（通信与信息系统专业论文）智能uhf+rfid读写器的研究与设计.pdf

武汉邮电科学研究院硕一f j 学位论文 摘要 r f i d 的出现可以追述到上世纪3 0 年代，早期该技术和军事联系在一起用做敌我 战机的识别系统，到6 0 年代后期至7 0 年代初期在一些大公司的推动下才被推广商用， 主要用做仓储和图书馆的物品监视。随着工业自动化、动物识别、车辆跟踪等领域对 r f i d 技术应用的需求，出现了基于i c 的标签。它具有可读写存储器、更快的速度、 更远的工作距离等优点，至8 0 年代早期，已经有了更加完善的应用于铁路车辆识别 及农场动物和农产品跟踪的r f i d 技术和应用。从9 0 年代到上世纪末，大量的r f i d 应用指数般地试图扩展到全球范围。 从技术上看，数年前，所部署的r f i d 应用基本上都是低频( l f ) 和高频( h f ) 的 被动式r f i d 技术。l f 和h f 系统都具有有限的数据传输速率和有效距离。然而有 效距离限制了可部署性，数据传输速度则限制了其可伸缩性。因此，9 0 年代后期， 开始出现超高频u h fr f i d 技术，提供更远的传输距离，更快的传输速度。基于此， r f i d 技术开始应用到更广阔的领域当中，例如物流和供应管理、生产制造和装配、 航空行李处理、邮件快运包裹处理、文档追踪、图书馆管理、动物身份标识、运动计 时、门禁控制、电子门票、道路自动收费等等。因u h fr f i d 设备读取范围大，同时 识别标签数量多，在众多应用领域中对其功能和性能的要求也越来越高，要求读写设 备要具有更好的抗冲突算法，以提高其同时间内有效读取标签的个数；具有较好的数 据过滤功能，降低整个系统网络中的数据传输量；能对外部设备提供逻辑控制功能等， 即提供具有智能化的u r f i d 读写器。 本课题在研究u h fr f i d 技术及应用的基础上，经过对市场需求及同类产品调研 和测试的分析，提出了智能u h fr f i d 读写器概念，并以嵌入式技术为主实现该产品 的总体设计，使其具有对外部设备有逻辑控制的用户程序管理功能，为用户提供一种 简明有效的脚本语言，为用户便捷地设计该设备的工作流程提供支持；提出更有效的 抗冲突算法提高标签识读率，以备较高要求的环境使用，达到设备的智能化要求。 关键词：r f i d 、超高频、智能、抗冲突算法、脚本、m 9 、读写器 一一 武汉邮电科学研究院颂t 学位论文 a b s t r a c t t h ee m e r g e n c eo fr f i dc a nb et r a c e dt ot h e19 3 0 s ，i nt h ee a r l yd a y s ，t h i st e c h n o l o g yw a st i e dw i t h m i l i t a r ya n dc o u l eb eu s e da st h ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e mo ft h ee n e m y sf i g h t e r , u n t i l lt h el a t e6 0 st oe a r l y 7 0 s ，u n d e rt h ep r o m o t i o no f an u m b e ro f b i gc o m p a n i e s ，i n t e l l i g e n tr e c o g n i t i o nw a s p u ti n t oc o m m e r c i a l b u s i n e s s ，m a i n l yu s e da st h eg o o d ss u r v e i l l a n c eo ft h er e p o s i t o r ya n dl i b e r a r y w i t ht h er e q u i r e m e n t so f i n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，a n i m a l i d e n t i f i c a t i o n ，v e h i c l et r a c k i n ga n do t h e ra r e a so fr f i dt e c h n o l o g y a p p l i c a t i o n s ，l a b e lb a s e d o ni ce m e r g e da n di tr e f l e c t e dt h er e a d w r i t em e m o r y sa d v a n t a g e so ff a s t e r s p e e da n df a r t h e rd i s t a n c e t ot h ee a r l y8 0 s ，t h e r eh a db e t t e rr f i dt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n sw h i c h u s e di nr a i l w a yv e h i c l e sa n df a r ma n i m a l si d e n t i f i c a t i o n ，a n dt r a c k i n gp o f a r g r i c u l t u r a lp r o d u c t s f r o m a g e9 0t ot h ee n do ft h el a s tc e n t u r y , al a r g en u m b e ro fr f i da p p l i c a t i o n se x p a n dt oag l o b a ls c a l e e x p o n e n t i a l l y t e c h n o l o g i c a l l ys p e a k i n g ，af e wy e a r sa g o ，r f i da p p l i c a t i o n sw e r ea l la d a p t i n gl o w - f r e q u e n c ya n d h i g h - f r e q u e n c yp a s s i v er f i dt e c h n o l o g i e s l fa n dh fs y s t e m sh a dt h el i m i ti nt h ed a t at r a n s m i s s i o n s p e e da n de f f i c i e n td i s t a n c e s u c hw a yl i m i t e dt h er a n g eo fa p p l i c a t i o nd e p l o y m e n ta n dr e s t r i c t e dt h e e x p a n s i o n s o ，i nt h el a t e9 0 ，u l t r a - h i g hf r e q u e n c yr f i dt e c h n o l o g ye m e r g e d ，w i t hl o n g e rt r a n s m i s s i o n d i s t a n c ea n df a s t e rd a t at r a n s m i s s i o ns p e e d b a s e do nt h i s ，r f i dt e c h n o l o g yb e g a nt ob ea d a p t e db y a b r o a d e rf i e l d s ，s u c h 弱l o g i s t i c ss u p p l ym a n a g e m e n t ，m a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l y , a i r l i n eb a g g a g e m a n a g e m e n t ，m a i l e x p r e s sp a c k e tp r o c e s s i n g ，d o c u m e n tt r a c k i n g 1 i b e r a r y m a n a g e m e n t ，a n i m a l i d e n t i f i c a t i o n ，c a m p a i g nt i m i n g ，e n u z m c ec o n t r o l e l e c t r o n i ct i c k e t ，r o a dc h a r g i n ga u t o m a t i c a l l ya n ds o o n b e c a u s eu h fr f i dd e v i c e sc a l lr e a d w r i t eal a r g es c o p ea n da tt h es a m et i m ec a ni d e n t i f yal a r g e n u m b e ro fl a b e l s ，t h er e q u e s to ni t sf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c ei sb e c o m i n gm o r ea n dn l o r ed e d i c a t e d t h er e a d i n ga n dw r i t i n gd e v i c e ss h o u l eb ew i t hb e t t e ra n t i - c o n f l i c t i n ga l g o r i t h m ，w h i c hc a n i n c r e a s et h e s p e e do f r e a d i n gl a b e l sa n dh a v ed a t at i l t i n gf u n c t i o n ，w h i c hc a nr e d u c et h ew h o l en e t w o r k ，sd a t a 溅c b e s i d e st h er f i de q u i p m e n t ss h o u l dp r o v i d el o g i c a lc o n t r o lo fe x t e r n a ld e v i c e s ，t h a t i s ，p r o v i d i n g i n t e l l i g e n tu h fr f i dr e a d e r o i l t h eb a s i so fu h fr f i dt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o nr e s e a r c h ，a n du n d e rt h ea n a l y s i so f m a r k e tr e q u i r e m e n ta n dr e s e a r c ha n d t e s t i n go ft h es a m et y p ee q u i p m e n t s ，t h i ss u b j e c tm a d et h ec o n c e p t o fi n t e l l i g e n tu h fr f i dr e a d e r ，a n da c h i e v e dt h eo v e r a l ld e s i g nb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y t h i s 武汉邮电科学研究院硕j ：学位论文 k i n do fr e a d e rh a ss e v e r a lg o o dp e r f o r m a c e s ，f i r s t l y , i tc a l lp r o v i d es u b s c r i b e rp r o g r a m m em a n a g e m e n t f u n c t i o no fe x t e r n a ll o g i c a lc o n t r 0 1 s e c o n d l y , i tp r o v i d eu s e ras i m p l ea n de f f e c t i v es c r i p t i n gl a n g u a g e w h i c hc a na s s i s tt od e s i g nt h ee q u i p m e n t s w o r k f l o w f i n a l l y , m o r ee f f e c t i v ea n t i - c o n f l i c t i n ga l g o r i t h m c a ni n c r e a s et h er a t eo fr e a d i n gl a b e l s ，m e e tt h er e q u i r e m e n tf o rh i g h e r e n v i r o n m e n t a lu s ea n dm e e tt h e i n t e l l i g e n tr e q u i r e m e n t o fe q u i p m e n t s k e y w o r d ：r f i d 、u h f ，s m a r t ，a n t i c o n f l i c ta l g o r i t h m 、s c r i p t ，m 9 、r e a d e r 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 1 1r f i d 技术简述 第一章绪论 无线射频识别技术( r f d ) 是一种非接触的自动识别技术，它通过射频信号自 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， 作为条形码的无线版本，r f i d 技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使 用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、在篮数据容量更大、存储信息更改自 如等优点，广泛应用于工业自动化、仓储管理自动化、物流控制管理、产品证件防伪、 防盗等众多领域。这项新兴的技术将构建起虚拟世界与现实物质世界的桥梁，最终将 与计算机、通信技术相结合，对人们的生活产生深远的影响，将给零售、物流等产业 带来革命性变化。 r f i d 技术可根据不同的分类方式分类【l 】，如下图1 1 所示。 无线射频识别技术( i 弹i d ) 表面渡肚i ds )善片髓d ( i c )其他灯功( 札等) i l l供电方式 数据调试方式 系统工作频车可读写性能 工作时序 。 l 上上j -j 上上上上 lll lj 一上 有 羌 半 毒 t 半高 超 裰 龚 廿 次 要 讶 动 主 低 频岛 波 委 写 读 标 入 素 蠢 签 先 先 动 频 率 频 毳 系 统 次 统 讲 讲 系 系系 统 多 源濠 有 系 境 统 统 统 统 读 系系 潭 统 统 系 统 统 出 图1 1r f i d 谱系图 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 ) 是一种突破性的识别技术：“第一，可以 识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三， 可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也 非常大。” r f i d 系统一般由电子标签、读写器、天线和后台应用软件几个部分组成，如图 1 2 所示。 应用系统r f d 读写暮 职d 电子标签 控制模块 射频模块 一 天 标签 - l上 j _上 应用程i 配置h 接 控 配置 卫 r、 f 天 序接口 响应 口 翻、响应矿 i 线 d 线嬲 模 p i 触 模 模 应用h 模 模 内存 块 、， l 嗡 块 块 响应i 块 块 图1 2r f i d 系统架构 标签( t a g ) ：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物 体上标识目标对象； 阅读器( r e a d e r ) ：读取( 有时还可以写入) 标签信息的设备，可设计为手持式、固 定式或车载式； 天线( a n t e n n a ) ：在标签和读取器间传递射频信号。 电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待 识别物体的表面，以表示物体。其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁 耦合) 的传输特性，通过跟附着在特定物体上的电子标签通信实现对该物体的自动识 别【2 1 。在r f i d 系统中读写器具有同时读取多标签的功能，读写器在正常工作时，如 果同时有多个标签进入其工作范围，一齐发出射频信号通信时就会出现冲突现象，最 终导致通信失败，读写器不能识别标签【3 1 。因此就需要制定适当的抗冲突算法来处理 或防止出现冲突的情况，从而有效提高系统的性能。由于r f i d 系统中标签一般都尺 寸较小，功耗很低，其中芯片对数据处理能力也较弱，抗冲突算法就要求尽量做到简 单易行，因此抗冲突算法也成为了r f i d 系统设计中的挑战之一。在系统的通信过程 和其他信号处理，数据处理的过程里尽量将工作交给处理能力强的读写器来完成，因 武汉邮电科学研究院硕十学何论文 此r f i d 系统中读写器的研究与设计是相当重要的。 读写器( r e a d e r ) 也称读头，它在射频识别( r f i d ) 系统中起到举足轻重的作用。 首先，读写器的频率决定了射频识别系统的工作频段，其次读写器的功率直接影响着 他的识别距离。 读写器通过计算机应用软件来对射频标签读出或者写入数据信息；由于电子标签 的非接触性质，因此，我们必须借助于位于应用系统与标签之间的读写器来实现数据 的读写功能。读写器要完成的功能有：读写器与电子标签间的无线通信；读写器和计 算机间的通信；能够同时读写多张电子标签；能够识别固定或者移动的电子标签；能 够校验读写过程中的错误信息等。 读写器和电子标签的所有行为均由软件来控制完成。在系统结构中，软件作为主 动方对读写器发出读写命令，而读写器则作为从动方只对应软件的读写命令作出回 应。读写器接收到应用系统软件的动作指令后，回应的结果就是对电子标签做出相应 的动作，建立某种通信关系。电子标签响应读写器的指令，因此，相对于标签来讲， 读头变成指令的主动方。 在r f i d 系统的工作程序中，软件向读写器发出取命令，作为响应标签之间就会 建立起特定的通信。读写器触发电子标签，并对所触发的标签进行身份验证，然后标 签开始传送所要求的数据。 因此，读写器的作用是除法作为数据载体的电子标签，与这个电子标签建立通信 联系并且在软件和一个标签之间传输数据。这种非接触通信的一系列任务包括通信的 建立、防止信号碰撞和身份验证等，均由读写器来进行处理。各种读写器虽然在耦合 方式、通信方式和数据传输方法以及系统频率的选择上存在很大的区别，但就读写器 的功能原理以及有此决定的构造设计上都基本类似，如图1 3 所示【2 1 。 武汉邮l 乜科学研究院硕十学位论文 图1 3 一般读写器的结构 本文要研究和设计的是工作在超高频段的智能r f i d 读写器。应用超高频率的读 写器其工作的特点是识读距离远，需要具有较强的同时识别多个电子标签的能力并且 具有智能化功能4 1 。 1 2r f i d 技术的现状与展望 近年来，无线射频识别技术在国内外发展很快，r f i d 产品种类很多，像t i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、m i c r o c h i p 等世界著名厂家都生产r f i d 产品，并且各有特点，自成 系列【5 l 。r f i d 已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多 领域，例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、物品管理、流水 线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。随着成本 的下降和标准化的实现，r f i d 技术的全面推广和普遍应用将是不可逆转的趋势【1 1 1 。 1 3u h fr f i d 设备的市场调研情况 r f i d 专项组通过对国内外超高频r f i d 市场和技术动态一年多的前期研究的基础 上提出了开发智能l 刀玎r f i d 读写器。在这一年多的前期调研过程中，我们走访了大 量的u h fr f i d 设备厂商，并多次参加国内r f i d 方面的技术研讨会，同时还积极进行 4 武汉邮t 乜科学研究院硕七学位论文 相关技术储备和实际测试。通过对超高频r f i d 技术和应用现状的调查，我们了解到 目前市场上的u h fr f i d 读写器大多不具备控制功能，或控制功能很弱，通常需要配 合现场控制器来实现控制功能，并且缺乏数据过滤功能，这样无形之中增加了后台服 务器的负担。基于此我们提出了开发一种具备智能化的超高频读写器产品，该产品除 具备读写器功能外还具备现场控制器功能和软件中间件的部分功能( 数据过滤功能、 数据封装功能和现场逻辑处理功能) ，该产品是现有u h fr f i d 读写器和现场控制器的 综合体，主要用于替代现有u h fr f i d 系统中的读写器和现场控制器，同时可以减轻 系统对软件中间件和网络的依赖【5 】【6 】。 1 4 本课题研究的主要内容 目前低频、高频r f i d 技术已相当成熟，广泛应用于业自动化、商业自动化、交 通运输控制管理等众多领域，例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费 系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、 车辆防盗等。为适应应用要求u h fr f i d 技术也在迅猛发展，然而发现现有的l r h f r f i d 读写器设备上对数据处理、自动控制等功能还很弱，不具备智能化功能，束缚 了其应用范围，降低了功效，因此本课题将重点研究u h fr f i d 读写设备智能化的设 计。其主要工作在以下几个方面： ( 1 ) 智能fr f i d 读写器硬件的总体设计； ( 2 ) 智能l fr f i d 读写器软件系统总体设计； ( 3 ) 系统智能化中自动控制部分即脚本语言设计； ( 4 ) 系统智能化中抗冲突算法的设计； 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 第二章智能u h fr f i d 读写器相关技术研究 2 1u h fr f i d 技术概述 根据工作频率的不同r f i d 系统可分为：低频、中频、高频、超高频和微波段 r f i d 系统。底频段的r f i d 系统简称l fr f i d ，其工作频率范围为3 0 k h z 3 0 0 k h z 。 典型工作频率有：1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z ；中高频段的简称i - i fr f i d ，其工作频率一般为 3 m h z 3 0 m h z 。典型工作频率为：1 3 5 6 m 比；超高频和微波段的简称u h fr f i d ， 其工作频率在3 0 0 m h z 3 g h z ，典型工作频率有4 3 3 m h z 、9 15 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。不同的国家所使用的r f i d 频率也不尽相同。欧洲的超高频是8 6 8 m h z ，美国的 则是9 1 5 m h z ，日本目前不允许将超高频用到射频技术中【2 1 。由于使用的频率不同， 各系统的性能和工作原理也各不相同。l fr f i d 和t - i fr f i d 系统工作中采用电感耦 合，即变压器模型，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 1 所示；u h fr f i d 系统则工作于电磁反向散射耦合方式，既雷达原理模型，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 2 所示。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，读写器 天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距 离一般大于1 m ，典型情况为4 - - , 6 m ，最大可达1 0 m 以上【3 】。阅读器天线一般均为定 向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读写。 6 图2 1 电感耦合方式 武汉邮电科学研究院硕 ：学位论文 图2 2 电磁反向散射耦合方式 2 2 技术开发背景和定位 通过对国内外各大u h fr f i d 设备厂商( 讯宝、泰科、远望谷、锐帆、绣派等) 的走访和对其设备的测试，发现目前市场上u h fr f i d 设备在应用中大多不具备控制 功能、缺乏数据过滤等功能，过重依赖于中间件，使后台服务器负担承重【4 2 1 。为此 我们提出读写器智能化设计【7 】【5 1 ，其硬件主要部分见表2 1 。 表2 1 系统主要部件 序号系统( 芯片、单盘、模块) 名称 型号功能说明 1a r m 9 处理器a t 9 1 i 洲9 2 0 0系统主控制芯片 2r f i d 模块 s k y e t e km 9 u h fr f i d 专用射频模块 实现控制、数据处理等主 3智能基站读写器基盘w l ( e2 1 1 9 2 7 7r 1 a 要控制功能 4数控1 4 路射频信号分配盘 实现射频信号选通 本项目开发的技术主要可以用于构建的u h fr f i d 应用系统，如： 智能仓库管理系统的仓库出入口的自动盘点和查验系统，该系统可自动完成对出 入库货物( 托盘) 的清点和核对工作。 安装于流水线传送带上的自动分拣系统，该系统可以按照特定的需求对货物进行 分拣( 如：自动行包分拣、邮件分拣等) 资产管理系统中的通道管制设备，该设备可对敏感物品进行监控等。 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 2 3 功能和特点 读写器主要功能： 1 遵循i s 0 1 8 0 0 0 6 b 和e p cc 1 g 2 协议，电子标签空中接口协议可由软件进行 配置为i s o l 8 0 0 0 6 b 或e p cc 1 g 2 协议； 2 具备多天线驱动能力，最多可连接4 面天线； 3 提供基于时间延迟的数据过滤算法和基于数据变化的数据过滤算法； 4 提供对用户脚本程序的管理、解析和执行能力； 5 支持节能工作模式； 6 具备外置的设备p 复位开关，可以在特定情况下复位设备m 地址配置； 7 设备内置实时时钟，为设备日志提供日历时间； 8 具备w e b 管理界面，可通过w e b 界面实现对设备的配置、检测； 9 通过网络实现对固件的升级功能； 1 0 具备蜂鸣器、l e d 指示灯对设备运行状态进行指示： 1 1 。具备网关协议接口，可有用户编程实现对读写器的管理； 其中，第2 、4 项为本产品特色，目前在国内外其他厂商生产的读写器产品中均 未采用此类技术。 读写器主要性能指标： 1 、工作电压为2 2 0 v a c l o ，工作电流 2 0 0 个； 3 、标签识读速度达到3 0 张s ； 4 、输出的射频功率可在1 0 2 7 d b m 之间调整，调整精度为o 1 d b m ； 5 、输入灵敏度6 5 d b m ； 6 、支持线极化天线和圆极化天线； 7 、工作频段为8 6 0 - - 9 6 0 m h z 可调( 用户配置) ； 读写器主要外部接口： 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 l 、与后台控制设备接口：具备以太网、u s b ，w e i g a n d 接口； 2 、可扩展功能接口：内置2 3 2 串口、s d 卡接口； 3 、控制信号输出：具备4 路可编程的继电器输出控制信号； 4 、电平信号输入：具备4 路带光电隔离的输入信息； 2 4 遵循的标准 行业标准： 信息产业部b w g j 2 0 0 7 - 0 0 0 9 号文件关于发布8 0 0 9 0 0 m h z 频段射频识别( i 江d ) 技术应用试行规定的通知 i s o 标准： i s o i e c 18 0 0 0 - 6 ：2 0 0 4 f d a m 1 ：2 0 0 6 ( e ) i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nf o ri t e mm a n a g e m e n t - p a r t6 ：p a r a m e t e r sf o ra i ri n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o n sa t8 6 0m h zt o9 6 0m h z ( 栅n d m e n tl ：e x t e n s i o nw i t ht y p eca n d u p d a t eo ft y p e sa a n db 1 e p c 标准： e p cr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i t yp r o t o c o l sc l a s s lg e n e r a t i o n 一2u h fr f i dp r o t o c o l s f o rc o m m u n i c a t i o n sa t8 6 0 m h z _ 9 6 0 m h z ( v e r s i o n1 o 9 ) 2 5u h fr f i d 读写器的关键技术 u h fk f i d 系统中我们需要读写器工作在超高频段对远距离多电子标签同时进 行高速有效地读写操作，尤其是对无源电子标签的操作为岍r f i d 读写器提出了更 高的性能要求，其中天线的设计技术、微弱信号的放大处理、d s p 技术、数字调制解 调技术和信号的抗冲突算法等是u h fr f i d 读写器研究中的关键技术【8 】o 本课题是设 计智能u h fr f i d 读写器，侧重使读写器智能化，已现有的r f i d 相关模块和芯片来 完成设计，主要工作涉及应用层面。为提高设备的性能，在射频模块部分我们针对信 号的防冲突算法进行了深入研究，并结合现有的两大类相关算法提出了新的改进算 法。 9 武汉邮电科学研究院硕十学1 奇= 论文 第三章智能u h fr f i d 读写器研究及总体设计 3 1 智能u h fr f i i ) 读写器总体设计要求 3 1 1 功能要求 该智能u h fr f i d 读写器功能设计要求见表3 1 所示。 表3 1 智能u f l fr f i d 读写器功能设计要求 功能设计要求内容 可调射频输出率1 0 2 7 d b m ，调整精度o 1 d b m 输出天线选择能自动扫描到已装配的可用天线 电子标签接口协议软件 可配置 支持i s 0 18 0 0 0 6 b 、e p cc 1 g 2 工作频段8 6 0 - 9 6 0 姗z 可配置 内置实时时钟要求具有带日厉功能的时钟芯片和保持时钟正常工作的电池电路 r f i d 数据过滤可配置的按时间间隔进行过滤或按照变化数据进行过滤 可执行用户逻辑通过用户程序管理器执行用户定制的逻辑判断、实现用户数据封装 支持休眠、节电模式可设置的定时方式进入或离开休眠方式 具备i p 配置的复位功能在外壳上设置拨码复位开关 3 1 2 性能要求 l o u h fr f i d 读写器性能指标见表3 2 所示。 表3 2 智能u h fr f ld 读写器性能要求 性能指标 工作电压 2 2 0 c 1 0 额定工作电流 2 0 0 张 移动物体识读平行天线有效区方向时 l m s 垂直天线有效区方向时 3 0 张次s 输入灵敏度 石5 d b m 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 3 1 3 外部接口 外部接口是人机信息交流的纽带，设计一套方便有效的外部接口将为本读写器的 良好工作效率和更友好的人机交流提供了一个好的平台。其中包括用户界面、硬件接 口、软件接口、通信接口，具体如下所述。 用户界面包括： ( 1 ) 网元级w e b 管理界面。本设备通过在智能u h fr f i d 读写器中内置w e b 服务器实现用户对设备的网元级管理、配置和测试，主要包括几个方面的子功能： 其中包括登录认证，既通过用户名和密码实现对操作员的身份认证，只有经过认 证的人员才能登录到设备w e b 服务器进行后续操作。同时对每一登录进行超时检测， 当该登录人员超过5 分钟未发生操作，自动恢复该登录连接的登录状态为“未认证”。 其次本读写器可以同时支持1 0 个管理员登录。在用户管理方面，实现对设备管理员 的增加、删除、修改( 登录密码) 。在设备配置中，实现设备地址配置、r f i d 工 作参数配置，其中包括读写器信号输出功率，信号使用的频段，使用协议，返回数据 的过滤算法、设备时钟。再次基于w e b 页的r f i d 测试功能主要是检测循环读取标 签，有专门的w e b 页面来控制读写器对标签不问断的循环读取并显示读取标签的d 号及相应的读取次数。最后是显示设备日志的功能。 ( 2 ) 设备日志功能，这是本设备提供的一个特色功能，可以对设备发生的主要 事件进行记录，为设备的工作情况，管理登陆情况留下存根，为设备出现的情况做记 录以便工作人员来处理维护。日志格式为“y y - m m d d h h m m s s ”+ 空格+ “事件 信息”，例如：“0 8 0 3 2 0 1 2 0 5 3 9 ”+ o ) 【0 9 h + “设备自检正常 。其中日志记录内容为： 1 、设备启动和自检信息。 2 、设备管理员登录登出信息。 3 、设备配置变更信息( 管理员通过w e b 管理页面更改设备配置、系统通过网管 协议更改设备配置信息或通过d 复位开关硬件复位导致的p 信息变更) 。 ( 3 ) 蜂鸣器，本设备通过蜂鸣器来实现对设备运行进程作出提示，实现在无其 他工具的场合能够对设备运行状态作出大致判断，以便工作人员安装调试和测试该设 备。蜂鸣器主要对以下信息进行提示： 武汉邮电科。z 研究院硕十学位论文 l 、设备自检通过进入正常工作状态。 2 、设备口地址被强制复位。 3 、设备自检发现有故障。 4 、发生用户逻辑定义的相关蜂鸣器事件。 ( 4 ) 设备运行电源指示灯，该l e d 指示灯对设备上电状态和运行状态进行指示， 包括两个阶段：首先是设备上电至自检完成之前，该指示灯处于常亮状态，表示设备 已上电但未进入运行状态。其次是设备自检通过后，该指示灯处于闪烁状态，表示设 备处于正常运行状态。 ( 5 ) 读标签标签异常指示灯，该项采用双色l e d 指示灯，当读到标签后点亮绿色 显示、当标签异常时点亮红色，该指示灯由用户脚本控制。 ( 6 ) f t p 服务器，该服务器实现操作员对系统软件( 读写器应用软件) 的在线升级。 用户界面要求见表3 3 所示。 1 2 表3 3 用户界面 界面描述 通过浏览器实现对设备的网元级的设置和管 网元级w e b 管理界面理，包括：用户管理、设备配置、r f i d 测试、 日志浏览 文本文件，记录设备运行关键步骤自检结果和 设备运行日志执行时间，该文件最大长度 1 0 k b y t e ，当达到 1 0 k 时，自动删除最前边5 k 的内容 当设备运行出现异常时进行报警提示，也可工 内置蜂鸣器 作在片j 户控制模式，由用户程序决定何时工作 蓝色l e d 指示灯，设备上电后在自检完成前为 常亮提示，表示电源已接通，自检成功后进行 设备运行指示灯电源指示 闪烁提示，表明设备处于正常工作状态，闪烁 频率为1 h z 读标签指示灯标签异常指双色l e d 指示灯，绿色表示正常读标签，红色 示灯表示标签异常，可由用户程序控制 f r p 服务用于固件升级和设备在线维护 外部硬件接口是读写器跟其他外部设备通信和控制的通道。它的设计应该通用、 武汉邮电科。学研究院硕十学位论文 安全可靠，其具体要求见表3 4 所示。 表3 4 外部硬件接口及要求 硬件接口要求 1 0 0 m 以太网提供远程管理能力，具备防雷保护措施 u s b 2 0 接口u s b 主机接口，可连接u 盘 传输读写器读到的电子标签的i d 号 w e i g a n d 接1 2 1 防雷设计 s d 膏( s e c u r ed i g i t a lm e m o r yc a r d ) 接口供用户自行扩展应用数据存储空间 4 路继电器输出用户可编程的继电器输出信号，用于外部设备控制 4 路光电隔离输入用户可自定义的输入信号，用于外部状态的检测 可以驱动4 面天线分时工作，或驱动4 输入天线阵 4 路射频信号输出 列：i = 作 该读写器软件接口提供基于t c p i p 协议的网管协议接口，应用软件、软件中间 件可通过该网管协议接口实现对它的配置、管理和数据通信。主要实现读写器的设备 配置信息的传递；用户脚本程序的下载、挂接、管理；用户数据的上传和下载；实时 信息通道，实现读写器按用户脚本实时传输用户数据到软件中间件或数据库服务器； 内置的r s 2 3 2 串口，为设备调试提供接口，外部不提供调试接口。 3 1 4 产品化要求 本项目产品设计可靠性包括热可靠性设计、安全性设计、电磁兼容性设计和开放 性设计四个主要方面： 热可靠性设计，读写器工作中的发热会影响电路中芯片的工作效率和其他器件的 参数，可靠的热设计将迅速有效地将电路中发出的热量散失掉，为设备有效的工作提 供环境。 1 、通过合理的散热方式，将主要发热器件的温度降低到安全水平。在电源、处 理器等发热高的芯片上适当加装铝制的散热片。准确测试和计算设备电路中的电 压、电流情况来有效设计电路参数，使尽量少的功率消耗在电路发热上。 2 、合理布局p c b ，将发热器件与热敏感器件远离。 3 、器件合理选型，满足工作温度要求。 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 安全性设计有互联可靠性和软件可靠性设计等。为减少信号的衰减，在互联可靠 性设计中就要减少接插件的使用。其中关键信号必须采用冗余设计，防止信号传输中 出现问题。接插件管脚定义时应注意电源线和地线在插头反插时不会短路，在定义时 将其对称设计。软件可靠性设计，需要软件能对设备软件的运行起到监控和处理异常 的功能。这样我们设计中应用了硬件看门狗对软件进行监控，程序中在各关键处加入 “喂狗 语句，当程序运行出现故障，没有在指定时间内进行“喂狗 则硬件看门狗 就要重新启动程序。其次设置软件异常监控模块，对各进程进行监控，必要时自动重 新装载故障进程。做自检程序，并对异常情况做记录。最后设置设备配置文件起到自 动监测和恢复功能。 本设备设计能适应环境应力变化的安全性要求能够适应半野外环境的温度、湿度 变化，而带来的产品部件内部应力变化。能够适应半野外环境下对方尘、防水方面的 要求，达到i p 5 5 要求。 人工操作的安全性要求产品外壳可靠接地，确保操作人员的人身安全。 产品外壳设计无尖锐棱角。 电磁的兼容性包括：设备机壳采用全金属材料，具有良好的抗电磁干扰性。 设备要求通过如下电磁测试：雷击实验、浪涌实验、电快速群脉冲实验、静电场干扰 测试。 开放性设计要求产品外围通讯接口均采用标准接口协议，能够实现与标准设备的 互连互通，具有较强的开放性。其中网络通讯协议开放，并提供上层a p i 函数，方便 高级用户在现有设备基础上开发系统应用。为一般用户提供用户程序脚本语言，让用 户能够编写适应自身应用的应用流程。 软件可测试性要求软件编制过程当中，关键调试部位增加 d e b u g 宏，通过指 定头文件修改宏定义，能够方便让软件进入调试状态。处于调试状态运行的系统，会 将系统运行过程变量通过调试串口d e b u g u a r t 输出，方便软件测试。本设备的软件设 计采用模块化设计，这样方便对于独立模块软件功能进行测试，也能对各模块集成测 试。提供用于测试脚本功能的标准用户脚本程序及相关数据文件。 硬件可测试性在该项目的设计过程中，对其中的关键信号附近提供测试点，如： 1 4 武汉邮电科学研究院硕七：学位论文 c p u 的x i n 、x i n 3 2 等引脚。来方便在调试过程中测试相关的信号输出输入的情况。 硬件各个模块联结处及电源的输出处也设置测试点，方便联结信号的测试。 3 1 5 开发环境 系统开发环境主要包括四个部分：软件开发环境、硬件开发环境、结构开发环境、 测试开发环境。详见表2 2 所示。 表3 5 系统开发环境列表 开发环境软硬件配置备注 c p u ：1 8 6 g h z 双核由于要采用虚拟机 硬件内存：2 g 进行软件开发，宿主 硬盘：2 0 0 g 机配置不应低于此 宿主机缪汤d o w sx ps p 2 配置 软件开发环境 v m w a r e5 0 软件 r e dh a tl i n u x9 0 2 a r m - l i n u x - t o o l c h a i n2 9 5 目标机 l i n u x 2 4 19 硬件 h h a r m 9 2 0 0 开发板 无 硬件开发环境 s k y m o d u l em 9 模块 c a d e n c e 软件 h f s s 9 0 结构开发环境 a u t o c a d 等 无 测试环境野外空旷无强电磁干扰的场地 建议在微波暗室中 3 2 系统硬件设计 3 2 1 方案选择与技术路线 智能u h fr f i d 读写器硬件系统设计方案采用模块化设计思路，将功能相近部分 作为独立电路模块设计，方便系统级别的设计和调试。本系统根据功能划分为5 大部 分：电源模块、c p u 模块、通讯模块、i o 模块以及r f i d 射频模块9 1 。 此外，从防止信号干扰角度出发，硬件设计规划初期考虑将高频信号和低频信号 武汉邮电科学研究院硕十学位论文 隔离，高低频电路部分被设计在不同的