（交通信息工程及控制专业论文）基于GPS和RFID技术的铁路信号设备巡检系统.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y87 9 2 8 8 基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 摘要 随着列车行驶速度加快，开天窗维护时问变短、要点变难、铁路信号漫 备的维护工作难度越来越大。使得维护工作时要多巡视设备状况，少开箱检 查，即“多看少动”，巡检信号设备的工作尤为重要。为保证巡检管理工作的 质量，确保信号设备的正常运行，必须引进先进的电子巡检系统。 本文分析了现有电子巡检系统的功能特性，指出了他们的缺陷，针对这些 缺陷，本文提出了结合运用g p s 和r f d 技术的新电子巡检系统，它采用g p s 技术记录巡检路径，考查巡检人员是否按照规定的路径和顺序检查设备，采 用r f i d 技术考查巡检人员是否检查了某个设备。结合两种技术考查巡检人 员开箱检查信号设备时的操作规范性。为提高电子巡检系统的可靠性提供了 一种可行方案。 本文从实用性、安全性、可扩展性等系统设计原则出发，提出系统由巡检 仪、射频卡、c f 卡读卡器及管理主机组成介绍了系统各组成部分的主要功 能及系统工作流程后，详细阐述了系统关键技术的运用 巡检仪的软硬件实现是本文的核心硬件实现方面：为满足巡检仪的便携 式要求，采用了独特的电源模块设计；使用c f 卡来存储巡检数据，是为了更方 便的存储数据；为加快系统的开发进度，采用了z l g 5 0 0 b 的射频模块；再从系 统对g p s 数据的需求出发，选择了圆柱形的g p s 天线和g p s 接收o e m 板 一j u p i t e r 巡检仪的软件实现中，着重介绍了g p s 数据的接收、r f i d 模块的控 制、巡检信息的存储三个核心程序的实现 管理系统作为巡检系统核心之一，根据设计原则，做了总体上的功能没计， 同时重点阐述了管理系统中p c 机与巡检仪的通信协议 本文提出结合运用g p s 和r f d 技术实现巡检系统的思路，具有一定的 创新意义，充分发挥g p s 和r f i d 技术的优势，将提高现有电子巡检系统的 可靠性 关键词：姗d ；g p s ；铁路信号设备；巡检；c f 卡 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo f t r a i n ss p e e d ，o p e nt i m ef o rm a i n t e n a l l c eb e c o m es h o r t ，i t i sh a r dt or e q u i r et i m e ，a n dt h ep a t r o l l i n ga n dc h e c k i n go fr a i l w a ys i g n a ld e v i c e s i sh a r d e r 趾dh a r d e ls oi tn e e d st od om o r ew o r ki np a t m l l i n ga 1 1 dc h e c l 【i n ga 1 1 d 1 e s sw o r ki nc h e c k i n gd e v i c e sw i t h0 p 锄，i ti sv e r yi m p o r t a n tt op a t r 0 1a n dc h e c k d i v i c e s t om a k es u r et h eq u a l i t yo fp a t r o l l i n ga i l dc h e c k i n g ，i tn e e d st ou s e a d v a n c e de l e c t r o n i cp a t r 0 1 l i n ga n dc h e c k i n gs y s t e m t l l i s p a p e ra n a l y s e d c u r r e n tt h es t a t u se l e c t r o n i cp a 的1s y s t e m s ，a n d p i n p o i n t e do u td e f i c i e n c i e so f m 锄t bi n t e l l i g e n t l yi m p m v e t h ep a t m ls y s t e m sf o r r a i l w a ys i 粤1 a ld e v i c e s ，an e wp a t r 0 1s y s t e mw a sd c v i s e db yi n c o t p o r a t i n gg p s a i l dr f i dt e c 1 i l o l o g i e s i tr e c o r d e dt h ep a t m lr o u t eb yg p s ，t om a k es u r et h a tt h e w o r k e rp a 扛d 1 1 e da c c o r d i n gt ot h ep r e s e t t i n gr o u t ea n do i d e la n di tc o u l da f n mi f m ew o i k e rc h e c k e dt l l ed e v i c e sb yr f d i ft h ed e v i c en e e d st ob eo p e nw h e n c h e c k e di t ，g p sa n dr f i dw e r ei n c o 翠o r a t e dt oc h e c kt h ep r o c e d u r eo ft h e o p e r a t i o n g p s a i l dr f i dw c r ei n c o r p o r a t e dt oc h c c kt h ep r o c e d u r eo fm e 0 p e r a t i o na so p e n e dt h eb o xt oe x a m i n et h es i g n a lo f t h ed e v i c e f m mt h ep 血1 c i p l eo fs y s t e md e s i g n ，t h i sn e we l e c t r o n i cp a t r o ls y s t e m si s c o m p r i s e do fp a t r 0 1d e v i c e 、r f 【dc a r d 、c fc a r dr e a d e ra n dp e r s o nc o m p u t e r ( p c ) a f t e ri n t r o d u c e df 曲c t i o n o fe a c h p a r t a n dt h ew o r kp r o g r e s s ，t h i sp 印e r e x p l a i n e dh o w t ou e st h ek e yt e c l l l l 0 1 0 9 i e s t h em o s ti m p o r t 趾tp a r to ft l l i sp a p e ri sh 盯d w a r ea n ds o 胁a r eo ft h ep a t m l d c v i c e i nm eh 幽a r e ：t os a t i s f yp o 仃d 1d e v i c e sn e e d ，d e c i s e da 印e c i a lp o w e r s u p p l y ；nu e s dc fc a r dt os a v ed a t ac o n v e l l i e n t l y ；t od e s i 印e dq u i c k l y ，i ts e l e c t e d z l g 5 0 0 b ；a 1 1 dt h e ns e l e c t e d g p sa n t e n n aw i mc 0 1 u m n a rs h a p ea i l dg p s r e c e i v e 卜一j u p i t e t i nt h es o f t w a r e ：i ti n t m d u c ec a r e f u l l yt l l r e ek e ys o f cp r o g r a m s ：t 1 1 e g p sd a ta tr e c e i v e ，m ec o n t m lo f m er f i d ，a n dh o wt os a v ep a t r 0 1d a t a a so n e i m p o r t a n tp a r to ft h ee l e c t m n i cp a t m ls y s t e m s ，t h em a l l a g es ”t e mi s d e s i g n e da c c o r d i n gt od e s i 印p r i n c i p l e ，a n dm e n ，m ec o m m l l l l i c a t i o np r o t o c o l i i 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 b e t w e c np ca 1 1 dp a t m l d “i c ei sc o n s t i t u t e d t h i sp 印c rc r e a t e dan e ww a yt od e s i g np a t r o ls y s t e mw h i c hi n c o 巾o r a t e d g p sa n dr f t e c h n 0 1 0 9 i e s ，i ti sa ni 衄o v a t i o ni ns o m ec o n d i t i o n i tu t i l i z e dm e a d v a l l t a g e so fg p sa i l dr f i dt e c l l l l 0 1 0 9 i e s ，a n dw i l li m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h e c u r r e n te l e c t r o n i cp a t m ls y s t e m ， k e yw o r d ：r f i d ；g p s ；r a i l w a ys i g l l a ld e v i c e s ；p a t r o la n dc h e c k ；c f i i i 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设各巡检系统 1 1 选题背景 第一章绪论 铁路信号维护规则指出：“铁路信号设备是组织指挥列车运行，保证 行车安全，提高运输效率，传递信息，改善行车人员劳动条件的重要设施。 信号部门必须贯彻国家技术政策，坚持为运输服务的方向，做好本职工作， 保证信号、联锁、闭塞设备正常使用。信号设备维护工作，必须贯彻预防与 整修相结合，以预防为主的原则。广泛采用监督、检测、记忆、判断等手段， 监视运用中设备状态，早期诊断设备故障，为逐步实现控制修创造条件。” 为维护列车运行安全，巡检人员人必须有规律地巡查各种信号设备，及时发现 新生的隐患，及时排除隐患。铁路信号维护工作的重要性可见一斑。 但是，随着列车行驶速度加快，开天窗维护时间变短，要点变难，铁路 信号设备的维护工作难度越来越大。中国铁路为满足国民经济发展的要求， 已经进行了全国范围内的五次大提速，目前正处于第六次大提速的关键阶段， 列车运行速度越来越快，同时国家开始逐步在主要干道中实施高速铁路。列 车速度的加快同时，车次增多，在一些繁忙路段，铁路的运营甚至已经趋于 饱和，开天窗维护的时间太短，要点进行信号设备的维护已经非常困难，铁 路信号设备的维护工作的难度之大可想而知。 为此，维护工作时要多巡视设备状况，少开箱检查，即“多看少动”，巡 检信号设备的工作尤为重要。 铁路信号维护工作具有点多线长、设备分散、连续运用、独立作业的特 点，且巡检这些设备属室外作业，对信号工的巡检工作情况难以考核。传统 的信号设备巡检管理工作是依靠人为管理和监督实现的，一般采取签到的方 式，但是工作签到记录的方法容易被伪造记录，且历史记录不易保存。铁 路信号维护规则指出“信号维护部门要经常交流、推广先进的维护经验和新 的工作方法；积极采用新技术、新材料、新工艺；积极支持新技术开发中的 现场试验工作，并尽快在信号维护管理工作中开发运用电子计算机。”引入 先进的智能化巡检管理系统势在必行。 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r n d 技术的铁路信号设备巡检系统 目前已经出现了一些先进的电子巡检系统，大大提高了巡检管理工作的 效率，确保信号设备的正常运行，但是这些电子巡检系统也存在明显的不足 ( 在下一节中将详细介绍) ，为此本文提出了结合运用g p s 和r j ? d 技术的 新的电子巡检系统，它采用g p s 技术记录巡检路径，考查巡检人员作人员是 否按照规定的路径和顺序检查设备，采用r f i d 技术考查巡检人员作人员是 否检查了某个设备。结合两种技术考查巡检人员开箱检查信号设备时的操作 规范性。它克服了现有电子巡检系统的缺点，提高了巡检系统的可靠性。本 文将对系统设计原理，关键技术的运用及软硬件实现，作详细阐述。 1 。2 电子巡检系统现状 近年来，国内的计算机技术得到了快速发展，巡检工作科学化和规范化管 理也使得自动控制技术不断地渗入到许多领域，小区保安、工场巡查、地铁巡 检、电力线路巡查、矿井安全巡检等都已经开始涉及，而且还有许多行业和部 门正在或者准备使用自动控制技术实现巡检工作的智能化。巡检系统在硬件上 也从最早的接触式发展到目前的感应式，采用非接触射频卡、感应卡技术，信 息采集器不用接触即可读取信息钮，可进行无线通讯。而且，巡检系统的管理 软件具有网络功能，可以实现远程数据共享。 2 】 一般来说，电子巡检系统由被巡检设备、巡检仪、传输介质、巡检管理主 机组成。所谓被巡检设备，简单说就是安装在巡检人员需要查看的地点的设备， 巡检点可以是由有源设备构成，也可以是由无源设备构成：所谓巡检仪，则为 巡检人员巡检过程当中使用的一种电子机械装置，它具有特定的结构和功能， 或完成巡检信息的自动记录和存储，或完成巡检信息的自动发射，或完成巡检 信息的传输触发，具体功能与巡检系统的总体结构密切相关：传输 介质根据巡检系统的结构不同而不同。传输介质可以是有线的铜缆介质，也可 以是电磁波介质，还可以是以其他无线或有线方式传输信息：巡检管理主机是 一个计算机管理系统，经常由一台普通p c 机担任，实现包括巡检动态实时信息 显示在内的巡检信息综合管理任务。 3 1 从应用的技术看，主要有三种电子巡检系统：基于信息纽扣的巡检系统、 基于r f i d 技术的巡检系统、以及基于g p s g i s 技术的巡检系统。 2 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 1 2 1 基于信息纽扣的巡检系统 信息钮扣( i b u t t o n ) 是美国d a l l a s 公司生产的自动识别芯片、种类繁多， 采用不锈钢壳封装，具有很好的保安性能，容易安装在任何地方。信息纽扣 不怕冲击，不怕水，能忍受内负载超载，外电压超载或短路。信息纽扣采用 全球唯一的1 2 位数字编号，一个信息纽扣对应一个巡检设备。与i c 卡磁卡 相比，它更能适宜于恶劣环境，而且接口简单，可靠性强。 该系统的工作原理是：将信息钮扣安置在指定的巡检线路上，巡检人员 沿途巡检时，手持巡检器，依次碰触信息钮扣，当巡检器确定已经和信息钮 扣接触上时，便在一线总线上完成命令和数据的传递，巡检器将信息钮扣的 唯一的标识码和巡检时间记入巡检器。一定时间后，再将巡检器中记录的考 勤结果通过通讯座送往微机，供管理人员考查。管理人员通过计算机读出巡 检器中的信息，可随时了解巡检人员的整个巡检活动，取得真实依据，有效 地督促巡检工作。【4 从工作原理中可看出，巡检仪在读取信息纽扣信息时，必须接触，由此 导致了接触式巡检系统不可避免的缺点： 1 ) 巡检仪与信息纽扣必须非常准确地接触才能读取信息，操作起来很不 方便，尤其在晚上。 2 ) 信息纽扣必须与巡检仪接触，必然是外露的，这样易被破坏。 3 ) 外露信息纽扣易受污染，造成接触不良。 1 2 2 基于r f i d 技术的巡检系统 姗d 是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 的缩写，即射频识别，它是一种 利用射频实现非接触双向通信的自动识别技术。一套完整r f i d 系统由读卡 器与射频卡两部份组成。 r f i d 系统的基本特点是读卡器和射频卡不需要直接接触，它们之间的能 量传输和信息交换是通过电磁耦合或者电感耦合来实现的。该系统的工作原 理和信息纽扣巡检系统类似，主要的不同就是信息纽扣改为射频卡，系统由 3 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 接触式系统改为非接触式。当然具有了非接触式的很多优点，后面的章节作 详细介绍。p 1 r f i d 的非接触读取信息的特点虽然克服了信息钮扣系统的缺点，但是也 有其缺陷： 1 ) r f i d 巡检系统记录的是离散分布的巡检点的信息，无法记录巡检 路径，不能运用于线路巡检。 2 ) 这种系统只记录了读取射频卡时的时间，有可能巡检人员读取信息 后就离开了，并没有仔细检查设备。对于需要开箱检查的设备，无 法考查巡检人员是否按操作规范检查了设备。 1 2 3 基于g p s g l s 技术的巡检系统 g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m 全球定位系统) 是1 9 7 3 年由美国国防部为其 军方用于全球导航核武器精密投放而研制的战略导航系统。目前，g p s 不仅 广泛应用于航天、航空、航海、勘探、地质测量等领域，而且己广泛应用于 精确农业、车辆船只交通管理等领域。目前普遍采用的差分g p s 定位技术可 以实现3 1 0 m 的定位精度，并可以实现准实时，完全可以满足智能建筑中对 电子巡检的要求。因此，对于系统要求高、巡检面积大的场所完全可以采用 该类巡检系统。 g i s ( g e o 乒印l l i ch l f o m a t i o ns y s t e m 地理信息系统) 是近年来迅速崛起并得 到日益广泛重视和应用的技术。它不仅广泛应用于交通运输、资源勘探、旅 游等信息应用领域，而且也开始广泛应用于智能建筑领域，并且与c p s 系统 等其它系统集成，取代传统监控系统的模拟显示屏，实现实时动态化信息多 媒体管理体系，为用户提供更加方便、有效、实用的管理手段。这种集成无 线电电子巡检系统将在很长一段时间内是一种理想的巡检管理系统。【3 j 该系统的工作原理是：巡检人员执行任务时，手持巡检仪接收g p s ( 全球 卫星定位系统) 数据，到达信号设备后，待巡检仪有效定位后保存设各的位 置，任务结束将数据导入管理主机，结合g i s ( 地理信息系统) 功能软件进行分 析，生成巡检报告。【6 这种巡检仪缺陷是： d 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 1 ) 室外设备若在其他物体的遮挡下无法收到4 颗以上的卫星信息，将无 法有效定位。 2 1 一般手持g p s 接收机定位精度在二十五米左右，当巡检设备分布集 中时，从测得的g p s 数据无法区分是哪个设备的数据。 以上分析可看出，现有的电子巡检虽然比传统的巡检管理方式先进了不 少，但是，也有不少缺点。 1 3 论文主要工作及结构 本文的主要工作是进行基于g p s 和r f d 技术的铁路信号设备巡检系统 的整体设计和系统中巡检仪的软硬件实现 论文主体结构分为五章，最后有简短的结论 第一章首先介绍了本文的选题背景，分析了使用先进的电子巡检系统的必 要性，然后分析电子巡检系统现状，指出了现今三种电子巡检系统的不足，提出 结合g p s 和i 师技术的电子巡检系统弥补其不足，阐述论文的价值所在 第二章主要介绍了系统使用的g p s 和r f d 技术的基本情况及基本原理 重要参数等 第三章开始重点阐述系统的设计过程先是分析了各种方案的优缺点，选 择合理的方案后提出了系统的组成并作简单介绍然后说明了系统的工作流程 以及实现的功能最后详细阐述的系统的关键技术的运用 第四章巡检仪是本文的重点，也是毕业设计的主要工作本章分成两部门 来介绍，第一部分是巡检仪硬件，首先分析了硬件的组成，然后分析各组成部门 可能实现的方案的优缺点，然后介绍各种方案采用的元件的性能第二部分是 巡检仪软件的实现，首先介绍了巡检仪的主程序，然后对其中的关键的几个子 程序进行了详细阐述值得一提的是，本文根据通信协议的自制了一些协议格 式，实现了信息的传输和系统的功能 第五章总体上介绍了巡检管理的系统的设计原则和结构，并详细描述了 p c 机和巡检仪的通信协议，最后详细介绍了管理系统各子模块的功能 结论总结论文的结果，提出将来后续的研究需要改进的地方。 5 一 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 第二章系统技术 2 1r f i d 技术刚8 1 2 1 1 r f l d 概述 r f i d 是r a d i of r e q u e n c yi d e n t i 丘c a t i o n 的缩写，即射频识别。常称为感应 式电子晶片或应答器、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等等。一套 完整r f i d 系统由阅读器( r e a d e r ) 与应答器( t r a n s p o n d e r ) 两部份组成。 t r a n s p o n d e r 依附或者嵌入待识别物体旱，并且保存了待识别物体的特征信息 ( i dc o d e ) 。r e a d e r 发射某一特定频率的电磁波给t r a i l s p o n d e r ，用以驱动 t 妇n s p o n d e r 电路将i dc o d e 送出，此时r c a d c r 便接收此dc o d e ，完成了对 待识别物体的识别。r f i d 系统的基本特点是r e a d c r 和t r a l l s p o n d e r 不需要直 接接触，它们之间的能量传输和信息交换是通过电磁耦合或者电感耦合( 变 压器耦合) 来实现的。这一特点让r f i d 有巨大的应用空间。它的应用涉及 到物流管理、动物标签、汽车防盗、门禁管理、交通管理、生产线自动化等。 2 1 2 工作原理 r e a d e r 通过发射天线发送一定频率的电磁信号，当t r a n s p o n d e r 进入发射 天线工作区域时产生感应电流。t r a n s p o n d e r 通过自身天线获得能量后系统被 激活，并将dc o d e 等信息通过t r a n s p o n d e r 的发送天线发送出去；r e a d e r 接 收天线接收到从t r a n s p o n d e r 发送来的载波信号，经天线调节器传送到r e a d e r i c ，r e a d e ri c 对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统( m c u ) 进行 处理，得到该卡的特征信息，并且控制信息的储存以及和外围设备的通信。 整个过程中，除了r e a d e r 和n a l l s p o n d e r 之间的信息传输外，r e a d e r 还通过 电感耦合( 变压器耦合) 或者空间磁场为t r a l l s p o n d e r 提供能量。 6 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 i 攀辫篱隧爹 a m t e n n a t r a n s d o n d e r 能量传输 信息传输 电磁场 = = = = 一 信g 忙辅 图2 1r f i d 系统结构与工作原理图” 2 1 3 r f l d 卡的技术优势 r f i d 卡由i c 芯片，感应天线组成，并完全密封在一个标准p v c 卡片中， 无外露部分。它通过磁耦合或微波的方式来实现能量与信号的非接触传输， 从而有效地解决了接触式智能卡使用机械电气触点产生的静电击穿、机械磨 损、易受污染和潮湿环境影响等问题 从结构上讲，r f i d 是一个包含射频模拟前端( r f a f e ) 和基带信号处理两 大部分的单片集成电路。基带系统包括控制逻辑( 甚至微处理器) 和必要的存储 器，a f e 部分是r f i d 的能量与信号接口，提供片上基带系统工作所需的电 源和时钟等辅助信号，完成数据的接收与发送功能。由于r fa f e 屏蔽了智 能卡片上的电源、时钟、上电复位( p o r ) 等信号与外界的联系，在一定程度上 减少了攻击实施的点，与接触式智能卡相比在安全性方面有一定的提升。 图2 2r f i d 卡的物理结构 一7 一 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r n d 技术的铁路信号设备巡检系统 r f d 卡在继承了接触式i c 卡大容量、高安全性等优点的同时，还克服 了接触式所无法避免的缺点，如读写故障率高，触点外露导致的污染、损伤、 磨损，静电以及插卡不便等。r f d 卡完全密封的形式及无接触的工作方式， 使之不受外界不良因素的影响，从而使用寿命完全接近i c 芯片的自然寿命， 因而卡本身的使用频率和期限以及操作的便利性都大大的高于接触式i c 卡。 并且因为完全封闭，也加强了保密性能。 表2 1r f i d 技术和传统技术对比“ 信息载信息读读写方保密环境适应能力寿命i s 0 标成 体 且 写性j 性准本里 条码纸小只读光电转差差( 易磨损)较短有最 化低 磁卡 磁性物较小读电磁转 一般 较差( 不抗强 短( 2 年 有 低 质写化磁和静电)以下) i c 卡e e p r o m大 读屯攘力最好 好艮有 较 古 写l 。u r f i de e p人 读 无线通最好最好最长( 1 0不全较 r o m 写年以【：) 古 同 2 1 4r fj d 卡主要参数 2 1 4 1 频率 r f i d 系统根据工作频率的不同分为低频、高频、超高频、微波。低频系 统一般工作在1 2 5 1 3 4 k h z ，高频系统一般在1 3 5 5 3 1 3 5 6 7 m h z 左右，它们 主要适用于识别距离短、成本低的应用中；而超高频系统和微波系统则可达 8 5 0 m h z 一9 5 0 m h z 及2 ，4 g h z 5 g h z 的微波段，适用于识别距离长、读写数据 率高的场合。 表2 2r f i d 频段特性“ 一r 一 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设各巡检系统 1 2 5 1 3 4 k h z 低频( l f ) 1 0 c 能穿透太部分物体 1 3 5 5 3 、1 3 5 6 7 m h z 高频( h f ) 1 0 c l m 勉强穿透金属和液体 4 0 0 1 0 0 0 m h z 超高频( u h f ) 3 1 0 m 穿透能力较弱 2 4 5 58 g h z微波( m i c r o # a v e ) 3 m 穿透能力最弱 为避免各国无线电频率使用标准不一，造成使用上的混乱与困扰，国际 上大多遵守国际电信联合会( i t u ) 的规范。目前r f i d 使用的频率有6 种， 分别为1 2 5 1 3 4 k h z 、1 3 5 6 m h z 、4 3 3 9 2 m h z 、8 6 0 m 9 3 0 m h z ( 即u h f ) 、 2 4 5 g h z 以及5 t 8 g h z ，其各有特色和缺陷。1 3 5 k h z 以下传输距离短约1 0 c m 左右，通讯速度慢。此频段在绝大多数的国家属于开放，不涉及法规开放和 执照申请的问题，因此使用最广，主要使用在宠物、门禁管制和防盗追踪。 1 3 5 6 m h z 最佳传输距离为l m 以下，代表性应用为会员卡、识别证、飞机机 票和建筑物出入管理。其中，通讯距离l o c m 左右的近距离非接触式i c 卡发 展快速。u h f 频段( u l t r ah i 曲丘e q u e n c y ) 的r f i d 标签最远可达1 0 m 的传输 距离，通讯品质佳，适合供应链品项管理，但有各国频率法规不一的问题，现 在还没有达成统一的国际标准。 因为低频功率损耗与传播距离的立方成正比，并且低频频段能量相对较 低，所以无线覆盖范围受限，数据传输率较小。为扩大无线覆盖范围，必须 扩大标签天线尺寸。尽管低频无线覆盖范围比高频无线覆盖范围小，但天线 对方向性要求不强，具有相对较强的绕开障碍物能力。 高频频段功率损耗与传播距离的平方成正比，并且能量相对较高，适于 高传输率、长距离应用。由于高频以波束的方式传播，故可用于智能标签定 位。其缺点是容易被障碍物所阻挡，易受反射和人体扰动等因素影响，不易 实现无线作用范围的全区域覆盖。 2 1 4 2 读写要求 t r a i l s p o n d e r 分为只读和读写两种。由于业务操作、信息交换、行业标准、 用户需求等因素的不同，r f d 系统为了能充分适应不同的应用，在读写功 能上也不一样。过去的绝大部分是只读的，其中的数据不允许改变。现在的 t r a i l s p o n d e r 有只读的，也有读写的。其中前者适合电子标签等对成本敏感的 ，9 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 应用，后者在电子交费卡、金融卡领域应用较多。 2 1 4 3 识另0 巨离 t r a n s p o n d e r 的识读距离通常是要考虑的重要指标。t r a l l s p o n d e r 的识读距 离与r f d 技术种类有关，附着物的材质有关，也和天线有关。不过有时识 读距离过大，对于系统应用反而有负面影响，如影响识别速度，识别正确率 等。 现在识别距离在l o c m 到1 0 m 内可以选择。频率特性对识别距离有影响， 低频的传输损耗较高频大，距离一般相对短。材料也有影响，特别是金属， 它能阻挡电磁场的传播，大大降低识别距离。通常n a i l s p o n d e r 有多种材质表 面以满足不同应用的需要。写标签的有效距离通常是识读距离的7 0 。天线 对识别距离也有影响，通常我们可以通过改造天线来延长识别距离以适应不 同应用的需要。 2 1 4 4 采用标准 标准决定产品的兼容性，保障了用户的长期效益。现有标准有 i s o i e c l 4 4 4 3 、i s o i e c l 5 6 9 3 、i s o l 8 0 0 0 等，制定标准的机构除了i s o 和c 外，另一个机构e p c g l o b a l 也非常重要，它制定的u h f 频段的e p c 标准开 始成为物流等行业应用的焦点。 2 1 5 关键技术 2 1 5 1t r a n s d o n d e r r f i d 系统的关键在t r a i l s p o n d e r ，而r e a d e r 是针对特定的t r a l l s p o n d e r 来设计的。t r a l l s p o n d e r 由天线( a n t e n n a ) 和芯片( t r a l l s p o n d e rl c ) 组成。 天线决定系统的识别距离和识别频率，而芯片决定系统的工作方式、信息传 输速度和信息储存容量。 识读距离被视为t r a l l s p o n d e r 一个最重要指标，不过t r a n s p o n d e r 的封装 一1 0 一 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 和外形因素也不应被忽视。经验认为，尺寸大的标签识读距离也较大；然而 大标签却不是对于任何应用都合适的，您必须在标签的外形尺寸和识读距离 性能之间进行权衡。 a n l e n n a t a g - i lh f - i 川a y2 4 m mc i r c u l a rt a g i li s o15 6 9 3 a ys q u a 伦 2 1 5 2r e a d e r 图2 3t i 的t r a n s p o n d e r 产品 r e a d e r 由天线( a n t e l l l l a ) 、r e a d e r i c 、m c u 、接口电路组成，针对特定 的t r a n s d o n d e r 工作。其中最重要的是r e a d 盯i c ，它主要功能是信号处理。 从耦合方式、通信流程( f d x 、h d x 、s e q ) 、数据传输方法( 负载调制、 反向散射、高次谐波) 以及频率范围等方面，不同的r f d 实现方法有根本的 区别。但所有的阅读器在功能原理上和设计构造上都很相似，均可简化为信 号处理和控制单元两个基本模块。 信号处理模块包含发送器和接收器，以高频的电感耦合系统为例，其功 能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发送信息进行转换、 编码、调制、天线发射；接收并来自射频卡的高频信号，并且滤波、放大、 调制、解码、差错检验，最后通过接口传输给控制单元。不同射频识别系统 的信号处理模块会有一些差异，高频电感耦合系统的原理图如图2 4 所示。 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 ，基带信号处理单元、 ， 频带信号处理单元 、 隔两翮 筚 | _ 露飘曩蠹i - i 谪翻豢 a 输出级吲放大器 黼夔r 塑封二匕蔓型l 一l ：m 二二_ _ _ _ 】 镬慧i l 窿鍪錾隧鲤辩霸飘藏融阚邕三二三型匕兰一_ 二dl 二兰型 图2 4 高频电感耦合系统原理图 射频信号处理模块的实现主要依靠a s i c ，现存多种专用的r e a d e ri c 可 以实现以上功能。而控制模块主要依靠m c u 实现，选择余地很大。 2 1 5 3 天线 天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出 去的装置。天线按工作频段可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按 方向性可分为全向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。 受应用场合的限制，r f i d 标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物 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。此外，标签天线和阅读器天线还分别承担接收能量和发射 能量的作用，这些因素对天线的设计提出了严格要求。当前对r f 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。 天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益 和工作频段等特性。方向性天线由于具有较少回波损耗，比较适合电子标签 应用；由于r f d 标签放置方向不可控，阅读器天线必须采取圆极化方式( 其 天线增益较大) ；天线增益和阻抗特性会对r f d 系统的作用距离产生较大影 响；天线的工作频段对天线尺寸以及辐射损耗有较大影响。天线特性受所标 识物体的形状及物理特性影响。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，弹性基层会造成标签及天线变形，物体尺寸对天线大 小有一定限制等。人们根据天线的以上特性提出了多种解决方案，如采用衄 。12 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r n d 技术的铁路信号设备巡检系统 折型天线解决尺寸限制，采用倒f 型天线解决金属表面的反射问题等。 天线特性还受天线周围物体和环境的影响。障碍物会妨碍电磁波传输； 金属物体产生电磁屏蔽，会导致无法正确地读取电子标签内容；其他宽频带 信号源，比加发动机、水泵、发电机和交直流转换器等，也会产生电磁干扰， 影响电子标签的正确读取。如何减少电磁屏蔽和电磁干扰，是r f d 技术研 究的一个重要方向。 2 1 5 4 防冲突机制 鉴于多个电子标签工作在同一频率，当它们处于同一个阅读器作用范围 内时，在没有采取多址访问控制机制情况下，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。 对于标签冲突，在高频( h f ) 频段，标签的防冲突算法一般采用经典 a l o h a 协议。使用a l o h a 协议的标签，通过选择经过一个随机时间向阅 读器传送信息的方法，来避免冲突。绝大多数高频阅读器能同时扫描几十个 电子标签。在超高频( u h f ) 频段，主要采用树分叉算法来避免冲突。同采 用a l o h a 协议的高频频段电子标签相比，树分叉算法泄漏的信息较多，安 全性较差。 上面两种标签防冲突方法均属于时分多址访问( t d m a ) 方式，应用比 较广泛。除此之外，目前还有人提出了频分多址访问( f d m a ) 和码分多址 访问( c d m a ) 方式的防冲突算法，主要应用于超高频和微波等宽带应用场 景。 2 1 5 5 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。面临的挑战是： 1 1 保证标签拥有信息不被未经授权访问，保护个人用户的隐私信息，企 业商业秘密。 1 3 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 2 ) 防护对r f d 系统的各类攻击，如：重写标签；伪造标签欺骗读写器： 根据r f i d 前后向信道的不对称性远距离窃听标签信息；通过干扰 r f i d 工作频率实施拒绝服务攻击；通过发射特定电磁波破坏标签 等： 3 ) 如何保证r f i d 的唯一标识特性，以用于门禁安防、支票防伪、产品 防伪等。 为了避免r f d 标签给客户带来关于个人隐私的担忧，同时也为了防止 用户携带安装有标签的产品进入市场所带来的混乱，很多商家在商品交付给 客户时把标签拆掉。这种方法无疑增加了系统成本，降低了r d 标签的利 用率，并且有些场合标签不可拆卸。为解决上述安全与隐私问题，人们还从 技术上提出了多种方案。这些方法都有各自的优点和不足。 表2 3r f l d 安全和隐私保护方法 方法名称描述优缺点 k i l l 命令 商品交付虽终用户后，通过k i l l 命令系死标彻底防止用户隐私；限制标签重 签，标签无法激活复使用 金属屏蔽将标签放入金属网中，屏蔽标签每件商品都要一个金属刚， 和阅读器的通信加大成本，难以人规模实现 主动干扰用户使用能够主动广播干扰信号设各，可能干扰合法r f i d 系统 干扰对受保护标签读取 阻止标签使用耻止标签，保护用户标签加大成本 h a s h 锁通过简单的h a s h 函数，增加锁闭和开锁状态，无法解决位置隐私 对标签和阅读器之间的通信进行拧制和中间人攻击问题 智能标签提高标签的处理能力，利用加密技受成奉限制，难以 术进行访问控制 实现复杂的加密技术 1 4 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 2 2 g p s 导航 2 2 1 g p s 产生及发展 g p s 的全称是：n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n gg l o b a lp o s i t i o n s y s t e m 。即，利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。现在， g p s 已经在全世界范围内得到了广泛的应用，在军事，农业，航海，勘探等 许多领域发挥着积极的作用。美国于七十年代初开始了新的导航定位系统的 研制，并于1 9 7 3 年发射了第一颗试验卫星，直到1 9 9 3 年全部建成，形成了现 在的g p s 定位系统。 目前，世界上主要有两种卫星导航系统，即：n a v s t a r 系统和c l o n a s s 系统，前者属于美国国防部，而后者则是由前苏联开发的系统。通常我们所说 的g p s 系统主要是指n a v s t a r 系统。g p s 的设计定位精度很高，但美国出 于自身安全利益的考虑，为了防止其战略敌人利用g p s 技术对其进行打击， 又采用了s a ( s e l e c t i v ea v a i l a b i l i t y ) 措施，人为降低信号的定位精度，只有那些 被授予特权的用户才能得到精确的定位。可喜的是，2 0 0 0 年5 月1 日0 时开始， 美国宣布终止s a 民用精度的政策，促使g p s 产业进入了一个高速 增长时期。 2 2 2 g p s 系统的组成 g p s 系统由三部分组成：g p s 卫星( 空间部分) 、地面支撑部分( 地面监 控部分) 、g p s 接收机( 用户部分) 。 空间部分由分布在6 个近地轨道面上的2 4 颗卫星组成。卫星轨道面相对 于地球赤道面的倾角为5 5 度，各轨道平面相互夹角为6 0 度，每一轨道上均 匀分布4 颗卫星。在轨道上的运行周期是1 2 恒星时，高度约为2 0 2 0 0 公里。 图2 5 是g p s 卫星分布示意图。 北京交通大学硕士学位论文基于g p s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检系统 卫星发射两个频率的载波无线电信号l 1 和l 2 在l l ( 1 5 7 5 4 2 m h z ，波长约为1 9 c m ) 的载波上 调制有1 0 2 3 m h z 的伪随机噪声( p r n ) 码 ( 称粗捕获码或c a 码) 和1 0 2 3 洲z 的p 刚以 及5 0 b i t s 的导航电文：在l 2 ( 1 2 2 7 6 m