（信号与信息处理专业论文）rfid技术在灾害监测与预警系统中的应用.pdf

摘要 本论文主要研究了一种基于r f i d 技术的应用系统，并对系统方案和电路进 行设计。该系统适用于矿山灾害监测，可为灾后救援提供准确的人员及财物的地 理位置信息。从系统稳定性及可靠性出发，使用t i 公司的低功耗单片机m s p 4 3 0 实现系统的控制，并采用液晶显示和无线通信方式，有效地缩小了系统的体积， 实现了预先计划的各项要求。 本文首先分析了国内外灾害监测现状，在此基础上提出了基于r f i d 技术的 灾害监测系统，并从功能、组成和应用等方面进行了研究。 再次，从r f i d 系统阅读器的设计出发，阐述了r f i d 系统的组成原理，详 细分析了阅读器软、硬件设计及各部分电路图。 接着，对该系统的通信部分做了细致的介绍，采用无线通信方式，由m s p 4 3 0 单片机控制系统中数据的发送和接收工作。系统采用了液晶显示器，液晶为1 9 2 6 4 点阵的图形显示器。液晶显示器由m s p 4 3 0 单片机间接控制，并通过单片 机的i o 口来实现显示器的时序。 最后，从系统方案及软、硬件设计的角度出发，对系统设计时应注意的环节 进行了分析，在具体设计时都尽可能使这些环节得到完善的处理，从而提高了设 计的成功率。并详细论述了r f i d 在灾害监测中的应用，提出了今后需要改进的 地方。 关键字：射频识别阅读器接口抗干扰时序 a b s t r c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa m o n i t o r i n gs y s t e mo f m i n ed i s a s t e r s ，w h i c hi sb a s e do n 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 小s ot h a t i tc a l lo f f e re x a c tg e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o no fh u m a n so rv “u a b l e sf o rd i s a s t e rr e s c u e s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h e d e s i g no ft h es y s t e mi n c l u d i n gc i r c u i t f o rs y s t e ms t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y , l o wp o w e r m c u - - m s p 4 3 0o f t ic o m p a n yi su s e dt oc o n t r o lt h es y s t e m l c d ( l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ) f o rs y s t e md i s p l a ya n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o na r e u t i l i z e dt or e d u c et h e s y s t e mv o l u m e f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r e s e n tr e s e a r c ho fd i s a s t e rm o n i t o r i n g , a n d s t u d i e st h em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nr f i df r o mi t sf u n c t i o n s ，c o m p o s i t i o na n d a p p l i c a t i o n se r e s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e sc o m p o s i t i o np r i n c i p l e s ，r e a d e rd e s i g n so fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，a n dt h ed e t a i l e dc i r c u i td i a g r a m t h i r d l y , i ti n t r o d u c e st h ec o m m u n i c a t i o ns e c t i o no f t h es y s t e m i nt h i ss e c t i o n ， t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ni sa d o p t e d m s p 4 3 0c o n t r o l st h ed a t at r a n s f e ra n dr e c e i p ti n t h es y s t e m l c df o rs y s t e md i s p l a yi s1 9 2 + 6 4d o tm a t r i x ，a n di n d i r e c t l yc o n t r o l l e d b ym s p 4 3 0 ，w h o s ei op i n si m p l e m e n tt h ed e s i r e dt i m es e q u e n c eo f l c d l a s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ek e yp a r t sc o n c e r n i n gt h es t a b i l i t y o ft h ew h o l e s y s t e m a n di nt h ea c t u a ld e s i g n ，t h e s ep a r t s1 9 l ec a r e f u l l yh a n d e dt o e n s u r et h e s u c c e s so ft h es y s t e m a l s o ，t h ep a p e rm a k e sa ni n t r o d u c t i o nt ot h ea p p l i c a t i o no f r f i di nd i s a s t e rm o n i t o r i n g ，a n dp u t sf o r w a r dp r o b l e m st ob es o l v e di nf u t u r e k e y w o r d s ：r f i d ；r e a d e r ；i n t e r f a c e ；a n t i - j a m m i n g ；t i m e s e q u e n c e 第1 章引言 1 1 研究意义 第1 章引言 近年来，国内外重大灾害事故频繁发生，破坏性极强，给国家造成了很大的 损失，而对这些灾害的预防工作又没有一套可行的方案。其中最主要原因是对重 大危险源的分布、分类不清楚，无法对重大危险源建立有效的监控与应急救援体 系和预警系统，尤其是宏观监控管理的目标、对象不清，不知道灾害预防需要“防 什么”，具体预防措施难以到位，应急救援工作难以实现高效和有序。 然而，要预防重大灾害事故发生的前提和基础是辨识或确认重大危险源；要 进行及时有效的救援工作的前提和基础是确认灾害发生的具体地点和人员所在 的具体方位。以上这两点要求我们首先要明确预防和应急救援的对象什么。目前 世界各国家一直研究各种救助技术和救援设备，但是这些都需要建立在一定的基 础之上，才能行之有效。由近期国内发生的几起矿难看出，现有的传统灾害监测 救援体系和预警系统已经不能很好的起作用，这使得我们必须在尽可能短的时间 内利用现有的科学技术开发设计一套确实可行的方案来填补国内的空白。 地震、矿难等灾害以其突发性和破坏性成为人类最具威胁的灾害之一，我国 许多地区都有各类灾害发生的历史。随着西部大开发的进行，各种频次高、强度 大、灾害重的地区必将会影响和制约我国经济的迅猛发展和社会的稳定性的重要 因素之一。建立以灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标的信息化和 智能化建设势在必行。 随着西部大开发战略的实施，全国各地必将加大交通、通讯、水利、能源等 各项基础设施建设的力度，促进城市化、信息化、现代化建设的发展，这些都需 要一个安全的自然环境和稳定的社会环境，无疑给防震减灾工作提出了新的、更 高的要求。因此，加强各类灾害的研究，最大限度地减轻各类灾害带来的影响， 以及快速地在灾后开展救援工作是一项迫在眉睫的任务。建立一套行之有效的系 统可以为我们的灾害监测与预警系统提供良好的管理途径。真正做到在灾害发生 前起到预警作用，在灾害发生后起到准确定位的作用是非常关键的。因此，在国 家和四川省相关课题的支持下开展了一系列的关于灾害监测与预警的工作，这些 将为我们开发设计一套可行的方案提供了良好的平台和空间。为我国在灾害应 急、灾害救援和重建工作的提供了强有力的科学依据。 成都理工大学硕士学位论文 1 2 背景知识 本课题是在国家“十五”科技攻关计划“地震救助生命搜索与定位技术研究” 以及四川省应用基础研究“灾害救助生命搜索理论与方法研究”的支持下进行的， 目前已顺利开展各方面工作。该项技术的应用前景十分广阔，可应用于我国的各 类煤矿、矿山等灾害多发区域的监测与预警系统。 以往的有关灾害救助生命搜索的课题，都是基于某一特定方法而开展的具体 研究，而本课题灾害救助生命搜索理论与方法研究，在国家科技部“十五”科技 攻关项目“地震救助生命搜索与定位技术研究”取得的重要成果和工作经验 基础上，从系统的层面上全面分析、总结现有的各类灾害救助生命搜索理论与方 法，研究所涉及的具体内容均属国内、国际灾害救助生命搜索领域的先进理论及 方法，在此基础上，结合以往的相关研究经验，以及我国的具体国情，提出一套 科学实用的灾害救助生命搜索理论体系，其研究成果，对于进一步健全、完善我 国的灾害救助体系，提高我国的灾害救助水平具有重大意义。 科学技术在不断的发展中，但据资料记载，每一年全世界发生的各类灾害仍 在随时危害着人类。灾害发生后，最紧迫的问题就是人员的援救工作。从倒塌的 建筑物、废墟以及其它掩埋物中抢救压埋人员，抢救得越快，越及时，救助率就 越高。灾害监测系统的目的就是要达到灾后，能及时的提供人员及贵重物品的详 细位置，便于进行援救工作，尽量少死伤人员的数目，减小国家财产的损失。无 数次的事例说明，时间是抢救生命的关键因素和标志之一。应用传统的落后的抢 救工具，难于有效地实施应急抢救生命，以至许多可以挽救的生命因延误时间而 无法救助。以往的经验教训告诉我们，开发先进的监测系统时机已经到来，尤其 是各类灾害频频发生的今天，运用各类科学技术对灾害多发区进行监测己是迫在 眉睫。 r f i d ( 射频识别) 技术，目前在国内外已引起广泛关注。主要因为这项技术 可以用来追踪和管理几乎所有的物理对象。在我国，也已经有很多场合应用这项 技术了，比如，学校食堂用的“金龙卡”、公交车使用的月票卡等等，都是r f i d 技术的典型应用。鉴于此，我们同样可以把这项技术应用到灾害监测中来，为我 们的灾害预警系统提供可靠相信，为灾后救援工作提供相关人员和贵重物品的准 确地理位置。这样一来，便可以在最短时间内开展紧急救援工作，大大缩短了救 援的时间，也提高了救助率。 以上这些，给我们提供了丰富的灾害发生以及电子学方面的有关背景知识， 在这个良好的前提下，再配合现有的专业知识，提出在灾害监测与预警系统中使 用r f i d 技术，使r f i d 技术应用到新的领域当中来。 2 第1 章引言 1 3当前研究的热点及发展状况 在灾害多发区如何对灾害因素( 如：塌方、瓦斯、漏水、粉尘等) 进行实时 的、有效的监测，是灾害预防的前提，对工作于危险环境中人员及贵重物品的管 理也是减小灾害发生的一个重要的因素。因此，国内外有不少公司企业正着手于 r f i d 技术的研究工作，为r f i d 技术在灾害监测方面开拓更加宽广的领域而奋 斗。 射频识别系统在国外的研究起步较早，目前己有许多成熟的应用。在研究方 面从标签芯片设计、天线设计、射频模块设计、基带系统设计等组成射频识别系 统的各个方面都有较为深入的研究，形成了一套射频识别系统特有的理论体系。 目前的研究己经进入了标准化阶段，己经形成了一系列的标准草案，包括 i s o i e c 的用于物品管理1 8 0 0 0 系列标准草案，该草案初步定义了从低频到高频 工作时的一系列标准，还有美国的n c i t s 5 6 标准草案等。但是到目前为止这些 草案还都没有形成正式的标准发布。 r f i d 技术主要是在麦德龙集团和r f i d 的“先驱”菲利普( p h i l i p s ) 电子 公司推动的，在欧洲和美国，很多围绕r f i d 技术的活动都是由政府机关和主要 的零售商如沃尔玛和麦德龙来推动。在低频领域中，r f i d 技术的应用已经十分 的广泛，例如：门禁系统、校园卡、收费系统等等。我们所研究的重点是如何使 用该技术进行人员的检测以及相关物品的检测，对于标准的制定并关心。 1 4 本文的主要内容及创新性 本文的主要内容是在“地震救助生命搜索与定位技术研究”课题所取得的重 要成果和工作经验基础上，从r f i d 技术和现有的软硬件角度出发，在对国内外 各类基于物理、化学、生物、电子等不同原理的先进的灾害监测方法进行全面深 入的研究，并在r f i d 技术的基础上设计出一套适合我国国情，且能为灾后搜救 工作提供准确信息的通用理论和方法，并在此基础上，为进一步开展如何为灾害 监测及预警系统提供一些有价值的信息。 1 5 论文组成结构 本论文中，采用了t i 公司的低功耗单片机m s p 4 3 0 实现系统的控制，论文 详细地叙述了整个系统的实现过程。 首先，对国内外的监测现状进行的研究，提出了基于r f i d 技术的灾害监测 及其应用。从r f i d 的阅读器设计出发，阐述了r f i d 系统的组成及硬件和软件 的设计，给出了各部分的电路和程序设计。 3 成都理工大学硕士学位论文 再次，对该系统中通信部分做了介绍，由m s p 4 3 0 单片机控制系统中数据的 发送和接收无线通信。系统中的显示采用了1 9 2 6 4 点阵图形液晶显示器， m s p 4 3 0 单片机控制液晶显示器的方式采用了间接的方法，使用单片机的i o 口 实现液晶的操作时序。 最后，从系统、软件和硬件设计的角度，对可靠性和稳定性进行了分析。还 对r f i d 技术在灾害监测中的各个应用方面进行了详尽的叙述，并提出在以后工 作中需要改进的地方。 第2 章灾害监测系统框架设计 2 1 概述 第2 章灾害监测系统框架设计 近年以来，全国各地的煤矿等重大灾害事故时有发生，如何加强安全生产管 理，建立有效的防范措旌，在处理安全与生产、安全与效益之问的关系时，没有 一套可行的办法来是灾害的监测职能能够准确、实时执行。在灾害发生后，如何 保证灾害救援工作在高效率下运作，救援物资和人员如何及时到位，这些都已经 是灾害监测系统的新问题。因此，我们认为，建立一套能够严格执行的、预防为 主的、救助和管理一体化的，以电子信息和r f i d 技术相结合的系统已经是势在 必行了。 2 2 r f i d 系统框架及工作原理 基于r f i d 技术的灾害监测系统大体上分为硬件系统和软件系统两部分。 硬件系统包括r f l d 模块( 包括：阅读器、标签、天线) ；通信模块( 包括： 无线收发模块) ；人机接口模块( 包括液晶显示器的接口电路设计和系统中涉及 到按键电路接口设计) 。其中通信模块的主要功能是由r f i d 系统通过读取人员 或物品所带标签内的信息，通过无线的方式将数据发送到控制中心，然后由控制 中心通过该信息再做出相应的控制，比如是否允许通行，是否违反操作规程等等。 标签可以有工作人员随身携带，固定物品则安装在物品的侧面或其它的可以方便 读取其信息的地方。 软件系统包括基于m s p 4 3 0 单片机为核心的嵌入式处理软件以及通信模块 和显示模块的驱动程序的设计；其主要功能是在硬件的基础上实现预先设计的各 种功能，如：显示当前温度、湿度、时间及控制等信息。 r f i d 系统的工作原理是在需要进行安全和管理监控的地方安装阅读器，比 如在矿井的坑道和工作人员可能经过的地方安装若干个信息阅读器，实际数量与 位置可以根据各个矿井的实际情况及需要实现的各项功能要求，并在实现最优的 监控功能下最后确定。之后，把所有的阅读器通过网络连接起来，本系统中采用 了无线的数据收发，这样使布线工作简化。所有的阅读器与控制系统中心的计算 机主机连接，并在主机的控制下发送和接收来自不同地点的信息或发送灾情警报 到各个安装点。由此，我们就可以根据每个安装点传来的信息，准确的知道每一 个坑道里的工作人员的情况，这样在灾害发生时，同样可以在最短的时间内调出 事故地点的人员及地理信息。但是，这是在所以的工作人员佩带有r f i d 标签的 工具，通常可以安装在矿灯上，因为矿灯是每个人到井下作业的必须佩带的。在 5 成都理工大学硕士学位论文 此基础上，才能很好的发挥r f i d 系统的作用，这就需要有一套严格的管理办法 配套。本文主要叙述了r f d i 系统的终端部分以及数据传送功能，不涉及上层的 计算机端管理软件。 r f i d 系统框架如图2 - 1 所示。 图2 - 1r f i d 系统框图 2 3r f i d 系统主要特点 r f i d 即为非接触的识别系统，它是一种从2 0 世纪9 0 年代兴起的一项自动 识别技术，它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数 据，其数据存储在电子数据载体( 称应答器或标签) 之中。然而，应答器的能量 供应以及应答器与阅读器之间的数据交换不是通过电流的触点接通而是通过磁 场或电磁场，这方面采用了无线电和雷达技术。 射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。同其他识别 系统相比，射频识别系统具有许多优点。因此，射频识别系统开始占据了巨大的 销售市场。这方面的例子有：用非接触i c 卡的短距离公共交通车票、公路收费系 统以及在安全系统、银行、医院、商店、宾馆及个人通信等场所广泛应用的无线 呼叫系统，该系统与其他有线通信系统相比有着性能及成本的优势，对于该系统 在后而我们将较为详细地叙述。 第2 章灾害监测系统框架设计 以下通过与传统的自动识别技术和日前较为流行的条形码技术进行对比，来 讨论它们之间的不同之处。 2 3 1 自动识别技术比较 与目前广泛使用的自动识别技术例如摄像、条码、磁卡、i c 卡等相比，射 频识别技术具有很多突出的优点 ( 1 ) 非接触操作，长距离识别( 几厘米至几十米) ，因此完成识别工作时无 须人工干预，应用便利； ( 2 ) 无机械磨损，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境； ( 3 ) 可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签； ( 4 ) 读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性； ( 5 ) 数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现 安全管理； ( 6 ) 读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。 2 3 2 r f i d 与条形码比较 条码是由美国的n t w o o d l a n d 在1 9 4 9 年首先提出的。近年来，随着计算机 应用的不断普及，条码的应用得到了很大的发展。条码可以标出商品的生产国、 制造厂家、生产日期等信息，因而在商品流通、图书管理等领域广泛的应用。 条码是由宽度不同、反射率不同的条和空，按照一定的编码规则( 码制) 编 制成的，用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符。常见的条码是由反射 率相差很大的黑条( 简称条) 和白条( 简称空) 组成的。 条形码的识别原理是，由于不同颜色的物体，其反射的可见光的波长不同， 白色物体能反射各种波长的可见光，黑色物体则吸收各种波长的可见光，所以当 扫描器光源发出的光照射到条形码上时，反射光返回到光电转换器上，光电转换 器接收到的白条和黑条的反射光信号强弱不同，经转换形成相应的电信号输出到 放大整形电路。但是，由光电转换器输出的与条形码的条和空相应的电信号一般 仅1 0 m v 左右，不能直接使用，因而先要将光电转换器输出的信号送运放放大。 在放大电路后需加一整形电路，把模拟信号转换成数字电信号，以便计算机系统 能准确读取。这样便得到了被读取的条形码符号的条和空的数目及相应的宽度和 所用码制，根据码制所对应的编码规则，便可将条形符号换成相应的数字、字符 信息，通过接口电路送给计算机系统进行数据处理与管理，便完成了条形码读取 的全过程。 2 3 2 1 快速扫描 条形码一次只能有一个条形码受到扫描；r f i d 辨识器可同时辨识读取数个 成都理工大学硕士学位论文 r f i d 标签。 2 3 2 2 体积小型化、形状多样化 r f i d 在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合纸 张的固定尺寸和印利品质。此外，r f i d 标签更可往小型化与多样形态发展，以 应用于不同产品。 2 3 2 3 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但r f i d 对水、油和化学药 品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所 以非常容易折断损坏；r f i d 卷标是将数据存在芯片中，因此可以避免污损。 2 3 , 2 4 可重复使用 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，r f i d 标签则可以重复地新增、修 改、删除r f i d 卷标内储存的数据，方便信息的更新。 2 3 2 5 穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，r f i d 能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的 材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡 的情况下，才可以辨读条形码。 2 3 2 6 数据的记忆容量大 一维条形码的容量是5 0 字节，二维条形码最大的容量可储存2 至3 0 0 0 字节， r f i d 电子标签的最大容量则有上千个字节或者更多。随着记忆载体的发展，数 据容量也有不断扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对标签所 能扩充容量的需求也相应增加。 2 3 2 7 安全性 由于r f i d 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，且有加密算 法配合，使其内容不易被伪造及改变。 近年来，r f i d 因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。它 不仅可以帮助一个企业大幅提高货物、信息管理的效率，还可以让销售企业和制 造企业互联，从而更加准确地接收反馈信息，控制需求信息，及时地反应变化情 况。 2 4r f i d 系统应用领域与频段 目前，在全世界，基于r f i d 技术的电子标签，使用已经非常的广泛了，这 主要取决于它的特性。简单的说，r f i d 标签可以使用在几乎所有的物理对象上。 r f i d 技术在工业自动化、物体跟踪、交通运输控制管理、防伪校园卡、电子钱 包、行李标签、收费系统、医用装置、电子物品的监控和军事用途等方面已经得 第2 章灾害监测系统框架设计 到了广泛的应用。 但是不同的频段有不同的用途且应用的领域也不同，下图为1 l f d 各频段及 使用领域。 频段系列 典型频段 鹰甩领域产品特点 产品丰富广泛用于动物识别、进出控中短距识别、阅读 1 3 5 1 0 z 系列低频：l o o , - 5 0 0 l o ( z制、物品追踪等髑。本频段的使用在速度慢、产品价格 大多数田象一般不受控捌。 氐廒。 电子物品监视，多用于零售业或物品防 1 衢8 绷h z 系列 盗领域 可用于小区物业苗藿、大厦门禁累宝毫、中短距识别、中瑾 1 3r l z 系列 中频：l o 1 5 _ h z电子物品监橇爰i s l l l ( 工业，科掌和医闻读，产品价格较 疗行业) 篝囊 2 7 1 1 h z 秉列应用于工业、科学和医疗行业 t 3 0 4 6 0 1 r k z 系列应用于工业、葶；i 学和医疗行业 高龋：8 5 0m h ! 皤嘲眵动电话陬铁路车辆识男叽集装长距识男叽高速阅 9 0 2 9 2 6 m ) z 系列箱识别尊部分地区用于公路车辆_ i 5 i 读、产品价格鞍 5 8q 怔 剐管爱与自动收费系统 2 3 5 0 - 2 4 5 硼h 景列应用于工业、科研和医药行业 非管制精段，茸中5s c , ：l e 部分冒象巳震 5 8 0 0 , v 6 0 f l h 系列为智能变逼秉i 桶龋段( 如公路车辆管 理与自动收费莱熹毫，。 2 5 小结 图2 2r f d 主要频段与应用领域 总的来说，r f i d 技术的产生为我们在灾害监测以及预警系统中找到了新的 突破点。目前，它正在日益广泛地使用，可以为我们灾害监测和预警工作，它可 以提供在危险区域工作的人员的详细的动态位置信息，还可以正确提供贵重物品 的位置信息，以及其它物品( 如：各类工具) 的使用情况，这样一来，就使得我 们能利用该项技术为我们在灾害发生前提供相关的人员及物品的信息；还可以在 灾后的第一时间内及时准确的提供人员信息，给援救工作的救助率的提高带来前 所未有的改善。 9 成都理工大学硕士学位论文 第3 章、r f i d 系统阅读器的设计与实现 3 1r f i d 技术介绍 r f i 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 缩写，即射频识别。 r f i d 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目 标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。r f i d 技术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。应用广泛，比 如：短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代 条形码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。而长距离射频产品多用于交通上， 识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。 与r f i d 技术相关的常用术语较多，如下所示： 微波 ： 波长为0 1 一1 0 0 厘米或频率在1 1 0 0 g h z 的电磁波。 射频：一般指微波。 电子标签 ： 以电子数据形式存储标识物体代码的标签，也叫射频卡。 被动式电子标签：内部无电源、靠接收微波能量工作的电子标签。 主动式电子标签：靠内部电池供电工作的电子标签。 微波天线 ： 用于发射和接受微波信号。 读出装置 ： 用于读取电子标签内电子数据。 阅读器：用于读取电子标签内电子数据。 编程器：用于将电子数据写入电子标签或查阅电子标签内存储 数据。 波束范围：指天线发射微波的照射功率范围。 标签容量 ： 电子标签编程时所能写入的字节数或逻辑位数。 3 2r f i d 系统组成 r f i d 系统的最基本组成有以下三个部分： 标签( t a g ) ：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着 在物体上标识目标对象；在阅读器的响应范围之外，应答器处于无源状态。通常， 应答器没有自己供电电源( 电池) 。只是在阅读器的响应范围之内，应答器才是有 源的。应答器工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过耦合单元( 非 接触的) 传输给应答器的。 阅读器( r e a d e r ) ：读取( 有时还可以写入) 标签信息的设备，可设计为手持式 或固定式。 1 0 第3 章r f i d 系统阅读器的设计与实现 天线( a n t e n n a ) ：在标签和阅读取器间传递射频信号。 电子标签中般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着 在待识别物体的表面。 阅读器可以无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自 动识别体的目的。通常阅读器与电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进 行下一步处理。 3 2 1 标签 标签( t a g ) 即电子标签的简称，主要是由存储数据的芯片和用来与阅读器 建立通信的耦合元件，通常是在标签的四周，作用等同与天线。例如：在实验中 我们采用的是p h i l i p s 公司的m i f a r e1 x 核心的标签。m i f a r e1 【c 智能( 射 频) 卡的核心是p h i l i p s 公司的m i f a r e1i ( 2 $ 5 0 系列微模块( 微晶片) 。它确定 了卡片的特性以及卡片读写器的诸多性能。 m i f a r e1i c 智能( 射频) 卡采用先进的芯片制造工艺制作。内建有高速 c m o s 的e 2 p r o m 和m c u 等。卡片上除了i c 微晶片及一副高效率天线外，无任 何其他元件。 卡片上无源( 无任何电池) ，工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线 电载波信号耦合到卡片上天线而产生电能，一般可达2 v 以上，供卡片上i c 工作， 工作频率1 3 5 6 m h z 。 m i f a r e1 i c 智能( 射频) 卡上具有先进的数据通信加密，并双向验证密 码系统且具有防重叠功能，在同一时间处理重叠在卡片读写器天线的有效工作距 离内的多张重叠的卡片。 m i f a r e1i c 智能( 射频) 卡与读写器通信使用半双工通信协议卡片上有 高速的c r c 协处理器，符合c c i t t 标准。 卡片制造时具有唯一的卡片系列号，没有重复的相同的两张m i f a r el 卡 片。 卡片上还内建有增值减值的专项的数学运算电路，非常适合公交地铁等行 业的检票收费系统。典型的检票交易时间最长不超过l o o m s ( o ，1 秒) ( 包括卡 片的认证6 个扇区的读( 7 6 8b i t ) ，2 个扇区的认证) ，2 个扇区的写操作( 2 5 6b i t ) ) 。 卡片上的数据读写可超过1 0 万次以上，数据保存期可达1 0 年以上，且卡片抗静 电保护能力达2 k v 以上。 成都理工大学硕士学位论文 囤3 1 m i f a r e1 非接触式i c 智能射频卡功能组成 由上所示功能框图可见，整个卡片包含了射频接口电路和数字电路两部分。 在r f 射频接口电路中，主要包括有波形转换模块。它可将卡片读写器上的 1 3 5 6 m h z 的无线电调制频率接收，一方面送调制解调模块，另一方面进行波形 转换，将正弦波转换为方波，然后对其整流滤波，由电压调节模块对电压进行进 一步的处理，包括稳压等，最终输出供给卡片上的各电路。 p o r 模块主要是对卡片上的各个电路进行p o w e r o n r e s e t ( 上电复位) ， 使各电路同步启动工作。 在数字电路部分模块中： a t r 模块( a n s w e r t o r e q u e s t 请求之应答) 当一张m i f a r e1 卡片处在卡片 读写器的天线的工作范围之内时，程序员控制读写器向卡片发出r e q u e s ta l l ( 或r e q u e s ts t d ) 命令后，卡片的a t r 将启动，将卡片b l o c k0 中的卡片类型 ( t a g t y p e ) 号共2 个字节传送给读写器，建立卡片与读写器的第一步通信联络。 如果不进行第一步的a t r 工作读写器对卡片的其他操作( r , a d w r i t e ) 等将 不会进行。 卡片的类型( t a g t y p e ) 号共2 个字节可能为0 0 0 4 h 。 a n t i c o l l i s i o n 模块( 防止卡片重叠功能) 如果有多张m i f a r e1 卡片处在卡片 读写器的天线的工作范围之肉时，a n t i c o l l i s i o n 模块的防重叠功能将被庙动工 作。在程序员控制下的卡片读写器将会酋先与每一张卡片进行通信，取得每一张 卡片的系列号。由于m i f a r e1 卡片每一张都具有其唯一的系列号，决不会相同， 因此卡片读写器根据卡片的序列号来识别，区分已选的卡片卡片，读写器中的核 心模块中的a n t i c o l l i s i o n 防重叠功能配合卡片上的防重叠功能模块，由程序员来 第3 章r f i d 系统阅读器的设计与实现 控制读写器，根据卡片的序列号来选定一张卡片被选中的卡片。将直接与读写器 进行数据交换，未被选择的卡片处于等待状态，随时准备与卡片读写器进行通信。 a m i c o l l i s i o n 模块( 防重叠功能) 启动工作时，读写器将得到卡片的序列号 s e r i a l n u m b e r 。序列号s e r i a ln u m b e r 存储在卡片的b l o c ko 中，共有5 个字节，实际 有用的为4 个字节，另一个字节为序列号s e r i a l n u m b e r 的校验字节。例如：序列 号s c r i a ln u m b e r 中有用的4 个字节可能为0 0 7 e o a 4 2 h ( 用十六进制表示，每两位数 为一个字节) 。 s e l e c ta p p l i c a t i o n 模块( 卡片的选择) 当卡片与读写器完成了上述的二个步 骤，程序员控制的读写器要想对卡片进行读写操作必须对卡片进行s e l e c t 操作， 以使卡片真正地被选中。真正被选中的卡片，程序员才可以对其迸行下一步的操 作。 a u t h e n t i c a t i o n & a c c e s sc o n t r o l 模块( 认证及存取控制模块) 在确认了上述的 三个步骤，确认已经选择了一张卡片时。程序员对卡片进行读写操作之前必须对 卡片上已经设置的密码进行认证，如果匹配则允许进一步的r e a d w r i t e 操作。 m i f a r e1 卡片上有1 6 个扇区，每个扇区都可分别设置各自的密码，互不干 涉。因此每个扇区可独立地应用于一个应用场合，整个卡片可以设计成“一卡通” 形式来应用。 三遍认证，如图所示为三遍认证的令牌原理框图( 三遍认证主要是从安全的 角度出发，只有完成这三个认证，才可以对卡中的相应扇区中的数据进行读写操 作，否则视为非法，不予执行) 。 图3 2 认证与读取控制 c o n t r o l & a r i t h m e t i cu n i t ( 控制及算术运算单元) 这一单元是整个卡片的控 制中心，是卡片的“头脑”。它主要进行对整个卡片的各个单位进行微操作控制， 协调卡片的各个步骤，同时它还对各种收发的数据进行算术运算处理，递增递 减处理，c r c 运算处理，等等。是卡片中内建的中央微处理机( m c u ) 单元a r a m f r o m ( 单元) r a m 主要配合控制及算术运算单元，将运算的结果进行 1 3 成都理工大学硕士学位论文 暂时存储，如果某些数据需要存储至i j e e p r o m ，则由控制及算术运算单元取出送 至t e e p r o m 存储器中，如果某些数据需要传送给读写器，则由控制及算术运算 单元取出，经过r f 射频接口电路的处理，通过卡片上的天线传送给卡片读写器。 r a m 中的数据在卡片失掉电源后卡片离开读写器天线的有效工作范围内将被清 除。 同时，r o m 中还固化了卡片运行所需要的必要的程序指令，由控制及算术运 算单元取出去对每个单元进行微指令控制。使卡片能有条不紊地与卡片的读写器 进行数据通信。 c r y p t ou n i t ( 数据加密单元) 该单元完成对数据的加密处理及密码保护加密 的算法可以为d e s 标准算法或其他。 e e p r o mi n t e r f a c e e e p r o mm e m o r ye e p r o m ( 存储器及其接口电 路) 该单元主要用于存储数据。e e p r o m 中的数据在卡片掉电后( 卡片离开读 写器天线的有效工作范围内) 仍将被保持。用户所要存储的数据被存放在该单元 中。m i f a r ei 卡片中的这一单元容量为8 1 9 6 b i t ( 1k b y t e ) 分为1 6 个扇。 芯片的主要特点： 1 k 字节的内存，由1 6 个扇区组成，每个扇区有4 个块，每块1 6 个字节。 每一块可由用户控制写操作条件。 每张卡有唯一的序列号 每个扇区有独立的一组密码及访问控制 每张卡有唯一序列号，为3 2 位 具有防冲突机制，支持多卡操作 无电源，自带天线，内含加密控制逻辑和通讯逻辑电路 工作温度：2 0 5 0 工作频率：1 3 5 6 m h z 通信速率：1 0 6 k b p s 读写距离：1 0 m m 以内( 与读写器有关) 数据保存期为1 0 年，可改写l o 万次，读不限次 芯片内部的存储结构： m 1 卡分为1 6 个扇区，每个扇区4 块( 块o 3 ) ，共6 4 块，按块号编址为 o 6 3 。第0 扇区的块0 ( 即绝对地址o 块) 用于存放厂商代码，已经固化，不 可更改。其他各扇区的块0 、块1 、块2 为数据块，用于存贮数据；块3 为控制 块，存放密码a 、存取控制、密码b ，其结构如下： q ! 筵3 q z q ! 旦q 旦! 旦2 垦3 垦4 旦5 密码a ( 6 字节) 存取控制( 4 字节)密码b ( 6 字节) 箜! 童塑里墨笙塑重量塑塑盐量塞翌 表3 - 1m i f a r ei 芯片存储分布 s e c t o rb l o c k123456789 1 0 1 11 2 1 31 4 1 5 d e s c r i p t i o n n u m b e r v ；m a n u a l f a c t u r e r 量：爱 二 搬群- - - - - m 瑚m 。、誊 b 1 0 c k _ ； 。4 ； 01 弘d a t a 姗 缀 。蒸垂。| | | _ 鬻鬻，d a t a 2 i 。 ；i a c 戮e , “、s 。| _ 1 | | ： “甏滋；罐j u 荔i 嚣麓j s e c t o rt r a i l e r0 0d a t a 1 d a t a d a t a k e y b acceseetort r a i l e r1 0 1 51 2 3 k e y ak e y b a c c e s s d a t a6 0 d a t a6 1 d a t a6 2 s e c t o rn a i l e r6 3 1 5 m a n u f a c t u r e rb l o c k ( 厂商代码块) ：第一个扇区的第一块由厂商使用，存储 了i c 卡的生产产商代码，这个块中的数据写入后不能被修改 最高有效位最低有效位 xxx x 001o ( ，_ ，1 1 1 “”。“。7 。”。、”1 l23 4 567891 01 11 21 31 41 5 序列号 校验字节 1 5 | | 一 | | i | | l| | | 成都理工大学硕士学位论文 v a l u eb l o c k ( 值块) ：值块可以用做电子钱包。 s e c t o rt r a i l e r ( b l o c k3 ) ( 控制块) ：每个扇区都有一个控制块( 块3 ) ，包括 密码a ( 6 个字节) 和密码b ( 6 个字节) 以及一个控制位( 4 个字节) 。 控制属性： 1 每个扇区的密码和存取控制都是独立的，可以根据实际需要设定各 自的密码及存取控制。在存取控制中每个块都有相应的三个控制位，定 义如下： 块0 ： c i oc 2 0c 3 0 块1 ： c 1 1 c 2 1c 3 1 块2 ： c 1 2c 2 2c 3 2 块3 ： c 1 3c 2 3c 3 3 三个控制位以正和反两种形式存在于存取控制字节中，决定了该块的访问 权限( 如进行减值操作必须验证k e y a ，进行加值操作必须验证k e y b ，等 等) 。三个控制位在存取控制字节中的位置如下( 字节9 为备用字节，默认值 为0 x 6 9 ) ： 密 b y t e 6 b y t e 7 b y t e8 b y t e9 c 2 3bc 2 2bc 2 lbc 2 0bc 1 3bc 1 2bc 1 1bc 1 0b c 1 3 c 1 2c 1 1c 1 0 c 3 3bc 3 2b c 3 1b c 3 0b c 3 3c 3 2c 3 lc 3 0c 2 3c 2 2c 2 lc 2 0 b i t76543 2 10 ( 注：_ b 表示取反) 1 、控制块( 块3 ) 存取控制的存取控制与数据块( 块0 、l 、2 ) 不同，它的存取控制如下： 密码a控制位密码b c 1 3c 2 3c 3 3r e a dw n t er e a dw r i t er e a dw r i t e 000n e v e r k e y a i bk e y a i b n e v e r k e y a i b k e y a i b 01on e v e rn g v e r k b y a i b n e v e r k e y a i b n e v e r lo0n e v e r k e y bk e y a | b n e v e rn e v e r k e y b l10n e v e rn e v e r k e y a i b n e v e rn e v c rn e v e r o01n e v e r k e y a i bk e y a i bk e y a bk e y a i bk e y a i b 011n e v e r k e y bk e y a i bk e y b n e v e r k e y b 1o1n e v e rn e v e r k e y a bk e y b n e v e rn e v e r 111n e v e r n e v e r k c y a i b n e v e rn e v e rn e v e r ( k e