（电子科学与技术专业论文）基于物联网技术的放射源失盗示踪系统的研究.pdf

摘要 放射源作为民用非动力核技术的关键内容已经广泛应用于化工、石油、造纸、水 泥、冶炼、医疗、农业等许多领域其在造福人类的同时也给人类留下了隐患，那 就是放射源的使用管理问舾。放射源在使用和储存过程中容易丢失、被盗。f f a 于放射 源所发出的射线具有对人体产生辐射且又不能被人体感官所感觉的特性一旦发生放 射源丢失、被盗事件极有可能对人们的生命健康造成损害如果不能找回丢失的放 射源，后果将是很严重的。 本文主要介绍了放射源失盗示踪系统的硬件及软件设计，井着重介绍了本人参与 设计的跟踪嚣单元。放射源失盗示踪系统主要采用物联网技术即计算机技术与 g s w g p s 通讯网络技术、电子标签( r f i d ) 技术相结台，对放射源进行有效的地理位置 定位、跟踪、脱离正常监管范围时报警示踪。通过联机调试结果证明该设计满足了 放射源监控管理的需要。 关键词：物联网跟踪器 g $ m 通信g p s 定位 a b s t r a c t r a d i o a c t i v es o u r c ea sak e yc o n t e n to f c i v i l i a nn u c l e a rt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d i nc h e m i c m ，o i l ，p a g e r ，c e m e n t ，m e t a l l u r g y ，m e d i c i n e a g r i c u l t u r ea n dm a n yo t h e rf i e l d s ，t h e b e n e f i to fm a n k i n db ma l s ot oh u m a nb e i n g sah i d d e nd a n g e r t h a ti st h eu s ea n d m a n a g e m e n to fr a d i o a c t i v es o i z r e er a d i o a c t i v es o u r c el o s t s t o l e ne a s i l yi nt h eu s ea n d s t o r a g ep r o c e s st h er a yo f t h er a d i o a c t i v es o u r c ec a l lp r o d u c er a d i a t i o nt oh u m a nb o d ya n d c a nn o tb ef e e lb yh u m a n s oo n c er a d i o a c t i v es o u r c ei o s tj ti sv e r yl i k e l yt oc a u s ed a m a g et o p e o p l e + sl i v e sa n dh e a l t h ，i f w cc a l ln o tf i n dt h el o s tr a d i o a c t i v es o u r c e ，t h ec o n s e q u e n c e sw i l l b ev e r ys e r i o u s t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h es t o l e nr a d i o a c t i v e t r a c e rs y s t e m a n di n t r o d u c e st h e a c k e ru n i td e s i g ne m p h a t i c a l l yb ym y s e l f t h es t o l e n r a d i o a c t i v et r a c e rs y s t e mc 卸p o s i t i o na n dt r a c kr a d i o a c t i v es o u l l c ea c c u r a t e l y i tc a l la l a r m a n dt r a c er a d i o a c t i v es o u r c ew h e nt a d i n a c t i v es o u r c ei sf r o mt h en o m l mr e g u l a t i o nr a n g e j t m a i n l yu s e st h ei n t e m e to f t h i n g st e c h n o l o g yt h a tc o n n e c tc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，g s m g p s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i cl a b e lt e c h n o l o g y ( r f i d ) t h r o u g ho n l i n e d e b u g g i n gr e s u l t s i t i s p r o v e d t h a tt h ed e s i g nm bt h en e e d st h a tm o n i t o ra n d a d m i n i s t r m i o nr a d i o a c t i v es o u r c e k e yw o r d s ：t h ei n t e r n e t o f t h i n g s t r a c k e rg s mc o m m u n i c a t i o ng p s p o s i t i o n i n g 摘要 a b s t l a c t 目录 第一章绪论 1 1 选题的目的与意义一 l 2 国内外放射源监营现状 i 3 论文主要工作 一 l 4 主要技术指标一 第二章物联网及其关键技术 2 i 物联网技术一 22r f i d 射频识别通讯系统， 2 3g p s 全球定位系统 2 4 ( ；s m 垒球移动通信系统 第三章系统的硬件设计 3 1 放射源跟踪器设计一 3 2 系统监铡探头设计 第四章系统软件设计 4 1 跟踪器工作流程 42 键盘显示程序 43 监测探头工作流程一 4 4 j 二位机l i 茳控软件程序 第五章实验测试与结果分析 5 1 系统的安装过程 5 2 硬件环境搭建 5 3 联机调试结果 第六章总结 6 】技术关键 6 2 创新点 63 存在问题 致谢 参考文献 目录 0 ；墙0 0”m曲埘踮船踏虬让弛；弘l蛊盯盯盯盯 1 1 选题的目的与意义 第一章绪论 放射源指的是一种使用放射性物质所制成的，能够产生照射或者辐射的实体或物 质- 放射源的使用非常广泛例如，在工农业生产中探伤帆和料位计的使用，又如 在医疗e 所使用的具有放射性的示踪剂，都要使用放射源。放射源还有很多应用，例 如辐照装置，主要适用于对食品进行灭菌消毒和培育农作物等。而在我们的日常生活 中也离不开放射源，例如我们经常食用的方便面其食用方法简便。而它里面的调 味料就是经过放射源辐照处理过的“】。 我国核技术的应用始于上世纪三十年代经历了几个发展阶段。到了九十年代以 后，商业化的大门向核技术敞开了，在国防、医疗、科研、工业、农业、能源等领域 二十多个行业广泛应用t 己初步形成具有一定规模和水平的较为完整的体系，对维护 国防安全，促进国民经济和社会发展增强综合国力都是首屈一指的。 黛茹酝 i7 喜薰 放射源已成为一种民用的非动力拨技术的关键内容。它广泛胜用于各种领域例 如在医疗、化工、农业等众多领域它在造福人类的同时也给我们留下了许多隐患 这就是我们不得不面对的放射源的使用管理问题。如若管理不普人们就要面对被辐 射的危险严重时可能台危厦生命。例如1 9 9 2 年在j lj 两省忻州地区的环境检测站发 生了遗失放射源的事件：2 0 0 5 年在黑龙江省哈尔滨市发生了放射源泄漏的事故：2 0 0 6 年在湖北省黄梅县发生了放射源脱落的事故等等都给人们造成了一定程度的生命财 产的损失留下了不可挽回的后果。 近年来在我国境内所发生的放射源丢失、被盗等事故比比皆是平均每年约3 0 起。2 0 0 7 年青海某公司丢失了三枚放射源但令人欣慰的是经过当地公安机关的大 力搜寻放射源最终被追回。2 0 0 8 年广西水利电力迭开水泥厂丢失了两枚放射掘。 2 0 0 9 年陕西的秦岭水泥公司丢失了一枚“核电子秆”，该“电子称”是在拆除落后 设备时丢失的其中含有放射源“铯一1 3 7 ”该物质遇到水时会发生剧烈爆炸。 无论在哪个地区，放射源丢失、被盗的事件都会经常发生其主要原因大多是因 为管理不善造成的。这些放射性污染事故，严重地威胁了人类的生命健康即使不会 威胁剐人们韵生命，也会引起当地群众的恐慌，对当地的经许造成一定的损失。因此， 我们十分有必要加强管理和监测放射源和放射环境。 综上所述，本文研宄了“摹于物联网技术的放射源失盗示踪系统”，对放射源的管 理采用了常用的计算机技术与g s m g p s 通讯网络技术、电子标签( r f i d ) 技术相结合 的方法，能够对携有本系统的放射源进行实时有效的地理位置定位、跟踪脱离正常 监管范围时能够迅速地报警示踪，以方便于警方将其迅速有效地追回。目前在国内 外尽管有多种放射源监管信息系统，但主要都是用于监管上而并未发现主要用于示 踪的，所查到的设备又都比较复杂且价格昂贵：“。并未发现有关基于r f i d 、g s m g p s 技术的放射源防盗示踪系统的仪器设备。而率设计中我们通过结合计算机技术、r f i d 技术以及g s m g p s 技术的使用监控放射源目标无需接触，一旦放射源脱离监控现场， 该系统就会及时通知放射源的监控管理部门，启动中实现实时跟踪功能井及时传送放 射源所在位置的信息等。对于放射源的监管以及放射源不慎丢失后的追回有着极大的 意义。 12 国内外放射源监管现状 l21 国外放射源监管现状 国际原子能机构发出了一则“世界放射源监管不善”的信息。该机构指出，放射 性物质j l 乎存在于世界上的每个国家。而且至少1 0 0 多个国家欠缺对那些放射性物质 的监督管理，更有甚者欠缺舫止放射源被盗所必需的监控和监管措施。该机构总干事 砰吁世界；对放射源妥自始至终加强监管，防止恐怖事件发生，舫止放射濂被盗。该 机构还希望那些对放射源管理还没有选垂重视程度的国家能够立刻行动起来增强对 放射源的监控管理的意识。 德国为了确保放射源的存放能够安全，一般将存储库建立在隐蔽的“地窖”里 这些“地窖”都是远离居民区的，井且经过了极其严格的防辐射处理。岩石状“玻璃 体”存储库，是德国撮新研制的存储库的强度及吸收辐射的能力要比混凝土的高出 至少1 0 倍以上。在存储库里放射源的入口处和放射源设备上都要设有放射性的标志、 报警装置、安全连锁咀及工作信号等等。红外线的报警系统被安装在存储库的防盗门 上。存储库里还有一些厚厚的铅屏蔽容器里面也存放着放射源。放射源的放置和拆 除等都是由远程控制的机器人来完成的，无需工人现场作业，以减少对人的辐射和避 免出现意外。平时- 监管放射源的保安会严格看管放射耀。德国放射源管理部门给每 个放射源都进行了编码，即每个放射源都有一个明确的身份证，像我们人类一样，以 方便识别和管理一放射源监管部门采用g p s 定位跟踪系统这样就可i 三【自动监控任何 一个放射源- 将g p s 定位跟踪系统固定在放射源包装上。这样管理中心就能够监测 到放射源所在的位置。但这种近乎完美的监控方式也有一十致命的缺点，那就是维护 费用极高据统计，每年至少上千欧元的维护费用被花费在一颖放射源上。 在美国t 放射性材料的监测管理体系中包括了放射源的监；9 1 9 管理，他们严格地实 行许可证制度- 到目前为止已经发布了约有2 1 6 0 0 个材料许可证。它们主要应用于科 研、工业、医疗等一般应用。放射性同位紊的源头有三个：天然、核互相作用设备， 核反应堆因此一放射性同位素的准用许可和监督管理责任由环境保护局、核管理委 员会以及其它的联邦政府机构共同承担。核管理委员会是一个联邦机构它对放射源 的监控管理负有重要的责任，主要表现在如下几个方面：设立了放射源监督管理的规 范；定制有关放射源监督管理法规，发布准则和有关信息；审查放射性商品的销售商 和制造商若该销售商或制造商经过审蛮合格，获得许可。要对他进行监控；对于存 放放射源的装置以及密封的放射源要严格检验其生产过程以及各种措施，注册放射 源的装置和密封的放射源”。 1 22 国内放射源监管现状 把辐射源的位置情况以及辐射程度的太小值传输到监测管理中一t l , 在线实时跟踪放射 源。 杭州市就“杭州市环境保护局辐射源在线监控管理系统项目”进行了完全公开的 招标采购- 在不久前召开的2 0 0 9 年全国环境保护科技工作会议t ，获得国家环境保护 部颁发的2 0 0 8 年环保科学技术进步奖的放射源监测管理系统。由焦作市完成。此系统 根据国家放射源环境管理的要求，递过分析调研系统地集成了遥感技术( r s 技术) 、 地理信息技术( g i s ) 、通信、全球定位技术( g p s ) 、网络技术等，有效地实现了对辐 射源的实时监控管理，为辐射源的监督管理提供了可靠的手段。 位于河南省的核安信息技术有限公司，研发了“辐射源在线监测系统”该系统 是针对辐射源的管理和使用、日常监测管理等工作而开发研制出来的该系统可有效 地帮助政府监控管理部门和使用辐射源的企业在线监管辐射源以及所处环境的变化 等。辐射源在线监测系统可以对使用辐射源的企业的信息和辐射源的详细信息实行登 记管理：还可以在线检测辐射源的所处环境的放射剂量，并可以舫止泄漏或者失控等 事件的发生。该系统可以帮助管理部门及时地掌握了解辐射源的动态信息，对放射环 境所发生的异常变化例如丢失、泄漏等可在3 - 5 移内通过网络告知有关管理人员， 以便于行政管理部门和企业做出及时的处置方案和处理意见“。 如上所述的仪器设备多是用于辐射源的监控管理，存在很多问题如价格贵、系 统大等问题。课题组强过查新资料，没有见到有对辐射源的监管采用计算机技术与电 子标签技术( r f i d ) 、g s m g p s 通讯网络技术相结合对携带的辐射源实行有效可靠的 位置定位、跟踪，放射源不在正常监控管理范围内及时报警跟踪的系统的文献报道。 故课题组向吉林省环保厅申请了“放射源报警、定位、跟踪系统的研制”的项目。 井己鉴定。该项目主要由三大部分组成监测探头控制单元、跟踪器单元以及监控终 端。本人在该项目中主要参加了跟踪器单元的设计，井参加了整个系统的调试及鉴定 过程。 13 论文主要工作 ( 1 ) 介绍了物联网的概念，以及目前国内外放射源监控管理的发展现状，介绍了 采用计算帆技术与电子标签技术( r f d ) 、g s m g p s 通讯网络技术相结合，即物联网技 术的放射源失盗示踪系统的设计方案： ( 2 ) 重点介绍了跟踪器单元的硬件，软件设计及系统其它部分的设计； 的| 殳计应用： 问题需要改进，展望了放射源监 1 4 主要技术指标 ( 1 ) 该系统允许识别卡的移动速度达到1 5 m s 可对移动放射源进行t 鞋别定位； ( 2 ) 有6 0 米以上的识悃i 离： ( 3 ) 采用快速防碰撞射频技术可同时识别目标2 0 0 个以上： ( 4 ) 数据存储量可达到6 0 0 0 0 条记录： ( 5 ) 具有高度的识别稳定性( 误码率小于1 0 万分之”： ( 6 ) 识别昔编码范围为卜2 ”： ( 7 ) 工作频率：24 g h z ： ( 8 ) 电池待机时间：3 年。 21 物联网技术 第二章物联网及其关键技术 2 1 1 物联网技术的简介 早在二十世纪九十年代，中国就提出了物联网这个概念。而在当时它被称为传 感网。对于物联网这个概念有如下的定义：按照某种约定的协议把任何物品通过全 球定位系统、r f i d 射频识别系统、激光扫描装置等信息传感设备与互联网连接起来 通过信息间的相互交换，来选到智能化识别定位，最后实现跟踪管理的目的，这就是 所谓的物联网”“”。 互联网是我们所熟悉的概念，它是一种国际计算机网络而相对于互联网技术的 概念，我们也可以说物联网技术其实就是一种网络技术，它的基础是互联网，并且 对其进行延伸和扩展。它的用户端是物与物之阃，这里的物可以是世间的任意物品。 物联网是一种以传统电信网、互联网等信息承载体为基础，让全部能被单独寻- b t 的寻常物理对象实现互通互联的网络。物联网具备自治终端互联化、普通对象设施化 和普适服务智能化三个主要特点“。 物联网将随处可见的末端设施和设备与“外在使能”的“智能化物体或动物”， 通过各种通讯网络实现基于云计算的s a a s 营运、互联互通以及应用大集成等模式在 各种网络环境下，采用适当的信息安全保障机制提供各种服务和管理功能，实现对 任意物体的“管理、控制、营运”一体化。 物联网是现代信息技术非常主要的组成部分。对于物联网的定义在这里有阿屡 意思：一，互联网是物联网的核心与基础，物联网是互联网的延伸和扩展：二，它的 用户端扩展和延伸到了任意的物与物之间，实行了信息的通信和交换。因此，物联网 的定义是一种对物体具有智能化监控管理的一种网络它按照某种约定的蜘议，利用 自j 频识别( r f i d ) 、全球定位系统等各种传感设施，把任意物品与互联网相连接。 物联网技术是指一个庞大的网络它是使用备种技术与装置，实时采集需要连接 的过程或物体采集各类需要的信息井结台互联网形成的。实现网络与所有的物品 相琏接，方便于管理和控制是建立物联网的目的。 物联网的“物”有以下几个含义： ( 1 ) 有c p u ： ( 2 ) 有一定的存储能力； ( 3 ) 有数据传递通路； ( 4 ) 有专门的应用程序： ( 5 ) 有操作系统： ( 6 ) 有唯一的编号且可被识剐 ( 7 ) 遵循物联网的通信协议。 21 2 物联网技术的特点 图21 物联同在生活中的应用 物联网有很多鲜明的特点1 ”1 。 第一，物联网是感知技术的应用。传感器是物联网上重要的信息源，不同内容和 格式的信息被不同类型的传感器获得。传感器能够不停地更新数据对于环境信息的 采集可以周期性的进行。 存在于物联网的应用中。 ( 1 ) 传感器技术这也是计算机应用中的关键技术，大家都知道到目前为止绝 大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以米就需要传感器把模拟信号转换 成数字信号计算机才能处理。 ( 2 ) r f i d 标签也是一种传感器技术，r f i d 技术是融合了无线射频技术和嵌入式 技术为一体的综合技术，r f i d 在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。 ( 3 ) 政府应该加大对产业的投入这个投入可以不是资金，而是给企业更多的政 策特别是在操作系统、开发工具、i c 设计等产业链中高端领域上从政荣到资金都要 加大投入。在管理上引入重大资金投向问贵制，对长期投入资金不能市场化、产业化 的项目定期论证评估，不能达标的关停井转甚至要追究责任。 ( 4 ) 减少盲目引进项目在嵌入式与物联网的发展中，核心技术坚持鼓励国产化 从资金上、税收上加大力度向自主研发产品倾斜。杜绝盲目引进产业链的中高端技术， 特别是不能出现像其他行业一样，重复引进同一个外国品牌多条生产线的状况， 除了上述物联网的关键技术以外物联网还有如下几项支撑技术： ( i ) r f i d ：在物联网中起使能作用： ( 2 ) 传感网：通过各种传感器集i 挠和探测各种物质现象的铡络温总理提出韵 “感知中国”的重要依据之一就来源于传感网： ( 3 ) m 2 m ：将末端设备集成控制管理和互联。 2 1 4 物联网的分类 ( 1 ) 私有物联网：一般面向单一机构内部提供服务： ( 2 ) 公有物联网：基于互联网( i n t e r n e t ) 向公众或大型用户群体提供服务： ( 3 ) 社区物联网：为“社区”服务的物联网，服务对象也可以是机构群体( 如公 安局等) i ( 4 ) 混台物联网：是私有、公有、杜区物联网的组台( 或其中两种) ，但后台有 统一的运行维护实体。 2l _ 5 物联网技术的应用模式 根据物联网的用途实质可以将物联网归结为三种基本应用模式。”： ( 1 ) 对象的智能标签。利用i i f i d ，二维码等技术将特定的对象标识f 诹用于对 象个体的区分，比如在日常生活中所使用的各类智能# 获取对象的识别信息的是条 码标签：除此之外对象物品f i l 包括的扩屣 言息可以通过智能标箍获取比如二啦码 中所包括的名称和网址智能卡里面的金额余额等。 ( 2 ) 对象跟踪和环境监控。通过广泛分布的传感器网络与种类繁多的传感器可 以实现监控特定对象的行为和获取某个对象的实时状态例如监测噪声污杂是利用分 散在市区的每个噪声探头检测大气中二氧化碳的浓度是利用二氧化碳传感器跟踪 车辆位置是利用g p s 标签，捕捉实时交通流程是利用交通路口的摄像头等。 ( 3 ) 对对象进行智能控制。传感器网络给物联网提供决策依据，云计算平台是物 联网的基础t 获得需要的数据以后反馈与控制是通过变换对象的行为实现的。比如 依据车辆的行驶流量自动调试交通灯的间隔，依据光线的强弱调试路灯的亮度强弱等。 物联网将成为下一个促进世界全速发展的“主要生产力”。 在本项目中采用了计算机技术与电子标签( r f i d ) 技术、g s w g p s 通讯网络技术相 结台即采用了物联网技术实现了放射源的在线监控与管理。使用物联网技术来设计本 系统有很多优势，首先物联网上的传感器无论是在数量上还是在种类上都很丰富 这些传感器可以不断地对数据进行更新。其次物联网技术还保留着互联网的特性 是互联网技术的扩展延伸它既秉承了互联网技术的优势，又对其进行完善扩展。再 次，物联网能够对物体实现智能控制对本设计的需求能够提供根有利的条件。 根据物联网的定义，通过射频识别( r f i d ) 、红外感应器、全球定位系统、激光 扫描器等信息传感设备按约定的协议，把任何物品与互联网相连接进行信息交换 和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，以及物 联网技术的关键内容，下面分别对物联网的几项关键技术进行介绍。 2 2r f l d 射频识别通讯系统 22 1r f i d 技术简介 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f j c a t i o n ) 射频识别技术叉被称为无线射频识别、 电子标签技术t 它是一种通信技术，可以利用无线电讯号来识别特定的目标并且读写 有关的数据，不需要识别系统跟特定的目标之间建立起光学或机械接触。射频识别技 术是一种自动识别技术，它是一项能够实现信息之间进行无接触传递的技术，通过这 些被传递的信息就丁以达到识别的目的。信息之间无接触的传递是利用射频信号完成 的面过空间耦合就可以完成”。 揖初在技术领域，应答器是指能够传输信息回复信息的电子模块近些年，由于 射频技术发展迅猛t 应替器有了新的说法和含义，叉被叫做智能标签或标签。 r f i d 的基本组成育三部分：标签( t a g ) 、阅读器( r e a d e r ) 和天线( a n t e n n a ) 。标签 是由= ! ：片以及耦合元器件组成的，其中每个标签郁有它本身唯一的电子编码这些标 签被放置在物体l 用以对目标对象进行标识。有固定式的阅读器和手持式的阅读器两 种，阅读器可以用来读取标签信息也可以用来写入信息。而在标签与阅读器之间传 递射频信号的设备是天线。 如果没有读写设备tr f i d 是不能够发挥它的作用的。r f i d 读写设备只包括两部分： r f i d 读卡器和r f i d 读写模块。r f i d 若要写入或者读取数据的话要靠这些设备来进 行，读卡嚣被连接到识别系统中，识别系统有密钥芯片。因此能够做到很好的加密工 作。 2 2 2r f i d 的基本工作原理 嚼2 2 射额识别技术 进入磁场的标签，会接收到阕读器发射的射额信号，由于标签会产生媾应电流 获得能量以后就会发送芯片中的产品信息。亦或某一特定频率的信号( 主动标签或 者有源标签) 阅读器接收到信息后。就会读取信息然后进行解码，再将解码后的信 息发送至中央信息系统进行数据的处理。这就是r f i d 的工作原理”。 r f i d 的耦台方式可以分为：感应耦合( i n d u c t i v ec o u p l i n g ) 以及后向散射耦合 ( b a c k s c a t t e rc o u p l i n g ) 两种。第一种方式被低频的r f i d 采用，而第二种方式多被较 高频采用。 阉读器可以是读装置，也可以是读写装置阅读嚣是r f i d 的信息控制和处理中 心。阅读器由四部分构成。无源应答器的能量和时序是由阅读器提供的，阅读器是利 用耦合的方式进行的。半双工通信方式，是阅读器与应答器之间信息交换的方式，能 量与时序是由闼读器提供给无源应答器的。在实际应用过程中，无线局域网或以太网 可以被应甩虱1 刹用这两种吼络，可以获取物体的识别信息，获取信息以后要对这些 信息进行处理，或者进行远程传送等管理功能。r f i d 射频识别系统的信息载体是应答 器，现在大多数应答器是由微型芯片与耦台元器件( 微带天线、线圈等) 组成的无源 单元。 r f i d 技术能够实现物品追踪和数据变换，并且执行速度快。r f i d 是自动识别的， 且不受环境影响。对高速运动的物体r f i d 技术可以进行识别，并且识别多个标签( 在 同一时刻) ，操作方便快捷r f i d 能够进行双向通信这是通过无线射频的方式进行 的，且该双向通信具有非接触式的特点这样就可以进行识别与此同时，也进行了 交换数据，也就完成了与标签的通讯。通过磁场或者电磁场进行数据的交换数据的 交换采用的方式是雷达和无线电方式。在自动识别领域中r f i d 技术是应用最广效 果最好的。它最大的优点在于非接触式，它使射频卡易于实现系统的自动化并且不 易被损坏。恶劣环境不会影响短距离的射频产品，例如灰尘、油渍污染等：而在交通 上大多数使用长距离的射频产品其具有几十米的识别距离。 2 23r f i d 通讯系统主要特点 ( 1 ) 数据量大识别信息以外的目标身份信息、运行状态等也都可以根据需要进 行传输： ( 2 ) 具有快速的信息处理速度； ( 3 ) 保密性高，可全天候工作； ( 4 ) 抗恶劣环境抗干扰，抗磨损： ( 5 ) 多种用途的要求都可以由这一种系统满足，该系统可以实现运动目标识别与 多目标识别： ( 6 ) 该系统具有很高的可靠性，操作快捷方便。 2 2 4r f i d 的工作频率 目前。有低频、高频和超高频三种频率的r f i d 产品不同的特性存在于不同的r f i d 产品中。r e i d 产品之一感应器分为有源感应器和无源感应器两种，下面主要介绍无源 感应器所表现出的不同功能( 在不同频率的r e i d 产品中) 。 ( 1 ) 低频( 从1 2 5 k m z 到1 3 5 r i z ) ： 在r e i d 的产品中，最先应用的是低频。电感耦合的方式是低频的工作方式电感 耦台存在于感应器线圈和读写器线圈之间。感应器线圈受读写器线圈感应的作用产 生感应电压可以作为供电电压。磁场区域可咀很好地工作但缺点是场强下降快。 特性：低频能够在不降低物品的读取距离的情况下而穿过任意材料的物品，但金 属材料除外。好的低频封装形式价格昂贵可以使用十年咀上：低频感应器的价格比 断开感应器上面的 的控制，即用感应 开和接通，那么就 离。要把感应器放 用；该频率的读写 很多个电子标签的 宣，比低频的数据 传输速率快。 主要应用：智能货架的管理等。 ( 3 ) 超高频( 工作频聿为8 6 0 m 1 4 z 到9 6 0 m h z 之间) ： 电场是传输能量的渠道。电场的读取区域不能够很好地进行定义但是电场的能 量不会很快地下降。该频段无源的读取距离可选十米左右，由此可见该频段有比较远 韵读取距离。电容耦台是实现读取距离的主要方式。 特性：全球对于该频段的定义是不同的。北美：9 0 2 m l z 到9 0 5 m h z 之间，欧洲以及 部分亚洲地区：8 6 8 m h z ，日本：9 5 0 m l z 到9 5 6 m h z 之间。3 0 c m 左右为该频段的波长； 超高频频段的电波能穿过的材料很少。要将金属与高频的电子标签分开：长条状和标 签状是电子标签的天线的形状。为了满足不同应用的需求，天线被设计成线性和圆极 化两种t 该顿段根难进行读取区域的的定义但是该频段有很好的读取距离；该频段 可以将丈量的电子标签在根短的时问里读取出来且该频段的数据传输速率很高。 主要应用：后勤管理系统的应用供应链上的管理和应用等。 在将来大量的应用将会使用到超高频。 有源r f i d 技术( 24 5 g h z 、j 8 g h z ) ： 发射功率低、兼容性能好、数据传输量大、通信距离长以及可靠性能高是有潭r f i o 具备的良好特点有源r f i d 与无源r f i d 相比有非常明显的技术上的优势。有源r f i d 被广泛的应用于港口货运管理咀及公路收费等应用管理中。 r f i d 技术在中国有巨大的发展潜力。 自动识别技术的具体应用与发展有一方面是体现在无线电技术方面的，而射频识 别技术实际上就体现在这一点上。使用先进的技术手段，对物体实行自动识别与管理 就是射频识别技术的基本思想。 2 2 5r f i i ) 通讯工作方式 r f i d 的读写器通过射频载波向射频卡传输信号，谚射频载波有着固定的频率。读 写器有一个天线工作区域，当射频卡进入这个天线工作区域后，射频卡就技激活捧 且经过卡内收发模块将载有特定信息的射频信号发射出去；射频卡发射出去的射频信 号被读写器天线接收，在经过处理以后将信息提取出来。信号强度检测法；用于定 位标签位置的确定是通过信号强度来确定的，出现标签的基站附近的信号强；当两 个基站重叠区域出现一个电子标签时，这两个基站获取到强度不一致的信号，通过对 比这两个基站获得信号的强度我们也能够将标签的所在位置乒u 断出来“。 2 3g p s 全球定位系统 2 31g p s 系统简介 全球定位系统又被称为“球位系”。g p s 能够提供导航服务该服务具有实时性 全天候性以及全球性这也正是g p s 的主要目的所在还有其它的一些军事目的，怖j 如情报收集等花了三百亿美元耗时二十多年进行试验，到了二十世纪九十年代 卫星全部设置完成( g p s 共有二十四颗卫星) 垒球覆盖率高达百分之九十八。 g p s 的定义很简单即利用卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统。通过 g p s 所具备的g p s 终端，传输网络和监控平台这三个要素，可以提供车辆防盗、反劫、 行驶路线监控及呼叫指挥等功能。 23 2g p s 导航系统的原理 基准站 罔23g p s 系统结构圈 流动站 g p s 导航系统的工作是测量卫星到接收机的距离这也是g p s 系统的基本原理，要 知道接收机的具体位置，就要综合多颗卫星的数据信息。正常工作的g p s 卫星，会不 断地发射导航电文( 利用伪踮机码，由1 和0 二进制码元组成) 。一菸有两种g p s 系 统的伪随机码军用的和民用的。民用的c a 码频率i _ 0 2 3 , 枷! z 。而保密性能最佳的是 军用的y 码，它足在p 码的基础l - 形成的。大气折射修正、卫星星历、时钟改正、电 卫星的作用其实很简单，就是不停地发身j 导航电文。在这里要引进一个未知数 t 它是卫星与接收机之间的时间差，再加上用户的三维坐标x 、y 、z ，一共四个未 知数。就可以将这个距离算出。因此要至少接收到四个卫星信号，才能够知道接收机 具体的位置。 要在相对定位、并且有一段连续的观测值时使用，因为相位观测值的精度高至毫 米，但是需要解出整周模糊。相位观测值的定位方法定位精度高，采用此种方法，可 以得到优于米级的定位“。 在g p s 观测量中包含多种误差，在进行相对定位时，抵消或者削弱了大部分的公 共误差这就大大提高了定位精度抵消大气层中电离层误差的主要部分是通过双频 接收机进行的( 根据两个频率的观测量) 。在以下情况下选用取频接收机：要求高的 精度大气有明显差别的情况时接收机间的距离较远。 23 3g p s 定位原理 要想确定待测点的位置就要捕捉卫星的瞬间位置，再将这个位置作为起算数据。 这就是g p s 系统的定位原理。如f 图所示，安置g p s 接收机的地面待测点确定( 在t 时刻) ，t 是g p 5 信号副达接收机的时问( 由系统测定) ，如下四个方程式便可确定 出来( 还要加上接收机接收到的卫星星历等数据) “”。 星2星3 4 y jz ) ( x 1 妒+ 0 1 一妒+ ( z l - z ) 2 】1 q c ( - 优 = d 1 ( x 2 - x ) 2 + 一妒+ ( z 2 一z ) 2 】1 v - v c ( 嘶s & ) = d 2 【( x 3 一x ) 2 + 伤一妒+ 嘧z ) 2 】1 肆c ( 嗨吮 = d 3 ( z 4 - x ) z k y 一y y + 国一z ) 2 】1 4 c ( 嗨饿沪d 4 2 3 4g p s 系统组成部分 ( ”空间部分 围2dg p s 定位原理示意圈 由二十四颗卫星组成这二十四颗卫星在六个轨道面上均匀分布这样的分布有 很多好处：无论何时何地都可以有四颗以上的卫星被观测站观测到。但是，这些卫 星也有不足之处。它们会受到大气摩擦等的影响，而渐渐被磨损，这样导航的精度也 会受到影响。 ( 2 ) 地面控制系统 地面控制系统是位于地面的，它包括三个部分：监测站、主控制站以及地面天线。 地面控制系统的作用是：卫星传回的信息被该系统收集，根据这些被收集的信息大 气校正等数据被计算出来。 ( 3 ) 用户设备部分 也就是我们常说的g p s 信号接收机，为了得到卫星轨道参数，就要跟踪一些特定 的卫星这些卫星足根据一定的截止角获取的而用来捕获这些卫星的就是用户设备 部分，也就是g p s 信号接收机。当用户设备部分捕获到卫星信号以后，就可以根据所 测得的变化率得到想要的数据。由这些数据，用户所在当前位置的时间、速度、高度 以及经纬度等被计算出来。接收机采用的电流：机内和机外两种。机内设置了电源， 其目的是能够让观测进行的连续( 例如外电源电量用光) 。机内电池能够自动充电( 在 使用外机电源时) 。目前对于观测条件的要求越来越高，例如野外观测所以体 积更小、重量更轻的接收机层出不穷。其次双频接收器价格昂贵，不被广大消费者 认可，单频接收器价格便宜，被广大消赞者接受。 2 35g p s 系统的特点 ( 1 ) 定位精度高 g p s 相对定位精度可以达到1 0 。米( 在5 0 k m 以内) 1 0 ：米( i o o k m 一5 0 0 k i n ) 1 0 米( 1 0 0 0 k m ) 。在3 0 0 1 5 0 0 兆的工程精密定位中平面位置误差小于l m m ( 1 小时以 上观测的解) ，边长晟大较差为0 5 m m ，较差中误差为03 m m 。 ( 2 ) 观测时间短 现在2 0 k m 以内的相对静态定位仅焉要1 5 2 0 分钟因为g p s 系统在不断的进行 完善- 软仲在不断进行更新；可随时定位的情况每站观测只需要几秒钟这时进行 的足快速静态相对定位测量，且只需要卜2 分钟的流动站观测时间( 每一个流动站有 1 5 k m 以内的与基准站的间隔) 。 2 4g s m 全球移动通信系统 2 4 1g s m 系统简介 圈25g s m 垒球移动通信系统 g s m 即全球移动通讯系统它是一种移动电话标准而且在当前应用最为广泛。现 在用户要进行国际漫游是一件很平常的事因为g s m 标准几乎存在于世界上每个角落。 第二代移动电话系统也就是我们所熟悉的2 g 就是g s m “。 时分多址技术是g s m 空中接口采用的技术。目前全世界有一百多个国家使用g s m 标准。 全世界使用g s m 电话的人超过十亿国家和地区总数为2 0 0 多个。由于移动电话 运营商之间签订了“漫游协定”，所以所有用户都可以自由漫游。 用户可以做出选择。而这种选择可以是低费用的 s m s 也可以是高数字语音质量 这是g s m 的重要优势。不同的用户可以提出各种不同的要求，而网络运营商都会提供 相应的设备配置，这都是e 铷的功努。这样就出现了我们所熟知的漫游服务，捅有 移动电话的客户就可以在任何地方打电话了。 。它们 巨蜂窝 主要用 白区域 蜂窝半径可从几百米至几十公里，这是由天线的高度、增益咀及传播条件导致的。 g s m 规范使用的最长距离为三十五公里。在这些蜂窝中，还有一个蜂窝半径可以增加一 倍甚至更多的扩展蜂窝。 将室外天线的功率分配到室内天线上是通过功率分配器完成的这样，g s m 就可以 支持室内覆盖了。这种室内覆盖在购物中心和机场十分常见，因为它可以满足室内高 密度通话要求，是一种典型的配置方案。这种配置可以提高信号质量，减少干扰和回 声，嗣为室内覆盖可以穿越建筑物。 24 2 酬s 的网络结构 为了增强系统的可用性，g s m 系统的网络结构极其庞大复杂。g s m 网络结构被分为 很多部分。 1 、基站系统： 当前的业务( 语音和电路交换数据) 由基站子系统和网络子系统支持完成。b s s 由处理无线物理层的基站收发信台( r t s ) 、处理无线资源管理和切换的基站控制嚣 ( b s c ) 构成。 2 、g p r s 核心网： 许多g s m 服务都是由所有的系统元素组合出来的。 3 、身份识别m o d u i e ： 众所周知的s i m 卡t 即用户身份模块是g s m 的一个关键特征。可拆卸智能卡i c 可以保存用户数据和电话本的信息t 这就是s i m 卡。这样用户可以将自己保存的信 息保存至另一个手机，方便了用户更换手机。换句话说。用户可以使用不同的运营商 的s i m 卡，但是只使用一部手机- 还有一种在某些国家并不台法的现象，即一部手机 只能使用一类s i m 卡，这样，就可以防止用户转换到别的网络上。 2 4 3g s m 系统的技术特点 频谱效率：系统具有高频谱效率是因为采用了语音编码技术、高教调制器、均 衡技术、信道编码技术以及交织技术。 容量：缩小到4 1 2 或者3 9 ，甚至是7 2 1 ( g s m 系统的同频复用模式) 。这是因 为增加了每个信道的传输带宽t 使得降低至9 d b ( 同频复用载干比) ；为了减少越区交 换的次数，加上了自动话务分配和半速话音编码t a c s 的容量效率就比g s m 系统的容 接口的定义话音质量达到的水平总 各设备之间的接口而不只是空中接 安全性：为了达到安全的目的使用t a s i 号码、鉴权和加密等方法。t m s 是一个 临时识别号因为会有地理位置泄薅等情况的发生，这个临时识别号是业务网提供给 j = | j 户的。鉴权是用来验证用户的入网权利的。加密由n - v , a t c 和s i m 卡的密钥决定， 用于空中接口。 与i s d n 、p s t n 等的互联：它们部是接口，利用这些现有的接口实现与其它网络 的互联。 在s i m 卡的基础上实现漫游：用户可以从一个网络进入另一个网络这就是漫游 它是移动通信的重要特征。当网络运营者之问约定了某些协议，全球移动通信系统的 用户就可以进行全球漫游。 24 4g s m 网络安全 g s m 的安全水平为中等。共享密钥用户认证被系统设计使用加密了用户与基站之 间的通讯。而g s m 是由网络对用户进行验证，鉴别能力有限并且可以伪造用户但 是保密和鉴别的功能被安全模块所提供”4 。 多种加密算法被g s m 使用以保证网络安全。为了保证在空中语音的保密性，使用 ra s i 和a 5 2 两种串流密码。a 5 i 是一种强力算法。在欧洲被广泛使用，而a 5 2 是一种弱强度算法，是在其它国家广泛使用的。现已发现两种算法都有严重的漏洞， 这就驱使具有更强安全等级的算法被远营商发现。 第三章系统的硬件设计 放射源失盗示踪系统的硬件部分主要包括如下三部分：p c 机( 系统的监控终端) 、 跟踪器单元以及监测探头控制单元。其中跟踪器单元以及监测探头控制单元是本设 计的重点。作者主要参加了跟踪器单元的设计。 放射源失盗示踪系统的工作原理描述如下：跟踪器安放在存有放射源的容器或者 密封罐等设备上t 跟踪器与监测探头之间的通讯联络是通过射频识别模块保持的，信 息码从具有身份识别的放射源跟踪器中定时地发射出来这些信息被监测探头接收之 后，就会回复一段信息码给放射源跟踪器在两者间互相得到对方的应答信号，说明 监控正常，未超出监控范围，一旦跟踪器不在监测探头的监测范围之内时监损0 探头 便会及时地发现并迅速报警，同时跟踪器会迅速启动跟踪定位装置。利用g s m 网络 将放射源当前所在位置的6 p s 定位信息传送到p c 机或者其他监控终端，然后由p c 机 通过管理软件系统对遗失的放射源进行实时在线跟踪。 本系统通过射频识别与全球定位系统等信息传感