（机械电子工程专业论文）集装箱无源射频识别系统中的读写器设计.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 本文根据当前集装箱行业信息识别技术存在的问题，提出了利用 r f i d 技术进行集装箱信息识别的方法，在此基础上完成了以下研究 工作： 1 、研究了r f i d 的相关技术，总结了集装箱行业r f i d 技术的应 用特点，确定了用于集装箱的r f i d 系统为超高频无源r f i d 系统。 2 、分析了读写器的软件和硬件的功能要求，设计了以l p c 2 3 6 4 和w j m 3 0 0 0 为基础的读写器硬件电路，制定了系统的通信协议，设计 了以uc o s - i i 操作系统为基础的读写器软件，并对uc o s i i 操作 系统进行了裁剪。 3 、分析了上位机通信程序的特点，并利用c # 语言在m i c r o s o f t v is u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 开发平台上设计了上位机通信程序，完成 了公共函数的设计工作。 本文设计的读写器可以通过串口和以太网接口接收上位机通信 程序发送的命令数据包，根据数据包中的命令访问处在其射频场中的 无源电子标签，获取存贮在标签内的信息，并将信息返回给上位机。 测试结果显示上位机通信程序实现了与读写器的串口和网络通 信，读写器具有较远的读写标签的能力。在本文最后，介绍了r f i d 技术在集装箱行业的应用情况。本文设计的超高频读写器，符合集 装箱行业的应用需求，对于设计同类产品，具有一定的借鉴意义。 关键词：超高频，r f i d 读写器，自动识别，上位机通信程序 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t i nv i e wo ft h ed i s a d v a n t a g eo fc u r r e n td a t aa c q u i s i t i o nm e t h o df o r c o n t a i n e r , t h i sp a p e rs u g g e s t st h em e t h o do fu s i n gr f i dt e c h n o l o g yt o r e a l i z et h ed a t aa c q u i s i t i o no fc o n t a i n e r , a n da c c o r d i n gt ot h i sf u l f i l lt h e f o l l o w i n gw o r k 1 s t u d i e st h er e l a t e dt e c h n o l o g yo fr f i d ，s u m m a r i z e ，s u m m a r i z e s t h e a p p l i c a t i o n c h a r a c t e ro fr f i dt e c h n o l o g y a p p l i e d t oc o n t a i n e r , d e t e r m i n e st h er f i ds y s t e mu s e df o rc o n t a i n e rs h o u l db et h ep a s s i v e r f i ds y s t e ma tu l t r ah i g hf r e q u e n c y ( u h f ) 2 a n a l y z e st h ef u n c t i o nd e m a n d so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e r e a d e r ，d e s i g n st h er e a d e r sh a r d w a r eb a s e do nl p c 2 3 6 4a n dw j m 3 0 0 0 ， a n di n s t i t u t e st h es y s t e m sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，d e s i g n st h es o f t w a r e o nt h ef o u n d a t i o no fp c o s i io p e r a t i n gs y s t e m ，a n df i n a l l yt r i m st h e o p e r a t i n gs y s t e m 3 a n a l y z e s t h ef u n c t i o nd e m a n do ft h e u p p e rc o m p u t e r s c o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，d e s i g n e st h es o f t w a r eo ft h ep r o g r a mu s i n gt h e c 撑l a n g u a g eo nt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fm i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o n e t 2 0 0 5 ，c o m p l e t e st h ep r o g r a mw o r ko fc o m m o nf u n c t i o n t h er e a d e rd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nc o m m u n i c a t ew i t ht h eu p p e r c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o np r o g r a mt h r o u g hs e r i a l i n t e r f a c eo re t h e r n e t i n t e r f a c e ，g e tc o m m a n da n da c c o r d i n gt ot h ec o m m a n dp a c k e t ，a c c e s st h e p a s s i v et a gw h i c hp r e s e n t si nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，g e tt h er e s p o n s e f r o mt h et a ga n dr e t u r nt ot h eu p p e rc o m p u t e r t h et e s ti n d i c a t e st h a tt h eu p p e rc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o np r o g r a m s u c c e s s f u l l yr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nt ot h er e a d e rt h r o u g hs e r i a l i n t e r f a c eo re t h e r n e ti n t e r f a c e ，a n dt h er e a d e ro b t a i n st h ea b i l i t yt oa c c e s s t a ga tal o n gd i s t a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h eu s a g eo fr f i dt e c h n o l o g y f o rc o n t a i n e ra tl a s t t h er e a d e ra tu h f d e s i g n e dh e r ec o n f o r i l l st ot h e a p p l i c a t i o nd e m a n do fc o n t a i n e r , a n dp r o v i d e sg o o dr e f e r e n c et od e s i g n t h es a m ep r o d u c t k e yw o r d s ：u l t r a h i g hf r e q u e n c y r f i dr e a d e r ，a u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n ，u p p e rc o m p u t e rc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 碑 7 绰 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 集装箱是国际物流的主要运输装备，国际货运的9 0 是通过集装箱运输完成 的，每年有超过3 0 0 0 力t e u ( t w e n t y f o o te q u i v a l e n tu i n t ，国际标准箱单位) 重箱在全球范围内流通。据统计，2 0 0 5 年中国内地的集装箱吞吐量为7 5 6 4 万 t e u ，中国香港的集装箱吞吐量为1 9 0 0 万t e u 。而对如此大规模、国际性的货 物流通载体集装箱的供应链管理、信息收集、跟踪监控仍然是通过人工方式 或采用视频( 图像) 自动识别技术完成【l 】。 基于视频自动识别技术的箱号识别系统已经在中国海关监管的港口、码头、 出口加工区、保税区、保税物流园等集装箱进出场所的卡口得到了广泛的应用， 但这种方式由于受光线、阳光照射角度、空气能见度、湿度等环境因素和集装箱 箱体颜色、箱体污损程度等因素的影响，箱号识别率一般为8 0 9 5 。其余部分 的集装箱信息仍是通过手工进行采集的。 采用人工方式和视频自动识别技术有以下弊端：人工方式由于人为因素容易 导致信息抄录错误和信息延迟，造成效率低下，引起集装箱供应链的数据紊乱等 问题；采用视频自动识别技术容易实现集装箱信息的自动管理，但这一技术本身 容易受外界环境和集装箱箱体污损度的影响，系统的识别率、可靠性和精确度都 不够高。事实上，由于传统识别方法的局限性，集装箱信息能够实时并且准确采 集的仅有6 5 ，其余3 5 的信息是不准确或不是实时的，这就无法准确和及时 地追踪到集装箱的信息，这已经成为影响现代物流效率、货物配送效益、供应链 管理水平的主要瓶颈。因此，利用新的识别技术尽快开发出信息化的集装箱在行 业内的需求是极为迫切的，信息化集装箱的开发与应用将彻底改变整个现代物流 的信息管理现状，大大提高整个供应链的管理水平，是一件影响集装箱行业的革 命性大事1 2 j 1 3 。 和传统的识别技术相比，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 射频识别) 技 术具有以下优点：信息是无线传输，自动采集，获取速度快，传输距离远，可以 识别运动的物体；标签的信息容量大，数据可以加密，并且具有耐高温、防水、 抗油污的特点，标签的数据区可以反复写入与擦除，能够循环使用，不受雨、雪、 雾、噪音和振动的影响。 随着r f i d 技术的成熟和在国内外各行各业中的应用日益普及【4 j 【5 】【6 】【7 1 ，利用 r f i d 技术改造传统的集装箱信息识别方式也逐渐受到人们的重视【8 】【9 】【l o 】。 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 1 2r f i d 技术概况和国内外研究与应用现状 1 2 1r f i d 技术介绍 r f i d 技术是在2 0 世纪9 0 年代兴起的一种自动识别技术，r f i d 技术利用 射频信号通过空间的电磁场耦合实现非接触式的信息传递，达到信息识别的目的 【1 1 】【1 2 】。自1 9 4 8 年h a r ys t o c k m a n ( 哈里斯托克曼) 发表“c o m m u n i c a t i o nb ym e a n s o f r e f l e c tp o w e r ” ( 利用反射功率的通信) 奠定r f i d 技术的理论基础以来， r f i d 技术就得到不断的发展，并逐渐走向成熟。由于r f i d 技术克服了传统识 别技术的不足，并且具有识别过程无需人工干预，可以在恶劣环境中工作的特点， 已被广泛地应用在物品跟踪【1 3 】【14 1 、货物管理【1 5 】【1 6 l 、生产过程监控【17 1 、智能收费 【1 8 1 等领域，并在其他行业也同益受到重视【1 9 】【2 0 】【2 i l ，相关技术如读写器和电子标 签的研究也越来越多地开展起来1 2 2 】【2 3 】【2 4 】。 1 2 2r f i d 系统的构成 完整的r f i d 系统由上位机应用软件、r f i d 读写器、馈线( 射频电缆) 、读 写器天线、电子标签以及电源、射频电缆连接器等配套使用的器件构成。各设备 的作用如下所示【2 5 】： 上位机应用软件：上位机应用软件的作用是通过调用读写器的通信接口函数 控制r f i d 读写器，访问处在读写器射频场中的电子标签，并为用户提供具体的 应用界面。 r f i d 读写器：r f i d 读写器是系统中的主要设备，作用是接收上位机应用软 件发送的命令，通过馈线和读写器天线将命令以电磁波的形式发射出去，在周围 形成电磁场，等待接收标签的应答信息，并把应答信息上传到上位机应用软件。 馈线：馈线是一种特殊的同轴电缆，两端有各有一个连接器，分别与读写器 和读写器天线相连，作用是在读写器和读写器的天线之间传输调制信息。 读写器天线：读写器天线的作用是将读写器的命令以电磁波的形式发送出 去，在读写器天线附近形成电磁场，和电子标签天线一起在读写器和电子标签之 间传递信号。 电子标签：电子标签由标签芯片与标签天线组成。标签芯片有连续的数据存 储区，分别存储着标签的i d 号、厂家信息、用户数据等。标签芯片和标签天线 组成射频电路，电子标签通过天线接收来读写器发射的射频信号，根据命令对自 身的状态进行调整，并应答读写器的命令。 2 中南人学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3r f i d 系统的分类 ( 1 ) 根据r f i d 系统中电子标签的供电类型可以将r f i d 系统分为有源r f i d 系统和无源r f i d 系统。 有源r f i d 系统由于标签需要电池供电，因此体积一般都较大，寿命也有限， 而且成本比较高，这就大大限制了有源r f i d 系统的应用范围，但有源r f i d 系 统识别距离较远，可达3 0 米。无源r f i d 系统的标签无需电池供电，因而标签 体积较小，并可以按照用户的要求进行个性化封装，无源r f i d 标签理论寿命无 限，价格低廉，但是识别距离较短1 2 6 。 ( 2 ) 根据r f i d 系统工作频率的不同可以将r f i d 系统分为低频r f i d 系统， 高频r f i d 系统、超高频r f i d 系统和微波r f i d 系统，工作在不同频段的r f i d 系统之间的对比如表1 1 所示。 表1 - 1 工作在不同频段的r f i d 系统的对比 低频r f i d 系统工作频率的范围为3 0 k h z 3 0 0 k h z ，典型的频段有1 2 5 k h z 和 1 3 4 k h z ，相对于其它频段的r f i d 系统，低频r f i d 系统的磁场下很快，数据传输 速度慢，主要用于短距离、低成本的应用，如门禁系统；高频频段的工作范围为 3 m h z 3 0 m h z ，典型的工作频率为1 3 5 6 m h z ，高频波段的波长可以穿过很多材料， 并可以读取多个标签，主要应用于图书馆罩系统、物流过程跟踪、高速公路收费 等；超高频r f i d 系统的频段主要有4 3 3m h z ，8 6 0 9 6 0m h z ，超高频r f i d 系统 主要靠电磁场传输能量，读取距离较远，主要用于生产线自动化管理，航空及铁 路包裹管理，铁路车辆自动识别等；微波r f i d 系统的频段主要有2 4 2 4 5 g h z 和5 8 g h z ，该频段的r f i d 系统还在测试阶段，应用较少【27 。 1 2 4 国内外r f i d 技术研究与应用现状 低频和高频频段的r f i d 技术来比较成熟，市场上有成熟的读写器芯片和标 签芯片。在国内外，这两个频段的r f i d 产品得到了广泛的应用。 对于超高频频段，以前对u h fr f i d 系统的研究主要集中在降低电子标签的 价格上，研制出了一些廉价的r f i d 标签芯片，如飞利浦公司推出的u h fr f i d 芯 片，使超高频频段的r f i d 产品得到了一定的推广。但是，专注降低标签的研究 造成了对降低读写器成本的研究投入较少，各公司推出的读写器价格偏高，限制 3 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 了u h fr f i d 技术的进一步推广应用。 在国外，美国已经在r f i d 标准的建立、相关软硬件技术的丌发走在世界的 前列，t i 公司、i n t e l 公司集成电路商都在r f i d 领域投入巨资进行芯片开发。 欧洲r f i d 标准追随美国主导的e p cg 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。欧洲的p h i l i p s 公司、s t 微电子公司在积极开发廉价 的r f i d 芯片；c h e c k p o i n t 公司在丌发支持多系统的r f i d 识别系统；诺基亚公 司开发能够基于r f i d 的移动电话购物系统；s a p 公司则积极丌发支持r f i d 的企 业应用软件。r 本自提出u i d 标准后，r f i d 技术得到了快速的发展，但u i d 标 准主要得到的是本国厂商的支持。r f i d 在韩国的重要性得到了加强，政府给予 了高度重视。 美国的w j 通讯公司已开发出了u h fr f i d 射频芯片叫j c 2 0 0 ，w j c 2 0 0 可 以用于移动的和固定的打印机、读写器、p d a 以及手持设备等。据称，w j c 2 0 0 是行业中第一个符合第二代e c pg l o b a l i s o1 8 0 0 0 6 c 和i s o1 8 0 0 0 6 b 国际标 准的射频识别读写器芯片，并且这款芯片的价格低廉，支持多个频段。近闩又宣 布推出第一个体积更小、价格更便宜、具有突破性的第二代u h fr f i d 组件 w j c 3 0 0 0 。w j c 3 0 0 0 射频输出功率为i w ( + 3 0 d b m ) ，数据传输速率也较快1 2 引。 r f i d 半导体领域的新创公司s t a r p o r ts y s t e m s 推出u h fr f i d 读写设备芯 片s p t 0 0 1 。s p t 0 0 1 工作频率范围为8 6 0 到9 6 0 m h z ，支持4 0 到2 4 0 k b p s 的数据 速率，具有可编程d s p 架构，可针对具体的应用进行配置。 i n t e l 公司不久前推出了高度集成的读写芯片r 1 0 0 0 。r 1 0 0 0 集成了1 0 0 个 元件，把读写器所使用的占9 0 的元器件集成在一块芯片上，工作频率在8 6 0 9 6 0 m h z ，使用时功耗只有1 5 w 。这对缩短开发读写器设备和降低成本起到了很大的 推动作用i z 训。 a n a d i g m 宣布其第二代的r a n g e m a s t e r 2r f i d 通用读取模块面世。该模块工 作在3 3 v 电压下，可以个性化设计以读取不同类型的r f i d 标签。据称， r a n g e m a s t e r 系列完全支持所有高频、超高频( e p c g l o b a lg e n1 和g e n2 ( c l a s s o ，1 ，2 ) 和i s 0 1 8 0 0 0 - 6 标准) 的协议。 我国对r f i d 技术的研究起步较晚。近年来，我国初步开展了r f i d 相关技术 的研发及产业化工作，并在部分领域的应用中取得了一些成绩，与此同时出现了 一些企业，如上海华虹、上海复旦电子微电子、深圳远望谷等。但我国基础薄弱， 缺乏核心技术，应用分散，不具备规模。在r f i d 检测技术领域与规范方面大都 采用相关国际标准，我国自主的r f i d 相关标准还在制定当中【3 0 l 。 从国内的r f i d 整体产业链来看，低频和高频的r f i d 技术发展较早，而且这 两个频段的r f i d 技术门槛相对较低，参与的企业较多，产品应用广泛而且价格 4 中南人学硕士学位论文第一章绪论 低廉。在这两个频段，我国的技术相对成熟，技术水平和国外的相差不大，我国 的r f i d 技术储备主要就在低频( l f ) 、高频( h f ) 这两个频段。而超高频r f i d 技术门槛高，加上在我国的发展较晚，涉足的企业相对较少，产品的应用成本高， 市场占有率不到1 0 ，具有自主知识产权的企业仅有少数几家【3 l 】【3 2 1 。 相对于国外成熟的芯片产业技术，国内单位的芯片生产还在起步与摸索阶 段，尤其在u h f 和m w 频段的技术，目前还没有掌握芯片制造、天线设计、封装 集成等核心技术，这些方面和国外有较大的差距，加之又缺少相应的标准和开放 的频段，我国在u h fr f i d 领域还处于发展初期，但最近也有一定的发展，2 0 0 7 年上海一家公司宣布成功研制出符合i s o1 8 0 0 0 - 6 c 协议的超高频无源r f i d 标签 芯片。在r f i d 技术的应用方面，我国的在低频和高频这两个频段的产业已经得 到充分的发展( 如第二代身份证的大规模换发) ，在超高频r f i d 系统方面，我国 也在积极的开展r f i d 技术在铁路运输方面的应用研究。 1 2 5r f i d 技术发展过程中遇到的问题 制约r f i d 技术发展的主要问题是频段划分和行业标准的不统一。以超高频 为例，美国使用9 1 5 m h z ，欧盟要求8 6 8 m h z ，而同本标准为2 4 5 g h z 和1 3 5 6 m h z ： 标签包含的内容方面，也还没有正式的行业标准。r f i d 在物流应用中存在两种 编码体系：一种是由同本提出的u i d 编码体系，支持这一体系的有日本电子厂商、 信息企业和印刷公司等；另一种是由美国的e p c 环球协会提出的e p c 电子产品编 码标准，支持这一体系的有沃尔玛连锁集团、t e s c o 、i b m 、微软等欧美公司。欧 美的e p c 标准信息位数为9 6 位，而日本则为1 2 8 位。由于标准的不统一，目前 厂家推出的r f i d 产品互不兼容，阻碍了r f i d 技术的推广应用【3 3 j 。 在行业标准化方面，一系列与r f i d 相关的通信标准相继出台，目前国际上 主要有：i s o i e c1 8 0 0 0 标准( 超高频) ，i s 0 1 1 7 8 5 ( 低频) ，i s o i e c1 4 4 4 3 标准 ( 1 3 5 6 m h z ) ，i s o i e c1 5 6 9 3 标准( 1 3 5 6 m h z ) 等，虽然世界各地区在一些频 段的划分有所不同，但是这些标准的出台推动了r f i d 技术的发展和应用。 1 3 课题来源与意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于中国国际海运集装箱( 集团) 股份有限公司( 简称中集集团) 承担的国家科技支撑计划项目“基于r f i d 技术的智能集装箱及其共公服务系统 开发”中的课题：智能集装箱公共服务系统应用示范。 中南人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 3 2 本论文研究的目的和意义 本论文的研究目的和意义有主要有几点： 1 、目前国内外虽有r f i d 读写器出售，但价格都十分昂贵，每台读写器的价 格一般都在一万元以上，这大大限制了r f i d 系统中的读写器使用数量，降低了 r f i d 系统的优化程度。本文通过自行设计r f i d 读写器，降低系统的应用成本。 2 、国内外的r f i d 读写器大多都是通用型设备，无法对读写器的软件进行进 一步的功能扩展，但在集装箱行业使用r f i d 技术时很多场合还需对读写器扩展 一些其它功能，这对于购买现成的读写器来说很不方便，因此，根据具体的应用 环境设计专用的读写器也很有必要。 1 4 本论文研究的主要内容及论文结构 在无源r f i d 系统中，读写器是重要的设备，本论文研究的主要内容是结合 集装箱行业的应用特点，提出适用于集装箱行业的r f i d 系统，并完成系统中读 写器和上位机通信程序的设计工作。本论文的组织结构如下： 第一章主要介绍了r f i d 系统的构成和分类，并重点介绍了r f i d 技术在国 内外的发展和应用现状，描述了r f i d 技术在发展应用中遇到的困难。 第二章介绍了射频识别技术的理论基础，并介绍了目前国际主流的超高频 r f i d 系统的标准，确定了集装箱行业r f i d 系统中读写器和上位机通信程序的 设计方案。 第三章分析并总结了r f i d 读写器的主要功能要求，并据此设计了r f i d 读 写器的硬件电路。 第四章分析了读写器软件的功能要求，制定了r f i d 系统的通信协议，利用 t t c o s i i 操作系统设计了读写器的软件，并对t i c o s i i 操作系统进行了裁剪。 第五章根据对上位机通信程序功能的分析，选取了开发环境，并采用基于界 面的设计方法设计了上位机通信程序。 第六章测试了超高频r f i d 读写器和上位机通信程序，介绍了r f i d 技术在 集装箱行业的应用情况，并分析了r f i d 技术在集装箱行业的应用前景。 第七章对本文的工作作了总结，并对今后的工作做了展望。 6 中南人学硕士学位论文第二章集装箱无源r f i d 系统理论基础及方案设计 第二章集装箱无源r f i d 系统理论基础及方案设计 集装箱交付使用后，可能会在全球的供应链中流通，由于装卸过程中的碰撞 和在海运途中受腐蚀的影响，集装箱的使用寿命一般是l o 年，集装箱要求在使 用周期内免维护。 在集装箱行业中如果采用有源r f i d 系统，电子标签电池的电量不足时读写 器便无法激活电子标签，也就无法读取标签中的信息，这样会给管理带来混乱。 因此，为保证电子标签的f 常工作就需要定时给电子标签更换电源，这样就需要 额外的时间并增加了大量的开支，不符合集装箱实际的应用要求，因此采用有源 电子标签不妥。和有源电子标签不同，无源电子标签可以从射频信号中获取其工 作所需的能量，具有成本低、免维护的特点，符合集装箱的应用要求1 3 引。因此 在集装箱行业采用无源电子标签较为妥当。 根据不同频段的r f i d 系统的特性可以看出，低频和高频频段的无源r f i d 系统的读写距离一般都比较近，超高频频段的r f i d 系统的读写距离相对较远， 集装箱行业的r f i d 系统的工作频段选在超高频时可以满足远距离通信的要求， 并且，超高频r f i d 技术具有可以识别运动的物体的特点，因此可用于集装箱的 自动识别系统。 由以上分析和比较可以得出，集装箱行业的r f i d 系统的类型应选为无源 r f i d 系统，读写器工作频段的应选择在超高频频段，中心频率为9 1 5 m h z ，频 率范围为9 0 2 9 2 8 m h z 。这样，应用在集装箱行业的射频识别系统最终确定 为超高频无源r f i d 系统。 r f i d 系统主要实现读写器对电子标签信息的获取。r f i d 读写器和电子标签 之间通过“命令应答的方式实现两者之间的通信。在从r f i d 读写器到无 源电子标签的前向链路中，读写器通过读写器天线向无源电子标签传输信号和能 量，无源电子标签通过标签的天线进行接收；在从无源电子标签到r f i d 读写器 的后向散射中，无源电子标签通过调制标签天线的反射系数将自身的信息传送给 r f i d 读写器，完成对读写器的应答。在r f i d 系统中，读写器的天线一般是独 立的元件，读写器的天线通过馈线和读写器相连，无源电子标签一般包括标签芯 片和标签天线，如图2 1 所示。 读写器和电子标签可以看作是发射机和接收机，两者之间的数据和能量传输 以电磁波为基础，并以射频信号的形式在两者的天线之间传递。 7 中南大学硕十学位论文第二章集装箱无i 1 5 i r f i d 系统理论基础及方案设计 画线 半导体芯片 图2 - 1 电子标签的构成 2 1 无源射频识别系统电磁波能量的传递 由电磁学的基本知识得知，变化的电场产生磁场，变化的碰场产生电场。因 此，连续交变的电场周围形成了连续交变的磁场，连续交变的磁场又产生连续交 变的电场，于是在空自j 中产生了相互依赖的电磁场。麦克斯韦方程组对这种现象 进行了描述，如公式( 2 1 ) 、公式( 2 2 ) 、公式( 2 3 ) 、公式( 2 - 4 ) 所示州。 v e 竺( 2 一1 ) a 乳h ：j + ! 竺( 2 2 1 研 vd=p(2-3) v b = 0 ( 2 - 4 ) 上式中，e 为电场强度矢量( 矿m ) ，h 为磁场强度矢量( a m ) ，b 为磁 感应强度矢量( t ) ，d 为介质中的电位移矢量( c m 2 ) ，j 为电流密度矢量 ( 一m 3 ) ，口为体电荷密度矢量( c r a 3 ) 。 此外，描述电磁场能量的坡印廷矢量为： s = e x h ( 2 - 5 ) 超高频无源r f l d 系统中，读写器发送的信号和能量通过天线| ：l 电磁波的形 式发射出去；电子标签依靠标签天线从电磁场中获取能量和信号。 以理想偶极子天线为例，理想偶极子是指满足长度非常短、电流分布等幅同 相的线电流源，在理想偶极子天线上，电流可以假定为均匀的。根据电磁学理论， 长度为血，中心位于坐标原点的理想偶极子，在空间观测点p 产生的电场强度 和磁场强度分别如公式( 2 6 ) 、公式( 2 - 7 所示1 3 7 1 。 中南人学硕+ 学位论文第二章集装箱无源r f i d 系统理论基础及方案设计 纠掣圳，+ 击一击，等咖瓶 2 掣圳击一，击，等c o s 9 ； 沼6 ) 心肚【1 + 击】等s i n 口金 ( 2 - 7 ) 其中，为介电常数，f 为磁导率，= 彩万；观测点p 距理想偶极子天 线的距离，满足， a z ：式中的0 、和，的关系如图2 - 2 所示。 7 y x 图2 2 空间坐标图 天线周围的空间按距离可以分为两个场，距离天线较近的场为近场区，距离 天线较远的场为远场区。近场区又分为两个区域，分别是感应近场区和辐射近场 区。这三个场具有不同的特性：感应近场区是距离天线很近的区域，在这个区域 中天线产生的场具有静态感应场的特性，因此又称为感应近场；远场区天线产生 的场主要表现为辐射场；近场区和远场区之间的是辐射近场区，是感应近场到辐 射远场的过渡地区1 3 8 11 3 9 1 。 在近场中，即 工山o i l 工山u 一 卜工山n 卜工山匣山工山一凸 工山o q 士厶们 工山z 山 山一凸 卜z 山o o u u u u o z o凸z o u z z叫芝i 卜 姒 釜 肿 卜山山匣皇 w 凸乱c、u山口 一。一艮o u n o i d on o i d o寸。一山。 中南人学硕+ 学位论文第三章超高频无源r f i d 读写器硬1 j ，l ：电路设计 以选择转发和节点模式，可以选择的m i i r m i i 接口。可选择的全双工半双工工 作模式，l e d 指示连接通信状态、1 0 1 0 0 m 速率、全双3 2 冲突等。在以太网通 信中具有重要的作用。d m 9 1 6 1 a 包含了i e e e 8 0 2 3 u 规定的1 0 0 b a s e t x 的所 有物理层功能，包括p c s ( p h y s i c a lc o d i n gs u b l a y e r ) 、p m a ( p h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t ) 、t p p m d ( t w i s t e dp a i rm e d i u md e p e n d e n ts u b l a y e r ) 、e n c d e c ( 10 b a s e t xe n c o d e r d e c o d e r ) 、t p m a u ( t w i s t e dp a i rp h y s i c a lm e d i u ma c c e s s u i n t ) 等。d m 9 1 6 1 a 提供了自适应功能，实现了媒体速度和协议的自动选择。 此外，由于d m 9 1 6 1 a 提供了内置的波形整形滤波器，因此d m 9 1 6 1 a 无需外部 的滤波器。通过m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 接口，d m 9 16 1 a 芯片可以和 m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层相连。d m 9 1 6 1 a 的引脚图如图3 7 所示： 蓁萎蓁墨蓁垂莹萎萎垂蓥量 癣； 守躺 萏古古占 叱 占= 百万 图3 7 蹦9 1 6 1 a 引脚图 在和上位机的网络通信中，网络变压芯片采用h r 6 0 1 6 8 0 。h r 6 0 1 6 8 0 在读 写器到以太网络的线路中，起升压作用，在以太网到读写器中，起降压作用。 在硬件的具体实现中，l p c 2 3 6 4 利用自身携带的以太网控制器进行通信控 制，以太网控制器利用r m i i 接口和d m 9 1 6 1 a 芯片相接，并通过h r 6 0 1 6 8 0 和 r j 4 5 接口建立与以太网网络的硬件连接通路，与连在网络上的主机进行通信。 读写器以太网网络通信的硬件电路图如图3 - 8 所示，h r 6 0 1 6 8 0 和r j 4 5 接口的电 路图如图3 - 9 所示。 5 ； 嘶 窒吃 眦一一一一一一一一 一一一m刖一一 f 2 阱d ， b t xw 爬 d re r xr 中南大学硕士学位论文第三章超高频无源r f l d 读写器硬什电路设计 图3 - 8 读写器与上位机的以太网网络通信电路图 f 申蝼z 1 ： 1 2 l t x p h y3 4 a v d d tp m 广了 i 议+ 丽 j 7 唑1 9 5 讯 _ js 、 摹p _ p 小 k 藁r r 3 8 1 跚ill 承i 寸l r 3 9 3 3 5 电源模块设计 d g n d 图3 - 9h r 6 0 1 6 8 0 和r j 4 5 接口电路图 在读写器的硬件构成中，w j m 3 0 0 0 的工作电压为5 v ，工作的瞬时电流接近 中南人学硕十学位论文第三章超高频无源r f i d 读写器硬件电路设计 1 0 0 0 m a ，峰值电流为1 2 0 0 m a ，如果电压或电流不稳定，就可以会影响w j m 3 0 0 0 模块的正常工作；l p c 2 3 6 4 的工作电压是3 3 v ：有源晶振的工作电压是1 8 v 。 为保证系统工作时的电压和电流供应，电源模块采用l t l 0 8 5 、s p x l l l 7 m 3 3 - 3 和s p x l l l 7 m 3 1 8 芯片进行稳压。l t l 0 8 5 可以提供较精确的5 v 电压，并可以 提供3 a 的电流【5 6 】，可以满足w j m 3 0 0 0 模块的工作需求，s p x l1 17 m 3 3 3 和 s p x l l l 7 m 3 1 8 可以提供精确的3 3 v 和1 8 v 电压，可以为l p c 2 3 6 4 和晶振提 供稳定的电压【5 7 l 。稳压电路模块的设计如图3 1 0 所示。 u i 3 l t l 0 8 5 c t 5 v d d 9 0 i 1 b d g n d u 1 3 ；麒u ! 7 曼3 d g n d d g n d= 图3 - 1 0 读写器稳压电路电路图 3 3 6 辅助模块硬件电路实现 辅助部分包括j t a g 接口电路设计和复位电路设计等。j t a g 接口用于下载 程序，复位电路用于系统的可靠复位。j t a g 接口电路的设计情况如图3 1 l 所示。 l o v d d 3 3 图3 - 1 1 读写器j t a g 接口电路图 j t a g 3 譬r|i 一 中南人学顾十学忡论文第一二章超高频光源r f i d 读丐器埂什i u 路殴计 复位电路罔的设计情况如| 刳3 - 1 2 所不。 图31 2 读写器复值电路图 在没计i 乜路图的p c b 板时聚用两层板设汁，顶层铺设芯片，底层为地。 提高电路版抗干扰的能力，顶层设有铺设芯片的部分敷铜，并将其连接到地， 用p r o t e ld x p 设计的p c b 板如图3 1 3 所示。 3 4 本章小结 囤3 13 读写器p c b 电路板 本章通过分析总结出了用于集装箱行业的超高频r f i d 读写器的助能要求， 井据此选取了读写器的元器件，设计了读写器的硬件电路图，最后给出了读写器 p c b 板的设训情况。 警 h 中南人学硕+ 学位论文第四章超高频无源r f i d 读弓器软件设计 第四章超高频无源r f i d 读写器软件设计 4 1 读写器软件功能分析和实现方案的确定 4 1 1 读写器软件功能分析 读写器需要实现的功能包括：1 、从上位机接收命令数据包；2 、根据命令数 据包实现对处在其射频场中的无源电子标签的访问；3 、将访问结果返回给上位 机。读写器硬件设计实现了读写器的硬件连接，读写器的软件主要是在硬件的基 础上实现具体的功能。 读写器的软件根据实现的功能可以分为如图4 1 所示的几个部分：实现读写 器和上位机的串口通信和网络通信，可靠地接收上位机发送的命令数据包；实现 和w j m 3 0 0 0 模块的串口通信；实现程序间的通信功能，利用程序间的通信功能 将从上位机接收的命令数据包发送到w j m 3 0 0 0 模块，以及将w j m 3 0 0 0 模块返 回的数据包返回到相应的程序，并最终将结果上传到上位机。 上位机通信程序读写器软件 l卜 串口通信软件 1 卜、 命令的发送与 厂7 厂 与 程序 返回数据包的间的 i 卜 w j m 3 0 0 0 、汀 的串口通 接收通信 l 刮网路通信软件陪玲 信软件 r 图4 - 1 读写器软件功能构成图 为保障数据在r f i d 系统中的可靠传输，需要为通信的数据制定通信协议。 另外，为保障读写器的可靠运行，在编写以上程序外，也需要编写看门狗程序， 防止程序陷入死循环。 4 1 2 读写器软件实现方案的确定 由图4 1 可以看出：读写器和上位机之间有两条数据传输通路，分别是串口 通信和网络通信，除此之外，读写器软件还需和w j m 3 0 0 0 模块进行串口通信并 实现程序间的通信功能。在实现和上位机的网络通信中，需要采用相应的网络通 3 2 中南人学硕士学位论文第四章超高频无源r f i d 读写器软件设计 信协议。所有的这些要求，可以通过采用操作系统方便地实现。另外。读写器的 控制芯片l p c 2 3 6 4 的硬件架构也适合运行操作系统。因此在读写器的软件实现 方案中利用操作系统实现程序的功能。 读写器的软件开发环境采用a d s l2 。a d s 集成开发环境是a r m 公司推出 的a r m 核微控制器集成开发环境，英文全称是a r m d e v e l o p e r s u i t e ，成熟的版 本是a d s l2 。a d s l2 支持以前所有的a r m 系列微控制器，支持软件调试及 j t a g 硬件仿真调试，支持汇编、c 、c + + 源程序；具有编译效率高、系统库功能 强等特点；可以在w i n d o w s9 8 、w i n d o w sx p 、w i n d o w s2 0 0 0 以及r e dh a tl i n u x 上运行。a d s l2 的丌发环境如图4 - 2 所示。 - 日一r _ 一“口” 圈4 - 2a i o s l2 开发编译环境 4 2 读写器程序的软件结构 编写读写器程序时在工程模版上采用i z c o s i i 操作系统，版本为v 2 5 2 ，编 程语言采用c 语言。 l t c o s - i i 操作系统是j e a n j l a b r o s s e 设计的完整、可移植、可裁剪的占先式 实时多任务内核。衅o s - i i 的可移植性是指