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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于r f i d 技术和g s m 网络的移动收费系统 摘要 射频卡收费系统是射频识别技术的一个典型应用。常规的射频卡收费系 统由于需要铺设专用通讯线缆( 一般为串口通讯线) ，收费终端必需在上位机 周围短距离半径内使用，因此限制了收费系统的使用范围，系统灵活性也大 大降低；与此同时，由于g s m 网络的短消息服务具有费用低廉、使用方便 等优点，各种基于短消息服务的应用也成为人们研究的热点。本文的目的就 是要研究将射频卡收费系统和g s m 网络结合起来，以手机短消息的形式传 输数据，从而改善射频卡收费系统的性能。 本文是在对射频识别技术和短消息应用系统的相关理论和技术深入研究 的前提下，设计开发并逐步改进完善了一套完整的移动射频卡收费系统。该 系统的开发参考了国内外己应用的一些射频识别系统和短消息应用系统，同 时采用了最新技术，为继续改进系统或开发新系统做了一些基础性工作。 本文首先阐述了课题背景和研究意义，并简单介绍了国内外射频识别技 术和短消息应用系统的研究动态和发展趋势；讨论了系统涉及到的基本原理 和关键技术，并介绍了射频卡系统的组成；着重说明了本文所作移动收费系 统的硬件设计，对系统所选用的重要元器件包括m c u 、射频卡及读卡模 块、g a l 芯片等主要的几种芯片进行了介绍，并描述了系统的体系结构和 主要功能模块的电路设计；结合系统硬件设计，阐述了系统的软件的整体设 计和各个功能模块的设计，详细讨论了w i n d o w s 环境下的r s 2 3 2 串口通讯 的编程，以及与对手机进行操作的a t 指令集和对短消息的p d u 编解码方 法；最后对课题进行了总结和展望，给出项目还需要改进的地方。 系统实际运行情况表明，该系统设计合理，具有成本低廉、灵活性好、 运行稳定等特点，可以满足应用需求。 关键词射频识别；读写器；串口通讯；a t 指令；p d u 编解码 篁玺圣矍三查兰三兰堡圭兰堡丝塞 m o b i l ef e ec h a r g i n gs y s t e mb a s e do nr f i d t e c h n o l o g ya n dg s m n e t w o r k a b s t r a c t r f ( r a d i of r e q u e n c y ) c a r df e ec h a r g i n gs y s t e mi s at y p i c a la p p l i c a t i o no f 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 ) t e c h n o l o g y b e c a u s er o u t i n er fc a r df e e c h a r g i n gs y s t e mn e e dt ol a ys p e c i a lc a b l e s ( n o r m a l l ya r es e r i a lc o m m u n i c a t i o n c a b l e s ) a n dt h et e r m i n a l sm u s tb ed e p l o y e dn e a rt ot h ep o s i t i o nm a c h i n ei na s h o r tr a d i u s ，t h es y s t e m su s i n gr a n g ei sr e s t r i c t e da n ds y s t e mi sn o tf l e x i b l e a t t h es a n l et i m e ，b e c a u s es m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) i ng s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) n e t w o r ki sc h e a pa n dc o n v e n i e n t ，v a r i o u sa p p l i c a t i o n s b a s e do ns m sa r cb e i n gf o c u s e db yr e s e a r c h e r st os t u d y t h ep a p e r sp u r p o s ei s t or e s e a r c hc o m b i n i n gr fc a r df e ec h a r g i n gs y s t e mw i t hg s mn e t w o r ka n d t r a n s m i t t i n gd a t ab ys m s t h e nt h ep e r f o r m a n c eo fr f c a r df e ec h a r g i n gs y s t e m i si m p r o v e d w i t ha t h o r o u 【g hu n d e r s t a n d i n go ft h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yc o r r e l a t i v e dt o r f i da n ds m sa p p l i c a t i o n s y s t e m ，t h ea u t h o rd e s i g n e da n di m p r o v e d a l l i n t e g r a t e dm o b i l er fc a r df e ec h a r g i n gs y s t e m t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e m r e f e t e dt os o m er f i ds y s t e m sa n ds m sa p p l i c a t i o ns y s t e m sa p p l i e di nc m n aa n d f o r e i g nc o u n t r i e s a tt h es a n l et i m e ，t h ea u t h o ra d o p t e ds o m el a t e s tt e c h n o l o g y , a n dd i ds o m eb a s i cw o r ki nf a v o rt oi m p r o v et h es y s t e mo rt od e v e l o pan c w s y s t e m t h ep a p e re x p l a i n e dt h es u b j e c t sb a c k g r o u n da n dp u r p o s ea tf i r s t ，b r i e f l y i n t r o d u c e dt h er e s e a r c hh i s t o r ya n dd e v e l o p i n gt r e n do fr f i dt e c h n o l o g ya n d s m s a p p l i c a t i o ns y s t e m t h e nt h ep a p e rd i s c u s s e dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dk e y t e c h n o g yr e l a t e d t ot h e s y s t e m ，i n t r o d u c e d r fc a r d s y s t e m sc o m p o n t s f o l l o w i n gt h i s ，t h ep a p e re m p h a s i z e dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h em o b i l ef e e c h a r g i n gs y s t e m ，i n t r o d u c e dt h em a i np a r t si nt h es y s t e m ，i n c l u d i n gm c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) ，r fm o d u l e ，r fc a r d ，g a l ( g e n e r a la r r a yl o g i c ) c h i p ，e t c ， d e s c r i b e dt h es y s t e m sa r c h i t e c t u r ea n dt h ec i r c u i td e s i g no ft h em a i nf u n c t i o n a l 堕查堡矍三奎耋三茎竺圭耋堡丝兰 p a n s f u r t h e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h es y s t e m ss o f t w a r ed e s i g nc o n f o r m i n gt o t h eh a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gi n t e g r a t e ds o f t w a r ed e s i g na n de v e r yf u n c t i o n a l p a r t ss o f t w a r ed e s i g n ，d i s c u s s e dt h er s 2 3 2s e r i a lp r o g r a m m i n gi nw i n d o w s e n v i r o n m e n t ，a t ( a t t e n t i o n ) c o m m a n d ss e to fm o b i l ep h o n e ，a n dp d u ( p r o t o c a l d a t au n i t ) e n c o d i n g d e c o d i n go fs m s a tl a s t ，t h ep a p e rm a d et h es u b j e c t s s u m m a r i z a t i o na n dp r o s p e c t ，a n dt a b l e ds o m ep r o p o s a l st oi m p r o v et h es u b j e c t t h ea c t u a lw o r k i n gs t a t eo ft h es y s t e mi n d i c a t e st h a tt h ed e s i g no ft h e s y s t e mi sr a t i o n a l ，i n e x p e n s i v e ，f l e x i b l ea n ds t a b l e t h es y s t e mc a nm e e tt h en e e d o fa p p l i c a t i o n k e yw o r d sr f i d ；r fc a r dr e a d e r w i t e r ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；a tc o m m a n d s ； p d ue n c o d i n g d e c o d i n g 哈尔滨理工大学硕士学位论文原仓i j i 眭声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于r f i d 技术和g s m 网络 的移动收费系统，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者繇叫柳 日期：2 0 - 0 7 年弓月e l ， 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于r f i d 技术和g s m 网络的移动收费系统系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 刮矧扣 三k 兹 日期：2 口7 年弓月，石日 日期：翮年弓月瑶日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 本课题“基于r f i d 技术和g s m 网络的移动收费系统”是针对在移动装 置上实现自动收费而进行的设计。课题通过对射频识别、g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 短消息通讯、串口通讯和数据库管理等理论和技术的 研究，进行本系统的开发，本系统可以应用于公交车等移动装置的收费管理。 当前国内外已有很多基于射频识别技术的收费系统，如餐饮收费系统、停 车场收费系统、加油站收费系统等。这些收费系统基本都是采用串口通讯作为 收费终端与上位机作为通讯手段。这样，收费系统就必然要受到地域的限制， 收费终端需部署在上位机的地理位置附近。因此，这样的收费系统就缺乏灵活 性。短消息业务对发送信息是有保证的双向服务，同时具有成本低、使用方便 等优点，因此在远程监控系统中得到广泛应用。本文就是在这样的背景下，研 究采用手机短消息作为数据传输的载体，将传统的射频卡收费系统和g s m 网 络结合起来。 无线射频识别技术是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频 信号和空间耦合( 电感或电磁耦合) 传输特性，实现对被识别物体的自动识别。 射频识别系统一般由两个部分组成，即电子标签( r f 卡) 和阅读器f 读写器1 。当 带着电子标签的被识别物品通过阅读器的可识读范围时，阅读器自动以非接触 的方式将电子标签中的约定识别信息读取出来，从而实现自动识别物品或自动 搜集物品标志信息的功能。射频系统的主要优点是环境适应性强，不受雨雪、 冰雹、灰尘等的影响，可全天候、无接触地完成自动识别、跟踪与管理，且可 穿透非金属物体进行识别，抗干扰能力强“1 。因此，r f l d ( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ) 技术已在世界各地得到广泛的应用，以美国、日本和欧洲为首的 发达国家对r f i d 技术的应用研究己达到相当高的水平，而我国则处于起步阶 段，大多采用引进的技术成果。由此可见，研究该技术已成为当今社会发展的 必需。另外，r f i d 技术是一个崭新的技术应用领域，它不仅涵盖了微波技术 与电磁学理论，而且还包括通信原理及半导体集成电路技术等，是一个多学科 综合的新兴学科“1 。因此，对r f i d 技术的认识和研究具有深远的理论和现实 意义。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 现代世界是一个高度自动化的世界，各式各样的设备都可以和计算机联 机，而最简单的自动化联机方式就是使用串行接口通信。过去，要实现对远端 设备的监控和操作一般利用有线的方式，比如电话。这种方法往往成本较高而 且使用不便。现在，随着第二代移动通讯向第三代移动通讯的迅速过渡，以 g s m 网为平台的各种业务的不断拓展，利用无线上网、无线传输图像、物像 传输数据和话音业务等，都得到越来越广泛的应用。尤其是开通不久的短消息 业务，一问世就因其低廉的价格和可靠的传输性能得到广大用户的青睐。因 此，将计算机串口与手机或手机模块连接，g s m 短消息业务，利用g s m 公用 网进行远端数据传输已成为数据通信业务的一个新的热点。g s m 系统提供多 种电信服务，它具有高频谱效率、安全稳定，以及集成度高、容量大、开放性 的接口、抗噪声性能强、覆盖范围广等特点。鉴于g s m 蜂窝网的上述优点， 以及短消息服务的经济实惠，故非常适于远程监控系统的数据传输。所以在应 用上，凡是使用调制解调器的地方大多数可以用g s m 手机模块代替。基于这 种模块，以g s m 网络作为无线传输网络，可以开发出各种前景极其乐观的各 类应用，如g p s g s m ( s m s ) 移动车辆监控定位系统、移动p o s 机、移动收费 系统、移动性数据库和i n t e m e t 接入等。随着手机应用资费的不断下调及其通 信网络的不断完善，应用手机短消息( s m s ) 来进行远程监控具有很广阔的应用 前景。 综上所述，通过深入研究r f i d 技术，采用短消息的方式传输数据，可以 开发出基于r f i d 技术和g s m 网络的移动收费系统，进一步扩大射频卡应用 系统的使用范围并提高灵活性，对提高效率、降低成本有着重大的现实意义。 1 2 相关领域研究现状与发展趋势 1 2 1r f i d 技术研究现状与发展趋势 由于射频识别技术的优点，在国外r f i d 技术已被广泛应用于工业t l 动 化、商业自动化、军事国防、安保门禁以及交通物流等领域，诸如：车辆交通 监控、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金 融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等。澳大利亚将r f i d 产品用于机场 旅客行李管理，该技术发挥了出色的作用；欧共体宣布1 9 9 7 年开始生产的新 车型必须具有基于r f i d 技术的防盗系统；瑞士国家铁路局在瑞士的全部旅客 列车上安装了自动识别系统，调度员可以实时的掌握火车运行情况，不仅利于 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 管理，还大大减小发生事故的可能性；1 9 9 6 年1 月韩国在汉城的6 0 0 辆公共汽 车上安装r f l d 系统用于电子月票，还计划将这套系统推广到铁路及其他城 市；德国汉莎航空公司使用非接触的射频卡作为飞机票，改变了传统的机票购 销方式等“1 。 为适应数字化信息社会发展的需求，r f i d 技术的研究与开发也正突飞猛 进地发展。在欧洲、美国及日本等国正在研究各种各样的r f i d 技术。各种新 功能的r f i d 系统不断涌现，满足各种各样市场的需求。2 0 世纪末到2 1 世纪 初，r f i d 技术中的一个重大突破就是微波肖特基( s c h o r k y ) - - - - 极管可以被集成 在c m o s 集成电路上“1 。这一技术使得微波r f i d 卡只含有一个集成芯片成为 可能。在这方面，m 、t a 鲫鹞t c r 、m i c r o n 、s i n g l ec h i ps y s t e m ( s c s ) 、 m o t o r o l a 、s i m e n s e 、m i c r o c h i p 、t r a n s c o r e 以及日本的h i t a c h i 、m a x e l l 等公司 表现积极。目前，m i c r o c h i p 、t r a n s c o r e 、h i t a c h i 、m e x e h 和t a g m a s t e r 等公司 己有单一芯片的不同频段的射频卡供应市场，而且已加入防冲突协议，使得一 个读写器可以同时读出至少4 0 个微波射频卡的内容信息“1 同时也增加了许多 功能，如电子钱包需要的低功耗读写功能、数据加密功能等，为r f i d 系统的 应用提供更加广泛的应用前景。2 0 0 1 年6 月，日本东芝公司在东京发布消息： 己制造出世界上最小的r f i d 芯片一“m 1 1 c h i p ”，使得射频卡嵌入纸内成为可 能：日本m a x e l l 公司已生产出只有米粒大小的射频卡，用于1 3 5 6 m h z 的 r f i d 系统，该卡中集成有用作为天线的电感线圈：2 0 0 1 年1 2 月电子工程师 时代唧m e s ) 宣布到2 0 0 5 年欧洲银行将在银行票据上安装r f i d 芯片，2 0 0 1 年1 0 月，已报道在欧元上使用了r f i d 防伪标识；2 0 0 2 年3 月m i c r o m e m 技 术公司和国际纸业公司共同开发“纸质”芯片的封装技术。最近，嵌入在纸内 的射频卡技术成为研究的热点。 近年来，国际化标准组织根据接口设备与智能卡作用距离的不同而定义 了三个国际标准，分别为i s o i e c1 0 5 3 6 ，i s o c1 4 4 4 3 和i s o i e c1 5 6 9 3 ， 见表1 - 1 ”1 所示。这些国际标准主要规定了卡的物理特性、射频能量和信号接 口、初始化与防冲突、选择应答和传输协议、多卡激活等方面。这些标准的制 定进一步促进了非接触式射频卡的飞速发展。 表1 - 1 非接触式射频卡国际标准 t a b l e1 - 1i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so fc o n t a c f l e s sr fc a r d 标准 卡类型作用距离 i s l 3 i f i e c1 0 5 3 6密耦合0 1 0 m m l s 0 ，c1 4 4 4 3近耦合 0 1 0 0 m m l s l 2 i f i e c1 5 6 9 3疏耦合0 1 0 0 0 r a m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 当前，r f i d 技术在我国的应用正处于起步阶段。目前中国i c 卡市场对 r f 卡的需求还处于一个比较低的产品层次上，技术含量高的产品还比较少。 1 9 9 6 年1 0 月北京首都机场高速公路天竺收费站安装了不停车收费系统，该设 备是从美国a m t e c h 公司引进；铁道部于1 9 9 9 年开始投资建设自动车号识别 系统，并于2 0 0 0 年正式投入使用；2 0 0 1 年7 月上海市虹桥国际机场组合式电 子不停车收费系统( e t c - ) 试验开通，该项目被国家经贸委和交通部确定为“高 等级公路电子收费系统技术开发和产业化创新”项目的示范工程；深圳海关建 设了不停车通关系统，在往来车辆上安装了具有防盗等功能的主、副两个微波 射频卡；四川宜宾市建立了国内第一个r f i d 实验工程用于市内车辆交通管理 与不停车收费；2 0 0 1 年，我国交通部也已宣布开发使用电子车牌管理系统；近 两年国家第二代身份证也采用了射频识别技术。这些给r f i d 技术的应用增添 了新的活力。最近几年射频卡应用系统的热点集中在门禁系统、汽车防盗系 统、物流系统、收费系统等领域“m “1 。 卡片应用系统进入我国的时间较晚，卡的应用由银行卡起步，而非银行卡 的应用后来居上，远远超过了银行卡的发展速度和规模。十多年来，金卡工程 的实施加强了国家对经济的宏观调控，促进了金融、商贸、旅游业的电子化与 信息化建设，全面带动了电子信息产业的发展，同时也提高了全民信息化的意 识，推动了我国国民经济和社会信息化的进程。有理由相信，在经济持续健康 发展的未来，金卡工程必将有力地促进我国信息产业的发展，有效提高人民生 活水平“”。在当今世界经济发展日趋全球化、信息化的背景下，我国政府高度 重视信息化建设，当前信息产业已经成为我国的第一支柱产业。在这样一个有 利的情形下，中国市场对智能卡的需求量迅速上升。我国通过引进智能卡封装 生产线，国内智能卡的生产厂发展到3 0 多家，整体生产能力达到2 亿张左 右。全国智能卡用电子产品的开发和系统集成厂和公司也达到5 0 0 家左右。设 计生产的产品品种有4 0 多种，涉及到各种类别的卡片，包括存储卡、射频 c p u 卡、接触卡、非接触卡、s i m ( s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e ) 卡，u i ml o s e r i d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ) 卡等，最高设计能力己达到0 3 5 微米。 未来智能卡的发展主要朝着下面三个特点演变：一是高度的安全性；第二 个特点是要有较大的容量；第三个特点是要从现在单一的身份识别功能扩展到 多用途功能，处理多种类型的数据。因此总的来说，卡产品的发展趋势是将逐 步朝着非接触卡、c p u 卡发展：从单一的芯片技术向磁条、芯片等多技术相结 合的方向发展；从单一的应用向多应用方向发展；从单一的接触、非接触卡向 两者结合的混合卡方向发展。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 2s m s 技术研究现状与发展趋势 随着计算机技术和通信技术的飞速发展，现代生活正在向数字化、信息化 时代大踏步前进。近年来，随着g s m 全球移动通信系统的迅速普及，短消息 服务业务s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 作为g s m 网络的一种基本业务日趋成 熟。基于s m s 短消息服务业务，以g s m 通信系统作为无线传输网络，其占用 系统资源少，建网速度快，投资费用少，可以开发出前景乐观的各类应用。 s m s 的众多优点使s m s 成为当前进行信息沟通的一种重要手段，国内外很多 公司都在进行针对s m s 的各种应用和开发。归纳起来有以下几种： 1 开发c 搐或b s 结构的短消息平台，通过平台服务器连接移动和联通 的短消息中心，以端口特服号码进行实时发送和接收。这样用户通过浏览器或 者安装客户端软件后，就能够通过i n t e r n e t 连到平台服务器，可以象收发邮件 一样收发短消息“。 2 利用s m s 可以传输数字、字符的特点，开发利用s m s 进行远程检 测、远程控制方面的应用。如变电站、电表、水塔、水库或环保监测点等监测 数据的无线传输和无线自动报警；远程无线控制高压线路断电器、加热系统或 其它机电系统的启动和关闭；车队交通管理和控制指挥系统；控制和监测香 烟、食品和饮料自动售货机的运行状态和存货状态等等“”“”。 3 开发用于短消息发送的专用硬件设备。法国w 舒，e c o m 公司和德国的 s i e m e n s 公司都是全球著名的制造手机模块的企业，他们都提供用于短消息发 送的设备如g s mm o d e m 。利用这些专用设备发送短消息更可靠，每小时可发 送短消息1 2 0 0 条左右，比用手机发送短消息更稳定、快捷、效率更高。 4 s m s 集成到企业的o a 系统或c r m 系统中。如山东电力就将s m s 短 消息服务集成到自己的客户服务系统内。此时s m s 不再只是传统媒体如电 视、广播和报纸的补充手段，它比传统的任何一种方式都有效，手机用户一般 都能收到信息，这意味着受影响的客户绝大部分都能被通知到。另外利用短消 息提醒的方式有助于降低客户服务中心必要的电话数量，而且这和电话通知相 比，是一种更“礼貌”的提醒方式“州。 从s m s 业务的发展来看，s m s 信息服务的发展经历了两个时期： 第一阶段，以短消息中心为主要的业务提供及信息提供的时期。在此阶 段，短消息中心是唯一的信息提供者及数据传输通道，造成信息量少，且各短 消息中心的信息来源不一致。这一阶段是短消息信息服务的独立发展时期。 第二阶段，以互联网上的信息作为短消息的主要信息来源，由互联网上的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s p 与各s m s c 相沟通，建立信息交换的接口。其特点是，由信息的极大富有 者s p 作为信息的提供者，弥补了原来s m s c 的不足。这一阶段是短消息业务 的急剧扩展时期n ”m 1 。 目前短消息业务正处在业务发展的第二阶段，其主要的业务特征模式就是 依附于原有的手机信息传递方式( 短消息) ，将互联网上的巨大信息量根据用户 的要求通过手机的短消息方式传递给用户。这一发展模式，将传统的信息提供 与信息服务的合二为一彻底分离、体现了一种传统业务与互联网相结合的发展 模式。在这一阶段，中国移动推出了“移动梦网”，而中国联通也推出了“联 通在线”。 过去，要实现对远端设备的监控和操作一般利用有线的方式，这种方法往 往成本较高而且并不方便。现在，随着第二代移动通信向第三代的迅速过渡， 以g s m 网为平台的各种业务的不断拓展，无线上网，无线传输图像，无线传 输数据和话音业务等，都得到越来越广泛的应用。尤其是短消息业务，一问世 就因其低廉的价格、可靠的传输性能得到广大用户的青睐。现在已经有将计算 机串口与g s m 无线m o d e m 相连，通过短消息业务，利用g s m 公用网进行 远程测量系统的研究成果，例如基于g s m s m s 的远程监控、车辆防盗、远程 抄表的研究在国内已有成功的范例“1 。 1 3 本文的主要研究内容 本课题将对射频识别技术和短消息应用系统的相关理论和技术进行深入探 讨，并且设计开发并逐步改进一套完整的基于r f i d 技术g s m 网络的移动收 费系统。课题将重点阐述收费系统的硬件设计、软件设计以及短消息无线通讯 系统设计。本文的主要研究内容包括： 1 说明课题背景及研究意义，并简要说明国内外射频识别技术和短消息 应用系统研究动态和发展趋势。 2 阐述射频识别系统的分类和组成，以及射频识别技术和短消息应用系 统的相关技术理论。 3 主要介绍基于r f i d 技术和g s m 网络的移动收费系统的硬件设计情 况；对硬件系统的总体和主要功能部分加以说明；介绍主要元器件的选择及其 性能特点。 4 论述基于r f i d 技术和g s m 网络的移动收费系统的软件设计，包括读 写器程序设计和上位机管理程序的设计，并介绍手机操作相关的a t ( a t t e n t i o n ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 指令集和短消息的p d u ( p r o t o c a ld a t au n i t ) 编解码。 5 对论文进行总结，概括本课题的研究内容和研究成果，并对课题的后 续研究提出建议。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章相关技术理论 2 1 射频识别系统的组成 通常情况下，射频识别系统由射频识别卡( 射频卡) 和射频卡读写器组成。 射频识别系统的组成如图2 - 1 ”1 所示。 图2 - 1 射频识别系统组成 f i g 2 - 1c o m p o n e n t so fr f i ds y s t e m 1 射频识别卡：射频识别卡( 射频卡) 也称电子标签，放置在被识别的人身 体上或物体上( 如人持有射频卡) ，用来响应读写器的指令，并向读写器返回处 理的结果。 2 射频卡读写器：读写器也称为读写器或接收器，它由发射单元、接收 单元、信号处理控制模块、天线和电源等组成。它向射频卡发送射频调频信 号，同时通过天线接收从射频卡返回载有射频卡所存信息的射频调制信号，经 处理后传给射频控制设备1 。 除了射频卡和读写器以外，一个完整的射频识别系统还可能包括计算机等 辅助控制设备。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 1 1 射频识别卡 r f i d 系统的目的就是从射频卡中获取被识别对象的相关信息，并且，射 频卡可以从读写器的射频场中获取能量，可为其它部分或全部电路提供电源。 因此，基于射频卡在r f l d 系统中的功能，射频卡电路必须含有天线用于接收 和发射电磁能量；必须含有检波电路用于将高频电磁能量转换成为直流电源； 并且可以存储或管理能量；必须要有一定的数字电路部分用于存储被识别对象 的信息内容，并可在外部供电的情况下，进行必要的数据处理及输出相关的数 据信息；另外，射频卡必须含有调制电路可以把存储在射频卡内部的被识别 对象的相关数字信息调制到反射的电磁波上。因此，典型的射频卡电路由以下 几部分组成：天线、模拟电路、数字电路以及存储器等组成。天线用于发射和 接收电磁波；模拟电路主要是由检波电路和调制电路组成，用于获取直流能量 并将相关信息通过调制发送出去；数字电路是射频卡的大脑用于控制相关协 议、指令及处理功能、管理内部数据和外部数据以及执行数据转换功能。 典型 i l l l l i l l l l l l i l i 非接触射频卡电路如图2 2 所示： l i i 标签 图2 - 2 典型非接触式射频卡电路 f i g 2 - 2t y p i c a lc i r c u i to fc o n t a c t l e s sr fc a r d 1 天线：射频卡天线主要用于接收射频卡的射频能量及信息，并发射射 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 频卡的相关信息，它是射频卡和读写器进行数据交换的桥梁，是整个r f i d 系 统的源泉。按照r f i d 系统的工作方式或工作频段的不同，射频卡的天线一般 可分为近场感应线圈天线和远场辐射天线。 2 模拟电路部分：模拟电路部分通常包括检波电路和调制电路。检波电 路可以将射频能量转换成直流能量，并可获取读写器发来的相关指令信息；调 制电路则是将射频卡的相关应答信息调制到射频卡接收到的射频信号上，并反 射回读写器。因此，模拟电路部分主要为数字电路部分提供相关数据( 读写器 指令) 信息和能量源泉，并将射频卡的应答信息发送给读写器。 3 数字电路部分：射频卡的数字电路部分通常是一个数字电路芯片。其 内部包含控制逻辑、加密逻辑、微处理器( c p t 0 以及数字存储器等组成。数字 存储器一般又可分为如下三类：r o m 只读存储器用于存储操作系统以及为保 障其顺利工作所必需的其它指令；r a m 随机存取存储器用于保存射频卡的唯 一序号和存储象密码之类的机制；e 2 p r o m 电可擦除可编程只读存储器用于存 储被识别的相关信息，其存储时间可长达几十年。e 2 p r o m 的主要缺点是写 入信息时需要较高的供电电压，正有被r a m 或f r a m 闪存取代的趋势。 2 1 2 读写器 读写器终端在射频卡系统中起着桥梁纽带的作用。它通过射频接口对射频 卡片读写，完成持卡人的认证和交易。如上所述，读写器与控制器之间通信， 执行控制器的命令，完成数据的上传或下载。读写器一般还连接有执行器，如 门锁的开关，这时读写器还要对执行器发出信息命令，使之动作。在实际系统 中，读写器的基本任务是启动数据载体( 射频卡) 与其进行数据交换来实现非接 触的无线通信，防冲突及身份验证均由读写器自动完成。 通常，r f i d 系统的读写器由以下几部分组成：电源部分、微波信号源、 高频信号处理部分( 包括放大、调制等) 、收发通信、中央处理器以及天线等组 成。所有r f i d 系统的读写器均可简化为三大基本功能模块：由收发系统组成 的高频接口、控制系统以及和外界其它设备通信用的各种标准接口，如u s b 接口、r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接口、与i n t e r n e t 连接的网口以及与打印机相连的 并口等。在这些部分中，关键的是射频接口。读写器终端的射频接口部分完成 下列任务： 1 产生射频发射功率，以启动射频卡并为它提供能量； 2 对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3 接受并解调来自射频卡的射频信号。 在整个系统的射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于射频卡f 即 卡片) 的两个方向的数据流。传送到射频卡中去的数据通过发送器分支，而来 自射频卡的数据通过接收器( 即读写器) 分支来接收。读写器终端的控制单元担 负着以下任务： 1 与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令； 2 控制与射频卡的通信过程( 主一从原则) ； 3 信号的编码与解码。 对于复杂的系统还有下列附加的功能： 1 执行反碰撞算法； 2 对射频卡与读写器之间要传送的数据进行加密和解密； 3 进行射频卡和读写器之间的身份验证； 4 发动作命令给执行机构，进行相应的动作”。 为了完成这些复杂的任务，在绝大多数情况下控制单元都拥有微处理器作 为核心部件。应用系统软件与读写器之间的数据交换通常是通过r s 2 3 2 或 r s 4 8 5 串口来进行的。不同系统使用的通信协议是各不相同的，常常是自定义 的协议，也可以采用网络通信的方式进行上述串口的通信。 2 2 射频识别系统相关理论 2 2 1 射频识别系统工作原理 射频识别系统是基于射频法的系统。射频法限f ) 是运用l - c 振荡回路工作 的。该振荡回路调到一个规定的谐振频率步。如果人们将振荡回路移入交变场 附近，那么，能量便通过振荡回路的线圈感应出交变磁场能量( 感应定律) 。如 果交交磁场的频率一与振荡回路的谐振频率步相同，振荡回路就激发了谐振振 荡。此振荡过程从交变磁场取得能量。因而，振荡线圈上的振荡过程，可以根 据交变磁场中振荡线圈的短时电压变化或电流变化得到。这种线圈电流的短时 上升( 或线圈电压下降) 被称作降落( d i p ) 。 d i p 的相对强度取决于两个线圈的距离和受激的振荡回路( 在射频卡里1 的 品质因数，尤其是两个线圈接近的速度对d i p 的相对强度影响巨大，就是说， 射频卡的振荡回路以怎样的速度接近振荡线圈。振荡线圈的磁场当距离增加时 减弱。同时，使用的材料也决定了振荡回路的品质因数。1 。 为了保证可靠地识别射频卡振荡回路，获得一个尽可能明显的d i p ，需要 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 使产生磁场的频率采用“扫频”方式。此时，振荡器频率不断扫过最大和最小 频率之间的范围。如果扫频的振荡频率正好命中了在射频卡里振荡回路的谐振 频率，其振荡回路就开始起振，并由此在振荡器线圈的电流中产生一个明显的 d i p 。对扫频系统来说，在射频卡的谐振频率的位置上的d i p 取决于扫频速度 ( 频率变化速度) ，而不是射频卡的运动速度，并可以调整到最佳的识别率。系 统通过电感藕合原理实现通信。 射频识别系统工作原理如图2 3 所示。 图2 - 3 射频识别系统工作原理 f i g 2 - 3w o r k i n gp r i n c i p l eo fr f i ds y s t e m 2 2 2 射频卡的能量供应 电感藕合射频卡一般是无源工作的。这意味着：微型芯片工作所需要的全 部能量必须由读写器供应。高频的强电磁场由读写器的天线线圈产生，这个磁 场穿过线圈横截面和线圈周围的空间。发射磁场的一小部分磁力线穿过距离读 写器天线线圈一定距离的应答天线线圈，通过感应，在射频卡的天线线圈上产 生一个电压u l 。将其整流后作为数据载体( 微型芯片) 的电源。将一个电容器c r 与读写器的天线线圈并联，电容器电容的选择依据是：它与天线线圈的电感一 起，形成谐振频率与读写器发射频率相符的并联振荡电路。该回路的谐振使得 读写器天线线圈产生非常大的电流，这种方法也用于产生供远距离射频卡工作 所需要的场强w 。 射频卡的天线线圈和电容器c 1 构成振荡回路，调谐到读写器的发射频 率。通过该回路的谐振，射频卡线圈上的电压u 达到最大值。这两个线圈的结 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 构也可以解释为变压器( 变压器的耦合) ，变压器的两个线圈之间只存在很微弱 的耦合。读写器的天线线圈与射频卡之间的功率传输效率与工作频率f 、射频 卡线圈的匝数i i 、被射频卡线圈包围的面积a 、两个线圈的相对角度以及他们 之间的距离成反比。随着频率的增加，所需的射频卡线圈的电感表现为线圈匝 数“n ”的减少。因为射频卡中的感应电压是与频率成比例的，在较高频率的 情况下，线圈匝数较少，对功率传输效率几乎没有影响1 。 在全双工系统和半双工系统中，所有已知的数字调制方法都可用于从读写 器到射频卡的数据传输，而与工作频率或耦合方式无关。大致有振幅键控 ( a s 目、频移键控( f s 趵、相移键控( p s 目三种调制方法，为了便于解调，多数 系统使用振幅键控调制。 2 2 3 射频卡系统的工作流程 射频卡系统具体的工作过程为： 1 读写终端不断向周围发一组固定频率的电磁波。本设计采用的射频卡 的工作频率为1 2 5 k h z 。 2 射频卡片内有一个l c 串联谐振电路，当它进入读写终端的工作区域 内，而且频率与读写终端发送的频率相同时，在电磁激励下，l c 谐振电路产 生共振。 3 共振使卡内的电容有了负荷，在电容的另一端，接有一个单向导通的 电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2 v 时，此电容可作为电源为集成电路提供工作电压。 4 c m o s 集成电路中的有关控制逻辑电路对接收到的信号进行解码。 5 根据解码信息判断读写终端发来的命令要求，若是读取信息则控制逻 辑电路从存储器中读取有关信息；若是修改信息则有关控制逻辑启动电压泵将 2 v 工作电压提升到1 5 v ，以便对存储器( e e p r o m ) 中内容进行重新写入编程。 6 当电容放电时，非接触卡内的发射电路就将从存储器中读取的数据信 息及相关信息发送给读写终端。 7 读写终端对接收到的信息进行处理。射频识别系统使用的频段可以分 为低频和高频两类，当工作频率越高，读写器和卡之间的通讯速度就越快，系 统的工作时间就越短。”。 射频识别系统的工作流程如图2 - 4 所示： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 识别 认证 读写 图2 4 射频识别系统的工作流程 f i g 2 4w o r k i n gf l o wc h a r to fr f i ds y s t e m 2 2 4 非接触式射频卡系统涉及的主要技术 1 射频通信技术：非接触式射频卡系统是一个典型的射频识别系统，它 采用的自然就是射频通信技术，这里我们要探讨的射频通信细节有：数据的调 制和解调、能量的传输和通信协议。 ( 1 ) 数据的调制和解调：读写器和射频卡之间采用半双工通信方式，以一 定频率的电磁波为媒介进行通信。由于基带数字信号不可以直接进行传输，那 么在读写器和射频卡之间进行通信时，必须对基带信号进行调制和解调1 。由 于射频卡系统是一