（通信与信息系统专业论文）基于有源rfid的小区车辆管理系统的设计与实现.pdf

摘要 经济的发展和社会的进步使得汽车的数量急速增长，车辆的管理也变得越 发困难。目前最为常见的管理方式是使用近距离非接触式i c 卡。然而由于非接 触式i c 的读写距离比较近，车辆在进出时必须停车刷卡。在车辆进出频繁的位 置或时间，必然会造成车辆的堵塞。本文针对这一实际情况，采用有源r f i d 技 术来解决这一难题。并根据小区车辆管理的实际情况，开发一套基于有源r f i d 的小区车辆管理系统。 本文从实际出发，对小区车辆管理系统功能和性能的需求进行了分析，提 出了系统要实现的目标。并根据车辆管理的基本工作流程，以及工作过程中涉 及到的对象、事件和数据，最终确定系统的功能模块，完成了系统的总体设计。 然而有源r f i d 技术在给系统带来方便的同时，也存在着十分明显的安全隐 患。由于标签和读写器之间采用无线方式进行通信，且通信距离较远，这就使 得信息很容易被他人窃取，用于非法用途，造成难以估计的经济损失。为了有 效的解决这一安全隐患，本文针对有源r f i d 的通信过程，设计了一个基于h a s h 算法的认证协议。在文中对协议进行了具体描述，同时也对其安全性进行了分 析，并且在硬件电路上实现了该认证过程，从而有效地保证系统的通信安全。 文章的最后根据车辆管理系统的总体设计方案，采用c s 模式，通过在 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 环境下，使用v i s u a lc f 结合s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库 完成了数据库的设计和系统的开发。同时对系统中所涉及到的关键技术身 份验证以及车辆进出管理功能的实现过程进行了详细讨论。 系统经过实际调试和运行，基本达到了预期的目标，实现了相关功能。基 于有源r f i d 技术的小区车辆管理系统，实现了车辆出入的自动化控制，方案合 理、先进，对停车场、机关单位等场所的车辆进出控制和智能化管理有着重要 的意义。 关键词：车辆管理系统；r f i d ；读写器；标签；h a s h 算法 a b s t r a c t e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n ds o c i a lp r o g r e s sm a k ear a p i dg r o w t hi nt h en u m b e ro fv e h i c l e s s ov e h i c l em a n a g e m e n tb e c o m e sm o l ea n dm o r e d i f f i c u l t c u r r e n t l yt h em o s t c o r g x f l o n m a n a g e m e n ts t y l ei st ou s eac l o s en o n - c o n t a c ti cc a r d h o w e v e rt h ed i s t a n c eo fn o n - c o n t a c ti c c a r dr e a d i n ga n dw r i t i n gi ss om u c hc l o s e rt h a tv e h i c l e sm u s ts t o pt oc h e c ki tw h e nt h e ya r e e n t e r i n go rl e a v i n g t h i sw i l ll e a dt ob l o c k i n gd u r i n gr u s hh o u ro ri nt h ep o s i t i o nw h e r ev e h i c l e s p a s si na n do u tf r e q u e n t l y i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，t h i sp a p e ru s e st h ea c t i v er f i dt os o l v et h i s p r o b l e m a n da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fc o m m u n i t y sv e h i c l em a n a g e m e n t ，t h i ss u b j e c t d e v e l o p sav e h i c l em a n a g e m e n ts y s t e mo fc o m m u n i t yb a s e do nt h ea c t i v er f i d t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e q u i r e m e n to ft h ef u n c t i o na n dt h eq u a l i t yo fc o m m t m t y sv e h i c l e m a n a g e m e n ts y s t e mf r o mr e a l i t y , a n ds e tf o r t ht h ea i m sw h i c ht h es y s t e ms h o u l da c h i e v e a c c o r d i n gt ot h eb a s i cw o r k f l o wo fv e h i c l em a n a g e m e n ta n dt h eo b j e c t s ，e v e n t sa n dd a t aw h i c h a r ei n v o l v e di nw o r k f l o w , i tw i l ld e t e r m i n et h ef u n c t i o no ft h es y s t e ma n dc o m p l e t et h eo v e r a l l d e s i g no ft h es y s t e ma tl a s t h o w e v e r , t h ea c t i v er f i dt e c h n o l o g yp r o v i d e sn o to n l yc o n v e n i e n c eb u ta l s oh i d d e nd e f e c t s t ot h es y s t e m b e c a u s et h et a gc o m m u n i c a t e sw i t ht h er e a d e rb yw i r e l e s sa n dt h ed i s t a n c eo ft h e c o m m u n i c a t i o ni sl o n g i tn l a k e st h ei n f o r m a t i o ne a s i l ys t o l e nb yo t h e r s i ft h i si n f o r m a t i o ni s u s e di l l e g a l l y , t h i sw i l lc a u s ei n c a l c u l a b l ee c o n o m i cl o s s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m , t h i sp a p e r d e s i g na na u t h e n t i c a t i o np r o t o c o lb a s e do nh a s ha l g o r i t h mw h i c hi si nv i e wo ft h ea c t i v er f i d c o m m u n i c a t i o n i nt h ep a p e ri tn o to n l yd e s c r i b e st h ep r o t o c o li nd e t a i la n da n a l y z e si t ss e c u r i t y b u ta l s ob r i n g sa b o u tt h ep r o t o c o li nh a r d w a r e i ti sp r o v e dt h a tt h ep r o t o c o lc o u l de n s u r et h e s e c u r i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n f i n a l l yt h i sp a p e ru s e s t h ec sm o d ea c c o r d i n gt ot h eo v e r a l ld e s i g no ft h ev e h i c l e m a n a g e m e n ts y s t e m c o m p l e t et h es y s t e ma n dd a t a b a s ew i t hv i s u a lc 撑w h i c hb e l o n g st o m i c r o s o rv i s u a ls t u d i o2 0 0 5a n ds q ls e r v e r2 0 0 5 m e a n w h i l e ，i ta l s oi n t r o d u c e ss o m ek e y t e c h n o l o g i e sa b o u tt h es y s t e m ，s u c ha su s e ra u t h e n t i c a t i o na n dv e h i c l ea c c e s sc o n t r 0 1 w i t ht h ea c t u a ld e b u g g i n ga n do p e r a t i o n ，t h es y s t e mb a s i c a l l ya c h i e v e st h ee x p e c t e da i m s a n dp e r f o r m st h er e l a t e df u n c t i o n s t h ev e h i c l em a n a g e m e n ts y s t e mo fc o m m u n i t yb a s e do nt h e a c t i v er f i dm a k e sv e h i c l ea c c e s sa u t o m a t i c 1 1 圮s o l u t i o ni sr e a s o n a b l ea n da d v a n c e d i ti s h i g h l ys i g n i f i c a n tt ov e h i c l ea c c e s sc o n t r o la n di n t e l l i g e n tm a n a g e m e n tf o ral o to fp l a c e s ，s u c ha s p a r k i n gl o t ，d e p a r t m e n ta n du n i t k e yw o r d s ：v e h i c l em a n a g e m e n ts y s t e m ；r f i d ；r e a d - w r i t ei n s t r u m e n t s ；t a g s ；h a s h a 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。 签名：扬盎盘日期：坦2 。1 2 ：! 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：翅盎盘 导师签名：擎堕耋e l 期：2 ；：! ： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着我国经济的快速发展，汽车拥有量飞速增加。面对不断增长的汽车数 量，车辆的管理也变得越发困难。如何让小区工作人员能够及时地了解每一辆 车的情况，已经成为小区车辆管理急需解决的一个难题。 车辆管理的关键在于车辆的识别，车辆识别技术的优劣直接影响着车辆管 理水平的高低。通过肉眼识别和人工记录方式来对车辆进行识别的方式，由于 效率低，错误率高，已经被淘汰。人们渐渐开始使用各种仪器来识别车辆，目 前最为常见的方式是适用近距离非接触式i c 卡。比起人工方式，近距离非接触 式i c 卡在效率和正确率上都有着明显的提高。然而由于非接触式i c 的读写距 离比较近，车辆在进出时必须停车刷卡。在车辆进出频繁的位置或时间，必然 会造成车辆的堵塞。 针对这种状况，使用有源r f i d 技术对车辆进行远距离自动识别是最佳的解 决方案之一。有源r f i d 的通信距离远，传输速率高；环境适应性强，可不受天 气影响，全天候工作；而且可穿透非金属物体行识别，抗干扰能力强。正是因 为这些优势，使用有源r f i d 技术的车辆在进出时，无需停车即可识别，可以有 效的解决车辆进出频繁所造成的阻塞现象。有源r f i d 技术已经成为小区车辆识 别系统中的首选技术【l 捌。 1 2 国内外研究现状 远距离有源r f i d 技术由于其自身的优势，发展十分的迅速，已经被广泛应 用于众多领域。在物流领域的应用最多，紧随其后的是航空，汽车交通，医疗。 例如高速公路自动收费系统，火车监控系统，集装箱检测，人员定位，停车场 管理，安全进出检查，仓储管理等掣孓7 1 。 在国外，有源r f i d 技术起步较早，已经成功的应用在很多领域。 最近，荷兰采用有源r f i d 技术，对草莓进行实时温度监控。一项调查显示， 大约有5 0 的食品在食品供应链中浪费。草莓和那些对温度高度敏感的软水果 带来的经济损失最大，因此实时温度监控系统是必要的。荷兰有源r f i d 系统供 应商宣布成功试验了全新的冷藏链监控系统，为西班牙最大的有机草莓生产商， 武汉理工大学硕士学位论文 采用了r f i d 技术来监测草莓的温度。有源r f i d 标签粘附在水果篮子上，可实 时监测温度，并将信息传输到监控中心【8 1 。 在瑞典，芬兰家居建材零售商利用r f i d 提高商店布局。该零售商在商店内 采用了实时定位系统，利用有源r f i d 标签获取顾客行为信息。希望通过分析顾 客的购物习惯，改进商店的布局。从而达到提高顾客对产品的关注、商店的人 流和减少缺货p 】。 美国应用有源r f i d 系统追踪和定位矿工，防范突发伤亡。以前，大多数美 国煤矿仅有简单或干脆没有合适的追踪系统。公司只能知道谁在煤矿中工作， 但不知道每个人的具体位置。一旦遇到突发事件，救援人员无法及时准确的了 解人员所在的位置。现在通过给矿工发放内嵌有2 4 g h z 有源r f i d 标签的徽章， 并为其编上一个唯一的身份识别码。同时在煤矿中装入读写器作为节点，这些 节点记录着徽章的身份识别码和信号强度，然后通过一个z i g , b e e 通信连接器将 数据发送给附近的读写器。读写器再把信息转发给下一个读写器，直到信息传 到管理中心的电脑上。这样在突发事件中，该系统可以及时有效地定位地下通 道中矿工所处的位置，并对矿工及煤矿的地下基础设施进行实时追踪定位【l o 】。 印度珠宝商借助有源r f i d 确保昂贵珠宝安全。所有放在柜橱里的珠宝都贴 有标签，每个标签都有一个独特的d 号，在后台数据库与所系物品的信息相对 应。由于有源标签读取距离较长，员工无需采用传统的方式进行盘点，就可以 及时了解库存和追踪商品【1 lj 。 在我国，有源r f i d 技术比之国外起步较晚，应用的领域还不够广泛。在国 家的支持和全社会运用信息技术提高效益和质量的形势的推动下，有源r f i d 的 发展已经初具规模，很多产品已经逐渐被应用在各个行业和领域。 有源r f i d 技术和移动短信平台相结合构成的家校通系统。该系统为每个学 生发放一个含有远距离有源电子标签胸章( 校徽) ，且每个胸章拥有唯一的编号。 当学生到达校门时，附近的读写器立即读到学生所佩戴的胸章( 校徽) ，并将该 胸章所拥有的编号发送给后方短信服务系统，系统立即按照数据库中记录的信 息向该学生的父母发一条学生已到的手机短信；同样，如果学生离开校门的话， 系统也会向该学生的父母发一条学生已离开的手机短信。通过使用该系统，老 师和家长随时知道小孩所处的位置，同时也可以通过移动通信短信查询学生的 一些学习情况【i 2 1 。 使用有源r f i d 技术，对监狱中的服刑人员进行定位。系统为每个服刑人员 佩带腕式标签，同时在监狱的主要出入口装上阅读器和定位器。当服刑人员通 过定位器的有效工作范围内时，定位器就会自动把自身的位置信息发送给服刑 2 武汉理工人学硕士学位论文 人员佩戴的腕式标签。标签接受到信息以后，将接收到的位置信息以及自身的 m 号发送给阅读器，并由阅读器将收集的信息传递给电脑。电脑系统经过统一 的分析腕式标签的d 信息和地址信息是否正常，腕式标签的活动状态是否异常。 如果发现异常则发出警报，及时地通知监狱管理人员【1 3 1 。 除此之外，在国内有源r f i d 技术还被成功的应用于资产管理，港口集装箱 识别以及一些车辆管理系统中。 总而言之，有源r f i d 技术的研究是一个崭新的应用技术领域，由于其具备 发射功率低、传输数据率大、通信距离长、可靠性高和兼容性好等众多特点， 大力开发有源r f i d 技术的研究具有非常重要的意义。 1 3 本文所做工作 为了提高物业对小区内私家车管理的水平，减轻管理人员的劳动强度，解 决进出小区必须停车检查的问题，采用有源r f i d 技术对车辆进行自动识别。从 而实现内部车辆进出小区时无需停车，读写器根据车载标签信息对比后方数据 库，自动为车辆放行。有效提高了物业对车辆的管理效率。本论文的主要工作 内容包括以下几个部分： 1 分析了有源r f i d 读写器及标签的组成部分及功能模块，以及实现标签与 读写器的通信以及读写器与上位机的通信的过程与需求； 2 针对有源r f i d 单向发送信息的通信模式，分析潜在的安全隐患。提出使 用s h a l 算法对相关信息加密，并设计完整的通信协议以保证系统通信的安全： 3 根据小区车辆管理的实际情况，对系统进行具体的需求分析。明确小区车 辆管理的工作流程、涉及到的对象以及各类用户。最终确定系统必须的功能模 块，并使用v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 开发平台结合s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库实现该系统。 1 4 本文组织结构 本论文各个章节安排如下： 第1 章：绪论。综述了当前有源r f i d 技术的国内外研究现状，阐述目前车 辆管理系统当前的研究成果及不足之处，提出运用有源r f i d 构造小区车辆管理 系统解决方案的必要性，明确了本文的主要工作内容及文章的组织结构。 第2 章：有源r f i d 系统的组成与特点。对r f i d 的组成及其分类进行了分 析，对有源r f i d 的工作原理进行了讨论，为基于有源r f i d 的小区车辆管理系 3 武汉理工大学硕士学位论文 统的实现提供了理论基础。 第3 章：基于有源r f i d 的小区车辆管理系统的总体设计方案。从功能和性 能两个方面对小区车辆管理系统进行了需求分析。根据小区车辆管理系统的实 际工作情况，确定系统的工作流程、数据流以及关系实体。最终确定系统必须 的功能，并划分出了功能模块。 第4 章：有源r f i d 系统的安全性研究。在全面了解有源r f i d 系统的相关 知识后，针对有源r f i d 的通信方式，结合小区车辆管理系统的实际应用背景， 使用基于s h a l 算法加密的认证过程来保证系统的安全性。 第5 章：基于有源r f i d 的小区车辆管理系统的具体实现。在确定系统的开 发工具及数据库后，介绍了系统数据库的设计。同时对系统关键模块的工作过 程及实现函数进行了具体描述。 第6 章：总结与展望。总结本文工作成果，并对今后的工作方向进行了的 展望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章有源r f ld 系统的组成与特点 2 1r fld 系统的组成 2 1 1r fid 的概念 r f i d t h 以8 】的全称是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 ，即射频识别。r f i d 是从 上世纪八十年代发展起来的一种非接触式的自动识别技术。它利用射频信号来 自动识别目标对象，并获取目标所携带的相关数据。r f ( 射频) 特指具有一定 波长可用于无线通信的电磁波。 r f i d 作为识别技术的一种，与传统的条码技术相比，既有相似之处，也有 不同之处。对于条形码来说，它是事先将经过编码的条形码附着于物体上，通 过扫描器向条形码发出光波，并根据条形码所返回的光信息来识别物体。而r f i d 则是附着一个电子标签在目标物体上，并且该标签携带有物体的相关信息。当 读写器要识别物体时，标签便使用无线信号，将自己所携带的信息发送给读写 器。标签中记录着所附着物的各类相关信息，例如：该目标物的名称、大小、 重量、价格、产地、厂商等；或者运输起始地、中转地、终止地以及经过某一 地的具体时间等；也可以实时载入一些变化的信息例如温度、湿度等指标。 r f i d 是一项易于操控、简单实用且特别适合用于自动化控制的应用技术。 它分为只读式和可读写式两种工作模式，工作时采用无线通信，无需接触；识 别工作自动完成，无需人工干预，可以在各种恶劣环境下正常工作。r f i d 的优 点主要体现在如下几个方面：( 1 ) 无接触识别、阅读距离远。标签不需要接触 读写器，通过无线信号即可识别，且识别距离较远。( 2 ) 识别速度快。标签一 旦进入读写器的工作范围即可被识别，可同时识别多个标签。( 3 ) 可识别移动 物体。附着在移动物体上的标签，一旦进入读写器的识别范围内，即可被识别， 无需停止移动。( 4 ) 穿透性强。可穿过布、皮、木等非金属材料进行识别。( 5 ) 可全天候工作。环境适应力强，可以在任何恶劣的条件下工作。由此可见，r f i d 技术所具备的独特优越性是其它识别技术无法企及的。 2 1 2r fid 系统的组成 一般来说，一个完整的r f i d 系统应当包含电子标签、读写器和计算机数据 管理系统三部分，如图2 1 所示。其中电子标签主要由天线和控制芯片组成，在 5 武汉理工大学硕士学位论文 墅焉p 翰 妨薹愆i 巨习 图2 1k f i d 系统组成示意图 标签的控制芯片中含有一个惟一的编号，这个编号一般是有特定的规范和格式 的电子数据。在实际应用的过程中，首先在r f i d 标签中写入要识别物体的信息， 然后把p - i z i i ) 标签安装到要识别物体的表面；读写器是可以非接触地读取和写入 标签信息的设各。它通过一定的接口和后方的计算机进行通信并通过网络和 其他的计算机通信，从而完成对r f i d 标签信息的获取、识别和管理。读写器一 般可阻设计成手持式、固定式或其他形式；计算机管理系统主要任务是对读写 器发送来的数据信息进行存储和管理，并借助读写器对电子标签进行读写控制。 计算机管理系统可以是由相关应用程序开发软件自主开发的小型数据库管理系 统，也可以通过集成r f l i ) 管理模块的大型企业资源规划数据库管理软件。 1 、r f d 标签 r f i d 标签是系统的数据载体，携带着被标识物体的信息。通常情况下，r f i d 标签由天线和专用芯片两个部分组成。 r f m 标签相当于条形码技术中的条形码，一般附着在要标识物品上。但是 标签与条形码最大的区别是，r f i d 标签能够自动或者是在收到读写器命令后， 可以主动地将自己所存储的信息发送出去。同时，r f i d 标签必需必须非常薄、 柔韧、可弯曲，而且最关键的是可读写。标签所保存的数据在某些特殊的情况 下，可以被读写器读写或修改。r f i d 标签内还可以存储一些与人员相关的信息， 读写器根据这些人员的信息可以进行分别管理。根据需求的不同，电子标签可 以制作出不同的类型同时r f i d 标签的内容可咀根据需要，永久的保护起来。 通常情况下，电子标签内部的芯片体积必须很小，而且厚度一般不能超过o 3 m m 。 这样才可以使标签附着在纸张、玻璃或者其他材料的包装上。 2 、读写器 武汉理工大学硕士学位论文 读写器是雎系统中用来识别标签的专用仪器，是系统的重要组成部分。 读写器一般是由控制器和天线两个部分组成。它的主要功能是负责根据需求读 取或写入标签信息。既可以独立完成标签数据读写、显示和处理功能，也可以 和其他设备( 计算机或其他系统) 结合，共同完成上述功能。由于所需要的功 能不同，标签的类型也不相同，因而读写器的复杂程度也不尽相同。但作为一 个读写器，其垃基本的功能就是与电子标签进行通信，完成数据交换。同时， 读写器还可以完成一些其他复杂的操作，例如信号状态控制、奇偶校验等功能。 通常情况下，读写器一般包含有控制模块、射频模块咀及天线等必要功能 模块。除此之外，读写器还可咀增加一些辅助的功能模块，以完成一些附加的 功能。例如许多r f d 读写器还附加有接口模块( 如串口、u s b 、以太网口等) ， 从而使读写器可以将所获得的数据发送给后方的应用软件或者管理系统。 3 、计算机数据管理系统 位于后方的计算机数据管理系统，其主要功能就是控制读写器对电子标签 进行相关操作，并将读写器所识别的数据信息进行存储、管理。计算机数据管 理系统既可以是常见的一些数据库管理软件或者相关的供应链系统，也可阻是 用户根据自身需求所制作的，面向特定功能的、更加专业的计算机数据管理系 统，或者把整个r f i d 系统作为企业资源计划系统的一部分。标签内部数据的写 入，一般情况下是离线完成的，事先使用专用的设备将标签所对应的数据初始 化到标签的内部芯片中。等到开始使用时，只需要把标签直接附着在要标识物 体上就可以了。也有一些e f i d 系统的数据写入是在线完成的，特别是在一些生 产环境中需要信息交互的系统中，往往要将信息作为便携数掘来处理，及时更 新最新的信息。 r f i d 标签和读写器所构成的r f i d 系统归根结底是为应用服务的。由于应 用领域的多种多样，r f i d 系统也干变万化，各不相同的。读写器与后方的应用 软件系统之间的接口，通常用一些可以由应用程序开发工具( 如v e h 、d e l p h i 等) 调用标准a p i 函数来表示。 2 2 有源r f i d 系统的组成与特点 2 2 1r f ld 系统的分类 近年来随着r f i d 技术的发展和普及，市面上的r f d 产品越柬越多，型 态各异。根据r f i d 系统的特征，可以将射频识别系统进行多种分类。 武汉理工大学硕士学位论文 根据电子标签工作频率的不同，可以将其分为低频( 3 0 k h z 一一3 0 0 k h z ) 、高频 ( 3 m h z 3 0 m h z ) 、超高频( 3 0 0 m h z 一3 g h z ) 和微波频段( 3 g h z 以上) 系统。 目前比较典型的工作频率有：1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z ，1 3 5 6 m h z ，2 7 1 2 m h z ，4 3 3 m h z ， 9 0 2 9 2 8 旺l z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z 等。 根据电子标签供能方式的不同，可以将其分为有源的、无源的以及半有源 的。有源电子标签内装有电池，一般具有较远的阅读距离，不足之处是电池的 寿命有限，一般是2 l o 年；无源电子标签内无电池，它接收到阅读器( 读出装 置) 发出的信号后，将发送信号的部分能量转化为直流电供自己工作，一般可 做到免维护、体积小、寿命长、较便宜。但它的发射距离一般只有几十厘米。 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。 根据电子标签调制方式的不同，可以将其分为主动式、被动式和半主动式。 主动式的电子标签一般为有源标签，它使用自身电池的能量主动地发送数据给 读写器。一般用于有障碍物的应用中，且读写距离较远，可达3 0 米。被动式的 电子标签一般为无源标签，使用读写器发送来的信号获得能量，然后将所需的 信息发送出去。这种标签一般适宜在门禁或交通应用中使用。半主动式标签自 身带有电池，此种标签一般也不主动发送数据。只有被读写器的能量激活时， 标签才会由自身电池提供能量，向外发送信息。 根据电子标签内部信息是否可以改写，可以将其分为只读式和可读写式。 只读式标签一般在集成电路生产时，即将信息以r o m 工艺模式写入芯片中，这 些被保存的信息是无法改变的。而可读写式标签，一般将电子标签的信息写入 其内部的e 2 存贮区中。改写信息时必须要有专用的编程器，同时改写过程中也 必须为其供电。一般情况下改写电子标签数据所需时间远大于读取电子标签数 据所需时间。通常来说，改写所需时间以秒来计算，阅读时间以毫秒来计算。 r f i d 技术是一种非接触式自动识别技术，通过无线电波或者微波来达到数 据识别和交换的目的。其中，电子标签和读写器之间的通信，是通过自身的耦 合元器件来向对方发送射频信号的。在通信空间内，根据一定的时序关系，实 现相互间的数据交换。 读写器和标签之间的通信所使用的射频信号的耦合方式有两类：一类是电 感耦合，一类是电磁反向耦合。电感耦合主要是根据电磁感应定律，在通信空 间中产生交变的磁场实现耦合。该耦合主要用于中、低频的近距离r f i d 系统。 电磁反向耦合，则是通过向外发射电磁波，当这些电磁波碰到目标后就会 产生反射，并携带目标物体的信息返回。电磁反向耦合一般用于超高频和微波 段的远距离r f i d 系统。 8 武汉理工大学硕士学位论文 读写器和电子标签的通信包括两个部分：一个是读写器向标签发送相关的 命令操作数据；一个是电子标签根据命令将反馈信息发回给读写器。读写器与 电子标签之间的数据交换包括无线写入和在线写入两种方式。 从目前市场上的r f i d 系统来看，可以直接读写的r f i d 系统并不多，而且 写入性能也并不是很好，因此，在大多数应用场合，使用的都是只读r f i d 系统， 都是运用后台来支持电子标签的数据属性。对于标签向读写器的数据通信过程， 其工作方式包括以下两种： ( 1 ) 电子标签收到读写器的射频能量时，即被激活并向读写器反射电子标 签存储的数据信息： ( 2 ) 电子标签被激活后，根据读写器指令进入数据发送状态或者休眠状态。 根据电子标签能量供给方式的不同，r f i d 系统分成无源r f i d 系统，有源 r f i d 系统，半有源r f i d 系统。下面分别简要地介绍这三类r f i d 系统的工作 原理。 1 、无源r f i d 系统的工作原理 无源r f i d 系统的读写器根据需要向外发射电磁波，而此电磁波有着一定的 辐射范围。当电子标签进入读写器的有效范围内，电子标签就会将读写器所发 射的电磁波转化成能量进而存储起来，变成内部电路所需的能量。然后将自身 存储的识别信息( d ) 再以电磁波的方式发送给读写器，读写器经过确认后继 续进行相关操作。如果电子标签能够以无线的方式更改自身保存的信息，那么 这个系统就是可读写式无源r f i d 系统。 2 、有源r f i d 系统的工作原理 有源r f i d 系统的电子标签一般含有电池，由电池为内部电路提供工作电 能，不需要读写器供电。当电子标签进入读写器的有效范围内以后，电子标签 主动地将自身存储的识别信息( i d ) 再以电磁波的方式发送给读写器，然后读 写器根据该信息进行操作。如果电子标签能够以无线的方式更改自身保存的信 息，那么这个系统就是可读写式的有源r f i d 系统。 3 、半有源r f i d 系统的工作原理 半有源r f i d 系统的电子标签一般内部有两个通信频率，低频用来唤醒电路 开始工作，并用电池供电，使用高频来发射信号。当有无源电子标签进入读写 器有效读写范围内后，标签接收到来自读写器所发射低频信号，通过电感藕合， 使得耦合线圈产生电流。然后电子标签利用这部分电流瞬间上电，唤醒电路， 然后使用电池给电子标签内部电路工作供电，直到完成与读写器的通信。半有 源r f i d 系统比起有源r f i d 系统来说，更为复杂。但是它有效地解决了有源r f i d 9 武汉理工大学硕士学位论文 系统的低功耗问题，使得电子标签使用寿命更长久。 2 2 2 有源r fid 系统的组成 有源r f i d 技术在国内还处于起步阶段，然而由于有源r f i d 技术独特的优 势，市场前景非常广阔，是未来发展和研究的方向。虽然有源r f i d 系统与其他 r f i d 系统一样，也包含读写器，电子标签和计算机管理系统三个组成部分。但 其读写器和标签所使用的技术却有别于其他r f i d 系统。下面分别对有源r f i d 读写器和标签的进行介绍。 l 、有源r f i d 读写器 有源r f i d 系统读写器最基本的功能模块包括控制模块、射频模块、天线和 电源。为了方便与其他设备的通信，一般读写器还必须要有串口通信模块或者 其他接口模块。有源r f i d 读写器的结构图如图2 2 所示： 图2 2 有源r f i d 读写器的结构框图 读写器也称为阅读器，主要用来接收射频标签发送的信息。它在射频识别 系统中的作用举足轻重，是r f i d 系统关键组成部分之一。通常情况下，我们借 助计算机中的相关软件来读取或者写入标签所携带的信息。由于计算机无法直 接与标签进行通信，因此必须借助于读写器做媒介。应用软件通过读写器发送 命令给标签，同样标签也通过读写器将自己的信息传递给应用软件，从而实现 标签和应用软件之间的通信。所以读写器主要完成以下功能： ( 1 ) 读写器与标签之间的通信。在标签和读写器经过初始化之后，读写器 和标签之间可以正常通信。 ( 2 ) 读写器与计算机之间的通信。读写器通过自身的接口，可以和计算机 进行通信，这些接口包括：串口( r s 2 3 2 r s 4 8 5 ) ，网口，u s b 等。 ( 3 ) 同时识别多个标签。当读写范围内存在多张标签时，必须具备防碰撞 功能，能够同时识别多个标签。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 有校验功能。在传递信息的过程中，能够及时发现过程中的错误信息。 对于有源r f d 来说，由于读写器和电子标签的通信距离较远，双方是通过 无线射频信号传递信息的。同时，由于标签自身带有电池，不需要读写器发送 信号来提供能量，而是不停地主动地向外发射自己所携带的数据和信息。当标 签位于读写器的有效读写范围内，读写器就可以收到标签发送的信号，并识别 标签所发送的数据进行相关操作。 射频模块对于读写器来说，其主要功能是将要发送的微波信号经过放大和 调制后，发送给标签；同时接收来自标签所反馈的信号，识别相关数据。 控制模块作为读写器的核心部分，通常由处理器、存储器以及标准接口构 成，主要完成下列功能：与后方的计算机管理系统通信，接收系统的命令；与 标签进行无线通信，将管理软件所发送来的命令发送给标签，并接收标签发回 的反馈信息；最后将标签所应答的信息传递给后方的计算机应用软件。在整个 过程中，读写器还必须对发射信号和接收信息进行相应操作，包括：编码、解 码、加密、解密等。而且要具有一定的防碰撞算法，用以同时识别多个标签。 在本系统中所使用的读写器控制芯片采用的是m s p 4 3 0 f 1 4 9 t 1 9 】，射频芯片采 用的是n r f 2 4 0 1 t 2 0 】。 t i 公司所开发的m s p 4 3 0 系列单片机( 或者称为微处理器) ，具有功能强大 和超低功耗的特性。内置很多功能模块，在使用只需要通过程序进行简单的配 置，即可使用。m s p 4 3 0 f 1 4 9 型1 6 位单片机除了以上特点外，还具有以下特点： ( 1 ) 低功耗。当m s p 4 3 0 f 1 4 9 以1 m h z 时钟运行时，随着工作模式的不同， 电流可以从0 1 衅到4 0 0 p a 进行变化，而工作电压为1 8 3 6 v 。一共包含5 种 节电模式。 ( 2 ) 强大的处理能力。m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部含有强大的寻址方式( 源操作数 有7 种，而目的操作数有4 种) ，但操作指令只有简洁的2 7 条；芯片内部包含 大量的寄存器和存储器，可实现多种复杂运算；同时还具有高效的查表处理方 式。由于这些特点的存在，有效地保证了可以编制出高效的程序。而且 m s p 4 3 0 f 1 4 9 内的中断源比较多，使用方便、灵活，可以进行任意嵌套。当系统 处于低功耗备用状态时，想要唤醒它只需要6 “s 的时间。 ( 3 ) 内置多个功能模块。在m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片的内部集成了大量的外围功 能模块。例如：数模转换器、模拟比较器、硬件乘法器等。同时内部还有两组 频率为8 m h z 的时钟模块，两个带有捕获比较寄存器的1 6 位定时器，一个看门 狗，两个串行通信接口，以及数十个可设置方向及中断的端口等。 ( 4 ) 方便高效的开发方式。m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片内部带有f l a s h 存储器，这 武汉理工大学硕士学位论文 使得它的开发过程相当简单。只需要利用1 4 9 本身的j t a g 接口，通过p c 机以 及相应的j t a g 控制器，就可以将所需的程序下载到芯片内部。同时还可以通过 j t a g 口对程序进行调试。 ( 5 ) 存储器形式多样化。m s p 4 3 0 f 1 4 9 还包含各个型号存储器，例如r o m 型、o t p 型和f l a s h 型，可以适应产品设计、开发、生产等的各个不同阶段的 需要。 ( 6 ) 适应工业级运行环境。m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片工作的环境温度范围为 - 4 0 - - , + 8 5 ，可以在各种常见的工业环境下运行。 n r f 2 4 0 1 是由n o r d i c 公司所生产单片射频收发芯片，工作频段位于 2 4 - - , 2 。5 g h z 。芯片内部集成了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器以及调制器 等模块。输出功率的大小以及通信频道的选择，都可以可通过程序在内部进行 配置。该芯片最大的特点就是功耗非常低，以5 d b m 的功率发射时，工作电流 只有1 0 5 m a ，而接收时的工作电流也只有1 8 m a 。同时还具有多个工作模式， 使得芯片最大程度地减少功耗。并且由于d u o c e i v e r t m 技术的存在，使得 n r f 2 4 0 1 可以使用一个天线，同时接收来自两个不同频道的数据。 n r f 2 4 0 1 内置很多功能模块，例如：功率放大器、频率合成器、g f s k 滤波 器、解调处理器、地址解码器、时钟处理器、以及先入先出堆栈区等。因此n r f 2 4 0 1 在使用时，只需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。 n r f 2 4 0 1 芯片拥有两种通信模式，即直接模式( d i r e c tm o d e ) 和突然爆破 模式( s h o c k b u r s t t mm o d e ) 。 直接模式与传统射频收发器的工作方式一样。发送数据时，收发器会自动 在地址码和数据的后面添加校验码，以保证传输数据的正确性。 而s h o c k b u r s t t m 模式则有别于传统工作方式。在该模式下，芯片会自动处 理数据头以及校验码，然后利用芯片内部的先入先出堆栈区，将全部数据低速 从微控制器送入，再以高速( 1 m b p s ) 发射出去，这样可以节省很多能量。使用 该模式工作有三个好处：( 1 ) 节省能量：( 2 ) 减少系统费用( 使用低速微处理 器也可以高速射频发射) ；( 3 ) 减少数据在空中停留的时间，因此抗干扰性强。 而且，使用s h o c k b u r s t t m 技术也减小了整个系统的平均工作电流。 2 、有源r f d 标签 有源电子标签是指标签工作的能量由电池提供，而非感应读写器的能量。 常见的有源电子标签工作于4 3 3 m 频段或2 4 g 工作频段。有源r f i d 电子标签 基本由控制电路，射频电路以及天线和电池组成。有源r f i d 电子标签的结构框 图如图2 3 所示： 1 2 武汉理工大学硕七学位论文 图2 3 有源r f i d 电子标签的结构框图 有源r f i d 系统的主要目的就是利用读写器，从电子标签中获取目标对象的 相关资料和信息。因此，基于上述目的，电子标签内部必须有天线模块，用来 接收读写器的命令并发射反馈信息；必须要有存储模块，用来存放目标对象的 相关信息和资料；还必须要用控制模块，当外部电池为电路提供电源时，控制 电路可以进行相关的数据处理之后，输出相关的数据信息；除此之外，调制电 路也是电子标签必须的功能模块，用来把标签内部的信息转化成可以发送的电 磁波。 由于有源电子标签内的控制电路以及射频电路工作时所需要的能量都是电 池所提供。因此为了使标签能够使用的时间更长，而且不必频繁更换电池，就 必须保证标签的功耗非常低。所以在控制芯片和射频芯片的选型方面，低功耗 是首要因素。本文中电子标签的控制芯片选用1 1 公司的m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 单片机， 射频芯片选用n o d i c 公司的n r f 2 4 l 0 1 t 2 。 m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 是t i ( 德州仪器) 公司推出的高集成度、