（通信与信息系统专业论文）rfid技术在矿井人员定位中的应用研究.pdf

江苏大学硕l 学位论文 摘要 摘要 由于煤矿作业环境的特殊性，以及矿难的不断发生，井下安全生产以及人员 的管理和营救一直是困绕人们的重大难题。本文利用射频识别技术对井下人员定 位系统进行了研究。该技术是一种新兴的短距离无线通信技术，由于此技术广阔 的应用前景，近年来受到越来越多的关注，被用到了各行各业中。本文利用该技 术来自动识别人员信息，采集周围环境数据，让地面调度室能实时得到地下信息， 大大提高了煤矿生产的信息化水平，为管理和营救工作提供了依据。 本文首先对整个系统进行了分析，对射频识别技术理论中的防冲突算法进行 了研究，提出了一种改进的a l o h a 算法，在标签总数未知的情况下，动态估计标 签数目，选择合适的窗口时隙大小，以获得较高的系统效率。仿真结果表明，与 传统的a l o h a 算法相比，性能有明显改善。然后对阅读器天线进行分析研究，完 成了后端匹配电路的设计，大致估算了信号在井下的传播距离，确定了9 1 5 m h z 作为系统的工作频率。并给出了一套射频识别系统在井下应用的详细设计方案， 设计内容涉及硬件和软件两大部分。在软件设计中，根据井下人员定位的具体需 求，分析并设计了数据库系统，同时完成了相应应用软件的设计。 本文分析并设计的r f i d 系统应用背景虽然是在井下，但在硬件设计和软件 设计上都具有一定的通用性，对于需要利用无线通信技术采集数据的其他场合， 都可以用来进行应用开发。 关键词射频识别；防冲突算法；阅读器；天线；应用系统 江苏大学硕l 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h eu n i q u ee n v i r o n m e n ta n dt h ec o n t i n u o u sa c c i d e n to ft h em i n e ，t h e r ei sa m a j o rp r o b l e mt h a tp l a g u e dt h ep e o p l ea b o u tt h es a f e t yp r o d u c t i o n , m a n a g i n ga n d r e s c u i n gm i n e r su n d e rt h em i n e t os o l v et h i sp r o b l e m , t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h e s u b c e f a e ep e r s o n n e ll o c a l i z a t i o ns y s t e mw i t hr f i d ( r a d i of r e q u e n c y d e n t i f i c a t i 0 1 1 t e c h n o l o g y ) t h a ti san e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y b e c a u s eo fi t sw i d e l y a p p l i c a t i o n , m o r ea n dm o r ep e o p l ef o c u so nt h i sf i e l d t h et e c h n o l o g yc a nb eu s e dt o a u t o m a t i ci d e n t i f yt h em i n e r si n f o r m a t i o n , c o l l e c te n v i r o n m e n td a t aa r o u n da n dm a k e t h eg r o u n dc o n t r o lr o o mt og e ti n f o r m a t i o no n - t i m e l y w h i c hc a nr a i s et h ei n f o r m a t i o n l e v e lo ft h ec o a lm i n eg r e a t l ya n dp r o v i d et h eb a s i si n f o r m a t i o nf o rm a n a g e m e n ta n d r e s c u i n g f i r s t ，t h ew h o l es y s t e mi sa n a l y z e d t h ea n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m so fr f i dh a v eb e e n r e s e a r c h e da n da ni m p r o v e da l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e d , w h i c hu n d e rt h eu n k n o w n t o t a l ，e s t i m a t e st h en u m b e ro ft a g sd y n a m i c l ya n ds e l e c ts u i t a b l es l o ts i z et og a i nh i g h e r e f f i c i e n c y s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi s e f f e c t i v e l ya n d a c c u r a t e l yc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a la l o h aa l g o r i t h m t h e n ,im a k ea n i n v e s t i g a t i o no nt h ea n t e n n ao fr e a d e r , h a v ed e s i g n e dt h em a t c h i n gc i r c u i ta tt h ee n d , e s t i m a t et h ed i s t a n c es i g n a l sp r o p a g a t i n gi nt h ee a r t ha n dd e t e r m i n e9 1 5 m h za st h e s y s t e mw o r k i n gf r e q u e n c y ad e t a i l e ds c h c m so ft h er f f i ds y s t e mi nt h em i n e c o n s i s t so fh a r d w a r ea n ds o f f w a r d a c c o r d i n gt o s p e c i f i cr e q u e gu n d e r g r o u n d c i r c u m s t a n c e s ，ia n a l y s e sa n dd e s i g n sad a t a b a s es y s t e ma n dc o r r e s p o n d i n ga p p l i c a t i o n s o f t w a r e t h o u g ht h er f i da n a l y s e da n dd e s i g n e du su s ei nc o a lm m e s ，b o t hh a r d w a r ea n d s o f t w a r eh a v ev e r s a t i l i t yi ns o m ed e g r e e f o ro t h e ro c c a s i o n , s u c ha s c e l e c t i n gd a t ab y w i r e l e s sc o n m m u n i c a t i o n ，t h e ya l s oc a nb eu s e df o ra p p l i c a t i o nd e v e l o p i n g k e y w o r d sr f i d ；a n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m ；r e a d e r ；a n t e n n a ；a p p l i c a t i o ns y s t e m n 一 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密日。 学位论文作者签名： 砷年多月日 降乏参 指导教师签名：至x 刮 6 只倍 j 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一躲了易瑶 日期：沙游占月e l 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 我国矿井地质情况复杂，危险性事故频频发生，直接威胁着矿工的人身安 全，因此煤矿安全生产管理是一个迫在眉睫急需解决的重大问题。用什么方法、 什么手段来实现煤矿安全生产管理，一直是煤炭生产领域中技术人员和管理者追 寻的目标，特别是矿工在井下的动态情况更是关注的重点。在正常的日常生产活 动中，有效的管理系统能够带来较高的劳动效率，在灾害发生时，管理系统所记 录的人员最后的位置，将对及时的营救起到至关重要的作用。人们希望能有一种 更新，更完善的技术来解决煤矿安全生产管理中人员定位的难题。射频识别技术 ( r a d i of r e q u e n c yi d ，简称r f i d ) 通过射频信号自动识别目标，并获取相关数据， 已在煤矿安全管理中崭露头角。r f i d 技术不仅可以识别高速运动物体，并可同 时识别多个标签，实现对下井人员进行考勤记录、定位记录、追踪记录，实时掌 握井下每个工作人员的动态信息及工作人员在井下的位置分布情况，并可对历史 记录进行统计打印等。那就能在事故救援时，及时准确地了解井下的人员分布情 况和比较准确的位置，使救援工作做到目标定位准确、速度快、针对性强。 目前，射频识别技术在国内外发展很快，各种r f i d 产品也趋于成熟，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【1 】。然而该 技术在煤炭行业中的应用才刚刚开始，应用前景广阔。基于此，本文研究了r f i d 技术及其在井下人员定位中的应用。 1 2r f i d 简介 r f i d 是一种非接触式的自动识别技术，它和其他识别方式的本质区别在于 它的能量供应和数据交换是运用无线电波实现的。r f i d 系统一般由两个部分组 成阅读器和标签。如图1 1 所示 江苏大学硕上学位论文 第1 章绪论 耦台元伟 ( 线黼、微波天线孳) 图1 1r f i d 系统构成【l 】 r f i d 标签可以分为被动标签，半主动标签和主动标签，其中半主动标签和 主动标签中芯片的能量由电子标签所附的电池提供，主动标签可以主动发出射频 信号。按照工作频率的不同，r f i d 标签可以分为低频( l f ) 、高频( h f ) 、超高频 ( u h f ) 和微波等不同种类。不同频段的r f i d 工作原理不同，l f 和h f 频段r f i d 电子标签一般采用电磁耦合原理，而u h f 及微波频段的r f i d 一般采用电磁发 射原理。不同频段标签芯片的基本结构类似，一般都包含射频前端、模拟前端、 数字基带和存储器单元等模块。其中，射频前端模块主要用于对射频信号进行整 流和反射调制；模拟前端模块主要用于产生芯片内所需的基准电源和系统时钟， 进行上电复位等；数字基带模块主要用于对数字信号进行编码解码以及进行防碰 撞协议的处理等；存储器单元模块用于信息存储。 阅读器通过发射信号唤醒和传送指令给电子标签，并接收标签返回的信号。 对接收到的返回信号提取有用信息之后，将数据通过网络和数据管理系统交互， 从而完成对电子标签的信息获取和解析。 1 3 应用现状 r f i d 技术起源于雷达技术，通过发射无线电波并通过接收目标反射信号来 测定目标的位置和速度。后来，随着晶体管集成电路，微处理芯片，通信网络技 术等领域的发展，拉开了r f i d 技术的研究序幕。 2 0 世纪6 0 年代末出现的商用r f i d 系统电子物品防盗系统( e l e c n o n i c a r t i c l es u r v e i l l a n c e ) 被认为是r f i d 技术最早应用于商业领域的系统。2 0 世纪 7 0 年代很多机构开始致力于r f i d 技术的研究，出现r 一些研究成果，并将r f i d 技术成功应用于自动汽车识别的电子计费系统，动物跟踪以及工厂自动化等领 棼一 江苏大学硕l 学位论丈 第l 章绪论 域。二十世纪八九十年代，是r f i d 技术在电子收费系统应用的年代，挪威于1 9 8 7 年开始使用r f i d 电子收费系统，1 9 8 9 年美国达拉斯南部高速公路也开始使用不 停车收费系统；9 0 年代，美国大量配置了电子收费系统，出现的各种标签也开 始互相兼容，r f i d 技术研究相当活跃。进入2 l 世纪以来，伴随着信息化年代的 步伐，r f i d 研究空前繁荣，2 0 0 5 年全球最大的零售商沃尔玛正式宣布，其供货 商要在商品上使用r f i d 技术，据分析师估计，沃尔玛百货完成建制后，节约成 本预计每年可达8 4 亿美元。 我国射频识别技术应用状况还处于初级阶段，市场前景非常广阔。不久的将 来，我国射频识别技术的应用将在生产线自动化、仓储管理、电子物品监视系统、 货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面有所突破。但是实现射频识别技术在我国 成熟、全面的应用将是一个长期的过程，需要业内人士共同的努力。 2 0 0 6 年6 月中国发布了全国乃至全球r f i d 行业期待的中国r f i d 技术政 策自皮书。这一天，对于中国的r f i d 行业来说，是一个重要的日子。从此， 中国的r f i d 产业发展的步伐将正式加速。r f i d 技术的标准体系主要包括空中 接口规范、物理特性、读写协议、编码体系、应用规范、测试规范、数据安全和 应用管理等。中国设立了7 个r f i d 标准组，分别是总体组、标签和读写器组、 频率与通信组、数据格式组、信息安全组、应用组和知识产权组。 目前，中国 的标准参与企业已经达到1 0 0 余家，包括了中国r f i d 行业的所有知名企业。而 来自国外的一些知名企业，包括微软等郁有参与中国r f i d 标准制订的意愿。 t 4 目前研究热点 尽管r f i d 技术在很多领域都具有良好的应用前景，并且已经逐渐在一些 领域开始广泛应用，但是还是有许多因素在制约着r f i d 技术的快速发展。当 前，r f i d 系统在各项应用中的研究热点主要集中在技术标准、标签成本、技术 研究和应用等几方面。 一技术标准 技术标准国际上制定r f i d 标准的组织比较著名的有三个i s o ，e p cg l o b a l 以 及日本的u b i q u i t o u s i d c e n t e r , 这三个组织对r f i d 技术应用规范都有各自的目标 与发展规划。也有人说是e p c 和u i d 两大系列。这些标准各自具有不同的特点。 一一 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 目前，e p c 标准在案例方面和企业支持力度方面具有一定的领先优势，已经成功 地实现了从g e n i 到g e n 2 的演进，许多符合g e n 2 的产品已经面世。i s o 标准 则秉持标准的基本理念，少了一些商业利益，更侧重标准的中立性，因此对于加 速r f i d 产业的发展来说，似乎更具有弹性和发展前景。目前常用的r f i d 国际 标准主要有i s o i e c1 8 0 0 0 标准，i s 0 1 8 0 0 0 只规定了空气接口协议，对数据内 容和数据结构无限制，因此可用于e p c 。 二标签成本 标签成本标签价格一直是制约r f l d 推广应用的一个瓶颈。与廉价的条形码 相比，r f i d 标签昂贵的价格，让众多厂商望而却步。因此，制造低成本的标签， 是解决问题的关键所在，许多大公司投入大量人力物力，进行低成本标签的研究。 由于集成电路的飞速发展，工艺水平地不断提高，制造低成本标签已经指日可待。 目前一般电子标签的价格约为5 0 美分，随着应用市场的迸一步扩大，价格将逐 步降为2 5 美分甚至5 美分。s m a r t c o d e 公司宣布他们拥有一项专利的生产过程 可以降低射频标签的生产成本。该公司宣称，这一过程可以生产出成本在5 1 0 美分的标签，此时生产规模必须达到至少1 0 亿个标签。这一标签会支持电子产 品码标准。其中射频标签采用的微芯片仅仅o 2 5t o n i 2 ，而采用该芯片的标签也 不过0 5 5 蛐2 。迄今为止，该射频标签是成本最低的硅芯片标签。具体见图1 2 所示。 图1 2s m a r t e o d e 公司推出的t 日= 界最小的标签芯片 ( h t t p ：w w w s m a r t e o d e c o r p t o n i 数据资科) 三技术研究 射频识别的关键技术一直足研究的热点，归纳起来有以下四个方面是研究人 员重点关注的地方。 l 、工作频率的选择：工作频率的选择既要适应各种不同应用的需求，还需 要考虑各国对无线电频段使用和发射功率的规定。当前r f i d 工作频率跨越多个 频段，不同频段具有各自优缺点，它既影响标签的性能和尺寸，还影响标签与阅 读器的价格。低频频段能量相对较低，数据传输率较小，无线覆盖范围受限，但 一4 一 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 是，低频段标签的成本相对较低，信号穿透力强。高频频段能量相对较高，数据 传输率大，且通讯质量较好，适于长距离应用。其缺点是容易被障碍物阻挡，易 受反射和人体扰动等因素影响，不易实现尤线作用范围的全区覆盖。因此，我们 应该根据实际应用的场合，合理地选择标签工作频率，以达到最佳工作效率。 2 、r f i d 天线研究：标签天线和阅读器天线分别承担接受能量和发射能量的 作用。在不同的应用场合，r f i d 标签通常需要贴于不同类型、形状的物体表面， 甚至需要嵌入到物体内部。r f i d 标签在要求低成本的同时，还要求有高的可靠 性，这些因素对天线的设计提出严格的要求。目前，有关r f i d 天线的研究主要 集中在研究天线结构和环境因素对天线性能的影响上。天线结构决定天线的方向 图、极化方向、阻抗特性，驻波比，天线增益和工作频段等特性。而天线的特性 不仅受所标识物体的形状及物理特性影响，还受天线周围物体和环境的影响。如 金属物体对电磁信号有衰减作用，金属表面对信号有反射作用，以及金属和宽频 信号源产生的电磁屏蔽和电磁干扰等影响。 3 、防冲突技术研究：鉴于多个r f i d 标签工作在同一频率，当它们处于同 一个阅读器的作用范围内时，在没有防冲突机制的情况下，信息传输过程将产生 冲突，导致信息读取失败。同时多个阅读器之间工作范围重叠也将造成冲突。 4 、安全与隐私问题：r f i d 安全问题集中在对个人用户的隐私保护、对企业 用户的商业秘密保护、防范对r f i d 系统的攻击以及利用r f i d 技术进行安全防 范等多个方面。当前广泛使用的无源r f i d 系统并没有可靠安全机制，无法对 数据进行很好的保密。如果电子标签中的信息被窃取，复制并被非法使用的话， 将会带来无法估量的损失。解决安全性的途径是设计更复杂的微处理器以及更大 容量的内存，这样就可以进行更复杂的加密算法以防止数据的非法窃取。如何在 不增加太多成本的同时提高电子标签的安全性是一个有待进一步研究问题。 四应用系统研究 目前射频识别技术已经应用于智能交通( i t s ) 、矿山、物流、门禁、考勤 等诸多行业。随着技术的不断进步，越来越多的领域将采用射频识别技术来提高 生产效率和自动化管理水平，这也形成了当前研究的一大热点。 江苏大学硕 学位论文 第1 章绪论 1 5 论文的主要研究任务和工作 本研究的目的是利用射频识别技术来设计一个井下人员定位系统，实现人员 自动化管理，并为灾难发生时提供可靠的人员位置信息。具体来说就是把人员的 主要信息写入电子标签，阅读器自动从标签中读取数据，并送往后台处理。基于 此目的，本文把整个课题的研究任务分为以下三个部分来完成： l 、r f i d 技术研究 这个部分重点介绍了射频识别系统的原理、工作方式以及射频识别技术的物 理基础：然后对射频识别技术中的防冲突算法进行研究探讨，并对这蝗算法进行 性能比较，最后提出一个性能更好的防冲突算法。 2 、阅读器研究 阅读器是整个应用系统的核心，没有它，根本不能谈应用。阅读器设计分为 硬件设计和软件设计两个模块。在硬件模块中，按照阅读器的组成对阅读器的高 频接口、控制单元以及所使用的天线类型分别进行研究。在对高频接口的研究中， 根据本系统的要求，选用一种比较合适的接收机和发射机方案；控制单元设计主 要完成单片机与外围通信接口的研究；天线分析设计的主要任务是对天线性能进 行比较以选择一种适合本系统使用的天线，并由仿真软件a d s 完成天线与射频 模块的匹配工作。阅读器软件设计主要完成阅读器与电子标签的通信流程设计。 3 、应用系统设计 在前面的理论研究和硬件设计的基础上，本部分对实际的井下人员定位系统 的p c 机操作界面和数据库进行设计。首先，制定了应用程序的整体框架并使用 m f c 中的m s c o m m 控件完成p c 机与阅读器的通信；接着设计数据库，最后对系 统中所要完成的各个操作流程进行程序设计。 1 6 论文的结构安排 第1 章简要介绍了r f i d 的发展历史和当前国内外的研究现状，同时对我国 煤矿安全生产的现状进行了分析。指出安全生产中的重要一环是人员的管理与识 别。将r f i d 射频识别技术应用于矿井人员定位，对提高煤矿的信息化管理水平， 和灾害发生时对井下人员的准确定位以便实施有效的救援具有理论和实际意义。 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 第2 章介绍了r f i d 系统的物理原理、r f i d 系统的构成。对r f i d 的两个基 本组成部分：阅读器件和标签做了重点分析。 第3 章对射频识别中的防冲突算法进行了研究。提出了防冲突方法的设计要 求，根据蒴冲突的基本原理，分析了a l o h a 防冲突算法，提出了改进动态时隙 a l o h a 防冲突算法，给出了窗口大小选择和未知数目估计。并对改进的动态时隙 a l o h a 防冲突算法进行了仿真模拟。 第4 章主要考虑了煤矿井下的电磁波传播环境与地面上的巨大差别，合理优 化设计，使r f i d 的阅读器、标签能够正常工作。由于天线的收、发功能非常重 要，接下来本章分析了天线的主要性能参数，和天线的阻抗匹配。给出了沉积地 层的电性参数，对电磁波在煤矿井下的传播距离进行了估算。从理论上保证了 r f i d 所选定的9 1 5 m b z 的频率在井下环境中是可行的。 第5 章是r f i d 系统设计，在系统分析部分给出了算法流程图和仿真结果， 标签分析，阅读器与标签通信模型，系统组网分折，以及操作可行性分析。在系 统介绍部分里面，给出了井下人员定位r f i d 系统的总体设计思路，系统设计方 案，系统硬件设计和应用软件。给出了与p c 机之间串口通信实现的方法。在数 据库部分介绍了数据库访问技术，针对井下人员定位的需要进行了数据库需求分 析和逻辑设计。 最后，作者在第6 章对论文内容进行了总结，提出了今后进一步的研究方向。 1 江苏大学硕e 学位论文 第2 章r f i d 系统介绍 第二章r f i d 系统介绍 2 。1r f i d 的物理原理 要理解射频识别( r f i d ) 系统的工作原理，弄清阅读器与标签之间的能量 和数据传输实质，深入研究磁现象的物理本质和波在远距离磁场中的传播原理 是非常必要的。 电子标签和阅读器通过各自的天线构建起- 者之间非接触的信息传输通 道，这种空间传输通道的性能完全由天线的周围场区特性所决定。根据观测点 到天线距离的不同，天线周围的场呈现出的性质也不同。通常可以根据观测点 到天线的距离将天线周围的场划分为三个区域。 一无功近场区 无功近场区又称为电抗近场区，它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近 场区域。在该区域中电抗性储能场占支配地位，通常，该区域的界限取为距天 线口径表面a 2 处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中的电场 与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场的交换。如果在其附近还有其他金 属物体，这些物体会以类似电容、电感耦合的方式影响储能场，因而也可以将 这些金属物看作组合天线( 原天线与这些金属物组成的新的天线) 的一部分。在 该区域中束缚于天线的电磁场未曾做功( 只是进行相互转换) ，因而将该区域称 为无功近场区。 二辐射近场区 辐射场区的电磁场已经脱离了天线的束缚，并作为电磁场进入空间。在辐 射近场b ( 中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距天线口径的距离有关， 天线各单元对观察点辐射场的贡献，其相对相位和相对幅度是与天线距离的函 数。对于通常的天线，此区域也称为菲涅尔区。 三辐射远场区 辐射远场区即人们常说的远场区，又称为夫朗荷费区。在该区域中，辐射 场的角度分布与距离尤关。严格地讲，只有离天线无穷远处才达到天线的远场 区，但在某个距离上，辐射场的角度分布与无穷远时的角度分布误差在允许的 江苏人学硕士学位论文第2 章r 兀d 系统介绍 范围以内时，即把该点至无穷远的区域称为天线远场区。 射频识别系统中的标签与阅读器之间的作用距离是射频识别系统的一个重 要指标。通常情况下，这种作用距离定义为标签与阅读器之间能够可靠交换数 据的距离。根据射频识别系统作用距离，标签天线与阅读器天线之间的耦合可 以分为三类：密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统0 1 。 1 密耦合系统：密耦合系统的典型作用距离范围从0 c m - l c m 。在实际应用中， 通常需要将标签插入到阅读器中或者将其放置到阅读器天线的表面。密耦合系 统利用的是射频标签与阅读器天线的无功近场区之间的电感藕合( 闭合磁路) 构 成的无接触的空间信息传输射频通道工作的。密藕合系统的工作频率一般局限 在3 0 m h z 以下。由于密耦合系统方式的电磁泄漏很小，祸合获得的能量较大， 因面适合要求安全性较高，但不要求作用距离的应用系统，例如电子门锁。 2 遥耦合系统：迢耦合系统的典型作用距离可以达到l m 。遥耦合系统又可细 分为近耦合系统( 典型作用距离为1 5 c ) 与疏耦合系统( 典型作用距离为l m ) 两 类。和密耦合系统一样，遥耦合系统利用的也是射频标签与阅读器天线的无功 近场区之间的电感耦合( 闭合磁路) 构成的无接触的空间信息传输射频通道，但 相对于密耦合系统来说，遥耦合系统由于识别距离的增大，导致电磁泄漏量增 大，耦合获得的能量就比较小。其典型工作频率为1 3 5 6 m h z ，也有一些其它频 率，如6 7 5 m h z ，2 7 1 7 5 1 , f i l z 等。 3 远距离系统：远距离系统的典型作用距离为1 - 1 0 m ，个别系统具有更远的作 用距离。所有的远距离系统均是利用标签与阅读器天线辐射远场区之间的电磁 藕合( 电磁波的发射与反射) 所构成的无接触空间信息传输通道工作的。 2 2r f i d 系统的组成 一般的r f i d 系统由以下几个主要部分组成( 如下图2 1 所示) 江苏大学硕 学位论文第2 章r f i d 系统介绍 图2 1r f i d 系统组成 射频识别系统是由射频卡和阅读器两部分组成。阅读器一般由天线、通信 模块、控制模块和接口电路组成。射频卡由天线、功能模块和存储器等组成。 不同的射频卡能量来源不同，有源标签自带有电源模块，而无源标签则靠阅读 器天线发射的能量信号获得能量驱动后端电路工作。 在r f i d 的实际应用中，电子标签附着在被识别的物体上( 表面或内部) ，当 带有电子标签的被识别物品通过其可识读范围时，阅读器自动以无接触的方式 将电子标签中的预定识别信息取出来，从而实现自动识别物品或自动收集物品 信息的功能。 在射频识别系统中，除了具有两个基本的构成部分外，为了能更好地完成 无线射频识别技术的识读功能，还需要用到中间件、外部计算机( 上位机主系统) 等附属设备。 2 3 阅读器 阅读器是r f i d 系统的主要部分之一。我们通过计算机应用软件来对射频 标签写入或读取其所携带的数据信息；由于标签的非接触性质，因此，我们必 须借助于位于应用系统与标签之间的阅读器来实现数据读写功能。一般阅读器 主要有以下功能 1 在规定的技术条件下，标签与阅读器之问可以进行通信： 2 阅读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。 3 能够在读写区内实现多标签同时识读，具有防冲突能力； 4 适用于同定和移动标签的识读； 江苏人学硕 学位论文第2 章r f i d 系统介绍 5 能够校验读写过程中的错误信息； 6 对有源标签，能够标识电池相关信息，如电量等。 阅读器的基本构成分为两个部分硬件部分和软件部分。 一软件部分 这些软件都是生产厂家在出厂时固化在模块中的软件，负责对阅读器接收 到的指令进行响应和对标签发出相应的动作指令。主要包括以下软件 1 控制软件负责系统的控制和通信，控制天线发射的开、关，控制阅读器 的工作模式，完成与主机之间的数据传输和命令交换等功能。 2 导入软件主要负责系统启动时导入相应的程序到指定的存储空间，然后 执行导入的程序。 3 解码嚣负责将指令系统翻译成机器可以识别的命令，进而控制发送的信 息，或者将接收到的模拟信号解码成数字信号，进行数据解码、防碰撞等。 二硬件部分 r f i d 系统的阅读器均可以简化为两个基本的功能块控制系统和由发送器 及接收器组成的高频接口。阅读器的高频接口主要完成如下任务产生高频的发 射功率，以启动标签并为其提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送 给标签；接收并调制来自标签的高频信号。阅读器的控制单元担负如下任务与 应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与标签的通信 过程；信号的编码与解码：对于复杂系统，控制单元还可能具有以下功能执行 防冲突算法：对标签与阅读器之间要传送的数据迸行加密和解密；进行标签与 阅读器之间的身份验证等。 2 4 电子标签 无线电子标签技术是一种非接触式的自动识别技术，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。电子标签是由i c 芯片和无线通信天线组成的小标签。标签中一般保存有约 定格式的电子数据，在实际应用中，无线标签附着在待识别物体的表面。 射频标签根据商家种类的不同能储存从5 1 2 字节到4 兆不等的数据。标签 中储存的数据是由系统应用和相应的标准决定的。例如，标签能够提供产品生 江苏人学硕l ：学位论文 第2 章r f i d 系统介绍 产，运输，存储情况，也可以辨别机器，动物和个体身份。类似于条形码中存 储的信息，标签还可以连接到数据库，存储产品库存编号，当前位置，状态， 售价，批号的信息。相应的，射频标签在读取数据时不用参照数据库可以直接 确定代码的含义。 目前国际上还没有形成统一的标准，生产r f i d 产品的很多公司都采用自 己的标准。现在，可供电子标签使用的几种标准有i s 0 1 0 5 3 6 、i s 0 1 4 4 4 3 、 i s 0 1 5 6 9 3 和i s o l 8 0 0 0 。下面分别介绍这几种标准i s o1 0 5 3 6 标准主要发展于 1 9 9 2 到1 9 9 5 年间，由于这种卡的成本高，与接触式【c 卡相比优点很少，因此 这种卡从未在市场上销售；i s o1 4 4 4 3 和i s o1 5 6 9 3 标准在1 9 9 5 年开始操作， 单个系统于1 9 9 9 年进入市场，两项标准的完成则是在2 0 0 0 年之后。二者皆以 1 3 5 6 m h z 交变信号为载波频率i s 0 1 5 6 9 3 读写距离较远，当然这也与应用系统 的天线形状和发射功率有关；而i s o1 4 4 4 3 读写距离稍近，但应用较广泛，目 前的第_ 二代电子身份证采用的标准是i s o1 4 4 4 3t y p eb 协议。 按照不同的方式，射频卡有以下几种分类 1 按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，其作 用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作； 无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为 卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。 2 按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡主 要有1 2 5 1 d - i z 和1 3 4 2 k h z 两种，中频射频卡频率主要为1 3 5 6 m h z ，高频射频 卡主要为4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。低频系统主要用于短距离、 低成本的应用中，如多数的门祭控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频 系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统；高频系统应用于需要较长的 读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、 高速公路收费等系统中应用。 3 按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频卡用自身的射频 能量主动地发送数据给读写器；被动式射频卡使用调制散射方式发射数据，它 必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术适合用在门祭或交通应用 中，因为读写器町以确保只激活一定范围之内的射频卡。在有障碍物的情况下， 江苏：学硕士学位论文第2 章r 肋系统介绍 用调制散射方式，读写器的能量必须来回穿过障碍物两次。而主动方式的射频 卡发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作的射频卡主要用于有障碍 物的应用中，距离更远( 可达3 0 m ) 。 4 按作用距离可分为密耦合卡( 作用距离小于1 锄) 、近耦合卡( 作用距离小 于1 5 c m ) 、疏祸合卡( 作用距离约l m ) 和远距离卡( 作用距离从l m 一1 0 m ，甚至 更远) 。 江养大学硕t 学位论文第3 章防碰樟算法研究 第三章防碰撞算法研究 3 1 防冲突算法简介 在系统工作中，很多时候不可避免地会出现多个携带射频卡的工作人员同 时进入识别区域，此时信号会互相干扰，即发生碰撞。医此我们需要设计具有 防碰撞性能的系统，来识别进入工作区域的所有射频卡，确保系统正常稳定的 工作。 3 1 1 防碰撞方法的设计要求 防碰撞技术主要解决r f l d 系统一次可以完成对多个射频卡的识别问题。 假设同时进入读写器天线区域的射频卡共有n 个，防碰撞设计要求如下： 1 当l s n 9 q 时，其中n 为读写器一次可识别射频卡数量的上限，则在碰 撞发生( n i ) 的情况下，能识别n 个射频卡并依次与它们完成通信。 2 平均响应时间g - 足够短。f 为某一时段内完成通信的所有射频卡在系统 内的平均停留时间。f 与算法有关，允许f 0 。t o 为不同应用中所允许的最大 时延。 3 1 2 防碰撞的基本原理 由于射频卡含有可被识别的唯一信息( 序列号) ，r f i d 系统的目的就是要读 出这螳信息。如果只有一个射频卡位于阅读器的可读范围内，则无需其它的命 令形式即可直接进行阅读。如果有多个射频卡同时位于一个阅读器的可读范围 内，则射频卡的应答信号就会相互干扰形成所谓的数据冲突，从而造成阅读器 和射频卡之间的通信失败。为了防止这些冲突的产生，r f i d 系统中需要设置一 定的相关命令，解决冲突问题，这些命令被称为“防冲突命令或算法( a n t i c o l l i s i o n a l g o r i t h m s ) 。 在无线电通信技术中，实现防碰撞雇本上有4 种不同的方法空分多路法、 频分多路法、时分多路法以及码分多路法。 一空分多路法 一1 4 - - 江苏大学硕七学位论文 第3 章防碰撺算法研究 空分多路( s d m a ) 法是在分离的空间范围内重新使用确定的资源( 通信容 量1 。一种方法是使用单个阅读器的作用距离明显减少，而把大量的阅读器和天 线的覆盖面积并排地安置在一个阵列之中，当标签经过这个阵列时与之最近的 阅读器就可以与之进行通信，丽因为每个天线的覆盖面积小，所以在相邻的阅 读器区域内有其他标签时仍然可以相互交换信息而不受到相邻的干扰，这样许 多标签在这个阵列中，由于空间分布可以同时被识别而不会相互影响。第二种 方法是在阅读器上采用一个电子控制定向天线，该天线的方向直接对准某个标 签( 自适应的s d m a ) 。所以不同的标签可以根据它在阅读器作用范围内的角度 位置区分开来，可以用相控阵天线作为电子控制定向天线，这种天线由若干个 偶极子元件构成，用各个确定的独立的相位去控制每个偶极子元件。天线的方 向就是由各个不同方向的偶极子的单个波叠加出来的，某个方向上，偶极子元 件的单个场的叠加由于相位关系，得到加强；相应在其他方向上，则全部或部 分抵消而被减弱。为了启动某一个标签，必须使定向天线扫描阅读器周围的空 间。直至此标签被阅读器的“搜索波束”检测到为止。 射频识别系统用的自适应s d m a 由于天线的结构尺寸小的关系，只有当频 率大于8 5 0 m h z ( 典型的是2 4 5 g h z ) 时才能使用，而且天线系统非常复杂、实施 费用相当高，因此这种方法限制在一些特殊的应用上。 二频分多路法 频分多路( f d m a ) 法是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供给通 信用户使用的技术。对于r f i d 系统来说，可以使用具有可自由调整的、非发 送频率谐振的标签。对标签的能量供应以及控制信号的传输则使用最佳的使用 频率了，标签可以使用若干个供选用的应答频率。因此，对于标签的传输来说 可以使用完全不同的频率。 f d m a 的缺点是阅读器的费用相当高，因为每个接收通路必须有自己单独 的接收器提供，所以这种方法只能在少数几种特殊应用上。 三码分多路法( c d m a ) 法 c d m a 是数字技术的分支扩频通信技术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，而用户具有特征码，即c d m a 包 含扩频( s s s p r e a ds p e c t r u m ) 与分码两个基本概念。扩频是信息带宽的扩展，即 江苏大学硕l 学位论丈 第3 章防碰撞算法研究 把需要传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速 伪随机( p n ) 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，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带 信号转换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。码分是实现用户 信道和基站的标识问题。可以用不同移相的伪随机系列来实现基站的码分选址， 用一定的算法实现信道的选择，用周期足够长的p n 序列实现用户的识别和多 速率业务的识别。 c d m a 缺点是频带利用率低、信道容t 较小：地址码选择较难；接收时地址码 捕获时间较长。其通信频带及其技术复杂性等很难在r f i d 系统中推广应用。 四时分多路法 时分多路( t d m a ) 法是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户 的技术。t d m a 在数字移动无线电系统中得到广泛应用。考虑到r f i d 系统通 信形式、功耗、系统的复杂性及成本等因素，选择t d m a 来实现射频识别系统 的防碰撞机制是最普遍的方法。 t d m a 法通常被分为两大类读写器控制防碰撞法和射频卡控制防碰撞法。 读写器控制防碰撞法是以读写器为主动控制器，进入射频场的所有射频卡 同时由读写器进行控制和检查。阅读器依据射频卡的i d 号( i d e n t i f i c a t i o n n u m b e r ) 首先向射频卡发射不同的询问信号或指令，阅读器依据选举方法或二进制树寻 找方法，在同一时间内总是建立起一个通信关系，并且可以快速地按时间顺序 操作射频卡。 阅读器必须采用一定的防冲突机制才能够顺利地完成在阅读器作用范围内 的标签的识别、数据信息的读写操作。目前在射频识别系统中，主要是采用对 分多路法的原理，使每个标签在单独的某个时隙内占用信道与阅读器进行通信， 防止冲突产生，使数据能够准确地在阅读器和标签之间进行传输。 阅读器使用选择、遍询、访问三个基本操作来管理标签群体： i 选择( s e l e c 0 ，用于选定多个标签，从而进行遍询和访问的操作。s e l e c t 指令可连续的使用，基于用户指定的条件来选择特定多个标签。这个操作与在 数据库中选择多条记录很相似。 2 遍询( i n v e n t o r y ) ，用于识别标签的操作。读写器通过发送一个q u e r y ( 查 江苏大学硕e 学位论文 第3 章防碰掩算法研究 询) 指令来对标签进行遍询。会有一个或多个标签答复。读写器会在要求某一个 标签发送e p c 和c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，循环冗余码校验) - 1 6 之前探测 此标签是否正在