（检测技术与自动化装置专业论文）etc中射频识别系统的研究与开发.pdfVIP

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：我国的高速公路正处在一个飞速发展的时期，以射频识别( i 沛i d ) 技术为 核心的电子不停车收费系统( e t c ) 能够有效提高高速公路收费的工作效率本文 主要研究射频识别技术，设计开发用于e t c 的射频识别系统。r f i d 是近年来逐渐 兴起的一项多学科综合性的自动识别技术，读写器和电子标签是两个最主要的组 成部分，目前高速公路上的主流系统均工作于5 8 g h z ，防碰撞算法则是r f i d 能 否有效识别多个标签的关键所在。本文受i n t e l 奔腾d 双核处理器的启发，采用双 核冗余控制的思想设计开发了射频识别系统的硬件电路，又在常用防碰撞算法的 基础上提出了一种改进型算法，并已应用到读写器的软件设计中，系统测试结果 证明该算法对系统的防碰撞性能有较为明显的提高，而且读写器性能也达到了设 计的要求。本文主要开展了以下几方面的研究工作： 1 对r f i d 的基础知识包括物理学基础、无线通信原理基础、编码技术、信 息安全技术等进行了较为全面、系统的学习，为读写器的设计奠定了理论基础； 2 对防碰撞算法进行了较为深入的研究。在动态二进制搜索算法的基础上进 行了改进，并根据数值仿真的结果对其进行了性能分析； 3 在详细地分析比较了各种电子标签及天线的特点后，选择了被动式读写型 双片式的电子标签和垂直极化的平板天线，为读写器的设计作好了硬件上的准备； 4 采用双核( a r m 和m s p 4 3 0 单片机) 冗余的思想，选用n r f 9 0 5 收发芯片 设计并开发了r f i d 系统的核心部件之一的读写器；并用c 语言编写了系统各部 分的程序模块。在软硬件的设计过程中都采用了一些必要的防干扰措施。 关键字：电子不停车收费；射频识别；防碰撞算法；读写器 分类号：t n 9 2 些室窒望盔竺堡主堂鱼丝塞 垒里坠璺苎璺 a b s t r a c t a b s t r a c r o u re o u n u - yi sm a k i n gg r e a te f f o r t st od e v e l o p 雠曲蹦w a y 翻陀( e i e c u d n i ct o h c o l l e c t i o n ) s y s t e m , w h i c h u s e st h er 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 ) a st h em a i n a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , 锄i m p r o v et h et h r u w a y se f f i c i e n c ym a r k e d l y i n t h i st h e s i s ，r e s e a r c hw o r k sf o c u so i lt h er f i dt e c h n o l o g ya n dt h ed e s i g no fr h d s y s t e mi ne t c r f i di san e w l y a r i s e nt e d m o l o g yt l l a ti n 喇e san u m b e ro f s u b j e o a r e a d e ra n dt a ga t o 蛔p a f t so fr f i d r f i ds y s t e mo nt h es u p e r h i g h w a ym o s t l yl i 瞄 5 8 g h z 船i t sw o r kf r e q u e n c y t h ea n t i = c o l l i s i o na r i t h m e t i c 咖h e i pi c 幻i d e n t = i r ym a n y t a g sa to n et i l n c t h i sp a p e r i si l l u m i n e db yt h ei n l c lp a n t i u mdc p u 。i tu t i l i z e st h e d o u b l e - c o r e d u n d a n c yi d e at od e s i g nt h eh a x d w a l 孵a n da na n t i - c o l f i s i o nm e t h o di s i m p r o v e da n da n a l y z e d 珏e 血畔o v e do n e i sc o m b i n e dw i t hp r a c t i c a ls o f t w a r e , w h i c h 啪g i v ee f f e c t i v ei m p r o v e m e n tt ot h es y s t e m s 删i - e o l l i s i o nc a p a c i t y a n ds y s t e mt e s t r e s u l t sa l s os h o wt h a tt h er e a d e rh a sr e a c h e dt h ed e s i g n 他q l i i l 蝴t h em a i n c o n t r i b u t i o no f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , 曲屺c o r r e l a t i v eb a s i ct h l x 岫o fr f i d s u c ha sp h y s i c sb a s i ct h e o r y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt h e o r y ，c o d i n gt e c h n i q u e 、i n f o r m a t i o ns a f e t yt e c h n i q u ea n dc l 【c a r ee x p a t i a t e da n ds t u d i e df u l l ya n ds y s t e m a t i c a l l y t h e s ep r o v i d et h e o r e t i cb a s i sf o rt h e l a t t e rr f i d p r o j e c t s e c o n d l y , b y a n a l y s i s a n d c o n c l u s i o n o f a n u m b e r o f g e r a t a n t i - c o l l i s i o n m e t h o d s , ag l e wa r i t h m e t i c , b a s e d0 1 1t h ed y i 啪i cb i n a r ys y s t e ms c 0 i i cm e t h o d ，i sp r o p o s e d a n d t h ep c 埔咖啪o ft h ei n l p r o v c do f f ei sa n a l y z e di nd e t a i la c c o r d i n gt on u m e r i c s i m u l a t i o n t h k d l y , a f t e rc o m p a r i n ga l lk m d so f 掘g sa n da n t e n n a s , t h ep a s s i v er e a d - w r i t e d o u b l ep i e c e st a ga n dp l u m bp o l a r i z e df i a t 揶l l 髓触a r cp i c k e do u t t a ga n da n t e w l aa r e t h eh a r d w a r ep r e p a r a t i o nf o rr h d f i n a l l y , u s e st h ed o u b l e - c o r er e d u n d a n c yi d e a , a r ma n dm s p 4 3 0 ，t oe x p l o i ta r f i dr e a d e r , w h o s er ft r a n s c e i v e rc h o o s e sn r f 9 0 5 砥sp a p e rw r i t e sa l lp r o g r a m m o d u l e sw i t hcp r o g r a ml a n g u a g e ，a n dm a n ym e a s u r e sa r e 地f e 玎e dt ok e e po u tt h e i n t e r f e r e n c e si n s i d ea n do u t s i d eo f t h et a g k e y w o r d s ：e t c ；r f i d ；a n t i - c o l l i s i o na r i t h m e t i c ；r e a d e r c l a s s n o ：t n 9 2 致谢 经过一年多的学习和研究，射频识别系统硬件部分基本完成。由于是超高频 的系统，其间i l l 现了各种各样的问题，在老师和同学们的帮助下经过努力都一一 克服。 衷心感谢我的导师刘娜教授和王爽心教授。在我攻读硕士学位的三年里，在 学习、研究和设计过程中都得到了两位老师的指导和督促。两位老师不但以其深 刻的理论知识和丰富的实践经验在学术上、科研上给予了我精心的指导和鼓励， 而且在生活上也给予了我无徼不至的关怀，使我无论在学业上还是综合素质上都 获得了长足的进步。在此谨向两位老师表示最由衷的敬意和最诚挚的感谢 在研究生的三年时问里，我得到了许多同学在学习和生活中的关心和帮助。 在这里，感谢师姐韩芳在学习上给予我的帮助；感谢同学姜妍、李峰、王涛、刘 允利、张晓烨在学习和生活中所给予的关心、帮助和支持；感谢姜璎兰同学在我 攻读硕士期间所给予的关心、照顾和鼓励。 特别感谢我亲爱的父母和家人对我生活上无微不至的关怀和学业上无怨无悔 的支持，没有他们所付出的心血，就没有我今天的成绩，父母永远都是我最坚定 的后盾和精神支柱。 最后，感谢所有关心我的老师、同学和朋友。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 l 绪论 随着我国国民经济的飞速发展，高速公路的建设也进入了快车道，通车里程 大幅增加，公路等级明显提高，我国已经提出并在加紧建设“五纵七横”国道主 于线规划，部分省份如山东1 1 1 ，其公路网格局已基本形成。这些都将使我们的出行 更加方便快捷。 然而，原始的人工或半人工的收费方式却已成为制约我国道路发展的主要瓶 颈，主要存在以下几个方面的弊端1 2 , 3 】： 1 收费设施及技术落后，城市出入口的收费站易形成交通瓶颈； 2 各路段收费方式、标准的不统一，给车主交费造成混乱； 3 财务管理混乱，票款流失严重； 4 停车次数增多，汽车尾气对环境的污染增加。 i s o t c 2 0 4 中国委员会的统计资料显示：每年仅广州地区停车等待交费所损失 的车时就达数百万小时，由此导致的汽油浪费以亿元计。因此，提高收费站的通 行效率已迫在眉睫。 要解决以上问题，首要的是采用新的收费技术，提高收费站的通行效率：其 次是统一各个高速公路收费标准，联网收费是高速公路收费的一个重要方向i i , 4 】。 不停车收费系统 3 - 6 1 ( e t c ：e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 是国际上正在努力推广 的一种用于道路、桥梁和隧道的电子自动收费系统。这一系统的使用将实现完全 自动化收费并且很容易实现联网收费，能够大大提高公路的通行能力和服务水平， 有利于提高车辆的运营效益，使公路收费走向无纸化、无现金化管理，从根本上 堵住票款流失的漏洞，解决公路收费中财务管理混乱的问题，并且还可以节约基 建费用和管理费用以及减少对环境的污染。 交通部于2 0 0 0 年l o 月发布的交通公路发 2 0 0 0 1 4 6 3 号高速公路联网收费暂 行技术要求中明确指出“电子不停车收费方式的发展方向，有条件的省( 自治 区，直辖市) 可逐步发展”，不停车收费系统j 下开益引起有识之士的高度关注。e t c 主要包括车辆自动识别( a v i ：a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ) 、车辆抓拍和车道 控制等几个部分，其核心是自动识别( a u t oi d e n t i f i c a t i o n ) 部分。相比于其他的自 动识别技术如条形码技术、磁卡技术、光学字符技术、i c 卡技术以及视觉识别技 术等，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 ) 技术以其独有的特性和优 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 点占据了越来越重要的位置，已逐渐成为各e t c 厂家的首选技术1 7 。1 w 射频识别是无线电频率识别的简称，是2 0 世纪9 0 年代才逐渐兴起的一项新 型的非接触式自动识别技术【9 ，”l 。它成功地将射频技术和微电子技术以及i c 卡技 术有机地结合在起，利用无线射频方式对记录媒体( 电子标签或射频卡) 进行 读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。 r f i d 是利用射频信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 或雷达反射的传输特性， 实现对被识别物体的自动识别【7 】。射频识别系统的核心有两个：电子标签( t a g ， 电子标签或射频卡) ，读写器( r e a d e r ，读写器) 【1 2 ，”】。电子标签是待识别信息的 数据载体，其中保存有约定格式的电子数据1 2 4 z 6 j ，实际使用中将其贴到需要识别 或追踪的物体上即可。与电子标签相对应的是读写器，在读写器的响应范围之内， 读写器通过天线发出高频电磁场搜索电子标签，一旦发现就自动识别并读取存储 在电子标签中的数据。并通过计算机和网络实现对信息的采集、处理及远程传送 等管理功能”叫。 射频识别技术与其他的自动识别技术相比最大的优点在于非接触性【7 ，1 2 , 3 9 l 。在 完成识别时无须人工干预，能够实现完全自动化；读写器、电子标签等设备不易 损坏，受环境影响少；能识别高速运动的物体并可同时识别多个物体u ，j ；可以实 现远距离识别1 1 5 1 ；电子标签内的信息可以读，写，对于需要频繁改变数据内容的场 合如超市、集装箱码头、小区车辆管理、路桥收费等场合尤为适用【l4 ”】。 为解决我国目前公路收费中存在的种种弊端，国内许多地方相继上马了一批 不停车自动收费系统，这些不停车收费系统都是以射频识别技术为基础，辅之以 车辆抓拍、逃费报警控制等技术，形成了一个功能齐全的系统。这种不停车收费 系统很大程度上提高了公路的通行能力和服务水平以及车辆的营运效益，具有很 强的实用性 1 2 国内外发展现状 1 2 1e t c 在国际上的发展历史及现状【引6 1 1 9 8 6 年，美国率先在连接新泽西和纽约的林肯大道上使用了电子收费系统1 6 j 。 随后陆续丌通了大量的e t c 车道，不停车收费已经成为美国回收公路投资的有效 手段，并已形成自己的标准。 1 9 9 0 年，挪威、西班牙、意大利先后丌始使用不停车收费。其后，欧盟其余 各国也都丌始了e t c 的研究。1 9 9 7 年欧洲标准化委员会的不停车收费标准草案在 欧盟获得通过，并计划丌发出欧洲统一的e t c 系统。 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 1 9 9 5 年6 月，日本建设省和公路管理公司在全国进行了不停车收费系统的现 场试验。1 9 9 7 年，编制了不停车收费标准草案。次年在全国范围内统一推广e t c 系统。 高速公路上的射频识别主要使用三种工作频率i l 】；9 0 2 9 2 8 m h z 、2 4 5 g h z 、 5 8 g h z 。从已建成的不停车收费系统看，美国主要使用9 1 5 m h z 系统，5 8 0 h z 系 统主要用于欧洲和亚洲，2 4 5 g h z 系统没有形成主流。从美、日、欧向国际标准化 组织提交的有关不停车收费标准的草案来看，欧洲和日本以5 8 g h z 为基础的标准 更为成熟，在知名厂商中获得了较为广泛的支持，但国际上尚未制订出一套完整 统一的国际标准，各国的标准之争仍在继续 1 2 2e t c 在国内的发展历史及现状【l 刀 1 9 9 6 年1 0 月，交通部公路科学研究所与日本丰田举行了不停车收费现场演示 会。 1 9 9 6 年底，首都机场高速的天竺收费站进行了不停车收费试验，并于9 8 年成 立了北京速通公司专门负责不停车收费业务。 1 9 9 9 年初，广东省路路通公司采用美国n 公司设备在省内集成了4 0 余条不 停车收费车道并投入使用。 2 0 0 1 年7 月，上海虹桥国际机场由日本丰田公司和上海城建集团合作建设的 不停车收费系统正式开通。 目前，国内部分省市已相继试用或投入使用了一批e t c 车道，大部分是与国 外知名e t c 公司合作建设的，我国已可自主开发e t c 设备并给出系统解决方案， 其中最有名的是广东新粤埃斯特公司。由于起步较晚，我国尚未公布国家技术标 准，各厂商只能在遵循交通部“网络环境下不停车收费系统行业指导性意见”的 基础上，选择国际上主流的5 8 g h z 系统，这也很可能是我国即将出台的国家标准 频率。 1 2 3 r f i d 的发展历史及现状【7 1 r f i d 技术继承了雷达的概念，并由此发展成为一种新的自动识别技术。其应 用最早可追溯到第二次世界大战时期，美军曾用于识别盟军飞机。 1 9 4 8 年哈里- 思托克曼( h a r r ys t o c k m a n ) 发表的“利用反射功率的通信” 奠定了r f i d 的理论基础。 2 0 世纪5 0 6 0 年代，主要是r f i d 技术的实验室实验研究探索阶段，其理论 北京交通大学硕士学位论文 1 绪论 得到了一定的发展，开始了一些应用上的尝试。 2 0 世纪7 0 年代，r f i d 技术和产品得到了较大发展，出现了一些最早的r f i d 应用实例。 2 0 世纪8 0 年代，由于大规模集成电路技术的成熟，射频识别系统的体积大 大缩小，使得射频识别技术进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。但是， 随后r f i d 的发展印证了g e o f f r e ym o o r e 的技术生命周期理论【博】，r f i d 技术在早 期市场出现了断层。 2 0 世纪末，r f i d 技术被i s o 和其他国际机构确定为供应链的首选管理手段。 射频识别开始越来越多地应用于门禁保安、生产线自动化、仓库货物智能管理、 汽车防盗、牧场的现代化管理和高速公路自动收费等智能系统中，其中影响最大 的是沃尔玛超市【1 8 】尝试用射频识别芯片代替传统的条形码。 我国已于1 9 9 3 年制定了“金卡工程”实施计划，这一旨在加速推动我国国民 经济信息化进程的重大国家级工程促进了各种自动识别技术在我国的普及和发 展，射频识别技术也在其列。2 0 0 6 年1 0 月1 日，“8 6 3 ”计划先进制造技术领域办 公室发布国家高技术研究发展计划c 8 6 3 ”计划) 先进制造技术领域“射频识 别( r f i d ) 技术与应用”重大项目2 0 0 6 年度课题申请指南，“十一五”期间国家 “8 6 3 ”计划拨款一亿两千八百万助力r f i d 技术的自主创新。此次的重大r f i d 项目共有2 0 项，主要就超高频r f i d 防碰撞技术、r f i d 中间件研究、r f i d 公共 服务体系架构设计、r f i d 标签天线设计技术、r f i d 系统测试技术、r f i d 信息集 成管理技术以及r f i d 产业化等2 0 个方向展开突破性研究。此外，。8 6 3 ”计划还 重点突出了五个方向的i 强i d 技术应用，分别是r f i d 技术在邮政行业、离散制造 业生产线、物品安全追溯管理、酒类等物品防伪以及票证与金融管理方面的应用。 目前，中低频段技术已经较为成熟并得到了广泛推广，比如校园一卡通、小 区停车场管理、门禁系统等，但高频段以及微波段的射频识别技术尚不成熟，国 际上尚未形成统一的技术标准和数据协议标准1 1 9 1 ，美欧闩各国都自行划分了r f i d 频率段，而我国仍没有国家标准频率，各公司只能避开电信运营商的营运频率进 行产品研发p “。 r f i d 虽已有了较为广泛的应用，但仍存在诸如丌发成本高、系统稳定性较差、 没有统一标准导致系统之间不能兼容等许多不足。而标准不统一则己成为制约 r f i d 发展的首要因素【1 8 1 。 1 3 本文的主要工作 如上所述，射频识别技术得到了越来越多的关注，射频卡的广泛使用为我们 4 北京交通大学硕士学位论文 l 绪论 的日常生活带来了极大的便利，因此对射频识别技术的研究具有十分重要的现实 意义。本文研究的重点是高速公路不停车收费系统中射频识别读写器软硬件的设 计与开发，借鉴i t 界流行的双核思想，读写器使用了a r m 和m s p 4 3 0 互为冗余 的双核控制设计；在研究了目前射频识别中常用的几种防碰撞算法之后提出了一 种改进算法一折返式动态二进制算法，并将其应用在本文所设计的读写器中。 本文各章的主要研究内容归纳如下： 第一章简要分析了我国高速公路收费中存在的主要问题，为有效地解决这些 问题引入了目前国际上重点发展的以射频识别技术为核心的不停车收费系统，并 介绍了e t c 和射频识别技术的国内外发展现状。 第二章主要介绍了射频识别技术所涉及到的物理学基础和射频通信基础，以 及射频通信的相关技术如信号的编解码、信息的安全性、数据的完整性和防碰撞 算法，最后简要分析了目前射频识别技术的频率标准化问题。 第三章防碰撞算法的研究。主要研究了目前常用的几种防碰撞算法，并在此 基础上提出了一种改进算法，并对其进行了理论上的研究和论证。 第四章系统的硬件设计及调试。本章在确定了系统工作频率之后，使用射频 读写芯片n r f 9 0 5 和双核c p u 设计了读写器的硬件电路，并将其与事先选好的电 子标签相配合形成了一个完整r f i d 读写系统。经调试系统的硬件电路基本符合性 能要求。 第五章系统的软件编程及系统测试。根据电子标签厂商提供的通信协议，使 用c 语言编写了读写器的软件部分，并将前面提出的新的防碰撞算法在软件上加 以实现：给出了系统测试时上位机中所监测到的数据读写情况，并针对几种防碰 撞算法作了测试，结果表明本文所提出的防碰撞算法确实有效。 第六章总结全文，提出展望。 北京交通大学硕士学位论文2 射频识别技术基础 2 射频识别技术基础 2 i物理学基础简介n 1 4 , 2 0 r f i d 系统是一个激励耦合系统，遵循电磁感应定律及物理学的其他一些原理， 通过电磁耦合来传输能量，从而实现无线数据通信。 当电子标签进入读写器的读写范围时，二者通过各自的天线构筑起一个非接 触的信息传输通道，这种空间传输通道的性能完全由天线周围的场区特性所决定。 天线周围场的性质随着距离的改变而不同，通常可划分为三个区域： ( 1 ) 近场( 感应场) 区 本场区紧邻天线，与距离的高次幂成反比，随着离开天线距离的增大而迅速 减小，这一场区内电抗性储能场占绝对优势，故而又称电抗近场区，通常取其界 限为距天线口径表面的a 忽石处。该场区中的电场和磁场的相位差为9 0 0 ，这说明电 磁能流的玻印廷矢量是纯虚数，没有辐射能量，只是电场与磁场的交瞀震荡，所 以又称为感应场区或无功近场区。 ( 2 ) 远场( 辐射场) 区 在远离场源的区域，电磁场矢量之比为定值，这里的电磁场已经脱离了天线 的束缚，场的分布与距离无关。因此，辐射的问题常常只讨论电场而不关心磁场。 这里的玻印廷矢量为实数，电磁能量沿传播方向向外而不返回，这就是电磁辐射， 辐射场区又称为夫郎荷费区 严格来讲，只有离天线无穷远处才是远场区，但当超出某一距离而使得辐射 场的角度分布与无穷远处的角度分布误差在允许范围内时，就可认为己到达远场 区，公认的这一距离为2 d 2 ，五( d 为天线直径，a 为波长，d a ) ( 3 ) 中间区( 菲涅尔区) 中间区就是在近场区和远场区之间的区域。这里的感应场和辐射场均不占绝 对优势，电磁场的分布与天线问的距离有关，电磁场的结构相对复杂，也叫菲涅 尔区。 综上可知：近场为感应场，远场为辐射场。这一结论对射频识别很有意义， 因为低频系统( 1 3 5 k h z 、1 3 5 6 m h z ) 中电磁能量的传送是在感应场区内完成的， 故而可称为感应耦合系统；高频( 9 1 5 m h z ) 以上的系统电磁能量的传送则主要 在辐射场区内完成因此又称为微波辐射系统。上述两个系统的能量产生和传送 方式均不相同，在设计天线及前端部分时存在一定的差别。 天线的近场和远场的距离可以根据波长进行计算，表2 1 给出了几个r f i d 常 北京交通大学硕士学位论文 2 射频识别技术基础 用工作频率的波长对应的近场和远场距离的估算结果，可作为基本的参考数值， 从表中也可看出不同频率的系统其作用场区及有效距离也各不相同。 表2 1 各频率远、近场边界的估算值 频率：g - l z )波长a ( m )置= 2 2 l rr = 2 d 2 a ( d = o 1 m ) 2 2 2 2 3 5 3 m 3 5 3 m 1 3 5 6 m2 2 13 5 m 3 5 m 4 3 3 m 0 6 9 3 1 l c m 1 l c m 9 1 5 m0 3 2 85 2 c m6 1 c m 5 8 g0 0 5 28 2 8 m m3 8 5 c m 2 2 射频识别系统的基本作用原理【7 ，1 4 】 射频识别系统的工作方式可分为全双- r ( f d x ) 、半双工( h d x ) 以及时序系 统( s e q ) 。在全双工和半双工系统中，读写器的应答响应是在读写器接通高频电， 磁场的情况下发送出去的，电子标签与读写器相比信号微弱了许多，所以般对 从电子标签到读写器的信号采取负载调制，这样就可区分开电子标签的有负载波 的负载调制信号和读写器的谐波信号了。而时序系统则完全相反，其读写器的电， 磁场是短时间周期性间断的，电子标签就是利用这些| 、日j 隔来识别信号并向读写器 传输数据，其缺点是：由于在这些间隔期间电子标签的能量供应中断，就需要足 够大的辅助电容或电池来进行能量补偿。 射频识别系统中将读写器发送时使用的频率称作系统的工作频率，大体可划 分为三个范围：低频( 3 0 k h z _ 3 0 0 k h z ) 、高频或射频( 3 m h z - 3 0 m h z ) 、超高频 ( 3 0 0 m h z - 3 g h z ) 。与此相对应的是作用距离，根据作用距离的不同可分为；密耦 合( o 1 c m ) 、遥耦合( 1 c m 1 m ) 和远距离系统( l m ) 。 ( 1 ) 密耦合 具有很小作用距离的射频识别系统，典型距离为0 - l c m ，通常称为密耦合系统。 密耦合系统是利用电子标签与读写器天线的无功近场区之间的电感耦合构成的无 接触的空间信息传输通道工作的，因此需要将标签插入到读写器中或放置到读写 器天线的表面力能完成信息的传输。这种系统一般局限在3 0 m h z 以下。由于密耦 合的方式电磁泄漏少，耦合获得的能量大，甚至可供电流消耗较大的微处理器工 作，因而适合对安全性要求较高而对作用距离没有要求的设备或系统中，如电子 门锁或带有计数功能的非接触式i c 卡系统。 ( 2 ) 遥耦合 北京交通大学硕士学位论文2 射频识别技术基础 遥耦合系统在读写器和标签之间都是电感耦合，其典型作用距离可以达到l m ， 典型工作频率为1 3 5 6 m h z ，这种系统也可称作电感无线电装置。目前所用的绝大 多数射频识别系统都工作于1 3 5 6 m h z ，使用的是电感耦合，这是现在技术最成熟 系统最简单的射频识别系统，也有一些其它频率的系统如6 7 5 z 、2 7 1 2 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 - 1 0 m ，个别系统可能更远。工作频率有 4 3 3 m i - i z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g i - - i z 、5 8 g h z 等。这一系统利用的是标签与读写器天线 辐射远场间的电磁耦合( 电磁波的发射和反向散射) 所构成的无接触空间信息传 输通道来工作的。 通过上面的分析可知，射频识别系统的信息传输是通过电磁波来实现的，按 照通信距离可分为远场和近场，标签与读写器间的数据交换方式也相应地有负载 调制和反向散射调制两种。负载调制指的是读写器和标签问的能量交换类似于变 压器结构的一种通信方式，在1 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 的系统中得到了广泛的应用。 反向散射谲锖l 技术是指无源r f t d 标签将数据发送给读写器所采用的通信方式，电 子标签返回数据的方式是控制天线的阻抗，是基于一种称为“阻抗开关”的方法 要发送的数据信号有两种电平信号，通过一个简单的混频器( 逻辑门) 与中频信 号完成调制，将调制的结果连接到一个“阻抗开关”上，由阻抗开关改变天线的 反射系数，从而完成对载波信号的调制。简单讲就是，标签发送“o ”和“l ”时 将读写器发送的辐射反射回读写器的能量相差很大。读写器据此来区分所要读的 数掘为“0 城“i ”，从而完成对标签的读写，这种调制方法多用于9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、 5 8 g h z 或更高频率的系统中。 2 3 射频识别系统的相关技术 通信i h2 j 的过程主要包含了信息的传输和接收：信息被调制到载波上。通过 空间信道的传输媒质而发送出去；接收机则通过接收载波信息经过解调、解码等 数字信号处理技术将信息显示给用户。图2 1 就是一个数字通信系统的数据流图， 射频识别系统与之类似。对r f i d 系统而言，读写器与电子标签之间的数据传输需 要三个主要的功能块，按读写器到电子标签的数掘传输方向来看，分别是读写器 ( 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( 通路) 、 电子标签( 接收器) 中的解调器( 载波回路) 和信号译码( 信号处理) 。 8 北京交通大学硕士学位论文2 射频识别技术基础 发送嚣幽接收器 们訾，( o 匣雪惘 叫辞恒堕旧 ii 图2 1 数字通信系统中的信号和数据流 由此可以知道设计一个射频识别系统所需要的相关技术：首先是信号的编解 码，信号的编码系统就是要使传输的信息及其信号尽可能最佳地与传输通道的性 能相匹配，这样可以对信息提供一种程序上的保护，以防止信息受到干扰或互相 碰撞以及对信号特性的蓄意改变，因此也称其为基带信号处理【1 4 ，2 2 1 ；其次是信息 的安全保障，需要采用一定的密钥来防止信息泄漏：再就是数据的完整性，要用 一定的编码校验来检查数据在通信过程中是否有丢失；另外，由于可能出现同时 有几个标签进入读写器的有效范围，这就需要使用一种防碰撞算法来解除这种数 据冲突。 2 3 1 编码分类f ，1 4 ，2 3 1 在数字信号系统中的编码形式就是二进制数“0 ”和“l ”，而且可以采用不同 的代码形式来表示“0 ”和“l ”。1 9 9 1 年制定的国际标准i s 0 1 0 3 7 4 中觌定如下“0 ”、 “1 ”方式：两个4 0 k h z 信号跟一个2 0 k h z 信号组成数字“1 ”；一个2 0 k h z 信号 跟两个4 0 k h z 信号代表一个数字“0 ”。这一标准不仅已在集装箱识别中得到应用， 而且在北美和欧洲的铁路运输中也得到了应用，用于自动识别货车车辆。在我国 铁路车号识别系统中也采用了这一标准。当不同的“0 ”、“l ”组合起来就形成了 连续的线性编码。众多的r f i d 系统中也常常采用这种线性编码的形式。 线性编码最早出现在电话中，利用铜线传输码元，这种码元也可以进行短距 离无线传送。这类信号的频谱是包含或不包含直流分量的低通频谱，它所包含的 频率分量的最高频率与最低频率之比远大于“l ”，这种信号称为基带信号。脉冲 时间调制( p 1 m ) 也是一种典型的编码方式，它把模拟信号数字化后用数字通信 方式传送信息，虽不属于线性编码，但也是r f i d 系统中较常用的编码形式。如图 2 2 所示射频识别系统中还常用以下一些编码：n i 呓( 反向不归零制) 编码、单极 归零制( r z ) 编码、曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码、米勒( m i l l e r ) 编码、差动编 码、差动双相( d b p ) 编码、脉冲一| 日j 歇编码 n r z ( 反向不归零制) 编码：高电平表示二进制“l ，低平表示二进制“0 ”， 9 北京交通大学硕士学位论文 2 射频识别技术基础 在f s k ( 频移键控) 或p s k ( 相移键控) 中几乎仅仅使用n r z 编码。 单极归零制( r z ) 编码：在第一个半比特周期中的高电平表示二进制的“l ”， 而持续整个比特周期的低电平表示二进制的“0 ”。 n r z 编码 m a n c h e s t e r 码( 双向) 单极性归零编码 差动双相编码 米勒编码 变形米勒编码 差动编码 l0l l00l 0 飞九凡门九厂 l0 l l 00lo 厂 r 厂 厂 厂 图2 2 射频识别系统中的数据编码( 1 0 1 1 0 0 1 0 ) 曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码：在半个比特周期时的负边沿表示二迸制“l ”， 半个比特周期中的正边沿表示二进制“o ”因此也被称作为分相编码。曼彻斯特 码在采用副载波的负载调制时常用于从电子标签到读写器的数掘传输。 米勒( m i l l e r ) 编码：在半个比特周期内的任意边沿表示二迸制“i ”，而经 过下一个比特周期中不变的电平表示二进制“0 ”。 变型米勒编码：对米勒编码的改型品种来说，每个边沿都被“负”脉冲所 取代。变形的米勒编码在电感耦合的射频识别系统中用于从读写器到电子标签的 数据传偷，很短的脉冲持续时间，。船= 就可以在数据传输过程中保证从读写器 的高领场中连续供给电子标签能址。 差动编码：在差动编码时，二进制“1 ”将引起信号电平的改变( 切换) ， 而在二进制“0 ”时，信号电平保持不变。用x o r 门和d 触发器就很容易从n r z 信号中产生差动编码。 1 0 北京交通大学硕士学位论文 2 射频识别技术基础 差动双相( d b p ) 编码：也叫做f m o 编码，在半个比特周期中的任意边沿 表示二进制的“0 ”，而没有边沿就是二进制的“1 ”。此外，在有比特周期开始时， 电平都要反相。对接收器来说，位节拍比较容易重建( 如果需要的话) 。 脉冲一间歇编码：在下一个脉冲前的暂停时间为t 表示二进制“l ”。而下一 个脉冲前的暂停持续时间2 t 则表示二进制“0 ”。 脉冲时间调制( p t m ) ：包括脉冲宽度调制( p w m ) 和脉冲定位调制( p p m ) ， 是随脉冲宽度或位置来传送信息。p w m 通过制定不同的脉冲宽度来表示二进制的 “0 ”和“1 ”；p p m 通过制定不同的脉冲位置来表示二进制的“0 ”和“l ” 在射频识别系统中选择一种合适的信号编码系统时，应当注意不同的边沿条 件。最重要的是调制后的信号频谱对传输误码的灵敏度。此外，无源电子标签不 允许由于信号编码方式与调制方法的不适当组合而中断能量供应。 2 3 2 信息安全技术 1 4 , 2 2 , 2 4 1 在设计和选择射频识别系统时，要特别重视数据的安全性，应该根据实际情 况考虑是否需要选择具有密码功能的系统。在高安全性要求的应用中，如车票系 统、支付系统等，如果省略加解密的过程，会由于使用假冒的电子标签而获取未 被认可的服务，从而造成不堪设想的后果。与此相反，一些对安全性没有要求的 应用，如工业自动装置、工具识别、车辆识别、动物识别等，会由于引入密码而 使成本大大提高。 射频识别系统须具备对以下攻击的防范能力： 为了复制，改变数据，未经授权读出数据整体。 将外来的数据载体放入某个读写器的有效范围内，以得到非授权的访问。 为了假冒真正的数据载体，窃听无线电通信并重放数据。 r f i d 中常用的安全手段主要有：d e s 加密算法( 对称算法) 、r s a 算法( 分 组密码算法) 、利用密钥导出的鉴别、加密的数据传输等 2 3 3 数据的完整性【1 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 使用无线的非接触技术传输数掘时，很容易遇到干扰，使传输的数据发生改 变而出现数据错误。因此，在设计通信系统时，应合理地选择调制解调方法以及 发射功率等，若仍出现传输错误则需要考虑采用数据检错和纠错算法。 常用的差错控制方法有：检错重发法、前向纠错法和反馈校验法。对于微波 r f i d 系统，由于信息码元序列是一种随机序列，接收端无法识别其中有无错码。 北京交通大学硕士学位论文2 射频识别技术基础 为了解决这一问题，常在发送端或电子标签的信息码元中增加监督( 纠错) 码元， 接收端可以利用纠错码元和信息码元之间的关系由信道解码器来发现或纠正可能 存在的错误码元 在信息码元中加入监督码元被称为差错控制编码或纠错编码，不同的编码方 法有着不同的检错、纠错能力。在射频识别系统中常用的是校验和法，最常用的 校验和法是奇偶校验、纵向冗余校验( u ) 法和循环冗余码校验( c r c ) 法。 ( 1 ) 奇偶校验 奇偶校验是一种最简单而且应用广泛的校验方法。这种方法是把一个奇偶校 验位组合到数字信息的字节中。在系统设计时必须确定用偶数校验还是奇数校验， 以保证读写器和电子标签都用相同的方法校验。这种方法的特点是简单，但纠错 能力差，如果发生错误的位数不是所设的奇数位或偶数位，则无法被识别出来 ( 2 ) l r c 校验 纵向冗余校验的x o r 校验和可以简单、快速地计算出来。其基本方法是将数 据块的所有数据字节递推，经x o r 选通后即可产生x o r 校验和。字节1 用字节 2 经x o r 门选通后的结果，再用字节3 经x o r 门选通，以此类推，就可得到这 一数据块的l r c 值。在数据传输时，把校验和l r c 附在数据块后一起传输，则接 收端在对接收数据和校验字节进行校验时，其结果总应该为零，其他任何结果都 表示传输过程中出现错误。该算法简单，可快速计算出l r c ，但l r c 并不十分可 靠，多个错误可能会相互抵消导致检验失败，所以主要用于快速校验很小的数据 块。 ( 3 ) c r c 校验 c r c 校验原用于磁盘驱动器中，即使数据量很大也能得出足够可靠性的校验 和数，这种方法也适用于传输数据经有线( 电话) 或无线( 无线电、r f i d ) 接口 时识别错误。c r c 校验是一种循环计算，从数学角度来看，c r c 校验和是用生成 多项式( 算法规则) 除一个多项式( 数据字节) ，c r c 值为所得之余项。将c r c 校 验和加到数据块后一起传输，接收端计算所有数据的c r c ，结果应为零。如不为 零则表示出现错误。用零校验可很容易地分析c r c 校验和，但c r c 校验不能用 于纠错。 2 3 4 防碰撞算法4 】 r f i d 系统的目的就是要读出电子标签中含有可被识别的唯一信息，如果只有 一个电子标签位于读写器的可读范围内，可直接进行读写：如果有多个电子标签 同时位于一个读写器的可读范围内，则电子标签的应答信号就会相互干扰形成数 掘冲突，从而造成读写器和电子标签之间的通信失败。为了防止这些冲突的产生， 北京交通大学硕士学位论文2 射频识别技术基础 r f i d 系统中需要使用一定的命令。解决这种冲突问题，这些命令被称为防冲突命 令或防碰撞算法( a n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m s ) 。 解决通信冲突的方法大致可以分为如下四种：空分多址( s d m a ：s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 、频分多址( f d m a ：f r e q u e n c y d i v i s i o n m u r i p l e a c c e s s ) 、 码分多址( c d m a ：c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 和时分多址( t d m a ；t u n e d i v i s i o nm u l t i p l e a e e e s s ) 。这些方法并不都适用于r f i d 系统，因为电子标签的功 耗及价格等因素决定了电子标签的电路不可能具有很复杂的功能。 射频识别系统中的数据碰撞现象有两种：一种是相邻读写器间发生冲突，读 写器的冲突表现在相邻两个读写器使用相同的频率同时读取同一个标签而致使标 签不知该回应哪一个查询信号，这种冲突可以通过调整读写器的方向使双方的读 写范围不发生重叠或使其能够互相通信以解除冲突，因而读写器间的碰撞很容易 解决；另一种是“无线电广播”式，即多个电子标签几乎同时进入一个读写器的 有效读写范围内时，就出现了明显的信道争用，这就是标签间的冲突。在实际r f i d 系统中，常常遇到的是“无线电广播”式冲突。针对这种冲突形式，可以有三类 解决办法：空域法、对域法和频域法。针对