（检测技术与自动化装置专业论文）基于非接触式ic卡的车辆油耗计量管理软件系统的研究.pdf

中文摘要 能源是国民经济发展的基础资源。在社会生产中，存在有各种各样油耗量很 大，并且不易计量的企业，由于没有对油耗量做出合理和详细的统计，造成了许 多不必要的资源浪费。本课题旨在管理油耗量大，且不易计量与统计的大型企业 中内燃机械车辆的油耗情况，以期达到能源的合理管理、节约能源和提高能源利 用效率的目的。 本课题的提出与研究开发是一种新的尝试。其现场实验在天津港务局港埠四 工区进行，主要使用的是射频识别技术，以非接触式1 c 卡为媒介，将员工油耗 量的数据及相关的信息通过对应的读写器传递到上位机，利用车辆油耗管理软件 的开发对企业中员工和车辆的油耗情况加以统计与管理。 首先，本文研究了射频识别技术的基本组成和工作原理。其次，本文对m i f a r e i 非接触型i c 卡和w m 1 6 u 型读写器的原理、组成和应用设计作了研究。根据实 际生产管理中的要求，设计了i c 卡的协议和读写器的使用规则。通过1 c 卡传递 基本数据，读写器将它们读入到计算机中，为软件的开发提供了基础。最后，本 文着重介绍了内燃机械车辆油耗管理软件的设计思路和开发过程。软件实现了数 据的获得与保存、检索、分类统计与打印，还包括了员工卡和班长卡的登记、更 改员工信息、卡片回收等功能。通过多次现场的实验，对本软件系统作了不断改 进，实现的功能己比较完善。 现场实验的结果表明：通过车辆油耗计量管理软件系统的开发对各车辆油耗 量作了计量与统计，为企业能源消耗的管理提供了依据，达到了节约能源，降低 生产成本的目的。 关键词：非接触式i c 卡i c 卡读写器射频识别内燃机械 a b s t r a c t e n e r g yi st h eb a s i so fn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n tr e s o u r c e s t h e r ea r em a n y k i n d so fc o m p a n i e sw h i c hc o n s u m eal o to fo i l w h a t sm o r e ，t h ec o n s u m p t i o ni s d i f f i c u l tt om e a s u r e f o rt h i sr e a s o n ，al o to f e n e r g yh a sb e e nw a s t e d a c c o r d i n gt ot h e c u r r e n tc o n d i t i o n ，t h ep a p e rf o c u s e so nt h em a n a g e m e n to ft h eo i lc o n s u m p t i o na b o u t i n t e r n a l c o m b u s t i o nv e h i c l e si nl a r g ee n t e r p r i s e s ，w h i c hi sh a r dt om e a s u r e t h e p u r p o s eo f t h ep a p e ri st oc o n s e r v ee n e r g ya n di m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y i ti san e w a t t e m p tt or a i s et h i si s s u ea n dr e s e a r c ho ni t t h ee x p e r i m e n t so ft h e s u b j e c t a r eo p e r a t e di nt i a n ji np o r tn o 4 s t e v e d o r i n gc o m p a n y t h em a i nt e c h n o l o g y a p p l i e di sr 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 ( r f i d ) b yu s i n gc o n t a c t l e s si cc a r d sa s m e d i a ，t h ed a t ao fe m p l o y e e s c o n s u m p t i o na n dr e l a t e di n f o r m a t i o na r et r a n s f e r r e dt o c o m p u t e rt h r o u g hi cc a r dr e a d e r & w r i t e r t h em a n a g e m e n ts y s t e mo ft h eo i l c o n s u m i n go fv e h i c l e sc a nb e u s e dt om a n a g ee m p l o y e e sa n dv e h i c l e s b y a d m i n i s t r a t o r so ft h ec o m p a n y f i r s t l y , t h eb a s i cc o m p o n e n t sa n dp r i n c i p l e so fr f i da r er e s e a r c h e di nt h ep a p e r s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l e s ，c o m p o n e n t sa n da p p l i c a t i o nd e s i g n so fc o n t a c t l e s si cc a r d a n dw m - 16 ur e a d e ra r ee x p l o r e d b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fa c t u a lp r o d u c t i o n a n dm a n a g e m e n t ，i cc a r d s p r o t o c o l sa n di cc a r dr e a d e r sr u l e sa r ed e s i g n e d b a s i c d a t ai sd e l i v e r e db yi cc a r d sa n dt r a n s f e r r e db yar e a d e rt oa c o m p u t e r f i n a l l y , t h e p a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g no ft h em a n a g e m e n ts y s t e mo ft h eo i lc o n s u m i n go f i n t e r n a i c o m b u s t i o nv e h i c l e s t h ef u n c t i o n so ft h es o f t w a r ei n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o n s e a r c h e s ，s t a t i s t i c sa n dp r i n t i n g i na d d i t i o n ，b yu s i n gt h es o f t w a r e ，e m p l o y e e s a n d m o n i t o r s c a r d sc a nb er e g i s t e r e da n dr e u s e d ；i n f o r m a t i o no fe m p l o y e e sc a nb er e v i s e d l o t so fi m p r o v e m e n t sh a v eb e e nm a d et ot h es y s t e ma f t e rr e p e a t e de x p e r i m e n t s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tb yd e v e l o p i n gt h em a n a g e m e n ts y s t e mo f t h eo i lc o n s u m i n go fv e h i c l e s ，t h ec o n s u m p t i o n so fv e h i c l e s h a v eb e e nm e a s u r e da n d c l a s s i f i e d a d m i n i s t r a t o r so fe n t e r p r i s e sc a nm a n a g ee m p l o y e e sb a s e do nt h e m e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dp r o d u c t i o nc o s t s r e d u c t i o nh a v eb e e na c h i e v e d k e yw o r d s ：c o n t a c t l e s si cc a r d i cc a r dr e a d e r & w r i t e r , r f i d ( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) ，i n t e r n a l c o m b u s t i o nv e h i c l e 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：套班铲 签字吼 矿g 年多月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权吞盗盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：勿口驴，年 导师签名： 签字日期： 知笋 沙器6 i 。只6 日日 始 吡 太侈 石 第一章绪论 第一章绪论 1 1 能源消耗在社会生产中的现状与问题 人类社会文明的发展无不是依靠能源作为基础。人们在日常生活中的衣食住 行更是离不开能源，生活水平的不断提高加剧了我们对能源的依赖，越来越多的 家用电器，越来越多的汽车，无不以能源的消耗作为支撑。随着我国现代化建设 的进展、科学技术的进步和人民生活水平的提高、对能源的需求也迅速地增长。 我们的国家地大物博、物产丰富。可是，我们同时拥有庞大的人口，各种常 规能源资源人均占有量远低于世界水平。有关资料显示，我国人均水资源占有量 仅2 1 6 3 立方米，为世界平均水平的四分之一；石油的人均储量也较低，这些信 息向我们表明能源不是取之不尽、用之不竭的，节约能源、合理利用能源是我们 建设小康社会、走可持续发展之路的必然途径。我国的能源现状能源是人类赖以 生存的基础，我国拥有着世界第二大能源系统。能源需求以前所未有的、远高于 g d p 增长的速率急剧增加，煤、电、油、运全面紧张，进口石油大幅增加。能 源供需正面临着严峻挑战：人均资源相对不足，人均能耗低而单位产值能耗高， 大量烧煤导致严重的大气污染。 现实中，我国能源资源有限，常规能源资源仅占世界总量的1 0 7 ，人均能 源资源占有量远低于世界水平：煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平 的5 0 ，石油、天然气人均资源量仅相当世界平均水平的1 1 5 左右。耕地资源 不足世界人均水平的3 0 ，生物质能源的开发也受到制约。我国已成为世界能源 生产和消费大国。2 0 0 4 年，中国超过俄罗斯成为世界第二大能源生产国，同时 也是世界第二大能源消费国。 2 0 0 1 年以来，中国石油消费高速增长。据海关总署发布的数据，2 0 0 7 年我 国共进口原油1 6 3 亿吨，同比前年增长1 2 4 ；进1 ：3 成品油3 3 8 0 万吨，同比前 年下跌7 1 。以此数据计算，我国石油依存度已近5 0 。 与世界能源资源开发条件相比，中国煤炭资源地质开采条件较差，大部分储 量需要井工开采，极少量可供露天开采。石油天然气资源地质条件复杂，埋藏深， 勘探开发技术要求较高。未开发的水力资源多集中在西南部的高山深谷，远离负 荷中心，开发难度和成本较大。非常规能源资源勘探程度低，经济性较差。 我国是石油消费大国，也是石油浪费大国。国际油价上涨，对进口石油依赖 度增长的中国来说影响深远。低技术含量及高浪费的消费方式，是当前我国石油 第章绪论 消费存在的最根本问题。能源已成为制约我国国民经济的重要因素。因此，政府 提出我们要“高度重视节约能源和材料，提高资源利用效率”。 1 2 非接触型i c 卡概要及其动向 i c 卡是r f i d 电子标签的一种类型，主要用于付账结算，具有较高的安全性。 i c 卡型r f i d 电子标签可按照通信距离分为以下几种类型：i c 卡与读写器通过接 点的物理接触进行通信的“接触型 ；通信距离在2 m m 以内的“微距型；通信 距离在1 0 c m 左右的“接近型”；通信距离7 0 c m 以内的“近距型”：通信距离在 7 0 e r a 以上的“远距型 等。除接触型以外的i c 卡外，都称为“非接触型i c 卡”， 如表1 1 所示。目前，使用最为普及的是接近型i c 卡【1 】o 表1 1 接近型i c 卡的分类 类型i s o i e c1 4 4 4 3i s o i e c1 4 4 4 3 f e l i c a ( c 型) ( a 型)( b 型) 倡导企业飞利浦公司( 荷兰) 摩托罗拉公司( 美国) 索尼公司( 日本) i n f i n e o nt e c h n o l o g i e s ( 德国) 编码方式镜像编码、曼彻斯特码n r z曼彻斯特码 调制方式a s k l 0 0 a s k l o a s k l o 通信速率约1 0 6 k b i t s约1 0 6 k b i v s约2 1 2 k b i v s 注：a s k ：幅移键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ) n r z - , 不归零码( n o nr e t u r nt oz e r o ) “接近型”“非接触型i c 卡”又可细分为a 类( t y p e a ) 、b 类( t y p eb ) 和c 类( t y p ec ) 3 种类型。a 、b 两种类型由i s o i e c 实现标准化，c 类又称 为f e l i c a 型，是一种特殊规格。a 类用于飞利浦公司的m i f a r ei c 卡；b 类由摩 托罗拉公司所倡导；c 类公司是由索尼公司推出的，主要在日本应用比较广泛， 它没有被i s o 标准化。 本课题中所使用的m i f a r ei c 卡是由飞利浦公司倡导的，在欧美得到了广泛 应用，市场份额很高。 m i f a r ei c 卡( a 型) 由国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ，简称i s o ) 和国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a l c o m m i s s i o n ，简称i e c ) 的i s o i e c1 4 4 4 3 实现标准化【2 】1 3 】。主要r f i d 电子标签 产品的标准及其特征如表1 2 所示。 第一章绪论 表1 2i s o i e c 标准化 标准频段特征 i s o i e c 1 3 5 k h z 以下 在第2 部分规定了1 3 5 k h z 以下频段的a b 两种类型。由于是以 1 8 0 0 0 2无源标签为前提，其通信距离为几十厘米左右 i s o i e c 1 3 5 6 m h z 在第3 部分规定了1 3 5 6 m h z 频段，以无源标签为前提，信用卡 1 8 0 0 0 3大小的电子标签通信距离为几十厘米左右。该标准讨论了两种模 式：模式1 以i c 卡的标准i s o i e c1 5 6 9 3 为基础；模式2 通信 速率为4 2 4 k b i t s ，在高速识别等要求快速处理的场合十分有效 i s o 厂i e c2 4 5 g h z在第4 部分规定了2 4 g h z 频段，该标准讨论了两种模式：模式 1 8 0 0 0 - 4i 采用了f h s s 方式，由于是以无源标签为前提，其通信距离为 i o c m 1 m 左右；模式2 同样采用了f h s s 方式，但由于是以内 装电池为前提，其通信距离可达1 0 m 左右 i s o 仃e c8 6 0 - 9 6 0 m h z在第6 部分规定了8 6 0 9 6 0 m h z 频段，该频段在i t u r 规定的 1 8 0 0 0 - 6 ( t n - i f ) 第三区( 亚洲大洋洲地区) 没有被指定为i s m 波段，在日本移 动电话是该频段的主要业务，但将9 5 2 9 5 4 m h z 开放用于较大 功率r f i d 电子标签 i s o i e c1 3 5 6 m h z 是非接触型i c 卡的近距离( 1 0 - 7 0 c m ) l 垂! 际标准。与i s o i e c1 4 4 4 3 1 5 6 9 3 标准的非接触型i c 卡相比存储量较小，但通信距离较大 i s o i e c1 3 5 6 m h z是非接触型i c 卡的微距离( 几毫米几十厘米) 国际标准。与 1 4 4 4 3 i s o i e c1 5 6 9 3 标准的非接触型i c 卡相比较存储量较大，通信速 率也较快。共有a 、b 两种类型：在日本，类型a 用于公用电 话i c 卡等用途；类型b 用于居民基本信息卡。另外，f e l i c a 不 符合本标准，但通常将其称为类型c 1 3 选题背景、研究的目的和意义 基于我国能源消耗在社会生产中的现状和问题，政府提出了可持续发展的策 略，它提倡要促进人与自然的和谐，实现经济发展和人口、资源、环境相协调， 是科学发展观的主要内容。努力把握人与自然之间关系的平衡，寻求人与自然的 和谐发展及其关系的合理性存在；同时，我们必须把人的发展同资源的消耗、环 境的退化、生态的胁迫等联系在一起这是科学发展观的条主线。 在社会生产中，存在有各种各样油耗量很大，并且油耗量不易计量与统计的 企业。在工业生产劳动中，由于没有对油耗做出合理和详细的统计，从而造成了 许多不必要的浪费。做好油量消耗的计量与统计可以节省石油量可观的。 第一章绪论 本课题旨在管理耗油量大，且耗油量不易计量与统计的大型企业中车辆的耗 油情况，以期达到节约能源，提高能源利用效率的目的。 本课题在天津港务局港埠四工区进行现场实验，记录与统计车辆耗油情况， 从而可进一步推广应用于其它港务公司与相关行业中去。天津港务局港埠四工区 现有流动装卸机械1 0 7 台，其中负荷2 5 吨轮胎式起重机( 吊车) 1 8 台，负荷4 0 吨轮胎式起重机1 台；牵引车( 拖车) 2 2 台，叉车1 8 台；装载机( 包括原木装载 机5 台) 3 4 台；挖掘机1 1 台；专用下舱叉车3 台。天津港务局港埠四工区车辆 多，员工人数多，耗油量大( 柴油消耗量约1 5 0 吨月) ，损失与浪费情况比较严 重。在月底和年终结算时，在油库的加油量和实际耗油的对比总数偏差很大。因 此对耗油量的科学计量与统计对公司的管理有重要意义。 1 4 本课题研究的内容及创新点 一、射频识别非接触式i c 卡及读写器的原理和应用 本课题为基于非接触式i c 卡的车辆油耗计量管理软件系统的研究。非接触 式i c 卡应用的是射频识另i j ( r f i d ) 技术，它是一种非接触式的自动识别技术，通 过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。它的主要核心部件是电子标签， 通过相距几厘米到几米距离内读写器发射的无线电波，可以读取电子标签内储存 的信息，识别电子标签代表的物品、人和器具的身份。 射频识别系统通常由电子标签、读写器和计算机通信网络三部分组成。本课 题针对其原理及应用作了相关的研究。 非接触式i c 卡又称射频卡是世界上最近几年发展起来的一项新技术，它成 功的将射频识别技术和i c 卡技术结合起来，结束了无源( 卡中无电源) 和免接触 这一难题，是电子器件领域的一大突破。卡片在一定距离范围( 通常为5 1 0 m m ) 靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。r f i d 读写器是 射频识别系统的重要组成部分，一般用于对电子标签的存储信息完成读或写的操 作，通过射频信号采集数据，并将采集到的数据传输到计算机中再进行处理。对 读写器的功能、基本组成、工作方式及分类等作了详细的介绍。在应用设计之前， 首先对非接触式i c 卡的内部结构和工作原理进行了分析并介绍了r f i d 读写器。 二、m i f a r e l 非接触式i c 卡与w m 16 u 读写器的应用设计 一 。 本课题中使用的i c 卡为m i f a r e l 非接触式i c 卡。m i f a r e l 非接触式i c 卡( 又 称m i f a r e l 射频卡，以下简称m 1 卡1 采用先进的芯片制造工艺制作，内建有高速 的c m o se e p r o m 、m c u 等。它的核心是p h i l i p s 公司的m i f a r e li cs 5 0 ( 一0 1 ，- 0 2 ，0 3 ，0 4 ) 系列微模块( 微晶片) ，该模块确定了卡片上的特性以及卡片读写器的 第一章绪论 诸多性能。 基于m 1 卡的可读写次数多、保存时间长、可靠性高等特点，本课题选用了 这种l c 卡作为采集数据信息的媒介。对m 1 型i c 卡的工作原理及功能组成，在 软件的设计之前作了较为详细的研究，并重点分析了m 1 型i c 卡在本课题中的 应用方式及注意事项。 对应于m i f a r e l 型非接触式l c 卡，本课题中使用的读写器是由完美公司生产 的w m 1 6 u 型读写器。在之前对于读写器的原理的分析研究的基础上，接下来 主要针对w m 1 6 u 型读写器，介绍了它的特点和工作过程，并讲述了它在本课 题中应用的设计思路和设计过程。 三、实验过程及软件的设计与开发 实验初期，以一台2 5 吨轮胎式起重机和一台牵引车为对象，进行油耗的计 量与统计。 本课题选用的非接触式i c 卡为容量为8 k 的p h i l i p sm 1 卡；读写器采用完 美公司的w m - 1 6 u 型读写器，它是通过u s b 接口来模拟串口的。此外，需要的 设备有上位机电脑一台，打印机一台。 软件设计的内容主要包括： 1 ) 、油耗数据的获得与保存。 用v b 软件编写程序，a c c e s s 数据库软件保存数据。获得耗油量数据并保存 到数据库。实现v b 与e x c e l 的无缝连接。用户可从软件导出检索出的记录到e x c e l 中，从而可以根据需要打印相关信息。 2 ) 、检索与管理。 油耗数据保存在数据库中，需要对各员工的所有用油量明细和各车辆的所有 耗油量明细进行检索。 3 ) 、卡片管理。 卡片分为两类：班长卡和员工卡。卡片管理模块用来初始化各班长卡和员工 卡。对人员、车辆的调动进行登记。 4 ) 、分类统计与打印。 对于员工和车辆的历史耗油量根据需要分别进行统计。利用得到的统计结果 分析，评价各员工的耗油量情况，从而对公司的预算与管理提供依据。 最终编写的用户软件包括五部分：员工刷卡模块，查看记录模块，卡片管理 模块，用户管理模块和统计汇总模块。 利用基于非接触式i c 卡的车辆油耗计量管理软件系统对高耗能企业中的油 耗情况进行管理是一种新的尝试，尚无先例可考。把射频识别技术应用在本课题 中，通过i c 卡的登记与管理，利用开发的软件实现油耗数据的获得与保存、检 第一章绪论 索与管理、分类统计与打印等相关处理，从而实现能源的合理管理、节约能源和 提高能源利用效率的目的。把i c 卡技术应用到车辆油耗管理中填补了国内高耗 油企业对耗油量管理的空白，这是本课题的创新点。 6 第二章射频识别非接触式i c 卡及读写器的原理及应用 第二章射频识别非接触式i c 卡及读写器的原理及应用 2 1 射频识另i ( r f i d ) 技术 无线射频识另u ( 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 ，r f i d ) 技术的基本原理是利用 空间电磁感应( i n d u c t i v ec o u p l i n g ) 或者电磁传播( p r o p a g a t i o nc o u p l i n g ) 来进行通 信，以达到自动识别被标识对象的目的。r f i d 系统的基本工作方法是将r f i d 标签( t a g ) 安装在被识别对象上( 粘贴、插放、佩挂、植入等) ，当被标识对象进 入r f i d 阅读器( r e a d e r ) 的读取范围时，标签和阅读器之间建立起无线方式的通 信链路，标签向阅读器发送自身信息，如标签编号和标签存储数据等，阅读器接 收这些信息并进行编码，然后传送给后台计算机处理，从而完成整个信息处理过 程。 按照这个概念，可以根据r f i d 的基本电磁场工作原理将r f i d 系统分成i c r f i d ( 芯片r f i d ) 系统、s a wr f i d ( 声表面波i u i d ) 系统以及其他形式的 r f i d 系统。这些r f i d 系统的基本原理都是利用标签和阅读器之间的非接触式 双向通信来达到标签识别和数据交换的目的。通常所讲的r f i d 系统都是指i c r f i d 系统。 r f i d 技术是一门多学科多技术综合利用的应用技术。所涉及的关键技术大致 包括芯片技术、天线技术、无线通信技术、数据变换与编码技术、电磁场与微波 技术等【4 | 。 2 1 1 概述及特点 射频识别r f i d 即射频识别技术，俗称电子标签。它是一种非接触式的自动 识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。 它的主要核心部件是电子标签，通过相距几厘米到几米距离内读写器发射的 无线电波，可以读取电子标签内储存的信息，识别电子标签代表的物品、人和器 具的身份。曲于r f i d 标签的存储容量可以是2 的9 6 次方以上，它彻底抛弃了 条形码的种种限制，使世界上的每一种商品都可以拥有独一无二的电子标签：况 且，贴上这种电子标签之后的商品，从它在工厂的流水线上开始，到被摆上商场 的货架，再到消费者购买后结账，甚至到标签最后被回收的整个过程都能够被追 踪管理。 第二章射频识别非接触式i c 卡及读写器的原理及应用 射频识别技术具有很多突出的优点：r f i d 不需要人工干预，不需要直接接 触、不需要光学可视即可完成信息输入和处理，可工作于各种恶劣环境，可识别 高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，实现了无源和免接触操作， 应用便利，无机械磨损，寿命长，机具无直接对最终用户开放的物理接口，能更 好地保证机具的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些 算法实现安全管理，如d e s 、r s a 、d s a 、m d 5 等，读写器与标签之间也可相 互认证，实现安全通信和存储；总体成本一起处于下降之中，越来越接近接触式 i c 卡的成本，甚至更低，为其大量应用奠定了基础。如果r f i d 技术能与电子供 应链紧密联系，那么它很有可能在几年之内取代条形码扫描技术。 埃森哲实验室首席科学家弗格森认为r f i d 是一种突破性的技术：“第一，可 以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二， 其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信 息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外， 储存的信息量也非常大。” 据s a n f o r dc b e m s t e i n 公司的零售业分析师估计，通过采用r f i d ，沃尔玛 每年可以节省8 3 5 亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节 省的劳动力成本。尽管另外一些分析师认为8 0 亿美元这个数字过于乐观，但毫 无疑问，r f i d 有助于解决零售业两个最大的难题：商品断货和损耗( 因盗窃和 供应链被搅乱而损失的产品) ，而现在单是盗窃一项，沃尔玛一年的损失就差不 多有2 0 亿美元，如果一家合法企业的营业额能达到这个数字，就可以在美国1 0 0 0 家最大企业的排行榜中名列第6 9 4 位。研究机构估计，这种r f i d 技术能够帮助 把失窃和存货水平降低2 5 。 射频识别技术以其独特的优势，逐渐地被广泛应用于生产、物流、交通、运 输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管理等需要收集和处理数据的应用领域。随 着大规模集成电路的进步以及生产规模的不断扩大，射频识别产品的成本将不断 降低，其应用将越来越广泛。 射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多。在北美、欧洲、 大洋洲、亚太地区及非洲南部，射频识别技术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，如汽车、火车等交通监控，高速公路自动 收费系统，停车场管理系统，物品管理，流水线生产自动化，安全出入检查，仓 储管理，动物管理，车辆防盗等。而在中国，由于射频识别技术起步较晚，应用 的领域不是很广。目前，射频标签主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障 等方面。上海、深圳、北京等地陆续采用了射频公交卡。其中，我国射频标签应 用最大的项目是第二代公民身份证。 第二章射频识别非接触式i c 卡及读写器的原理及应用 总之，射频识别技术在未来的发展中结合其他高新技术，如g p s 、生物识别 等技术，由单一识别向多功能识别方向发展的同时。将结合现代通信及计算机技 术，实现跨地区、跨行业应用 5 1 。 2 1 2 基本组成及工作原理 一、r f i d 系统的基本组成 如图2 - l 所示为射频识别系统的基本组成。 幽2 - i 射颠识别系统的基本组成 射频识别系统通常由电子标签、读写器、计算机通信网络三部分组成。 ( 1 ) 电子标签 电子标签存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品 上，它所存储的信息通常可被射频读写器通过非接触方式读写获取。 ( 2 1 读写器 读写器是可以利用射频技术读，写电子标签信息的设备。读写器读出的标签信 息可以通过计算机以及网络系统进行管理和传输。 f 3 1 计算机通信网络 在射频识日系统中计算机通信网络通常用于对数据进行管理，完成通信传 输功能。读写器可以通过标准接口与计算机网络连接，毗便实现通信和数据传输 功能。 二、r f i d 的工作原理 ( 一) 、基本工作原理 r f i d 系统中，电子标签可称为射频标签、标签、数据载体：读写器可称为 阅读器、读出装置、扫描器、通信器。 电子标签与读写器之间通过耦台元件实现射频信号的空间( 无接触) 耦合， 第二章射频识别非接触式i c 卡及读写器的原理及应用 在耦合通道内，根据时序关系，实现能量传递和数据交换。 图2 2 是r f i d 系统的结构原理框图，主要完成能量耦合、数据调制等功能。 发生在读写器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有电感耦合与电磁耦合两 种形式。 射频读写器 射频识别标签 电源 天 射 控 存 频 制 储 模数据 模 器 时钟 广v线块 输入 块 射 天 数据 频 读 输入 模 块线 写 模 块 数据 输出 数据 输出 计算机通信网络 l 图2 2 射频识别系统的结构框图 对于标签向读写器的数据通信过程，其工作方式包括：标签收到读写器的 射频能量时即被激活，并向读写器反射标签存储的数据信息；标签被激活后， 根据读写器指令转入数据发送状态或者休眠状态。在这两种工作方式中，前者属 于单向通信；后者属于半双工( s e m i d u p l e x ) 双向通信。 电子标签与读写器构成的r f i d 系统是为应用服务的，应用的需求可能是多 种多样、各不相同的。读写器与应用系统之间的应用程序接 ( a p p l i c a t i o n p r o g r a mi n t e r f a c e ，a p i ) 通常用一组可由应用系统开发工具( 如v b 、v c + + 、p b 等) 调用的标准接口函数来表示。 标准接口函数的功能大致包括以下四个方面： 1 ) 应用系统根据需要可能向读写器发出读写配置命令； 2 ) 读写器向应用系统返回读写器当前的所有可能的配置状态； 3 ) 应用系统向读写器发送的各种命令如读取i d 、- 读写数据等； 4 ) 读写器向应用系统返回的所有可能命令的执行结果。 标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量 发送出存储在芯片中的产品信息( p a s s i v et a g ，无源标签或被动标签) ，或者主 动发送某一频率的信号( a c t i v et a g ，有源标签或主动标签) ：读写器读取信息并 解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 l o 第二章射频识别非接触式l c 卡及读写器的原理及应用 r f i d 成功之关键除了标签( t a g ) 的价格、天线的设计、波段的标准化、设 备的认证之外，最重要的是要有关键的应用软件( k i l l e r a p p l i c a t i o n ) ，才能迅速 推广。而中间件( m i d d l e w a r e ) 可称为是r f i d 运作的中枢，因为它可以加速关 键应用的问世。 ( 二) 、物理学原理 l 、相关的电磁场基本理论天线场 读写器和电子标签通过各自的天线构建了二者之间的非接触信息传输信道。 这种空间信息传输的性能完全由天线周围的场区特性决定，这是电磁传播的基本 规律。射频信息加载到天线上以后，在紧邻天线的空间中，除了辐射场以外，还 有一个非辐射场。该场与距离的高次幂成反比，随着离开天线的距离增大而迅速 减小。在这个区域，由于电抗场占优势，因此该区域被称为电抗近场区，它的边 界约为1 个波长。超过电抗近场区，就是辐射场区。按照离开天线距离的远近， 又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区。根据观测点距离天线距离的不同， 天线周围辐射的场呈现出来的性质也不相同。通常可以根据观测点距离天线的距 离将天线周围的场划分为三个区域一无功近场区、辐射近场区和辐射远场区。 ( 1 ) 无功近场区 无功近场区也被称为电抗近场区，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，电抗性储能占支配地位，通常，该区域的界限取为距天线 口径表面l 2 n 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、磁场之间的转换。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 些金属物体看作组合天线( 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没有做功( 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 超过电抗近场区就到了辐射场区，辐射场区的电磁能已经脱离了天线的束 缚，并作为电磁波进入了空间。按照离开天线距离的远近，又把辐射场区分为辐 射近场区和辐射远场区。 在辐射近场区中，场区中辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距离天线 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 天线距离的函数。对于通常的天线，此区域也被称为菲涅尔区。由于大型天线的 远场测试距离很难满足，因此研究该区域中场的角度分布对于大型天线的测试非 常重要。 ( 3 ) 辐射远场区 第二章射频识别非接触式i c 卡及读写器的原理及应用 辐射远场区就是人们常说的远场区，又称为夫朗荷费区。在该区域中，辐射 场的角分布与距离无关。严格地讲，只有距离天线无穷远处才到达天线的远场区。 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。 天线的方向性图即指该辐射区域中辐射场的角度分布，因此远场区是天线辐 射场区中最重要的一个。公认的辐射近场区与远场区的分界距离r 为： r ：孚( 2 - 1 ) 以 其中，d 为天线直径，九为天线波长，d 五。 对于天线而言，满足天线的最大尺寸l 小于波长九时，天线周围只存在无功 近场区与辐射远场区，没有辐射近场区。无功近场区的外界约为l 2 9 ，超过了这 个距离，辐射场就占主要地位。一般满足l l i 的天线称为小天线。 对射频识别系统和电子标签而言，一般情况下，由于对电子标签尺寸的限制， 以及读写器天线应用时的尺寸限制，绝大多数情况下，采用l k 1 或l x 3 5 3 m ( 3 5 3 m ) 1 3 5 6 m h z2 2 13 5 m f 3 5 m ) 4 3 3 m h z0 6 9 31 l c m ( 1 l c m ) 9 1 5 m h z0 3 2 85 2 c m6 1 c m 2 4 5 g h zo 1 2 21 9 c m1 6 4 c m 5 8 g h z 0 0 5 28 2 8 r a m 3 8 5 c m 表3 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该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，其辐射近场区的区域大致在 r 1 与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，无功近场中的能量以电场、磁场的形式相互转换 不向外传播；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 2 第二章射频识别非接触式i c 卡及读写器的原理及应用 2 、数据传输原理 射频识别系统中，读写器和电子标签之间的通信通过电磁波来实现，按照通 信距离，可以划分为近场和远场。相应地，读写器和电子标签之间的数据交换方 式也被划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。在这种情况下， 读写器和电子标签之间的天线能量交换方式类似于变压器模型，称之为负载调 制。负载调制实际是通过改变电子标签上的负载电阻的接通和断开，来使读写器 天线上的电压发生变化，实现近距离电子标签对天线电压进行振幅调制。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读 写器了。这种调制方式在1 2 5 l 洫和1 3 5 6 m h z 射频识别系统中得到了广泛应用。 ( 2 ) 反向散射调制 在典型的远场，如9 1 5 m h z 和2 4 5 g h z 的射频识别系统中，读写器和电子标 签之间的距离有几米，而载波波长仅有几到几十厘米。读写器和电子标签之间的 能量传递方式为反向散射调制。 反向散射调制是指无源射频识别系统中电子标签将数据发送回读写器时所 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，控制电子标签天 线阻抗的方法有很多种，都是一种基于“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，其原理图如图2 3 所示。 i 一一一一一一j s 1 中频调制 ， 图2 - 3 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 的发射系数，从而对载波信号完成调制。 这种数据调制方式和普通的数据通信方式有很大的区别，在整个数据通信链 第二章射频识别非接触式i c 卡及读写器的原理及应用 路中，仅仅存在一个发射机，却完成了双向的数据通信。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。这样，从标签返回的数据就被调制 到了返回的电磁波上。这有些类似a s k 调制。 对于无源电子标签来说，还涉及到波束供电技术，无源电子标签工作所需能 量直接从电磁波束中获取。与有源射频识别系统相比，无源系统需要较大的发射 功率，电磁波在电子标签上经过射频检波、倍压、稳压、存储电路处理，转化为 电子标签工作时所需的工作电压。一 3 、反向散射调制的能量传输 电磁波从天线向周围空间发射，会遇到不同的目标。达到目标的电磁能量一 部分被目标吸收，另一部分以不同的强度散射到各个方向上去。反射能量的一部 分最终返回到发射天线。 对射频识别系统来说，可以采用反向散射调制的系统，利用电磁波反射完成 从电子标签到读写器的数据传输。这主要应用在9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 或者更高频 率的系统中。 ( 1 ) 读写器到电子标签的能量传输 在距离读写器r 处的电子标签的功率密