模块【z j ，射频模块又分为发射部分和接收部分。 阅读器的发射电路部分主要由混频器( m i x e r ) 、数模转换器( d a c ) 、衰减 器( a t t e n u a t o r ) 、可变增益放大器( v g a ) 、功率分配器( p o w e rs p t i t t e r ) 、射 频滤波器( f i t t e r ) 、以及射频功率放大器( p a ) ，其原理如图2 - 4 所示。 或直接 图2 4u h f 阅读器的发射结构原理图 发射部分的工作过程是： l 、阅读器控制p l l 压控振荡器，产生出频率为8 6 0 9 6 0 m h z 的载波信号， 然后把这个信号传送给功分器： 2 、功率分配器把要发射的信号分成两部分，一部分发送到接收电路，作为 接收信号进行混频时的信号源，另外一路则先经过衰减器在送到m i x e r ； 3 、通过混频，使阅读器的基带信号控制传送过来的载波信号的幅度相位变 化，然后经过v g a 和射频滤波器以后，传至功率放大器； 4 、阅读器根据实际情况，自动调节发射信号的增益，然后经过射频功率放 大器进行放大，最后在经过环行器传送到阅读器天线进行发射。 这里环行器的作用就是将阅读器天线接收到的信号与发送的信号隔离开 来，避免出现同频干扰汹1 。 阅读器的接收部分主要包括功率分配器、混频器、模数转换器( a d c ) 以及 射频滤波器，如图2 5 所示。 1 3 第2 章r f i d 技术原理 图2 5u h f 阅读器接收结构原理图 接收部分的工作流程是： 1 、由标签通过反向散射传递过来的信号通常功率比较小，它会首先进入环 行器，以便与阅读器发射的载波信号分离，避免出现同频干扰。在通过射频滤 波器后，进入到功率分配器，从这罩出来的信号又分成了两路： 2 、从发射线路过来的未调制载波作为接收线路的本振信号，产生两路参考 信号，两路参考信号的相位相差9 0 。 3 、两路参考信号与从第一步功分器分离出来的两路信号进行混频，生成i 、 q 两路基带信号，然后分别经过各自的运算放大器和低通滤波器以后，返回到阅 读器的信号处理单元进行相关处理。 在阅读器工作过程中经常出现的一个问题就是载波泄漏，它会造成对接收 到的信号干扰，而我们可以采用以下方法解决： 1 、使用一个l d b 截至点比较高的无源混频器对信号进行混频。因为天线接 收到的标签信号强度远小于阅读器发射信号时泄漏的载波信号强度，采用l d b 截止点较高的无源混频器，可以减小后面的谐波失真程度； 2 、设计一个移相反馈回路对泄漏的载波信号进行抵消或者是减弱。其原理 是基于载波对消知识，将接收电路端增加一个r f 移相反馈回