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南京理工大学硕士学位论文射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 摘要 射频识别技术是自动识别技术中一个快速发展的领域，广泛应用于物流管理、货 架识别以及动物识别管理等许多要求非接触数据采集和交换的场合。近些年来，交通 智能化越来越受到人们的重视，对车辆的非接触自动识别的要求也越来越高。基于此 目的，本文利用射频识别技术对车辆信息采集系统进行了研究。利用该技术来完成车 辆信息的采集，弥补了传统信息采集中的许多缺陷，方便了车辆的自动识别，适应了 智能交通系统发展的需要。 本文首先详尽地分析了整个系统，并且着重对射频识别技术进行了理论研究，然 后在对多种射频识别系统研究的基础上，确定了以9 1 5 m h z 系统来完成本设计的总体 方案，最后对射频识别系统中的自动识别装置、应用程序和数据库系统分别进行了设 计。 本文中的自动识别装置具有一定的通用性，便于扩展以应用于其他多种场合；应 用程序包含了对基本的车辆信息的操作，满足了实际应用的需要；数据库系统便于网 络连接，驭实现数据共享。 关键词：射频识别阅读器电子标签反向散射技术二进制搜索算法 南京理工大学硕士学位论文射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 a b s t r a c t r f i di st h ef i e l dt h a td e v e l o p sr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s i nt h ef i e l d st h a tn e e dc h e c k w i t h o u tt o u c ht og e ta n ds w i t c hd a t as u c ha sg o o d sm a n a g e m e n ta n da n i m a lm a n a g e m e n t ， i tr i s e si nw i d ea r e a s t h em a n a g e m e n to ft r a f f i ci n f o r m a t i o ng e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nr e c e n ty e a r sa n dt h er e q u e s tf o ri tb e c o m e sm o r ea n dm o r es t r o n g t or e a l i z et h ep i c k i n g u pa n dm a n a g e m e n to ft r a f f i ci n f o r m a t i o na n d t h ea u t o m a t i o ni d e n t i f yo ft h et r a f f i c ，i nt h i s p a p e r , im a k eu s eo fr f i dd e s i g n i n gap i c k i n gu ps y s t e mo ft r a f f i ci n f o r r a a t i o na n di t o v e r c o m e sal o to fs h o r t c o m i n g so fo l d s ， o nt h eb a s eo fc o m p a r i n gs e v e r a lr f i ds y s t e m s ，ig e tt h ew a yo fu s i n gt h es y s t e m w o r k i n gf r e q u e n c yt h a ti s9 15 m h z t h er e a d e rg e t st h et r a f f i ci n f o r m a t i o nb yt h ew a y o f r e a d i n ga n dw r i t i n gt h et a g su n d e rt h ec o n t r o lo f t h ea p p l i c a t i o np r o g r a m ，a tt h es s z n et i m e ， t h ee l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nt a k e ri sg o o df o rt h ea u t o m a t i o ni d e n t i f y t h es y s t e md ob e t t e r t h a nt h er f i ds y s t e mb e f o r eo i lt h ef i e l dg e t t i n gi n f o r m a t i o na n di d e n t i f y i n g ，a d a p t i n gt o t h en e e d so fi t sd e v e l o p m e n t t h em a i nc o n t e n t st h i sp 印e ri st h er e s e a r c hf o rr f i d ，b o t hi nt h e o r ya n da c t u a l i t y , d e s i g n i n gt h ew a yb yt h ea c t u a ln e e d s id e s i g nt h eo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ed a t a b a s e s y s t e mi na c c o r dt ot h et r a i to f t r a f f i ci n f o r m a t i o ng e t t i n gs y s t e mf o rg o i n gw i t ha c t u a lu s e t h es y s t e mu s e sn o to n l yi nt h em a n a g e m e n to ft r a f f i ci n f o r m a t i o n ，b u ta l s oo t h e r f i e l d s t h ep r o g r a mc o n t a i n st h eo p e r a t i o n so ft r a f f i cd a t a ，g e t st h en e e d so fa c t u a l a p p l i c a t i o na n d i ti se a s yt ol i n kt h ed a t a b a s es y s t e mw i t hn e t st or e a l i z et h ed a t as h a r i n g k e yw o r d s ：r f i d r e a d e r t a gb a c k s c a t t e r i n gt e c h n i q u e sb i n a r ys e a r c h i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：皇翌盈 如f 年石月孝日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：坌塑生肼6 月日 南京理工大学硕士学位论文 射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 i 绪论 1 1 研究背景与动机 道路交通矛盾突出表现在城市，是困扰世界各国城市政府的一件大事，在当今世 界，没有一个城市政府能够骄傲地宣称自己已经解决了交通问题。科学家、工程技术 人员、管理工作者提出和实施了一个又个方案，但仍然承受着不断增长的交通需求 的巨大压力。事实上，交通问题决不是一个单纯的道路建设问题，它关系到经济、社 会、环境、科学技术等众多方面，牵扯到诸多利益的协调，它是一个复杂的社会系统 工程。 我国既是当今世界道路等基础设施建设速度最快的国家，同时又是交通需求增长 最快的国家，特别是近几年，随着人民生活水平的提高，机动车数量的快速上升，由 此引发的交通问题越来越严重，用传统的方法也越来越难以对车辆进行有效的管理。 目前各个城市的交通管理部门对车辆进行管理的方式一般是采取发放各种类型的证 件，如营运证，禁区通行证以及危险品运输证等等，显然在这种管理方式中，车辆信 息的采集是通过把信息录入到文本式样的证件中来进行的，完成管理任务的信息识别 是依靠人工的肉眼检查。在城市经济大力发展的同时，这种管理方式的局限性己越来 越明显，证件易破损、容易被伪造，丢失后挂失补办手续比较麻烦，耗费大量的人力 资源。随着智能交通系统( i t s i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 的发展，用这种概 念来对车辆进行管理是一个趋势，所谓智能交通系统，它实际上包括了智能交通和智 能运输两方面的内容，i t s 是将先进的信息技术( 包括数据通信、计算机等) 、传感 器技术、自动控制理论、运筹学以及人工智能等有效地综合运用于交通的运输、服务 控制和车辆制造等方面，加强车辆、道路、使用者三者之间的联系，从而形成的一种 实时、准确、高效的综合运输系统，最终实现交通运输服务和管理的智能化【2 3 】。 采用i t s 概念来管理车辆，首要的点是要有合适的信息载体和自动识别装置， 而射频识别( 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 ) 技术为实现车辆信息的数字化、 车辆识别的自动化以及车辆管理的智能化提供了一个很好的前端信息平台。电子标签 ( t a g ) 由于本身的物理特性以及其可以加密的技术特点，作为存储车辆信息的载体可 以很好地弥补传统车辆信息载体的许多缺陷，射频识别装置通过非接触读取电子标签 ( t a g ) 中的信息能够实现信息采集的快速和简便化与识别的自动化1 。 1 2 自动识别装置简介 自动识别系统( a u t oi d a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m s ) 在人类社会的使用已 经存在了很长时间，随着科技的进步，自动识别装置的使用已越来越广泛，更延伸发 南京理工大学硕士学位论文 射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 展出许多不同的识别技术。尤其在近几年的发展异常迅速，此项科技已逐渐融入到人 们的日常生活中，帮助人们管理周围的事物。 市面上有许多自动识别装置，广泛应用于仓储、工厂、物流供应链、交通管理等 系统中，下面简要介绍一下常用的自动识别技术以说明本研究为何采用射频识别技术 来完成车辆信息采集系统的设计。 ( 1 ) 条形码系统 条形码是平常最容易见到的，广泛应用于货物检查、购物等系统，它是一种二进 制码。这种代码以平行排列的线条和分割的闯隙组成了数据。这种条形码是按照事先 规定的图序来排列的，并表示相关字符的数据元素。由宽的和窄的线条或间隙组成的 序列可以用数字或字母来解释。通过激光扫描读出，就是说，通过照射在黑色线条和 白色间隙上的激光的不同反射来读出。 ( 2 ) 光学符号识别 早在2 0 世纪6 0 年代就已经开始使用光学符号识别器( o c r - o p t i c a lc h a r a c t e r r e c o g n i t i o n ) 。为此，发明了一种字体( 风格特殊的字符) 。人们可以按照正常方式来 阅读，也可以由机器自动地来检测。今天，光学符号识别系统主要应用在生产、服务 和管理领域，以及银行部门。然而。由于光学符号识别系统价格昂贵以及阅读器较为 复杂，使其的推广使用受到限制。 ( 3 ) 生物测定 在识别系统的意义上，生物测定的含义就是通过不会混淆的某种人体特征的比较 来识别不同个人的方法。在实际应用中，一般采取手印法、指纹法、语音识别法以及 眼底视网膜识别法，目前，采用较多的是语音识别以及指纹法，但生物测定一般都是 对待生物体，无法识别非生物体。 ( 4 ) i c 卡 i c 卡现在的使用已越来越广泛，像公交收费、餐饮收费等系统都广泛地应用了 这项技术。i c 卡实际上是一种数据存储系统，还具有一定的数学计算能力。工作时， 将i c 卡插入阅读器，由阅读器给i c 卡提供电流以及定时脉冲，完成数据的读写。i c 卡一般可分为存储器卡和c p u 卡，存储器卡是采用时序逻辑电路对存储器( 大多是 一个电可擦除的只读存储器e e p r o m ) 进行数据存取：c p u 卡顾名思义，实际 上是包含了一个微处理器，此外还有一个分段存储器( r o m 段、r a m 段和e e p r o m 段) ，通过微处理器对存储器的操作来完成数据存取。 ( 5 ) 射频识别( r f i d ) 系统 射频识别系统是非接触式自动识别技术的一种，与上述的卡有着密切的关系。 数据存储在电子标签( t a g ) 中，然而，电子标签的能量供应以及电子标签与阅读器 2 南京理工大学硕士学位论文 射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 之闯的数据交换不是通过电流的触点接通而是通过磁场( 低频) 或电磁场( 高频) ， 无需经过接触就可以完成对数据的读写，这方面采用了无线电技术和雷达技术。表 1 1 1 比较了目前市面上主要的一些自动识别装置【1 1 1 3 1 。 表1 1 1 各种识别系统优缺点的比较 、 系统 光学符号射频识别 参数 条形码生物测定 i c 卡 识别系统 典型的数据量字节 1 l o o1 1 0 01 6 6 4 k1 6 6 4 k 数据密度小小高很高很高 机器阅读的可读性 好好 费时间 好好 可能 受污染潮湿影响 很严重徽严重没有影响 ( 接触) 一个插入 受方向和位置影响很小很小没有影响 方向 用坏磨损有条件的有条件的接触没有影响 购置费电子阅读设 很少一般 很高 很少 一般 备 未经准许的复制修 容易容易不可能4不可能 不可能 改 很慢5 阅读速度( 包括数据 慢慢 1 0 秒( 语慢很快 载体的使用)约4 秒约3 秒音识别为约4 秒 约0 5 秒 5 秒) 数据载体与阅读器之直接直接摄大距离 o 5 0 c m 小于1 c m 间的最大距离 接触”接触可达1 0 m 使用语音识别时录音带有可能会被修改。 + 这仅适用于指纹识别，对于语音识别不需要接触，在利用眼睛视网膜或虹膜的 情况下，直接接触是不可能的。 南京理工大学硕士学位论文 射频i p , 另l l 技术在车辆信息采集系统中的应用 对用于识别车辆信息的自动识别装置的要求一般有以下几点：一是阅读器和载体 的通信距离要远，信息载体和阅读器的通信时间要短以完成高速识别；二是数据的安 全性要高；三是要能够适应各种恶劣的天气以及环境。由上面对各种自动识别装置的 比较，在对车辆信息进行识别的自动识别装置的选择上，射频识别系统有着其他识别 系统无法比拟的优势，再加上射频识别系统中数据载体的防污、防磨损性能很好，这 有利于提高载体的重复使用率，增加其使用寿命，减少使用成本，显然，为了配合对 车辆信息进行自动识别，车辆信息采集系统也必须采用射频识别技术来完成信息的录 入。 1 3 射频识别系统的发展现状【2 5 ”6 ) i f 2 7 1 目前全世界已经安装了约5 0 0 0 个r h d 系统，实际年销售额约为9 6 4 亿美元， 但主要用于宠物与野生动物跟踪、公路和停车收费等有限的领域。但事实上，r h d 还有望在高速公路自动收费及交通管理、门禁保安、r f i d 卡收费、生产线自动化、 仓储管理、汽车防盗、防伪、电子物品监视系统、火车和货运集装箱的识别、物流管 理、生产线追踪等领域大展身手。 国外发展最著名的例子即是年营业额占全球零售业两成，美国零售业六成的 w a l - m a r t 百货公司。w 甜- m a r t 百货正式宣布，到2 0 0 5 年底截止，所有供应w a l m a n 百货的商品装箱上，都要有应用r f i d 技术的电子商品条形码。w a l m a n 百货预期能 从新技术进一步降低成本，尤其是与库存流程相关的物流失误与降低人力成本。一位 分析师估计，w a l m a r t 百货完成建制后，节省成本预估每年可达8 4 亿美元。另外， 英国航空公司正进行r f i d 的试验计划，并允许某些特定的可读写型电子标签在被扫 瞄的同时可改变其记录内容，无需重新换贴另一个新的电子标签。如此将使航空公司 利用存储在电子标签中的重量数据的加重而很容易侦测到旅客利用转机夹带非法物 品的可能性。此外，旅客报到时不再需要使用条形码扫瞄器，亦可达到简化手续流程 的好处。国际航空运输协会( i a t a ) 在数年前即已进行r f i d 标准的制定工作。还有 各国码头货柜的运输管制作业，将检查过的货柜加上r f i d 标签进行密封，有效防止 货柜内物品不被调包，并追踪整个货柜行进的路线。 我国在r f i d 技术的研究方面也发展很快，市场培育已初步开花结果。比较典型 的是在中国铁路车号自动识别系统建设中，推出了完全拥有自主知识产权的远距离自 动识别系统。铁道部曾将“货车自动抄车号”项目列为八五重点攻关技术研究课题。 在2 0 世纪9 0 年代中期，国内有多家研究机构参与了该项技术的研究，探索了多种实 现方案，最终确定了r f i d 技术为解决货车自动抄车号的最佳方案。进而，在r f l d 实现技术方面又探索了有源标签和无源标签等方案，最后选定了无源标签r f i d 方案。 南京理工大学硕士学位论文 射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 经过多年的现场运行考验，铁路车号自动识别系统工程于1 9 9 9 年全面投入建设。经 过两年左右的建设与试运行，目前铁路车号自动识别系统工程已发挥出了系统设计功 能，并且辐射与渗透到其他应用方面。 1 4 本文的主要研究任务 本研究的目的就是利用射频识别技术来设计一个车辆信息采集系统，作为实现车 辆的自动化识别与智能化管理的信息采集平台，其功能是把车辆的主要信息写入电子 标签中，方便交管部门对车辆进行自动化识别。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： ( 1 )总体方案设计 这个部分首先介绍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多路存取技术( 反碰撞算法) 进行研究探讨，并对这些 算法进行性能比较以确定适合本系统的反碰撞算法；最后确定整个系统的总体方案。 ( 2 )阅读器设计 阅读器设计分为硬件基础和控制程序两个模块来完成。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：天线类型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。在控制程序模块中，主要完成 阅读器与电子标签各个通信流程的设计。 ( 3 )应用系统设计 在前面的理论研究和硬件设计的基础上，本部分对实际的车辆信息采集系统的 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；然后，对系统中所要完成的各个操 作流程进行设计；最后，设计数据库表单。 南京理工大学硕士学位论文 射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 2 射频识别技术原理及系统组成 2 1 射频识别技术的基本概念及其工作原理 无线射频识别技术( r f i d ) 是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用 射频信号和空间( 电感或电磁耦合) 传输特性，实现对被识别物体的自动识别。射频 识别系统一般有三个部分组成，即电子标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和应用系统， 其基本模型如图2 1 1 所示。其中电子标签为数据载体，又称为应答器，电子标签与 阅读器之间通过耦合元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转换1 2 9 1 ”。发生在阅读器和电子标签之间的 射频信号的耦合类型有两种： ( 1 ) 电感耦合( 低频系统) 电感耦合采取的变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感 应定律。电感耦合方式一般适用于中、低频工作的近距离射频识别系统，典型的工作 频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 。识别作用距离小于l m ，典型作用距离为1 0 2 0 c m 。 ( 2 ) 电磁反向散射耦合( 高频系统) 电磁反向散射耦合采取的是雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射， 同时携带回目标消息，依据的是电磁波的空间传播规律。电磁反向散射耦合方式一般 适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、 2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。识别距离大于l m ，典型作用距离为3 1 0 m 。 图2 1 1 r f i d 的基本模型图 无论是只读型，还是可读写型电子标签，阅读器和电子标签之间所传递的数据信 6 南京理工大学硕士学位论文射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 息都是由应用系统处理的，阅读器只是电子标签和应用系统之间一个传输信息的通 道。 射频识别系统工作的时序方式有两种，一种为r t f ( r e a d e rt a l kf i r s t ，即阅读器 先发言) 方式，另一种为t t f ( t a g t a l k f i r s t ，即标签先发言) 方式，其过程分别如下： 采取r t f 方式的电子标签在一般状态下，处于“等待”或称为“休眠”的工作状态， 当其进入阅读器的作用范围内时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态转 到“接收”状态，接收阅读器发出的命令后，进行相应的处理，并将相应结果返回阅 读器。与此相反，采取t t f 方式的电子标签进入阅读器的能量场即主动发送自身i d 号。在低频系统中，标签一般都是无源工作的，能量经过交变磁场的能源转换来完成， 电子标签通过感应阅读器的发射磁场，产生一个电压，将其整流后作为其工作电压： 在高频系统中，射频识别系统按电子标签的供电方式可分为有源标签和无源标签两 类。无源标签需从阅读器发出的射频波束中获取能量，经过整流、存储后提供电子标 签所需的工作电压。与有源标签相比，它具有成本低，无需维护、使用寿命长等特点。 缺点是阅读器要发射更大的射频功率，识别距离相对较近等。 2 2 射频识别技术的物理原理 电子标签和阅读器通过各自的天线构建起二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有天线周围的场区特性所决定，是电磁波传播的基本规律。 根据观测点距天线距离的不同，天线周围的场呈现出的性质也不同。通常可以根据观 测点距天线的距离将天线周围的场划分为三个区域。 ( 1 ) 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1 3 径表面 “2 兀处。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。 ( 2 )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 区中，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。 南京理工大学硕士学位论文 射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 ( 3 )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 度分布与距离无关。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范围以内时，即把该 点至无穷远的区域称为天线远场区。 公认的辐射近场区与远场区的分界距离r 为： r ：2 d 2 2 式中，d 为天线直径，a 为电磁波波长，d a 。 对于天线而言，满足天线的最大尺寸l 小于波长时，天线周围只存在无功近场区 和辐射远场区，没有辐射近场区。超过无功近场区的边界，辐射远场区就占主要优势 了，一般满足l a l 的天线称为小天线。对于射频识别系统而言，一般情况下，由 于对标签尺寸的限制，以及阅读器天线应用时的尺寸限制，绝大多数情况下，采用 l 2 l 或l 2 3 5 3 m 3 5 3 c m 1 3 5 6 m h z2 2 13 ，5 m 3 5 c m 4 3 3 m h z0 6 9 31 1 c m l l c m 9 】5 m h z0 3 2 8 5 2 c m 6 1 c m 2 4 5 g h zo 1 2 219 c m1 6 4 c m 5 8 g h z 0 0 5 282 8 m m 3 8 5 c m + r l 为无功近场区边界，r z 为辐射远场区内界。 表2 2 1 的计算数据是基本的数值参考。对于给定的工作频率，无功近场区的外 界基本上由波长决定，辐射远场区的内界应满足大于无功近场区外界的约束。当天线 尺寸( d 或l ) 与波长可比或大于波长时，其辐射近场的区域大致在r l 和r 2 之间。 有关天线场区的划分，一方面表示了天线周围场的分布特点，即辐射场中的能量 以电磁波的形式向外传播，无功近场中的射频能量以磁场、电场的形式相互转换并不 南京理工大学硕士学位论文射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 向外传播；另一方面表示了天线周围场强的分布情况，距离天线越近，场强越强1 ”1 。 2 3 能量耦合 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应用中的一个 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【l 】。 ( 1 )密耦合系统 密耦合系统的典型作用距离范围从o 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耦合( 闭合磁路) 构成的无接触的空间信息传输射 频通道工作的。密耦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，耦合获得的能量较大，因而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 遥祸合系统的典型作用距离可阻达到1 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 m ) 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 ，也有一些其他频率，如6 7 5m ，2 7 】7 5 m h z 等。 ( 3 )远距离系统 远距离系统的典型作用距离为1 l o r e ，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耦合( 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 4 数据传输原理 2 4 1 数据编解码与调制解调 图2 4 的方框图说明了一个数字通信系统。类似地，对射频识别系统来说， 阅读器与电子标签之间的数据传输需要三个主要的功能模块。按从阅读器到电子标签 的数据传输方向，它们是阅读器( 发送器) 中的信号编码( 信号处理) 和调制器( 载 波回路) ，传输介质( 通道) ，以及电子标签( 接收器) 中的解调器( 载波回路) 和信 南京理工大学硕士学位论文射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 号译码( 信号处理) ，反之，从电子标签到阅读器的数据传输中，也是同样的系统结 构，不过数据流方向变换了而已。 接收器发送器 辔叫载波回路- 叫信号处理卜哐垂p 圆 i 图2 4 1 1 数字通信系统中的信号和数据流 息接 点 户) 信号编码系统的作用是使传输的信息和它的信号表示尽可能最佳地与传输通道 的性麓相匹配，其作用是对信息提供某种程序的保护，以防止干扰或相碰撞，以及对 某些信号特性的蓄意改变。信号解码是编码的逆过程，其任务是从基带编码的接收信 号中恢复原来的信息，并识别和标识出传输错误。射频识别系统中的编码形式多种多 样，有反向不归零制( n r z ) 编码、曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码、单极归零制编码、 差动双相( d b p ) 编码和米勒( m i l l e r ) 编码等等 1 l ，在射频识别系统选择编码形式 时，最重要的是调制后的信号频谱，以及对传输错误的敏感度。此外，对于一些需要 完成特殊功能的系统来说，比如反碰撞算法，需要按照其算法的要求来选择合适的编 码。对无源标签来讲，不允许由于信号编码与调制方式的不适当而导致能量供应的中 断。 基带信号是不宜直接在信道中传输的，所以在必须对其进行调制。调制就是用基 带信号去控制高频载波的幅度、频率和相位，以使发射出去的高频载波中携带有基带 信号的信息，相应的，解调就是从接收过来的高频载波中恢复原来的基带编码信号， 以方便信号处理部分对基带信号中的信息进行处理。射频识别系统常用的调制方式有 幅度键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 。为了降低电子标签的解调 难度，多数射频识别系统阅读器至电子标签的数据传输一般采用a s k 调制方式。 2 4 2 电子标签至阅读器的数据传输 对应于射频识别系统通信距离的远近，电子标签至阅读器的数据传输方式可分为 负载调制和反向散射调制。 ( 1 )负载调制 近距离低频射频识别系统是通过准静态场的耦合来实现的。正如前面所述，在这 种情况下阅读器和标签之间的耦合方式类似于变压器结构，这时阅读器和电子标签的 南京理工大学硕士学位论文 射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 天线相当于变压器中的线圈，即作为初级线圈的阅读嚣和作为次级线圈的电子标签之 间的耦合。如果把谐振的电子标签( 即电子标签的固有谐振频率与阅读器的发送频率 相符合) 放入阅读器天线的交变磁场中，那么该电子标签就从磁场取得能量，当电子 标签天线上的负载电阻接通和断开时，阅读器天线上的电压会发生变化，这就实现了 用标签对阅读器天线电压的振幅调制，如果通过数据来控制负载电压的接通和断开， 那么这些数据就能够从电子标签传输到阅读器，这种数据传输方式被称作负载调制。 还有一种特殊的负载调制被称为使用副载波的负载调制。因为阅读器天线与电子 标签天线之间的耦合很弱，阅读器天线上表示有用信号的电压波动在数量级上比阅读 器的输出电压小，以1 3 5 6 m h z 的系统为例，当天线电压大约为1 0 0 v ( 通过谐振使 电压升高) ，阅读器接收部分只能得到大约为1 0 m v 的有用信号，如果把天线电压看 作是噪声的话，其信噪比相当于- - 8 0 r i b ，而检测这些很小的电压变化需要在电路上 花费巨大的开销，为了避免这种开销，这时就可以科用由天线电压振幅所产生的调制 波边带，这种数据传输方式利用的就是使用副载波的负载调制，如图2 4 2l 所示， 其原理如下：如果电子标签的附加负载电阻以很高的时钟频率屑接通和断开，那么 在阅读器发送频率土靠的距离上产生两条谱线，这种新的基本频率甬称之为副载波， 数据传输是及时通过对副载波进行振幅键控( a s k ) ，频移键控( f s k ) 或相移键控 ( p s k ) 调制柬完成的 4 7 1 4 “。 由于副载波的传输所需带宽宽，这种方法只能适用于工业科学医药( i s m ) 频率 范围：6 7 8 m h z 、1 3 5 6 m h z 和2 7 】2 5 m h z 。 图2 42 i 通过使用副载波的负载调制 ( 真实信息在两条副载波的边带中，副载波的边带是通过自身调制产生的) ( 2 ) 反向散射调制 南京理工大学硕士学位论文射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 在典型的远场，如9 1 5 m h z 和2 。4 g h z 的射频识别系统中，阅读器和电子标签的 距离有几米，而载波波长仅有几到几十厘米，正如前面所述，这时阅读器与电子标签 之间的能量传递方式为电磁耦合，即电子标签通过电磁波获取能量。在这种耦合方式 下，负载调制方式显然无法满足数据传输的需要，这时无源电子标签返回数据所采用 的通信方式为反向散射调制技术。 所谓反向散射调制技术，就是通过控制天线的阻抗来完成数据的传送，这种数据 调制方式和普通的数据通信方式有较大的区别，在整个数据通信链路中，仅存在一个 发射机，却完成了双向的数据通信4 9 】f 5 0 】。电子标签根据要发送的数据通过控制天线 开关，从而改变匹配程度，使得反射的载波幅度产生微小变化，这样，从标签返回的 数据就被调制到返回的载波幅度上，例如，要发送的数据为“o ”时，天线开关打开， 标签天线处于失配状态，辐射到标签的电磁能量大部分被反射回阅读器；当要发送的 数据为“l ”时，天线开关关闭，标签天线处于匹配状态，辐射到标签的电磁能量大 部分被吸收了，从而反射回的电磁能量相应地减少了，这有些类似于a s k 调制。控 制电子标签阻抗的方法有很多种，都是基于一种称为“阻抗开关”的方法。实际采用 的几种阻抗开关有变容二极管、逻辑门、高速开关等。其原理如图2 4 2 2 所示，其 中蜀l 为天线反射系数。 坯釜 咂振q 龃厶丛 图2 4 2 2 电子标签阻抗控制方式 要发送的数据信号是具有两种电平的信号，通过一个简单的混频器( 逻辑门) 与 中频信号完成调制，调制结果连接到一个“阻抗开关”，由阻抗开关改变天线的反射 系数，从而再对载波信号完成调制。其中匹配网络是为了产生一个较大的调制系数r ， 这样可以提高系统的工作距离，定义如下： r = 2 0 l g 南京理工大学硕士学位论文射频识别技术在车辆信息采集塑中的壤厦 其中中频调制是可选的，对数据采用中频调制是为了增加灵敏度以及多信道编码 能力，要发送的数据可以经过进一步数据编码，也可迸一步调制。 2 5 系统组成 相对于低频系统，高频系统具有读写距离远的特点，这点对车辆识别来说是很 重要的，所以车辆识别系统一般采用的是高频系统。车辆信息采集系统作为实现车辆 自动识别的前端信息采集平台，其整体方案选择一定要能满足对车辆进行自动识别的 要求，所以本系统的耦合方式为电磁反向散射耦合，工作时序方式采用r t f 方式， 供电方式采用无源电子标签，整个系统原理与接口关系如图2 5 1 所示。 图2 5 1 系统工作原理与接口关系图 南京理工大学硕士学位论文 射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 3 数据的完整性 3 1 数据校验算法之研究 在数据的传输中，不管是阅读器和电子标签之间的无线通信还是阅读器与应用系 统之间的通信，都难免会遇到干扰而使数据发出改变，这是在通信中极不愿意但又无 法避免的，为此，数据的接收方都必须对接收的数据进行检验，用来识别传输错误。 一般的校验法有奇偶校验法以及纵向冗余校验( l r c ) 法和循环冗余码校验( c r c ) 法。奇偶检验是通过计算数据字节中“l ”的个数来校验数据的。l r c 法原理如下： 发送方把数据中的每个字节一起进行异或计算得到l r c 值并把此值放在数据字节后 一起传输，接收方把接收到的数据字节再进行l r c 运算，通过结果是否为零进行数 据校验。奇偶校验法和l r c 法由于算法都比较简单，所以只能校验很小的数据块， 而且对同一数据块内的字节顺序的互换是无法检验出来的，所以在本研究中对数据块 采用的校验法为循环冗余码校验( c r c ) 法。 循环冗余码校验( c r c ) 法原来用于磁盘驱动器中的数据校验，能够以很大的可 靠性识别传输错误，但不能校正错误。c r c 法的计算是一种循环过程，所以，c r c 的计算包括了要计算其c r c 值的数据字节以及前面的数据字节的c r c 值，数据块中 每一个被校验过的字节都用来计算整个数据块的c r c 值。 从数学角度来看，c r c 校验和是用所谓的生成多项式( 算法规则) 去除一个多 项式( 数据字节) 得到的，c r c 值为相除后所得余项，下面举一个例子说明这一操 作，为了简单起见，以计算4 位c r c 值为例： 计算4 位c r c 值的生成多项式为) ( 4 + x + 1 = 1 0 0 1l ，假设要计算的数据块第一 个字节为1 1 0 1 0 0 1 1 ( d 3 h ) ，先把数据字节向左移四位( c r c 8 时为8 位，c r c 1 6 为1 6 位，依此类推) ，用c r c 的起始值填入变空的4 位，本例中为0 0 h ，所以上式 就变为1 1 0 1 0 0 1 l0 0 0 0 ( d 3 0 h ) 。现在将生成多项式按下面的规则重复地和数据字节 进行异或( x o r ) 运算：“如果数据字节的最高位和生成多项式进行异或( x o r ) 运 算后，则中间结果的起始零被删除，并从右面用数据字节或起始值位填补，以便与生 成多项式执行新的异或运算，这种操作将重复进行，直到留下4 位余数为止，这个余 数就是数据字节的c r c 值”。为了计算整个数据块的c r c 值，前面的数据字节的 c r c 值就用作为后续数据字节的起始值。 如果把刚才算得的c r c 值附在数据字节之后，并执行一轮新的c r c 计算，则所 得到的新的c r c 之值为零，c r c 算法的这种独特性质可以用来检测串行数据传输中 的错误，如图3 1 1 所示。 当一数据块被传输时，发送方计算数据的c r c 值，并将此值附在数据块后一起 南京理工大学硕士学位论文射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 传输，接收方计算接收数据( 包括附加的c r c 字节) 的c r c 值，判断结果是否为零， 是说明数据无误，否则，说明数据传输发生错误。 发送数据 c r c - - 1 6 接收数据 图3 1 ，1c r c 校验原理 c r c 校验 3 2 反碰撞算法之研究 3 2 1 射频识别系统的通信形式 在射频识别系统工作时，不能排除可能会有一个以上的电子标签同时处于阅读器 的作用范围内，在这样的系统( 该系统由一个“控制站”，即阅读器和多个“用户”， 即电子标签组成) 中存在着两种不同的基本通信形式： ( 1 ) 第一种通信形式： 从阅读器到电子标签的数据传输为第一种通信形式，如图3 2 1 1 所示。发送的数 据流被所有的电子标签接收，这可以同数百个无线电广播接收机同时接收一个发送信 息类比，而信息是由一个无线电广播发射机发射的，这种通信方式也被称作“无线电 广播”。 图3 2 1 1 无线电广播工作 ( 2 ) 第二种通信形式： 从电子标签到阅读器的数据传输为第二种通信形式，在阅读器的作用范围有多个 电子标签的数据同时传输给阅读器，这种通信形式称作为多路存取，如图3 2 】2 所 不。 南京理工大学硕士学位论文 射频识别技术在车辆信息采集系统中的应用 每个通信通路拥有规定的通信量，这种通路容量是由这个通信通路的最大数据量 以及供它使用的时间段确定的。分配给每个用户( 电子标签) 的通路容量必须满足： 当多个电子标签同时把数据传输给一个单独的阅读器时不能出现相互干扰( 碰撞) ， 多路存取技术就是要保证通路容量能达到此要求。 圈3 2 1 2 阅读器的多路存取：许多电子标签试图“同时”将数据传输给阅读器 射频识别系统多路存取技术的实现对电子标签和阅读器提出了一些要求，因为必 须使人们感觉不到浪费时间，必须可靠地防止由于电子标签的数据包在阅读器的接收 通道中互相碰撞从而不能读出，在射频识别系统中多路存取技术被称作反碰撞法。 在无线电技术中，多路存取的方法基本上有四种：空分多路( s d m a ) 法、频分 多路( f d m a ) 法、时分多路( t d m a ) 法以及码分多路( c d m a ) 法，其中码分多 路( c d m a ) 法不被射频识别系统的反碰撞法使用。 空分多路( s d m a ) 法可以理解为在分离的空间范围内重新使用确定的资源( 通 路容量) 的技术，采用这种技术的反碰撞法一般是采取控制天线的作用范围来实现的； 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供通信用户使用的技 术 采用这种技术的反碰撞法一般是通过电子标签用不同的频率来调带i 返回数据实现 的；时分多路( t d m a ) 法是把整个可供使用的通信容量按时间分配给多个用户的技 术，这种技术是射频识别系统反碰撞法中使用得最多的。在采用这种技术的反