（通信与信息系统专业论文）基于中间技术的rfid家校通系统的研究与开发.pdf

武汉邮电科学研究院硕士学位论文 摘要 r f i d 家校通系统是基于中间件技术的一个实现家庭与学校快捷、实时沟通的教 育网络平台，它通过r f i d 无线射频识别技术，对学生进出校进行实时记录，并通过 短信平台实时反馈到家长的手机上，同时家长可以通过登录家校通平台向老师提出建 议或反映孩子在家里的表现。家校通系统中间件是工作于家校通平台中r f i d 硬件读 写器和上层w e b 应用软件的中间层，其主要作用是接收读写器上传的原始数据、维 护并删除冗余数据、对接收的数据进行实时处理。同时，将学生进出校状态的逻辑判 断结果上传至家校通w e b 平台，实现家校通系统考勤短信的发送功能。本文对家校 通系统进行了研究，对家校通系统的w e b 层和中间层进行了设计。主要内容如下： 首先，对国内外r f i d 技术及中间件的现状和发展趋势进行了研究，进而研究了 r f i d 系统的原理，包括r f i d 技术、r f i d 系统的工作原理以及r f i d 系统的几个技 术关键点，其中重点对射频数据传输的完整性和安全性、多标签同时识别与系统防碰 撞进行了分析和探讨。 接着，本文提出了r f i d 家校通系统，并分析了家校通系统的功能需求及设计目 标。在此基础上，本文提出了家校通系统的体系架构，该架构分三层：w e b 层、中 间层和硬件层，本文重点进行了w e b 层和中间层的设计。其中，w e b 层主要包括 w e b 平台和短信平台的设计；中间层主要是对中间件的一些功能模块的设计，重点 设计了数据过滤模块和出入逻辑判断模块，这也是本文的两个创新点。 最后，本文对家校通系统中间件进行了测试，验证了本系统设计的正确性和可行 性。 关键词：r f i d ；家校通系统；中间件 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t t h er f i dj i ax i a ot o n gs y s t e mi sas h o r t c u tr e a l - t i m ee d u c a t i o n a ln e t w o r kp l a t f o r m f o rt h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e ns c h o o l sa n df a m i l i e sb a s e do nt h em i d d l e w a r et e c h n o l o g y o nt h eo n eh a n d ，t h es y s t e mk e e p sr e a l - t i m er e c o r d sf o rs t u d e n t sw h oa r ei na n do u to ft h e s c h o o lb yr f i dw i r e l e s sn o n c o n t a c tt e c h n o l o g ya n dg i v e sf e e d b a c kt op a r e n t s m o b i l e p h o n e sv i a t h es h o r tm e s s a g ep l a t f o r m , o nt h eo t h e rh a n d , f o rp a r e n t s i 叫c a l lg oo nt ot h e j i ax i a ot o n gw e b s i t et oe x c h a n g et h e i ri d e a sw i n lt e a c h e r s t h ej i ax i a ot o n gm i d d l e w a r e i st h em i d d l el a y e rw o r k i n gb e t w e e nr f i dh a r d w a r er e a d e r - w r i t e r sa n dt h eu p p e rw e b a p p l i c a t i o ns o f t w a r ew h i c hi sa l s oal i g a m e n tf o rt h e m t h ef u n c t i o n so f t h i sm i d d l e w a r e a r et or e c e i v et h er a wd a t au p l o a d e db yr e a d e r - w r i t e r s ，m a i n t a i na n dd e l e t en td a t aa n d c a r r yo u tr e a l - t i m ep r o c e s s i n go ft h ea c q u i r e dd a t at ou p l o a dj u d g m e n t so ft h es t u d e n t s i n - a n d - o u ts t a t u st ot h es m sf u n c t i o no ft h ew e bi no r d e rt oi m p l e m e n ti t sa t t e n d a n c e s m sf u n c t i o n t h i sp a p e rs t u d y st h ej i ax i a ot o n gs y s t e m ，a n dd e s i g n st h ew e bl a y e r a n dt h em i d d l el a y e ro f t h ej i a x i a o t o n gs y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ca sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h e ，d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ht r e n do ft h er f i dt e c h n o l o g ya n di t s m i d d l e w a r eh a v eb e e ns t u d i e d , t h e ns t u d i e dt h ep r i n c i p l e so fr f i ds y s t e m s ，i n c l u d i n ga b r i e fi n t r o d u c t i o no ft h er f i dt e c h n o l o g ya n ds e v e r a lk e yt e c h n i c a lp o i n t si nr f i d s y s t e m sw h i c hf o c u s e do nt h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no f t h ei n t e g r i t ya n ds e c u r i t yi nd a t a t r a n s m i s s i o nu s i n gr a d i of r e q u e n c y , m u l t i - t a gi d e n t i f i c a t i o na tt h es a m et i m ea n dt h e a n t i - c o l l i s i o no ft h es y s t e m i nt h i s ，t h ew e bl a y e rm a i n l yi n c l u d et h ed e s i g no ft h ew e b p l a t f o r ma n dt h es m sp l a t f o r m ；a n dt h em i d d l el a y e rm a i n l yd e s i g n ss o m ef u n c t i o n m o d u l e s ，f o c u s i n g0 1 1t h ed e s i g no ft h ed a t af i l t e r i n gm o d u l ea n dt h el o g i c a li n - o r - o u t m o d u l e ，w h i c ha r cb o t ht h ei n n o v a t i v ep o 缸o f t h i sa r t i c l e t h e n , t h i sp a p e rp r e s e n t st h er f i dj i ax i a ot o n gs y s t e m ，a n da na n a l y s i so f t h ej i a x i a ot 0 n gs y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dd e s i g no b j e c t i v e s o nt h i sb a s i s , t h i sa r t i c l e d e s i g n st h ea r c h i t e c t u r eo fj i ax i a ot o n gs y s t e mw h i c h i sas u b - t h r e e - t i e rs t r u o u l r e ：t h e 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 w e b l a y e r , t h em i d d l el a y e ra n dt h eh a r d w a r el a y e r , t h ep a p e rf o c u s e do nt h ed e s i g no f t h e w e bl a y e ra n dt h em i d d l el a y e r l a s t l y , t h i sp a p e r t e s t st h ed e s i g n e dm i d d l e w a r eo f t h ej i ax i a ot o n gs y s t e m ，h a sa r e s u l tw h i c hs h o w st h a tt h eo p e r a t i o ni ss t a b l ea n dt h ep e r f o r m a n c ei sg o o d k e yw o r d s ：r f i d ；t h ej i ax i a ot o n gs y s t e m ；m i d d l e w a r e 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 第1 章综述 近两年来，r f i d 技术在全球掀起阵阵热潮，吸引了众多厂商参与相关技术和芯 片的研究、开发。目前r f i d 技术正处于迅速上升的时期，该技术被业界公认为是本 世纪最有前途的应用技术之一，许多国家都将r f i d 作为一项重要产业予以积极推动。 家校通系统便是其中的一个重要产业。 1 1 无线射频识别技术的现状和发展趋势 射频识别技术r f l 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 ) 是自动识别技术的一种，即 通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标进行识别。一个典型的r f i d 系 统一般由r f i d 标签、读写器以及计算机系统等部分组成。其中r f i d 标签中一般保 存有约定格式的编码数据，用来唯一标明标签所附着的物体。与传统的识别方式相比， r f i d 技术不用直接接触、光学可视、人工干预即可完成信息输入和处理，且操作方 便快捷，能够广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产 管理等要收集和处理数据的应用领域，并被认为是条形码标签的未来替代品。 r f i d 技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期，那时它被用来在空中作 战行动中进行敌我识别。从历史上看，r f i d 技术的发展基本可按1 0 年期划分为几 个阶段( 参见下表) 。因此r f i d 并不是一个崭新的技术。从分类上看，经过多年的 发展，1 3 5 6 m h z 以下的r f i d 技术已相对成熟，目前业界最关注的是位于中高频段 的r f i d 技术，特别是8 6 0 m h z - - - 9 6 0 m h z ( u l 频段) 的远距离r f i d 技术发展最 快；而2 4 5 g h z 和5 8 g i - l z 频段由于产品拥挤、易受干扰、技术相对复杂，其相关的研 究和应用仍处于探索的阶段【l 】。 从全球来看，美国已经在r f i d 标准的建立，相关软硬件技术的开发、应用领域 走在世界的前列。欧洲r f i d 标准追随美国主导的e p c g l o b a l 标准。在封闭系统应用 方面，欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出u i d 标准，但主要得到的 是本国厂商的支持，如要成为国际标准还有很长的路要走。韩国政府对r f i d 给予了 高度重视，但至今韩国在r f i d 标准方面仍模糊不清。 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 随着r f i d 技术的发展演进以及成本的降低，未来几年内，全球开放的市场将为 r f i d 带来巨大的商机。高频和超高频产品是未来主要应用频率目前中国的r f i d 应 用，以低频( 如门禁) 为主。因为第二代身份证的促进，高频正进入一个非常的历史 时期，它将从平均每年约2 亿的速度发展直至中国人口全部应用二代身份证，所以这 种应用会保持五年的稳定出货量。e p cg l o b a l 通过“物联网 的概念，正在向人们描 绘一幅未来的美景，以物品的流通管理和仓库管理为应用点，市场巨大，而高频和超 高频段的电磁特性，将很好地在这一应用领域发挥作用。 软件和系统集成的市场潜力巨大中国的信息化基础比较薄弱，能真正发挥r f i d 优势的应用还比较少。软件在简单的r f i d 应用中，基本是提供给用户的附赠品，集 成费用也比较低，平均费用不超过整体r f i d 项目的1 5 。随着大规模物流应用及开 环方式应用的发展，软件将是r f i d 项目支出中相当重要的部分，在某些应用中，甚 至会超过硬件的费用。中国企业对芯片制造能力将日益加强现阶段我国企业对r f i d 技术的掌握能力很弱，尤其是在标签芯片环节上，基本是对国外产品的封装加工，国 内的芯片只有高频和很少量的超高频产品，而且还不能进行商业化推广。未来中国政 府及企业，为保证利益，一定会加大研发方面的力度，片制造能力是其中非常重要 的一个方e 2 1 。r f i d 不仅仅是一种技术，它是一种高效的管理方式，一种对管理精 细化的思考。未来的r f i d 产业将会在我们的生活中扮演重要角色。 1 2 中间件技术的现状分析及其发展趋势 中间件技术已经成为应用系统的支撑。相对于操作系统与数据库而言，中间件与 应用系统的关系更为密切，因此，应用系统的发展与中间件技术的发展互为因果。应 用系统的需求就是中间件技术发展的风向标。 从2 0 0 3 年应用发展的情况看，许多传统的领域如金融、电信等大型企业的核心 业务系统的建设己基本完成，基本数据源已经形成，并继续向互联网领域过渡。新的 业务系统如决策系统、增值业务系统等将逐步展开。而在政府领域及中小企业领域， 信息系统的发展相对滞后，其基础业务系统的建立正在进行或刚刚开始。同时，信息 系统建设的地域性差异很大，沿海地区与内陆地区都有很大差异。由于不同的应用系 统类型需要不同的中间件技术，应用发展的不均衡性也导致中间件技术的多样化发 2 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 展。 在强势行业新应用中，特别是在政府、中小企业的基础应用系统的建设中，底层 中间件将得到更广泛的应用。作为b s 结构应用基础设施，应用服务器在市场上大行 其道。由于应用服务器的标准完备，所遵循的主要规范e j b 及j 2 e e 逐渐走向成熟， 提供此类产品的厂商又众多，因此竞争也最激烈，其市场价格也会持续走低，继续保 持“物品化”的趋向即产品价格平稳走低，利润增长依赖于增值服务。 在单一或基础应用系统已经逐渐成熟的领域，新的应用热点就是对应用系统的整 合，并进而实现决策分析系统、增值业务系统等新的建设项目，使企业能够进一步挖 掘信息和对外提供多元化的服务。在政府行业，由于具有业务种类繁多、变化快、机 构庞杂等特点，使得电子政务虽然不像电信、金融系统那样对系统效率、可靠性等要 求甚高，但由于其业务及流程的复杂程度以及变化速度更甚于金融、电信等应用，对 中间件软件的功能提出了新的、更高的要求【3 】。 在上述领域的应用系统，需要大量高层中间件的支撑。因此，e a i 软件、工作流 系统、p o r t a l 等已经逐渐成为行业应用的新宠。这些新的中间件通常都不是单一的中 间件产品，而是多种中间件技术的融合，需要融合消息传输、事务处理、流程整合、 构件化、应用服务器等中间件技术。w e bs e r v i c e 技术将融合到应用服务器、e a i 软 件、工作流系统、p o r t a l 等中间件软件中。由于这些中间件技术更加复杂，更加贴近 应用，因此需要更多的专业服务，当然他们的单位价格也大大高于底层中间件。 从2 0 0 3 年的发展来看，高层中间件已经成为许多领域应用的不可或缺的基础架 构软件，并因其价值巨大，已成为中间件厂商新一轮竞争的焦点。 随着各种中间件技术及产品粉墨登场，中间件技术已经逐渐走向成熟。同时受全 球i ，r 不景气的影响，特别是互联网所带来的经济泡沫破灭以后，i t 技术的发展又回 到理性的轨道上来了，不再一味地更新技术，使用户无所适从，而是更加有节奏、更 加踏实地去解决用户的问题。在中间件技术领域，短期内也不会再出现革命性的技术， 中间件技术将向着深入、实用、整合的方向发展，而且要持续相当长的一段时间。因 此，用户将会更多采用现有的中间件技术。 当前，中间件技术发展的动向是更加适应应用系统的要求，贴近应用，与应用 的发展同步。软件平台就是中间件技术发展的一个明显趋势。 3 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 中间件技术的诞生是为了用自身的复杂换取应用开发的简单，但目前的中间件技 术本身已经有过于复杂和过于通用的倾向，使得用户在选择和使用时遇到很多麻烦。 因此，如何使中间件技术能更简便、明了地满足应用的需要，将成为中间件技术的一 个发展方向，也就是中间件软件自身需要整合和调整。一方面，中间件需要提供满足 个性化应用的解决方案，形成一种特别适用的支撑环境；另一方面，中间件需要整合， 使应用只需面对一个可以解决问题的软件平台，而非一大堆中间件产品。 当然，对平台整合的理解也不尽相同。国外倾向于把各种中间件进行整合，形成 基础架构平台：而国内倾向于除基础架构平台以外，把中间件以外的适应于特定行业 应用的通用应用构件融合进来，成为基础应用构件平台，形成贴近行业应用的个性化 应用支撑平台。不管如何理解，中间件技术的发展将会更加贴近应用，更加实用。在 面向某一领域或所谓“垂直市场”的中间件技术也得到了迅猛发展，最典型的例子就是 移动中间件。由于移动通信技术及应用将在未来几年内保持强劲的发展势头，各种适 合移动应用使用的中间件技术将得到广泛应用 4 1 。 1 3 本论文研究的目的和意义 “望子成龙，望女成风”可以说是国内学生家长们的普遍心态。在对子女的教育上， 绝大多数家长非常舍得投入。即便是经济条件不佳的家庭，在教育投资上往往毫不吝 啬。这也就决定了，家长很希望获得孩子在校学习情况的信息。然而，由于传统通信 方式的限制，缺乏合适的电信业务，致使这一巨大且利润丰厚的市场基本处于真空。 相对于当前电信市场的激烈竞争，通过市场细分和深层次的用户需求挖掘，开发 新型的增值电信服务领域这一做法值得提倡。家校通系统就是开发家校信息通信市场 的一次尝试。 在家校通系统出现以前，学校和家长之间的沟通是靠家长会、重点家访和个别电 话联系来解决的，但由于老师教学任务重，学生多，家长工作繁忙，而且受时间、交 通、通讯手段的限制，老师几乎不可能做到和每个家长保持经常密切的沟通。这也一 直是多年来困扰中国教育界的一个问题。 现在，家校通系统解决这些问题。家校通系统不仅架起了家庭和学校之间沟通的 桥梁，而且使这种信息交流更为全面、实时、有效，为教育信息化提供了一流的服务。 4 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 该系统变革了传统的家校沟通方式，对用户需求的深层次挖掘准确、到位、体现了个 性化、人性化的服务特点。它改进了学校的管理模式，促进了学校的发展。系统内的 学生成绩数据库和考勤系统，为学校教学水平和教学质量考核提供了准确依据。该系 统还有利于提高教师工作效率和教学水平，教师可以通过本系统实时关注学生的学 习、生活情况，使用方便，操作简单，信息交换及时。此系统拥有巨大的经济效益和 社会效益。而且，家校通系统具有很大的实用性，体现在三个方面：其一、家校通系 统成本低；其二、中间件系统可重复利用。家校通中间件系统可使用在其它方案，如 车辆管理系统、门禁系统等。其三、家校通系统具有超前性。家校通系统采用的是 r f i d 技术，而该技术是未来发展的一个趋势，所以家校通系统在往后一段时间内也 不会落伍。 1 4 本论文的研究内容和创新点 本论文分析了r f i d 技术以及r f i d 中间件技术的发展现状，对r f i d 家校通系 统及其中间件进行了研究，设计了一套家校通中间件系统。 家校通系统通过对中间件数据过滤功能的分析研究，提出一种二叉树数据过滤算 法，将原本应用于r f i d 中间件的数据过滤功能前移到读写器，使其更加有效的降低 了中间件的处理复杂度。这是家校通系统中间件的第一个创新点。 家校通中间件，主要负责考勤短信的客户端数据采集，以及与短信平台的数据通 信。将实时采集的时间信息，按照考勤策略进行归类，并发至短信平台，为后续的手 机短信服务提供数据支持。 所以家校通中间件最主要的功能之一是对学生进出入考勤的判断，对此，家校通 系统中间件也提出了一个高效的出入逻辑判断算法，该算法就是对学生进出校门的状 态进行判断。这也是家校通系统中间件的第二个创新点。 5 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 第2 章r f i d 系统的原理与关键技术 r f i d 即射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，可以通过射频信号自动处 理目标对象，获取相关的数据，不需要人工接触，不需光学可视即可完成信息输入和 处理，并且操作简单快捷。 2 1 无线射频识别技术 2 1 1 自动识别技术 自动识别技术就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近 活动，自动地获取被识别物品的相关信息，并提供给后台的计算机处理系统来完成相 关后续处理的一种技术。 自动识别技术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，它是 信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段，归根到底，自动识别技术是 一种高度自动化的信息或者数据采集技术。 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、磁条磁卡技术、i c 卡技术、光学字符识别、射频技术、声音识别及视觉识别 等集计算机、光、磁、物理、机电、通信技术为一体的高新技术学科。 一般来讲，在一个信息系统中，数据的采集( 识别) 完成了系统的原始数据的采 集工作，解决了人工数据输入的速度慢、误码率高、劳动强度大、工作简单重复性高 等问题，为计算机信息处理提供了快速、准确地进行数据采集输入的有效手段，因此， 自动识别技术作为一种革命性的高新技术，正迅速为人们所接受。自动识别系统通过 中间件或者接口( 包括软件的和硬件的) 将数据传输给后台处理计算机，由计算机对 所采集到的数据进行处理或者加工，最终形成对人们有用的信息。在有的场合，中间 件本身就具有数据处理的功能。中间件还可以支持单一系统不同的协议的产品的工 作。 完整的自动识别计算机管理系统包括自动识别系统( a u t oi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m , 简称a i d s ) ，应用程序接口( a p p l i c a t i o ni n t e r f a c e ，简称a p i ) 或者中间件 6 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 ( m i d d l e w a r e ) 和应用系统软件( a p p l i c a t i o ns o r w a r e ) 。也就是说，自动识别系统完 成系统的采集和存储工作，应用系统软件对自动识别系统所采集的数据进行应用处 理，而应用程序接口软件则提供自动识别系统和应用系统软件之间的通讯接口包括数 据格式，将自动识别系统采集的数据信息转换成应用软件系统可以识别和利用的信息 并进行数据传递。图2 i 表示自动识别系统的简单模型i s 。 图2 1 自动识别系统简单模型 2 1 2 无线射频识别技术 无线射频识别技术是自动识别技术的一种。可以说，自动识别技术从条码开始， 以无线射频结束，也就是说，条码技术是自动识别技术的始祖，而无线射频技术则是 自动识别技术的未来终极。 射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 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。 射频识别系统通常由电子标签( 射频标签) 和阅读器组成。电子标签内存有一定 格式的电子数据，常以此作为待识别物品的标识性信息。应用中将电子标签附着在待 识别物品上，作为待识别物品的电子标记。阅读器与电子标签可按约定的通信协议互 传信息，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令，电子标签根据收到的阅读器的 命令，将内存的标识性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下，利用交变磁 场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。 电子标签具有各种各样的形状，但不是任意形状都能满足阅读距离及工作频率的 要求，必需根据系统的工作原理，即磁场耦合( 变压器原理) 还是电磁场耦合( 雷达 原理) ，设计合适的天线外形及尺寸。电子标签通常由标签天线( 或线圈) 及标签芯 片组成。标签芯片即相当于一个具有无线收发功能再加存贮功能的单片系统。从纯技 术的角度来说，射频识别技术的核心在电子标签，阅读器是根据电子标签的设计而设 计的。虽然，在射频识别系统中电子标签的价格远比阅读器低，但通常情况下，在应 用中电子标签的数量是很大的，尤其是物流应用中，电子标签有可能是海量并且是一 7 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 次性使用的，而阅读器的数量则相对要少的多。 实际应用中，电子标签除了具有数据存贮量、数据传输速率、工作频率、多标签 识读特征等电学参数之外，还根据其内部是否需要加装电池及电池供电的作用而将电 子标签分为无源标签( p a s s i v e ) 、半无源标签( s e m i - p a s s i v e ) 和有源标签( a c t i v e ) 三 种类型。无源标签没有内装电池，在阅读器的阅读范围之外时，标签处于无源状态， 在阅读器的阅读范围之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能。 半无源标签内装有电池，但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作 所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少。标签未进入工作状态前，一直处于 休眠状态，相当于无源标签。标签进入阅读器的阅读范围时，受到阅读器发出的射频 能量的激励，进入工作状态时，用于传输通信的射频能量与无源标签一样源自阅读器。 有源标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供应也部分地转换为 标签与阅读器通信所需的射频能量 6 1 。 射频识别系统的另一主要性能指标是阅读距离，也称为作用距离，它表示在最远 为多远的距离上，阅读器能够可靠地与电子标签交换信息，即阅读器能读取标签中的 数据。实际系统这一指标相差很大，取决于标签及阅读器系统的设计、成本的要求、 应用的需求等，范围从0 1 0 0 m 左右。典型的情况是，在低频1 2 5 蛆z 、1 3 5 6 m h z 频点上一般均采用无源标签，作用距离在1 0 3 0 c m 左右，个别有到1 s m 的系统。 在高频u h f 频段，无源标签的作用距离可达到3 1 0 m 。更高频段的系统一般均采用 有源标签。采用有源标签的系统有达到作用距离至1 0 0 m 左右的报道。 射频技术的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不局限于视线，识别距离比 光学系统远，射频识别卡可具有读写能力，可携带大量数据、难以伪造和智能性较高 等。射频识别和条码一样是非接触式识别技术，由于无线电波能”扫描”数据，所以 r f i d 挂牌可做成隐形的，有些r f i d 识别产品的识别距离可以达到数百米，r f i d 标 签可做成可读写的【7 1 。 射频标签最大的优点就在于非接触，因此完成识别工作时无须人工干预、适于实 现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频标签，操作快捷方 便。射频标签不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，短距离的射频标签可以在这样的环 境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距离的产品多用于交通上，可 0 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 达几十米，如自动收费或识别车辆身份【扪。 l 江d 识别的缺点是标签成本相对较高，而且一般不能随意扔掉，而多数条码扫 描寿命结束时可扔掉。 r f i d 适用的领域：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 换的场合，由于r f d 标签具有可读写能力，对于需要频繁改变数据内容的场合尤为 适用【9 】。 2 2r f i d 系统的工作原理 2 2 1r f i ) 系统的构成 射频识别系统通常由电子标签、读写器、计算机通信网络3 部分组成【1 0 1 ，如图 2 2 所示。 图2 2 射频识别系统的结构框图 1 电子标签 电子标签是射频识别系统的数据载体，主要包含如下的组成部分：存储器、天线、 电源和通信控制电路1 。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子 标签、无源电子标签和半无源电子标签。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没 9 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 有内装电池，半无源电子标签部分依靠电池工作。 2 读写器 读写器在射频识别系统中起着重要的作用。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了射频识别的距离。 读写器是r f i d 系统的主要组成部分。我们通过计算机应用软件来对射频电子标 签写入或读取其所携带的数据信息，读写器主要完成以下功能。 ( 1 ) 读写器与电子标签之间的通信功能：在特定的技术条件下，读写器与电子 标签之间可以进行通信。 ( 2 ) 读写器与计算机之间可以通过标准接口( 如r s - - 2 3 2 等) 进行通信。读写 器可以通过标准接口与计算机网络连接，并提供如下信息，以实现多读写器在系统网 络中的运行：本读写器的识别码、本读写器读出电子标签的实时时间、读出的电子标 签的信息等。 ( 3 ) 能够在读写区实现多电子标签同时读取，具备防碰撞功能。 ( 4 ) 适用于固定和移动电子标签的识读。 ( 5 ) 能够校验读写过程中的错误信息。 ( 6 ) 对于有源电子标签，能够标识电池的相关信息，如电量等1 2 1 。 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的传输功 能【1 3 1 。 2 2 2r f i d 系统的工作原理 射频识别系统的基本模型如图2 3 所示。电子标签与阅读器之间通过耦合原件实 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1 4 1 。 1 0 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 囝目 豳 图2 3 蛐的基本模型图 由图2 3 可以看出，在射频识别系统的工作过程中，始终以能量为基础，通过一 定的时序方式来实现数据的交换。因此，在r f i d 工作的空间通道中存在着三种事件 模型：以能量提供为基础的时间模型，以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型， 以数据交换为目的的事件模型。 1 以能量提供为基础的事件模型 读写器向电子标签提供工作能量。对于无源标签来说，当电子标签离开读写器的 工作范围以后，电子标签由于没有能量激活而处于休眠状态。当电子标签进入读写器 的工作范围以后，读写器发出的能量激活了电子标签，电子标签通过整流的方法将接 收到的能量转换为电能存储在电子标签内的电容器里，从而为电子标签提供工作能 量。对于有源标签来说，有源标签始终处于激活状态，和读写器发出的电磁波相互作 用，具有较远的识别距离。 2 以时序方式实现数据交换的实现形式事件模型 时序指的是读写器和电子标签的工作次序。通常有俩种时序：一种是读写器先发 言( r t f ，r e a d e rt a l kf i r s t ) ；另一种是标签先发言( 1 陌，t a gt a l kf i r s t ) ，这是读写 器的防冲突协议方式。 在一般状态下，电子标签处于“等待”或“休眠”工作状态，当电子标签进入读写器 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠 状态转到“接收”状态，接收 读写器发出的命令后，进行相应的处理，并将结果返回读写器。这类只有接收到读写 器特殊命令才发送数据的电子标签被称为r t f 方式；与此相反，进入读写器的能量 场主动发送自身系列号的电子标签被称为r r f 方式。 两种方式相比，r r f 方式的射频标签具有识别速度快等特点，适用于需要高速应 用的场合。另外，r r f 方式在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态变化的场合也 更为实用，因此，更适于工业环境的跟踪和追踪应用【1 5 1 。 3 以数据交换为目的的事件模型 读写器和标签之间的数据通信包括了读写器向电子标签的数据通信和电子标签 向读写器的数据通信。 在读写器向电子标签的数据通信中，又包括了离线数据写入和在线数据写入。 在电子标签向读写器的数据通信中，有二种工作方式。其一是电子标签被激活以 后，向读写器发送电子标签内存储的数据；其二是电子标签被激活以后，根据读写器 的指令，进入数据发送状态或休眠状态 1 0 i 。 电子标签和读写器之间的数据通信是为应用服务的，读写器和应用系统之间通常 有多种接口，接口具有以下功能：应用系统根据需要，向读写器发出读写器配置命令； 读写器向应用系统返回所有可能的读写器的当前配置状态；应用系统向读写器发送各 种命令；读写器向应用系统返回所有可能命令的执行结果【1 7 1 。 2 2 3r f i d 系统的基本工作流程 射频识别系统的基本工作流程如下： ( 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该标签的合法性，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； 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 ( 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，根据不 同的项目可以设计不同的软件来完成要达到的功能【1 3 】。 2 3 射频数据传输的完整性和安全性 2 3 1 射频数据传输的差错控制 r f i d 系统采用无接触的方式进行数据传输，因此在传输过程中很容易受到干扰， 包括系统内部的热噪声和系统外部的各种电磁干扰等，这些都会使传输的信号发生畸 变，从而导致传输错误【1 9 1 ，如图2 4 所示。 发送数据 干扰 接收数据 圈卫丑亚上卫丑五 图2 4r f i d 数据传输误码示意图 为了提高数字传输系统的可靠性，降低信息传输的差错率，可以利用均衡技术消 除码间串扰，利用增大发射功率、降低接收设备本身的噪声、选择好的调制方式和解 调方法、加强天线的方向性等措施，提高数字传输系统的抗噪性能，但上述措施也只 能将传输差错减小到一定程度。要进一步提高数字传输系统的可靠性，就需要采用差 错控制编码，对可能或己经出现的差错进行控制【捌。 2 3 2 射频数据传输的抗干扰措施 由于电子标签和读卡器之间是通过空间进行数据传输的，因而很容易遇到干扰， 致使传输数据发生错误【2 1 1 。数据发生错误以后，电子标签或读写器都有可能发生错误。 当接收读写器发出的命令以及数据信息发生传输错误时，如果被电子标签接收 到，可能会导致以下的结果： ( 1 ) 电子标签错误地响应读写器的命令； ( 2 ) 电子标签的工作状态发生混乱； ( 3 ) 电子标签错误地进入休眠状态圈。 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 当电子标签发出的数据发生传输错误时，如果被读写器接收到，可能导致以下的 结果： ( 1 ) 不能识别正常工作的电子标签，误判电子标签的工作状态： ( 2 ) 将一个电子标签判别为另一个电子标签，造成识别错误】。 可以采取的抗干扰措施包括以下几种： ( 1 ) 通过利用电子标签和读卡器之间的通信协议中约定的数据完整性方法，来 检验数据，检查数据是否出现传输错误。 ( 2 ) 通过利用数据编码来提高数据传输的抗干扰能力，使得数据在传输过程中 不易受到干扰。 ( 3 ) 通过利用数据编码和数据完整性校验，来纠正数据传输过程中发生的错误。 ( 4 ) 利用多次重发、比较，来排除出错的数据和保留判断为正确的数据 2 4 1 。 2 3 3 射频数据传输的安全性 射频识别技术在国内外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。射频识别系统中， 与安全相关的应用越来越多地被用到生活中，从而对安全功能提出了很高的要求。在 与安全相关的应用中，必须采用安全措施以防止“黑客”的蓄意攻击。防止某些人试 图通过射频识别系统来进行非授权访问或骗取服务 2 5 1 。 现代的鉴别协议，同样涉及对密匙的检测，可用适当的算法来防止密码被破解。 高度安全的射频识别系统对下列单项攻击应该能够予以防范： ( 1 ) 为了复制与或改变数据，未经授权地读出数据载体。 ( 2 ) 将外来的数据载体置入某个读写器的询问范围内，企图得到非授权的出入 建筑物或不付费的服务。 ( 3 ) 为了假冒真正的数据载体，窃听无线电通信并重放( 或欺诈) 数据 2 0 3 。 在选择射频识别系统时，应该特别重视其密码功能。一些对安全没有要求的应用 ( 例如：工业自动装置、工具识别等) 会由于引入密码过程，使费用不必要地增加。 与此相反，在安全性的应用中，省略密码过程，会由于使用假冒的电子标签来获取未 认可的服务，引起很严重的疏漏 2 7 1 。 1 4 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 2 4 多标签同时识别与系统防碰撞 射频识别的一个优点就是多个目标识别。在射频识别系统工作时，在读头的作用 范围内，可能会有多个应答器同时存在【2 引。在多个读头和多标签的射频识别系统中存 在着两种形式的冲突方式，一种是同一标签同时收到不同的读头发出的命令，另一种 是一个读写器同时收到多个不同标签返回的数据。第一种情况在实际使用中要尽量避 免，在这里我们仅考虑实际系统中最容易出现的情况，即一个读写器和多个标签的系 统。在这种形式的系统中，存在着两种基本的通信：从读写器到标签的通信和从标签 到读写器的通信【2 9 】。 从读写器到标签的通信，类似于无线电广播的系统，多个接收机( 标签) 同时接 收同一个发射机( 读写器) 发出的信息。这种通信方式也被称为“无线电广播”刚。 从标签到读写器的通信称为多路存取，使之在读头的作用范围内有多个标签的数 据同时传送给读头。 无线电通信系统中多路存取方法一般有以下几种形式，空分多路法( s c d m a ) 、 时分多路法( t d m a ) 、频分多路法( f d m a ) 、码分多路法( c d m a ) 【3 1 1 。 2 4 i 空分多路法 空分多路法是在分离的空间范围内进行多个目标识别的技术。一种方式是将读头 和天线的作用距离按空间区域进行划分，把多个阅读器和天线放置在这个阵列中。这 样，当标签进入不同的阅读器范围内时，就可以从空间上将电子标签区别开来。其实 现的另外一种方式可以在阅读器上利用一个相控阵天线，并使天线的方向性图对准某 个应答器t 3 2 。所以不同的应答器可以根据其在阅读器作用范围内的角度位置区别开 来。 空分多路方法的缺点是复杂的天线系统和相当高的实施费用，因此采用这种技术 的系统一般是在一些特殊的场合口3 】，例如这种方法在大型的马拉松活动中就获得了成 功。 1 5 武汉邮电科学研究院硕士学位论文 2 4 2 频分多路法 频分多路法是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供通信用户使用的技 术鲫。一般情况下，这种射频识别系统下行链路( 从读卡器到标签) 频率是固定的( 如 1 2 5 i 她) ，用于能量供应和命令数据的传输。而对于上行链路( 从标签到读写器) ， 射频标签可以采用不同的、独立的副载波频率进行数据传输( 如4 3 3 - 4 3 5 m h z 频率 范围内的若干频率) 3 5 1 。 f d m a 的一个缺点是阅读器的成本高，因为每个接收通路必须有自己的单独接 收器供使用，射频标签的差异更为麻烦嘲。因此，这种防碰撞方法也限制在少数几个 特殊的应用上。 2 4 3 码分多路法 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。c d m a 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信 息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽 被扩展，再经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 信号做相关处理，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。 其工作的基础就是产生正交的伪随机码( 互相关性很小的伪随机码) ，作为扩频码及 地址码【3 刀。 这种多路方式软件设计困难，而且读写器每一路都需要相应的硬件或软件支持， 非常复杂，所以不适合r f i d 系统。 2