（机械电子工程专业论文）基于rfid的物流信息系统关键技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 物流信息具有信息量大且内容繁杂的特点，目前已有的物流信息方法具有 多种缺陷。为了适应现代物流的需求，本论文提出了基于射频识别f r f i d ) 技术 的物流信息管理系统，将物品的基本标识信息存储在应答器中，并实现在对r f i d 系统应答器的信息管理系统。 首先，在物流信息技术及r f i d 技术研究现状的基础上，提出了基于r f i d 技术的物流信息系统，设计了系统的总体框架。从功能、组成、应用领域等方 面进行了研究，并分析了系统的负载问题和安全性需求，提出了针对性的解决 策略。 其次，提出了射频识别应用系统的信号处理及编码技术。射频识别读写设备 和射频卡之间是通过电感耦合的方式实现通信的，系统读写效果，如距离、出 错率、稳定性等都和这一无线信道的特征密切相关。 再次，介绍了射频识别应用系统的安全原理，提出了系统总体的加密解密原 理图。对于防范攻击，r f i d 系统一般采用r f i dt a g 的互相对称的鉴定接入和 数据加密的方法实现，而对于数据加密出路部分，还可以和纠错编码处理结合， 以提高系统的可靠性和安全性。 然后，针对r f l d 领域反碰撞问题进行了研究，设计了一个基于p 砧o h a 协 议的反碰撞方案。并对此方案进行了排队建模，得出了应答器发送信息过程的 泊松参数、阅读器的缓冲区容量、阅读器作用范围内的应答器数量、系统重发 概率等变量之间的数学关系，讨论了以上结论在r f l d 系统设计中的应用。另外， 还采用m a t l a b 语言对上述排队模型进行了分析，验证了模型的正确性。 在综合前述研究之后，对系统进行了整体设计和实现。 最后，总结了本文的主要工作，对整个课题从硬件、软件及反碰撞技术的 研究等方面对下一步的工作进行了展望和规划。 关键词：r f i d ，物流信息，反碰撞，编码技术 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o 舀s t i ci b r m a t i o nh a st h ef e a t u i eo fl a r g eq u a n t i t ya n dm i s c e l l a n e o u sc o m e n t n o w a d a y st h el o g i s t i ci n f o 皿a t i o nh a se x i s t e dm a n yk i n d so fd e f e c t s i no r d e rt o a d a p tt h er e q u i r e m e n to fm o d e r nl o g i s t i c s ，t h i st h e s i sb r i n g su pam a n a g e m e n ts y s t e m o f1 0 9 i s t i ci n f b n a t i o nb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fr f i d i ti sas y s t e mw h i c h d e p o s i t sb a s i c a l l yi n f b r m a t i o i n t ot h er e p l y i n gd e v i c ea n dd e v e l o pam a n a g e m e n t s y s t e mf o rr f i dr e s p o n d e r s a tf i r s t ，o nt h eb a s i so f 出ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t eo f l o g i s t i ci n f o 册a t i o na i l dt h e r f i dt e c h n o l o g y nd e s i g n st h ew h 0 1 ef r 帅e i td o e sr e s e a r c hf r o ms e v e m la s p e c t s s u c ha sf u n c t i o n ，c o m p o n e n tp a r t s ，a p p l i e dd o m a i n ，a tt h es a m et i m e i ta n a l y s e st h e p m b l e m so fl o a d i n ga i l dt h er e q u i r e m e n to fs e c u r i t y 柚db r i n g su pc o n e s p o n d i n g s o l u t i o n s t h es e c o n d ，t h i st h e s i sb r i n g su ps i g i l a lp r o c e s s i i l ga n dt h ec o d et e c l i l l i q u e so f t h er f i da p p l i e ds y s t e m b e t w e e nt h ee q u i p m c n to fr f i da n dt h er fc a r di t c o c s p o n d sb yt h ew a yo fi n d u c t i v ec o u p l i n g ，t h er e a d i n ga dw r i t i n ge f f c do ft h e s y s t e ms u c ha sd i s t a n c e ，m er a t eo fm a k i n ge o ra n ds t a b i l i t ya r e 粥s o c i a t e dw i t ht h e f e a t u r eo f t h i sw i r c l e s si n f o m a t j o np a s s a g e t h et h i r d ，i tp u t sf o r w a r dt h es e c u r et h e o r yo ft h er f l da p p l i e ds y s t e m i no r d e r t od e f e n dt h ea t t a c k ，t h er f i ds y s t e mu s u a n yu s e st h ew a yt h a ti n p u t ss y m m e t r yw i t h e a c ho t h c fo ft h er f i ct a ga n dd a t ae n c r y p t i o n ，a n dt h em i s t a k ct h a tm a 虹n gd u r i n g t h ep r o c e s so fd a t ae n c r y p t i o n ，i ta l s oa s s o c i a t e dw 讹t h ec o d et oe n h a n c et h e r e l i a b i l i t ya 1 1 ds e c u r i t y t h ef b u r t h ，i td e s j g n saa g a i n s ti n l p a c tp l a nb a s e do np a 1 0 h at r e a t i s e sf o rt h e r e s e a r c ho fa g a i n s ti m p a c t ，i ta l s om a k e sas e r i e sm o d e la n do b t a i n sam a t h e m a t i c a l e q u a t i o na m o n gt h ep r o b a b i l i t y o fr e p e a t i n g ，t h en u m b e ro f t a g s ， t h ep o i s s o n p a r a m e t e ro ft h es e n d i n gp r o c e s so fo n et a g ，a n dt h es i z eo fm er e a d e r sb u f e b l t h e p r o c e s sm o r e o v e r ， i tu s e sm a t l a bl a n g u a g et oa n a l y z et h em o d e l ，v e r i f i e dt h e a c c u r a c y t h ef i f t h ，i ti n t e 日a t e st h ef o m e rr e s e a r c ho ft h ew h o l ep r o c e s s ，d e s i g n i n ga n d p e d o r r n i i l gt h es y s t e mc o m p r e h e n s i v e l y a tl a s t ，i ts u m m a i i z e st h ep r i m a r yw o r ko ft h ew h o l et h e s i s a n di ta l s oc r e a t e s o u t l o o ka dd e s i g n sf o ft h en e x tw o r km r o u g ht h er e s e a r c ho fh a r d w a r e ，s o f t w a r e a n da g a i n s ti m p a c tt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：r f i d ，l o 西s t i ci n f o n a t i o n ，a g a i n s ti m p a c t ，c o d et e c h n i q u e s 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究意义 第1 章绪论 射频识别( r f i d ，即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 ) 产品是集计算机技 术、信息采集处理技术、无线数据传输技术、网络数据通信技术、机械电子自 动控制技术等多学科综合应用为一体的自动化控制产品，可实现对各类物体、 设备、车辆及人员在远距离不同状态( 移动、静止) 下的自动识别。 r f i d 技术的工作方式是利用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。和接触式识别技术不同，r f i d 系统的应答器和阅读器之间不用 接触就可完成识别，因此它可在更广泛的场合中得到应用。随着大规模集成电 路技术的成熟，r f i d 系统的体积大大缩小，现在已经进入了实用化的阶段。 r f i d 技术在下列应用中有较好的发展前景：商品防伪、证件防伪、生产流水 线管理、仓储管理、贵重物品防盗、图书管理、租赁产品管理、航空包裹管理、 门禁系统、畜牧管理、票证等：在其它对识别准确性要求特别高的领域，r f i d 技 术也很适用，例如：血液管理、婴儿防错、马拉松比赛、汽车比赛、药品和医疗 器械、气体产品管理、工业洗衣店管理、容器跟踪( 如啤酒桶、液化气瓶) 和垃 圾管理等等。这些领域仅仅是r f i d 技术应用的一部分，虽然具体的方案还有待 更详细的研究，但是这些应用的可能性和可行性是不容置疑的，r f i d 将是未来 一个新的经济增长点。 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。 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 武汉理工夫学硕士学位论文 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。 图1 1 自动识别技术 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。 当今信息社会离不开计算机，正是自动识别技术的崛起，提供了快速、准 确地进行数据采集输入的有效手段，解决了由于计算机数据输入速度慢、错误 率高等造成的“瓶颈”难题，因而自动识别技术作为种革命性的高新技术， 正迅速为人们所接受 1 2 2 智能卡技术 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i c 卡) 技术是目前应 用范围最广的一种自动识别技术。i 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。 i 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i c 卡使用时要将其插入读卡机中，通过表面上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i c 卡是一种数据存储器系统， 2 武汉理工大学硕士学位论文 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 卡己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。 r f i d 系统属于一种非接触式的i c 卡，它与接触式i 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。 r f i d 是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别，对于r f i d 系统 来说，阅读器与应答器之间的数据传输需要有三个主要的功能块，按从阅读器 到应答器的数据传输方向，它们是阅读器中的信号编码和调制器，传输介质， 以及应答器中的解调器和信号译码。 1 2 3r f i d 技术的电磁学原理 每个运动的电荷或者电流，都在其周围伴随有磁场。磁场强度可以通过作 用到磁针( 指南针) 或作用到带电导体上的力的试验得到证实。磁场大小用磁场 强度h 表示，与所在空间的物质属性没有关系。一般情况下有：“沿闭合曲线的 磁场强度的线积分等于曲线包含的所有电流的电流强度之和”，即 了，。r 玎日s 为了在电感耦合的r f i d 系统的读写设备中产生交变磁场，人们采用了所 谓的“短圆柱型线圈”或用导体回路来做磁性天线。如果被测点沿线圈轴方向 离开线圈中心很远，那么场强h 随着距离x 的增加不断的减弱。相关资料表明， 从线圈的半径( 或面积) 到定距离的场强几乎是不变的，而后则急剧下降。在 自由空间，线圈的近场中场强的衰减大约为6 0 d b 每1 0 倍距离，在形成电磁波 的远场中变得比较平缓，为2 0 d b 每1 0 倍距离。 计算场强的公式如下： h 。 竺竺三 ( 1 1 ) 2 “r 2 + 盖2 ) 3 武汉理工大学硕士学位论文 事实证明：在与天线线圈距离很小时( ( x r ) 有较强的场强。设计阅读器时，为了确切估 计系统的最大阅读范围，需要了解所使用的应答器正常工作下需要的最小场强。 如果天线半径r 过大，则根据公式( ( 1 1 ) 计算，天线产生的场强有可能过小， 不能供给应答器工作所需要的能量，从而使系统无法正常工作。 绝大多数的r f i d 系统都使用无源应答器，即应答器自身不携带电源，由阅 读器产生的电磁耦合供给能量。应答器通常是由单个微型芯片以及用作天线的 大面积的线圈等组成。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，这种磁场穿 过线圈横截面和线圈周围的空间。因为系统工作时，采用的电磁波的波长比阅 读器天线和应答器之间的距离大好多倍，可以把应答器到天线的距离间的电磁 场当作简单的交变磁场来对待。阅读器的天线产生的磁场的一小部分磁力线穿 过距阅读器天线线圈一定距离的应答器天线线圈。通过感应，在应答器的天线 线圈上产生一个电压u 1 ，将其整流后作为应答器工作的电源。 一般来说，还要在阅读器的天线上并联一个合适大小的电容器c r ，使其与 电感线圈一起形成谐振回路，频率与阅读器发射频率相同。该回路的谐振使得 阅读器天线线圈产生非常大的电流，这种方法也可用于产生供远距离应答器工 作所需要的能量。阅读器和应答器的天线线圈的结构也可以解释作变压器的耦 合，变压器的两个线圈之间只存在很弱的耦合。阅读器的天线线圈与应答器之 间的功率传输效率与工作频率f 、应答器线圈的匝数n 、被应答器线圈包围的面 积a 、两个线圈的相对角度以及它们之间的距离成比例。 在r f i d 系统通常使用下列编码法中的一种方法：n r z ( 反向不归零制) 编码、 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码、单极归零编码( u n i p 0 1 a rr z ) 、差动双相编码( d b p ) 米勒( m i l l e r ) 编码、差动编码和脉冲一间歇编码等，它们有各自的特点和优点。 1 2 4 射频识别技术在物流系统中的应用 射频识别与其他自动识别技术相比突出特点是非接触式识别，可识别高速 运动物体、抗恶劣环境、保密性强、可同时识别多个识别对象等，因此在物料 跟踪，运载工具和货架识别等要求非接触数据采集和交换的物流领域许多方面 有着广泛的应用。下面介绍了两个主要应用。 ( 1 ) 智能托盘系统 4 武汉理丁大学硕士学位论文 为高效解决用户生产原材料在其仓库中装卸、处理和跟踪问题，一些世界 著名的物流公司，使用了以射频识别技术为核心的智能托盘系统，此射频识另q 系统解决了原材料流通相关信息的管理。系统组成中的射频识读器，安装在托 盘进出仓库必经的通道口上方，每个托盘上都安装了射频标签，当叉车装载着 托盘货物通过时，识读器使计算机了解哪个托盘货物已经通过。当托盘装满货 物时，自动称重系统自动比较装载货物的总重量与存储在计算机中的单个托盘 重量进行比较，并获取差异，了解货物的实时信息。该系统日常处理大量托盘 货物，射频识别技术的应用大大提高效率并保证原材料有关信息准确、可靠。 ( 2 ) 仓储管理 射频识别技术在仓储管理中的应用不多，在我国主要应用的还是条码技术。 射频识别技术运用于自动化仓储系统货物管理，将能有效解决与仓库及货物流 动有关的信息管理。 射频识别在自动化仓储中的应用的形式可以多种多样，可以将标签贴在货物 上，由叉车上的读写器和仓库相应位置上的读写器读写；也可以将条码和电子 标签配合使用。对于后一种而言，射频卡贴在货物要通过的仓库大门边上，读 写器天线放在叉车上，每个货物都贴有条码，所有条码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 地时，由另一读写器识别并告知计算中心它被放在哪个拖车上。这样管理中心 可以实时地了解到已经生产了多少产品和发送了多少产品，并可自动识别货物， 确定货物的位置。 1 3 研究的主要内容 基于r f i d 技术的嵌入式产品已经涉及到生产和生活的各个领域，这就对 r f i d 系统提出了各种更高的要求，本文主要研究内容包含以下4 个方面： 1 ) r f i d 技术的数据传输安全性研究 由于r f i d 系统涉及到票证、防伪等领域，对数据传输的安全性要求较高， 相反，一些对安全功能没有要求的应用( 例如工业自动装置、工具识别) 会由于 引入加密过程，使费用不必要的增高，所以开发r f i d 系统时应该特别重视其加 密功能。 2 ) 电磁兼容性研究 武汉理上大学硕士学位论文 r f i d 系统采用电磁场技术在空间完成能量和信息的传输，所以会受到周围 空间中的其它电子设备的影响，也会反过来干扰其它电子设备的正常工作，在 设计系统时应充分考虑电磁兼容问题，使之符合国际和国家规范。 3 ) 反碰撞研究 在r f i d 系统中，由于所有的应答器都用同一工作频率，故存在着在传输信 息的过程中出现碰撞的问题。若有多于一个的应答器在阅读器的作用范围内时， 当收到阅读器的启动信号时，所有的应答器将同时向阅读器发送自己存储的信 息，这将导致各应答器之间传输的相互干扰，进而导致信息的丢失。这就是我 们需要解决的碰撞( c o l l i s i o n ) 问题。 4 ) 基于r f i d 技术的物流信息系统的研究，以v b 为工具开发了一个物流仓 储系统的管理信息系统。 随着r f i d 技术在不同行业和领域的发展，r f i d 技术在上述各个方面的研 究受到了人们的重视。本文就是在国内外相关研究的基础上，经过进一步的探 索和研究，并结合w m s 的开发，实现了r f i d 技术应用系统。 1 4 本论文的结构 第一章首先介绍了r f i d 技术的一些基本知识，其次分析了相关领域的研究 前沿及现状，然后列出了本论文研究的内容和创新点。 第二章在调研了射频技术现状的基础上，对射频识别系统的原理进行了研 究。针对r f i d 应用系统给出了设备选型设计方案。 第三章分析了射频识别应用系统的信号处理及编码技术，实现r f i d 应用系 统的信号处理及编码。 第四章介绍了射频识别应用系统的安全原理，提出了系统总体的加密解密 原理框图，以解决r f i d 应用系统的可靠性和安全性。 第五章主要研究r f i d 系统中的反碰撞技术。首先分析了r f i d 技术中的反碰 撞问题，总结目前己有的方法，然后采用p - a l o h a 技术中的重发模式来解决碰撞 问题。针对上述方法用排队论进行建模和分析，并用m a t l a b 软件仿真了排队系统。 第六章实现了基于r f l d 技术的仓库信息管理系统，对系统进行需求分析和 问题领域分析，建立了系统的各种模型，编程实现软件系统并与硬件系统整合。 第七章总结了研究的成果，并对课题进一步研究进行了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章射频识别系统技术研究 2 1 射频识别系统原理简介 2 1 1 射频识别技术原理 射频识别技术( r f i d ) 是八十年代开始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， 它是利用电磁感应、无线电波进行非接触双向通信，以达到识别目标并交换数 据。应注意r f 有很多工作频段，工作原理也不尽相同，有的工作于近场，可用 电磁感应描述，有的必须用电磁波发射来解释远场状态。国际上最流行的 i e c i s 0 1 4 4 4 3 a 标准的射频卡与阅读器之间通过电感藕合方式来完成读写通信。 该协议规定的射频卡为无源卡，当阅读器对卡进行读写操作时，阅读器发出的 信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，由卡的l c 回 路产生一个瞬时能量来供给芯片工作。另一部分是指令和数据信号，指挥芯片 完成数据的读取、修改、存储等，并返回信号给阅读器。阅读器一般由单片机、 专用智能模块组成，并配有与p c ，的通信接口等，以应用于不同的领域。 射频卡是可读写的卡，不象条形码等i d 卡只能记录身份识别，而不具有存 储信息的特点，其应用更为广泛。它以r f 技术为基础，结合传统的智能卡技术， 解决了无源和非接触这些难题，使智能卡应用变的非常方便。和同期或早期的 接触式识别技术不同，r f i d 系统的射频卡和阅读器之间不用接触就可完成识别， 因此，它可实现多目标、运动目标的识别。不象接触式i c 卡那样有电触点暴露 在外，射频卡将芯片完全封装在卡内的，因此可以在比较恶劣的环境下使用。 总之，射频非接触卡系统可以在更广泛的场合中获得应用。 一 2 1 2r f l d 系统的典型结构幢1 射频系统的典型结构见图2 一l ，主要由两部分组成：阅读器( r f i di n t e r f a c e d e v i c e ) 和射频卡( 应答器r e dt a g ) 。阅读器和射频卡之间通过无线方式通信， 因此它们都有无线收发模块及天线( 或感应线圈) 。射频卡中有存储器，内存容 武汉理工大学硕士学位论文 量为几十字节到几k 字节，可以用来存储用户数据和系统数据等。射频卡可根 据阅读器发出的指令对这些数据进行相应的实时读写操作。控制模块完成接受、 译码及执行阅读器命令，控制读写数据，负责数据安全等功能。射频卡的几个 模块集成倒一块芯片中，芯片外围只需连接天线，对有源卡还必须有电源。阅 读器中控制模块往往有很强的处理功能，除了完成控制射频卡工作的任务外， 还需要实现相互认证、数据加密解密、数据校验、出错报警及与计算机的通信 等功能。 图2 1 射频系统典型结构图 2 1 3r f i d 系统的工作原理 可以用图2 2 来说明r f i d 系统的工作过程： ( 1 ) 阅读器在一个区域内发射电磁波形成感应电磁场，该区域的大小取决于 发射功率、工作频率和天线尺寸等参数。 8 武汉理上大学硕十学位论文 ( 2 ) 射频卡进入这个区域时，接收到阅读器的射频脉冲，经过整流后给电容 充电，电容电压经稳压后作为工作电压。 ( 3 ) 数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出命令和数据并发送到控制逻 辑。控制逻辑接受指令完成存储、发送数据或其它数据处理操作。 ( 4 ) 如需发送数据，则将数据调制再从收发模块发送出去。 ( 5 ) 阅读器接收到返回数据后，解码并校验来确保数据的可靠性，然后进行 处理，必要时可以通过r s 2 3 2 等接口将数据传送到计算机处理。阅读器发送的 信号除提供能量外，通常还提供时钟信号，使数据同步简化了系统的设计。 图2 2r f i d 系统的工作过程 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 0 m h z ，舆型的工作频率有：1 2 5 k h z ，2 2 5 k h z ， 1 3 5 6 m 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 9 武汉理丁二大学硕士学位论文 l o c m 、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 0 m h z ，典型的工作频有：9 1 5 m h z ， 2 4 5 0 m h z ，5 8 0 0 m 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 一l o 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 存贮区中，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 存贮区。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间。常规为改 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 时将其贮存的标识信j 自、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 ) 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 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 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 射频识别应用系统的安全分析 ( 1 ) 射频卡信息系统的安全性分析 射频卡信息系统可能受到的威胁有两类：类是物理环境如电磁干扰、断电、 设备故障等威胁：另一类是人员威胁，主要有以下几种：管理者攻击：用户攻击： 前管理者的攻击：前用户攻击：外部人员攻击。 对于物理系统的威胁，则通过系统远离电磁干扰源，加不问断电源u p s ，及 时维修故障设备来解决。 而人员对系统的攻击主要有伪造攻击，假冒攻击，复制攻击和重复攻击。 伪造攻击是指伪造射频卡以产生系统认可的“合法用户卡”，采用该手段实 现攻击的代价高，周期长，但系统管理员会利用职务之便，轻松实现伪造攻击。 要通过加强系统管理员的监督等避免发生。 假冒攻击是利用合法用户的丢失卡假冒合法用户使用来攻击，但是具有随机 性和时间性。该攻击要通过及时注销或挂失合法用户的丢失卡来防止攻击。 复制攻击是通过复制他人射频卡信息，多次顶替别人消费。其实现的代价不 高，且不需要其他条件，所以成为最常用的攻击手段。防止攻击的关键是将射 频卡的数据加密完善，防止用户卡被复制。 重复攻击是指攻击者通过某种方法将用户的某次消费过程或身份验证记录 并重放，骗取系统的信任，达到其攻击的目的。此类手段对本课题研究的基于 局域网的射频卡信息系统的威胁比较大，需要加强对访问安全接入，及传输数 据加密等方式防止系统被攻击。 2 4 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 1 l 武汉理工大学硕士学位论文 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 ) 在超级市场中，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 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： 4 ) 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 ) 在粉尘、污染、寒冷、炎热等恶劣环境中，远距离射频识别技术的运用 改善了卡车司机必须下车办理手续的不便： 7 ) 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。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问，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刚刚起步的阶段，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。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 5r f ld 设备选型方案 在r f i d 应用系统中，可选择的读写器品牌较多，受条件限制，在调研的基 础上，我们的系统中采用了s e r e 2 0 0 5 一o o 读写器。 s e r e 2 0 0 5 一o o 是一款用于电子标签读写操作的高性能高频桌面读写器，适 合于需对i s 0 1 5 6 9 3 标准的1 3 5 6 m h z 高频电子标签进行数据读写操作，尤其适 用于那些需要分块理的”一卡通”系统。其独有的防冲撞功能，可同时检测3 张 卡片。适用于安防门禁，物品防盗、防伪、物流及电子门票等各种智能识别应 用项目中对电子标签的发行管理。 功能特点： 一工作频率：1 3 5 6 m h z 一电子标签标准：i s 0 1 5 6 9 3 ( t a g i th f i ) 一具有i s o l 5 6 9 3 协议定义的所有电子标签操作功能 一对电子标签多个数据块的内容进行读写 一具有防冲撞读写功能，可同时检测3 张电子标签 一最大阅读距离：1 2 c 巾 一通讯接口：r s 2 3 2 一供电接口：p c 键盘口取电或其他5 v 直流电源 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章r f 应用系统的信号处理及编码技术研究 射频识别读写设备和射频卡之间是通过电感耦合的方式实现通信的，系统读 写效果，如距离、出错率、稳定性等都和这一无线信道的特征密切相关，因而 需要对它的进行研究。 3 1 射频识别的理论基础h 剐 1 ) 有扰离散信道及其编码原理 实际的通信信道都是有扰信道，在研究干扰对信道传输消息的影响时，需要 研究消息在信道上受到随机干扰作用后所产生的收发消息不一致的现象。 设离散信源发出的消息集合为x = 扛，z ：，玛，石。) ，信宿接收到的消息 集合为y = d ，y ：，y ，) ，。) 。这里x 和y 的集合又分别称为有扰离散信道的 输入有限概率空间和输出有限概率空间。由于信道干扰，所以不一定l 等于m 。 p ( _ ) ，h ) 是信源发出消息t 时信宿收到消息y j 的条件概率，又称为信道传输概 率。由于y 是完备集，在信源发出一个消息t 的条件下，接收消息集合y 中各 个接收消息y ，( ，；1 ，2 ，l ) 的信道传输概率之和等于1 。即有 艺尸( y ，i ) = 1 ( 3 1 ) 信道传输概率的集合 p ( yz ) 能够反映离散信道上的干扰特征，对于无扰离 散信道，第j 个接收消息y ，与第i 个发送消息x 。一一对应，相应的信道传输概率 p ( y ，h ) = 1 ，而对其它接收消息y ，( j f ) 而言，信道传输概率p ( _ y ，h ) 一o 。 对于弱干扰信道，有p ( y ji _ ) c 1 ，其它的| p ( y ，l 工，) c t l ，( ，一f ) 。对于强干扰 信道，有p ( y ，h ) c 1 ，而其他的p ( y ，i x ，) 也相当大，即对，一，的p ( y ，i x ) ， 1 4 武汉理一 大学硕士学位论文 也有p ( _ ) ，ii t ) c 1 。 有扰离散信道的统计特征可以用x 、y 和妒( y ，k ) 来描述，也可以用信道 矩阵n 来描述。信道矩阵的构成方法为：信道矩阵的第i 行元素对应于信源发出 一个消息t 时，l 个不同的接收消息y ，( ，= 1 ，2 ，工) 的信道传输概率尸( y ，l t ) ； 信道矩阵的第j 列元素对应于同一个接收消息y ，而信源发出的消息为m 个不 同的消息t ( f = 1 2 ，m ) 的信道传输概率_ p ( _ y ，h ) ，所以信道矩阵为： 一 p ( y 。i x 。)p ( y ：i z 。)p ( y ，i x ，) p ( y ，i x 2 ) p ( y ：i 工：) p ( y fi 工2 ) p ( ) ，。i 工，)p ( _ y ：i t )尸( y ，i z ；) p ( _ y 1i x )p ( y 2i x 村) - p ( y ，l x 村) p ( y ll x l ) p ( y 。i z ：) p ( y 。l t ) p ( y li 工m ) ( 3 2 ) 信道矩阵中每行元素之和为1 ，每列元素则不一定为1 。 信息在有扰离散信道的传输速率也和信道干扰和噪声有关。假设信源发出 的是单符号的消息，在一个符号的时间内，信源x 发出的平均信息量为h ( x ) ， 信道上由于存在干扰和噪声，损失的平均信息量为日伍i y ) ，所以在一个符号 时间内信道上传输的信息量为平均信息量，僻；y ) ， 即 ，( x ；】，) = 日( 并) 一日( x l y ) 。同时还有，( z ；y ) = 日) 一h ( y i x ) 的关系式。式中 h ( y ) 为信宿的熵，h ( y l ) 为噪声熵，这样就可以得到消息在有扰离散信道上 的信息传输速率r 在数值上等于平均互信息量： 即 r = ，( 盖；y ) ；h ( x ) 一日( x y ) = 日( y ) 一日( y l x 涉豇s 。 由以上分析可得有扰离散信道信道容量即为消息在信道上的传输中不失真 条件下，信道所允许的最大传输速率。对于有扰离散信道，信息传输速率在数 值上等于平均互信息量。 武汉理：】：大学硕士学位论文 对于信道特征为x 、y 和 p ( y il t ) 的有扰离散信道，信道输入消息集合x 可以有各种不同的概率分布，每一种概率分布对应一种信源模型。这样，每一 种信源和给定的有扰离散信道相结合，就有一个相应的信息传输速率，其中最 大的信息传输速率就是该有扰离散信道的信道容量。因此，计算信道容量c 就 是选择适当的信道输入消息集合的概率分布 p ) ) ，使其达到最大值的过程， 于是有： c 2 黼。 ；y ) 2 凛j 彤) 一日p l 丑) 弦缸5 3 3 ) 由于信道和噪声，必使传输码元在通过有扰信道传输时产生一定的误码率， 其中误码率是码元传输的出错率，它仅取决于信道的干扰程度，而与消息本身 概率和译码无关。香农第二定理指出了有扰离散信道误码率的决定因素，也称 为有扰离散信道的信道编码定理，它是发展信道编码( 即纠错编码) 技术的理论基 础。 在信息传输速率小于信道容量的条件下，可通过增加代码组长度m 的方法， 使接收端恢复消息的误码率小于任意给定的小数g 。：反之，若信息传输速率大 于信道容量时，则误码率为一固定值，即使增加代码组长度m ，也不能使误码 率任意小。用数学公式表示，当r 3 3 m ，视在路径差为3 m ，则时延差约为 1 0 n s ，在某些读写点上会出现严重的衰落。根据式( 3 1 5 1 ，在衰落最大的位置电磁 场的强度仅为直接传播的场强的1 2 。 射频系统使用高频段载波时，必须考虑信道无线传输的多径，针对具体的 应用场合，选择合适的工作频率，以减少多径的干扰。 3 2 射频识别的工作原理 射频识别的工作原理可以分为电感耦合、电磁反向散射耦合和密耦台三种。 1 ) 电感祸合 r f i d 的电感耦合工作方式对应了i s o l e c l 4 4 4 3 协议。电感耦合应答器是 由一个电子数据作载体，通常是由单个微芯片以及用作天线用的大面积的线圈 等组成。电感耦合应答器几乎无源工作，在应答器中的微芯片工作的全部能量 必须由阅读器发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由阅读器的天线线圈产 生，并穿越线圈横截面和线圈的周围空间以使附近的应答器产生电磁感应。因 为使用的频率范围( f 4 0 0 mf _ 1 3 5 6 m h z ， = 2 2 1 n 1 ) 内的波长比 阅读器天线和应答器天线之间的距离大好几倍( 对于电感耦合工作方式的r f i d 系统的阅读器天线和应答器天线之间的距离不超过1 0 c m ) ，可以把应答器到天线 间的电磁场当作简单的交变磁场考虑。 发射磁场的一小部分磁力线穿过距离阅读器天线线圈一定距离的应答器天 线线圈。通过感应，在应答器的天线线圈上产生一个电压。将其整流后作为微 芯片的工作电源。将一个电容器与阅读器的天线线圈并联，其中电容器与天线 线圈的电感一起，形成谐振频率与阅读器发射频率相符的并联振荡回路，使该 回路的谐振让阅读器的线圈产生较大的电流足够供应给微芯片的正常工作。 射频识别电感耦台方式的工作原理图见图3 2 所示： 1 9 武汉理工大学硕十学位论文 电感耦合线圈，、。 动力源 加载模式 图3 2 射频识别电感耦合方式的工作原理图 应答器与阅读器的数据传输采用负载调