（电力系统及其自动化专业论文）基于射频识别技术的矿用人员安全监控系统.pdf

北京交通大学硕士学位论文 有工作人员装备射频卡，可作为“坑道准入证”，卡内存有唯 一的射频卡号，与此卡号相对应的矿工的姓名、年龄、工种等 信息存入数据库。安全生产部门能够对此卡授权，包括：该员 工有资格进入作业面的坑道，卡失效、挂失等。井下工作人员 经过监测点时，阅读器识别射频卡并将射频卡号和位置信息通 过c a n 总线传输给数据中心站，数据中心站的服务器负责将其 进行处理，并自动对数据库中的数据进行更新存储。一旦发生 事故，可迅速查询被困人员信息。 本论文详细论述了射频识别技术、射频识别系统的组成及 其关键技术，所用的小环天线的理论、设计、调谐与优化，c a n 总线的原理及其在矿井下的网络结构，最后详细介绍了系统井 下分站部分的硬件和软件。井下分站的设计包括远距离阅读器 的设计及c a n 总线与上位机通信部分的设计。阅读器的设计包 括微处理器以及p h i l i p s 公司的s l r c 4 0 0 阅读芯片的编程，防 碰撞算法与实现，信息安全技术，天线的设计、调谐与优化等。 c a n 总线与上位机通信部分的设计包括s j a l 0 0 0 的初始化程序 以及c a n 总线的收发程序。由于煤矿恶劣环境的需要，本系统 采用了矿用本质安全型电源供电。并讨论了系统的电气防爆。 i l 北京交通大学硕士学位论文 本设计软件都在k e i lc 5 1 和m e d w i n 平台上开发。 关键词：射频识别技术，矿用，人员监控，远距离阅读器，二 进制搜索，c a n 总线 i i i 北京交通大学硬士学位论文 am o n i t o r i n gs y s t e mf o rc o a l m 玳e rs e c u r yb a s e do nr n d i l lt h e s ey e a r s ，t h es a f ep r o d u c t i o no fm ec o a lm i n e si sa s i g i l i f i c a n tp m b l e mt h a tt h en a t i o na n dt h es o c i e t yp a ym u c h a t t e n t i o nt o h o wt op r c v e n tt l l ef a t a la c c i d e n t so fc o a lm i n e si s w h a tt h e p e o p l ep a y a t t e n t i o nt o w i t l lt h ew i d eu s eo ft h e c o m p u t c r si nt h ei n l a n dm i n e s ，t h ec o a lm i n e sa c c o m p l i s hs o m e c o m p u t e r _ a s s i s t a n tm a n a g e m e n ts y s t e m ss u c ha st h em o n i t o r i n g s y s t e m sa n di n d u s t r i a lt v ：b u tl h e ya r en o tp e r f 色c t ，a n dt h e yc a n n o ta c h i e v et h ee n t i r ei n f o m a t i o nm a n a g e m e n t t h e r ea r es o m e s a f eh i d d e nt m u b l e si nl h e m i i l e ra c c i d e n t s f o r e x a m p l e ，t h e p e o p l e o nt h e g r o u n dc 舳t c o m m u n i c a t ew i t ht h e p e 叩l e ! ! 星奎望盔堂堡圭兰焦堡兰一 u n d e 唱m u n d i nt i m e ，a n di t ，sh a r df o rt l l e mt oh o l dt l l ed i s t r i b u t i i l g a n dw o r ki n f o r m a t o nd y n 枷i c a l l y o n c em ea c c i d c n th a p p e n s ， t h ee f f i c i e n c yo fr i i s h i n gt od e a lw i t l la ne m e r g e n c ya n dr e l i e v i l l g s i c ko r i n j u r e d p e r s o n i s l o w ，a n d t l l er e s c i l ee 疵c t i sn o t9 0 0 d s o am o n i t o r i n gs y s t e mf o rc o a lm i n e rs e c u r i t ) r i sn e e d c d t b e r e s e a r c ho ft h ep r o b l e ms u p 叫e sag a po f 廿l ei n l a n dc o a ll n i n es a f b n l o n i t o r i n g i tn o t 伽1 yc o n t i i b u t e st 0m em i n i n 舀b u ta l s o w i d e n s t h e 叩p c a t i 咖f i e l do f r f i d t h es y s t 锄a d o i 煅t h er f d n er e a d e 刚i r ee q u i p p e da tm e e n t f a n c c s ， c m s s e sa n d t l l e s i g n i f i c a i l tm o n i t o r i n gp o i n t s u n d e p g m u n d a j l t h ew o r k e r s u n d e f g r o u n d h a v et h er a d i o f r e q u e n c yc a r d st h a ta r eu s e dt oe n t e r t h eu n d e 罾o u n d 1 n l e yh a v e u n i q u e i dn u m b e l si nt l l em e m o r y 1 1 l ei n f o 皿a t i o no ft h e w o r k e r sn a m e ，a g ea n dw o r kk i n dc o t s p o n d i n gm eu n i q u ei d n u m b e fa r es a v e di n t ot h e d a t a b a s e t h es a f e p r o d u c t i o n d 印a n m e n ta u t h o r i z e sm ec a r d si n c l u d i i l gp e m i t t i n g t ot u n n e l so f t h ec o a lm i n e s i n v a l i d a t i o no fl h ec a r d s ，r e p o n i n gt h el o s so ft h e c a r d sa i l ds oo n w h e nt h ew o r k e r sp a s sb yt h em o n i t o r i n gp o i n t s ， v 北京交通大学硕士学位论文 t h er e a d e ri d e n 曲e st l l ec a r dn u m b e r 柚dt m 璐f i 璐t l l eu t d n u m b e ft ot h ed a t ac e n t e rs t a t i o n b yc a nb u s n es e e r p r o c e s s c s 协ed a t a ，u p d a t c sa n ds t o r e st h e mi n t ot h ed a t a b 勰e o n c et h ea c c i d e n t h a p p e n s ，t h es y s t c mc 蛐g e tt h ei n f 0 姗a t i o no f t h ep e 叩l ei nt r o l l b l eq u i c i 【l y 1 r h et h e s j sd i s c l l s s e sr f ，i l sc o m p i n 昌妨di t s k e y t e c h n o l o g i e s ，l et l l e o r y ，m ed e s g n ，t l l et i l n e ，t h eo p t i m i z i n go ft l l e a n t e n n ai nd e t a i l t h et h e s i sa l s oi n t m d u c e sc a nb u sa n di t s n e t w o r kc o n 6 9 u r a t i o nu n d e i g m u n d f m a l l yt h et h e s i sg i v e st l l e d e t a i l e dh a r d w a r c 如ds o f 细a i e e x p l 柚a t i o n o ft h es u b s t a t i o n u n d e 曙m u n d t 1 l ed e s i g i lo ft h es u b s t a t i o ni si i l c l u d i n gt h ed e s i g n o ft h el o n gd i s t 加c cf c a d e ra n dc o m m u n i c a l i n gb e 铆e e nc a n b l l s a n dt h ed a t ac e n t e rs t a l i o n 髓ed e s 咖o fl l l ef e a d e fi si n c i l l d 逊 p m g r a m m i i l gt h em c ua n dp h i l i p si cr e a d e rs u t c 4 0 0 ，t h e a n l j c o l l i s i o na f i 幽m e t i ca n d p r ) g r a m m i n g ，t h ei n f o 肋a l i 彻 s e c u f i t yt e c h n o l o g y ； t h e d e s i g n ， t u n ea n d o p t i i n i z i n g o ft h e a n t e n n aa n ds oo n t h ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i n gi si n c l u d i l l g i n i t i a l i z a t i o no fs j a 1 0 0 0 ， t h e r e c e i v i n g a n dt r a n s m i s s i o n 北京交通大学硕士学位论文 p r o g 舳so fc a nb u s f o rt l l e f o u lc i r c u m s t a n c e ，t h es y s t e m a d o p t st h ei n b e i n gs e c u r i t yp o w e r t h et h e s i sd i s c u s s e st h ee l e c t r i c p i v e n t i n gt ob u r s t t h es o 胁a r eo ft h ed e s i g ni sd e v e l o p e db yk e i lc 5 1a n d m e d w i n k e y w o r d s ：i t f i d ，c o a lm i n e ，m o n i t o r i n gt h ep e r s 0 n s ，l o n g d i s t a n c er e a d e f ，b i n a r ys e a r c h ，c a nb u s l 北京交通大学硕士学位论文 a ：波长，单位m 厶距离，单位m 一：面积，单位r ：电流，单位a 肌电动势，单位v 屈磁感应强度，单位t 最电场强度，单位n c 尸功率，单位w g 品质因数 ：角频率，单位r a d s 成电阻，单位q d 电容，单位f 上：电感，单位h 卵：电压变换系数 符号说明 l i 北京交通大学硕士学位论文 缩写说明 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 射频识别技术 c r c ：c y c l i cr e d u n d a j l c yc h e c k 循环冗余校验 c a n ：c o n t r o ll e ra r e an e t w o r k 控南9 局域网 v i c c ：v i c i n i t yc a r d 疏耦合卡 v c d ：v i c i n i t yc o u p l i n gd e v i c e 疏耦合读卡装置 s o f ：s t a r to ff r a i l l e 帧开始 e o f ：e n do ff r a m e 帧结尾 r f u ：r e s e r v e df o rf u t u r eu s e 保留 u i d ：u n i q u ei d e n t i f i e r 唯一的i d 卡号 l s b ：l e a s ts i g n i f i c a n tb i t 最低位 m s b ：m o s ts i g n if i c a n tb i t 最高位 d s f i d ：d a t as t o r a g ef o r m a ti d e n t i f i e r 数据存储格式标志符 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1本课题研究的目的和意义 近些年来，煤矿安全生产一直是国家和社会普遍关注的问题，煤矿 生产如何作到预防重大特大事故的发生一直是人们关注的热点。依据国 务院几次有关安全生产的常务办公会议、专题会议和国务院办公厅国办 发 2 0 0 3 5 8 号、6 0 号文件精神，按照国家发展和改革委员会、国家安全 生产监督管理局( 屋家煤矿安全监察局) 的有关要求，煤矿生产必须保 证安全。 按马斯洛需要层次论，安全需要是人类本能的基本需要。就煤矿而 言，安全状况对煤炭企业有着直接影响。每起工亡、工伤事故出现后， 企业直接经济损失惨重，间接经济损失、企业形象的损害则难以估算。 事故多，伤亡大，不仅给职工家属带来极大痛苦，也给国家造成巨大的 经济损失和严重的政治影响。煤矿的一般事故平均每死亡1 入，直接经 济损失约1 0 万元，瓦斯煤尘爆炸事故损失更太，平均每死亡1 人高达 3 0 万元以上。据粗算，近年来煤矿年均一般事故损失约7 5 亿元，瓦斯 爆炸事故损失约7 ，5 亿元，共计1 5 亿元左右，约占国有重点煤矿每年销 售收入的3 左右。如不采取措施遏制，其经济损失有增无减。安全是衡 量煤矿工作的前提，事实表明，煤矿安全管理不好，就不能健康发展， 企业也将失去凝聚力、向心力。 中华人民共和国国家发展和改革委员会、中华人民共和国科学技术 部、中华人民共和国商务部于2 0 0 4 年联合发表的第2 6 号公告将“煤矿 北京交通大学硬士学位论文 全矿井安全监控系统，煤矿地质灾害勘探技术装备，煤矿瓦斯高效抽放 设备，煤矿用高性能抢险救灾装备”列入当前优先发展的高技术产业化 重点领域( 2 0 0 4 年度) 。可见研制“矿用人员安全监控系统”是十分必 要的。 1 2 国内外煤矿安全监控系统的发展现状 国外一些发达国家的煤矿自动化监控水平都相当先进，下面以美国 为例，介绍他们的煤矿监控情况。美国的大中型煤矿一般都装设井上下 联网的生产安全监控系统和扩音电话通讯系统，对各采掘工作面主要设 备开停运转状态、机电负载工况、煤炭产量、人员工作地点流动、车辆 位置编号识别、通风状况、环境温度和气体浓度以及粉尘浓度等进行连 续监测并报警。有瓦斯突出和冲击地压的矿井还加装专门的检测传感器 和报警系统。这些系统都是用微机进行数据信息的采集、处理、分析和 储存，一般均有井下就地显示和传输到地面调度值班室显示监控。矿长 室等办公室也有显示终端，可以随时了解井下实际情况。可见，美国的 矿山安全监察主要利用的是现代科学技术，特别是以计算机作为工具， 能做到对现场情况实时显示、处理和分析，即实现了实时监察的要求。 我国监测监控技术应用较晚，8 0 年代初，从波兰、法国、德国、英 国和美国等引进了一批安全监控系统( 如d a n 6 4 0 0 ，t f 2 0 0 ，m i n o s 和 s e n t u r i o n 一2 0 0 ) ，装备了部分煤矿；在引进的同时，通过消化、吸收并 结合我国煤矿的实际经验。先后研制出k j 2 、k j 4 、k j 8 、k j l o 、k j l 3 、 k j l 9 、k j 3 8 、k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 等监控系统，在我国煤矿已大量 使用。 随着计算机在国内矿山的广泛应用，近十几年来煤矿完成了安全监 2 北京交通大学硕士学位论文 测系统、工业电视等多种计算机辅助管理系统。 太原研究院张生益高级工程师等人提出的矿区计算机综合网络系统 设计，采用安全监控子系统，实现安全生产自动化，采用人事、计划、 财务等系统，实现管理自动化。矿井各子系统通过智能信息转换装置接 入虚拟管理机到计算机网络中，以矿井为单位采用改进型s t a r 网，将 所有信息汇聚，一星形网联接最大可达4 层，与原煤炭部联接采用国际 c c t 标准。 由究州矿务局和煤科总院常州自动化研究所共同研制并应用的生产 调度系统，分数据处理、报表处理、监测系统数据处理和图形处理四大 部分，实现了全局数据管理、向局传输数据、局网数据利用及处理等三 大基本功能。该系统以n o v e l l 网为基础，以4 8 6 为服务器，运行在 d 0 s 操作系统之下，组成了集文字、报表以及实时数据通讯于一体的局 级综合调度系统。 兖州矿务局机械化处利用d b a s e iii 开发的采煤工作面数据管理系 统，实现了采煤工作面及采煤队生产数据、直接成本、油脂消耗等有关 信息的采集、查询、维护、统计处理和报表生成，为生产管理人员及时 提供有效的生产管理信息，服务于生产。 淮南工业学院安全教研室张国枢教授等为淮北局卢岭矿开发并使用 的煤矿管理信息系统，将操作环境移植到w i n d o w s 之下，充分利用网络 技术和多媒体技术，将煤矿生产、监控、管理连接起来，具有集数据、 信号、声音、图形图像于一体的强大功能，大大提高了煤矿管理现代化 水平。 北京仙岛新技术研究所和原煤炭部抚顺安全仪器厂，根据煤炭部的 要求，集多年研制系统经验，联合开发了“k j 6 6 煤矿安全生产监测系统”。 北京交通大学硕士学位论文 该系统不仅具有安全生产监测监控和分站就地断电功能，而且具有瓦斯 抽放、中心站异地分站控制、变值变态数据记录处理和网络功能。k j 6 6 地面系统包括多种网络显示设备。 目前，各大煤炭企业大多已经建立了局域网，且实现了通过互联网 的信息交换。但煤矿信息管理系统还不够完善，还没有达到煤矿内部的 完全信息化管理。目前各个煤矿监测监控系统主要是监测监控瓦斯、风 速、负压、一氧化碳、烟雾、温度、风门开关等环境参数，煤仓煤位、 水仓水位、压风机风压、箕斗计数、各种机电设备开停等生产参数，电 压、电流、功率、电度等电景参数，及胶带跑偏、胶带速度、轴承温度、 机头堆煤等各种机电设备的运行情况；汇接管理胶带输送机控制保护装 置和集中控制系统、轨道运输监控系统、电力监测系统、选煤厂集控系 统、水泵监控系统、火灾监测系统等，对人员的监测监控很不完善。有 些煤矿采用摄像头对井下员工进行数字监视，但此系统对人员的监控范 围有限，安全系数不高，对环境条件要求很高，而且造价很高，许多中 小煤矿很难实现煤矿数字视频安全监控系统的应用。煤矿井下普遍存在 着下井员工位置信息管理困难的问题，井上人员难以及时掌握井下人员 的动态分布及作业情况，一旦事故发生，对井下人员的抢救缺乏可靠信 息。为此，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、 实时、快速履行煤矿安全监测职能，保证抢险救灾、安全救护的高效运 作显得尤为重要和紧迫。本课题的研究填补了国内煤矿安全监测的一项 空白，不仅对矿业做出了贡献，而且拓宽了r f i d ( 射频识别技术) 的应 用领域。 1 3 矿用人员安全监控系统组成 北京交通大学硕士学位论文 关于煤矿安全的监控系统可以划分为煤矿环境安全监控、煤矿生产 安全监控、煤矿机车运输安全监控系统、人员安全监控系统四个方面。 环境安全监控中的关键设备是各类传感器，它们能否正常工作直接关系 到环境安全监控的有效性。而这类传感器尤其以瓦斯、一氧化碳、温度、 风速等传感器发展最为迅速。生产安全监控的一般基本含义是指对煤矿 各类生产设备进行监测控制。采煤机、刮板机、转载机、大巷皮带、通 风设备、提升设备的监控等均在该类监控之列。机车运输安全监控则主 要是针对井下大巷运输机车的运行安全进行腋控。这类机车主要分为架 线机车和电瓶机车两类。环境安全监控、煤矿生产安全监控、煤矿机车 运输安全监控系统已经发展的比较成熟。而人员安全监控系统是新兴起 来的监控系统，主要实现对井下人员的实时跟踪定位，采用射频自动识 别技术，对井下人员进行跟踪定位，在一定程度上能够保障人员生命安 全、减少国家财产的损失。 矿用人员安全监控系统可以分为井下网和地面网两部分。它包括： 井下分站( 阅读器和c a n 总线接口) 、天线、射频卡、c a n 适配器、数 据中心站服务器、监控计算机、u p s 电源、打印机、防雷设备等。 图1 i 矿用人员安全监控系统示意图 f i 9 1 1s k e t c hm a p0 f 仰1 0 r i n gs y s l 啪f o rc o a lm i n e rs e c u r 时 北京交通大学硕士学位论文 1 4 系统的设计思路 本课题主要针对煤矿事故，设计了对矿井人员的安全监控系统。对 矿井人员的管理规范化，在事故发生后尽快找到出事人员，保证抢险救 灾、安全救护的高效运作，使事故人员伤亡减至最低。本系统主要利用 射频技术、网络技术、分布式智能控制等先进的技术手段，实现对矿井 内人员所处位置的实时监测。 图1 2 井下分站分布示意图 f i 9 1 2s k e t c hm a p0 f d e r g r o u n d b s t a 曲nd i s t r j b u t i o n 矿用人员安全监控系统的井下分站分布示意图如图1 2 所示。井下 所有工作人员装备射频卡，可作为“坑道准入证”，卡内存有唯一的射频 卡号，与此卡号相对应的矿工的姓名、年龄、工种等信息存入数据库。 安全生产部门能够对此卡授权，包括：该员工有资格进入作业面的坑道， 卡失效、挂失等。井下工作人员经过监测点时，阅读器识别射频卡号， 监测分站将u i d 号和位置信息通过现场总线c a n 总线发送到数据中心站， 数据中心站的服务器负责将井下分站传输的数据信息进行处理，并自动 对数据库中的数据进行更新存储。监控计算机上安装有矿用人员安全监 控系统v 1 o 软件，通过网络访问服务器的数据库，在用户界面上实时显 北京交通大学硕士学位论文 示井下员工的位置信息，并可以通过大屏幕显示。另外，监控计算机连 接有打印机，打印所需的统计分析报表。 井 r g1 3s y s l e mn e l w o f ks m i c t u 陀 整个系统网络结构如图1 3 所示： ( 1 ) 从建网角度看，它是一个有一定规模的网络系统。矿井里的所 有监视器设备以及与监视器相联结的外围设备，通过数据总线最终接到 主机服务器上，主机服务器再和各客户端电脑连接起来，形成局域网， 充分实现整个系统的实时数据采集、加工、处理和存储功能。 ( 2 ) 从信息处理角度看，它是一个完整的矿用人员安全信息系统， 虽然全矿井的计算机分散在各个部门的不同位置，但是通过矿用人员安 全信息监控系统就可以查询某一个具体矿工实时所在具体矿井的具体位 置，同时也可以查询矿工的基本信息和矿茹的基本信息，从而为矿井部 门提供了一个有效管理矿工人员的方法。 ( 3 ) 从煤矿的生产管理角度看，它是一个为全矿井工人生产服务的 网络系统。通过网络数据的传输，煤矿矿井工人的信息和实时的位置可 北京交通大学硕士学位论文 以很迅速很方便地进行交换和查询，免去了用纸张报表记录信息的烦琐 工作。煤矿生产的领导或经营者作为网络用户可以从管理信息系统中及 时获得信息，为事故时迅速地制定决策提供第一手资料。 ( 4 ) 从系统的安全角度看，它是一个具有多级安全性的矿用安全监 控系统，不同权限的用户被授予不同的访问权限，同时不同的数据库用 户有不同的操作权限，有效的保护了数据的准确性和统一性。 1 5 系统的主要功能 ( 1 ) 实现远距离1 5 米的人员识别。 ( 2 ) 实时查询当前井下人员的位置信息及数量。 ( 3 ) 根据班次和下井、上井时间等，产生超时未归等报警信息。 1 6 系统的主要技术指标 ( 1 ) 阅读器识别范围：1 5 m ： ( 2 ) 系统容量：4 8 台井下监测分站； ( 3 ) c a n 总线通信波特率：5 k b p s ； ( 4 ) 可容纳射频卡数：6 5 5 3 5 个： ( 5 ) 通讯方式：c a n 总线； ( 6 ) 井下分站 交流输入电源：6 6 0 v 发射频率：1 3 5 6 删z 接收频率：1 3 5 6 删z + 4 2 3 7 5 k h z ( 副载波调制) 备用电池：2 小时 防爆型式：隔爆兼本质安全型 8 北京交通大学硕士学位论文 ( 7 ) 人员射频卡 发射频率：1 3 5 6 删z + 4 2 3 7 5 j ( h z ( 副载波调制) 接收频率：1 3 5 6 z 工作方式：间歇工作 防爆型式：本质安全型 ( 8 ) 阅读器到射频卡的传输速率：1 6 5k b p s ( 9 ) i 弼读器到射频卡的传输速率：6 6 2k b d s 1 7 主要工作任务 我的主要工作是完成矿用人员安全监控系统中井下分站的设计工 作，这部分的工作基于射频识别技术。工作内容主要包括射频识别系统 中阅读器的设计与实现，天线的设计，阅读器通过o n 总线与上位机的 通信部分的设计与编程以及o n 总线在矿井下的网络结构的设计。 北京交逶大学硕士学位论文 第二章射频识别技术概述 2 1 射频识别技术原理 2 1 1 射频识别技术简赍 射频识别技术( r f l 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 ) 是从上 世纪九十年代新兴起的一项自动识别技术。由于大规模集成电路技术的 成熟，射频识别系统的体积大大缩小，因而逐步进入实用化的阶段。它 利用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“1 。它 和同期或早期的接触式识别技术不同，r f i d 系统的射频卡和阅读器之间 不用接触就可完成识别，应用范围极其广泛。 典型的射频识别系统由射频卡、阅读器两部分组成。其中射频卡 的几个主要模块集成到一块芯片中，完成与阅读器通信，芯片上有内存 部分用来存储识别号码或其它数据，内存容量从几个比特到几十干比特。 同早期的识别技术相比，射频识别技术具有非接触、工作距离长、适于 恶劣环境、可识别运动目标等优点。 在多数r f i d 系统中，阅读器在一个区域内发射能量形成电磁场，其 区域大小取决于工作频率、天线尺寸和发射功率。射频卡与阅读器之间 通过耦合元件实现射频信号的空间( 无接触) 耦合、在耦合通道内，根 据时序关系，实现能量的传递，数据的交换。 射频卡经过这个区域时检测到阅读器发出的频率信号，就开始发送 储存的信息及数据。阅读器发送的信号通常提供时钟信号，相关指令及 射频卡所需的足够能量，其中的时钟信号使数据同步，简化了系统的设 北京交通大学硕士学位论文 计。阅读器接收到卡的数据后、解码并进行错误校验来决定数据的有效 性，然后将数据传送到计算机网络。 射频识别系统的基本模型如图2 1 ： 图2 1 射烦识别系统基本模型 n 9 2 1b a l m o d e l o f r f 2 1 2 耦合类型 发生在阅读器和射频卡之间的射频信号的耦合类型“有两种： 1 电感耦合：变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据 的是电磁感应定律。 2 电磁反向散射耦台：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目 标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典 型的工作频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k k 和1 3 5 6 m h z 。识别作用距离小于1 m 。 其中1 3 5 6 m h z 的工作频率既可以用于近距离射频识别，也可以用于远 距离的射频识别。本系统应用的是属于1 3 5 6 m h z 的工作频率的远距离 的射频识别，达到1 5 m 。 电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识 别系统。典型的工作频率有：4 3 3 m h z ，9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z 。 北京交通大学硕士学位论文 识别作用距离大于1 m ，典型作用距离为3 j o m 。 2 ，3 射频识别技术的分类 根据不同的划分方式，r f i d 技术可以进行不同的分类。我们可以 根据系统的工作频率、射频卡有无电源供电的不同来对不同的r f i d 技术 进行区分。 根据工作频率的不同可分为高频、中频及低频系统。低频系统一般 工作在l o o - 5 0 0 k h z ；中频系统工作在1 0 1 5 删z 左右；而高频系统则工 作在8 5 0 一9 5 0 姗z ，以及2 ，4 5 g h z ，5 8 g h z 的微波频段。 根据电源供电方式，射频卡可分为无源电磁感应式和有源微波遥控 式两种。有源射频卡使用卡内的电池的能量、识别距离较长，可达几米， 允许卡的操作距离较远，适合高速运动的汽车通过收费站，是e t c 系统 发展的方向，但是它的寿命有限并且价格较高：无源电磁感应式射频卡 不含有电池，利用耦合的阅读器发射的电磁场能量作为自己的能量，卡 内l e 谐振回路接收脉冲经整流给电容充电，电容电压经稳压后作为工作 电压。它的重量轻、体积小，寿命可以非常长、很便宜，但由于卡面限 制，天线尺寸有限，射频信号不强，因此其工作距离不太远。 2 ，4 射频识别技术的通信及物理基础 1 基带数据编码 射频识别系统中，基带数据编码可以采用不同的编码方式表示“o ”、 “1 ”。常用的编码方式有：n r z ( 反向不归零编码) ，m a n c h e s t e r ( 曼彻斯 特编码) ，r z ( 单极性归零码) ，d b p 差动双向编码，m i l e r 码。其中 m a n c h e s t e r 码应用最广泛，因为它通过在一个码元时间段内上升和下降 表示逻辑“o ”、“l ”，若码元内没有电平的跳跃，则被认为是错误码元， 这样可以按位查询是否发生了碰撞，从而用于实现阅读器对多卡操作时 北京交通大学硕士学位论文 的防碰撞。 2 数字调制技术 射频识别系统中，能量和信息通过天线以电磁波的形式发射到空间 每一点，用基带信号通过改变电磁波( 载波) 的三个参数功率( 幅度) 、 相位、频率之一，就可以将基带信号传输到空间中任一点，这就是数字 调制技术。同时，接收端从接收到的电磁波的功率、相位、频率就可以 还原数据，即解调。射频识别技术中采用的方法有：幅移键控( a s k ) ， 频移键控( f s k ) ，相移键控( p s k ) 阱。对每一种调制方法，都会形成与 载波对称的调制产物，即边带。边带可区分为上边带和下边带。边带的 振幅和频谱都受到基带中的编码信号的频谱以及调制方式的影响。在本 系统中射频卡到阅读器的数据传输采用副载波调制技术。 对射频识别系统来说，用副载波的调制技术主要应用在频率范围在 6 7 8 删z ，1 3 5 6 删z 或2 7 1 2 5 删z 的电感耦合系统中，而且是从射频卡到 阅读器的数据传输。其实现的方法是：用基带编码的数据信息首先调制 低速率的副载波，可以选择a s k ，f s k 或者p s k 。副载波是通过对最高载 频分频得到的。如对1 3 5 6 z 的系统，采用的副载波可以是8 4 7 k h z ， 4 2 4 k h z 或2 1 2 k h z 。 为什么会采用副载波调制技术? 我们来分析一下副载波的频谱：副 载波调制后，在最高载频f 两边产生f ( 副载波频率) 之处产生两条谱 线，基带数据信息随着基带编码的数据流对副载波的调制被分散到两个 副载波谱线中。通过这种频谱搬移，阅读器可以选用两个副载波调制信 号的任意一个滤波解调，选用f + f 或者f - f 都无所谓，因为两个边带中 都包含了所需信息，这就体现了副载波调制的优点。 3 电磁理论基础 北京交通大学硕士学位论文 由于载波( 1 3 5 6 z ) 波长( 2 2 m ) 远大于其工作距离( o 一1 5 0 c m ) ， 我们所开发的系统可归为电磁耦合型的射频识别系统。为了使系统性能 得到优化，必须理解r f i d 的电磁理论基础。 r 2 、 r l 图2 2 天线电磁耦合示意图 f i 9 2 2 e k c l m m a 即e t i c c o u p h n g o f t h e a n t e 加a 导体回路l l 中随时间变化的电流f 。o ) 随着时间变化的磁通d 妒( f ) ， 根据电磁感应定律在l l 和l 2 中感应出电压。l l ，l 2 分别代表阅读器和 射频卡的天线。肼，彤分别代表两者的内阻。 当阅读器发射模块电流( f ) 流经发射天线时，将在距离天线一面外 的位置上产生磁场强度为占( 单位特斯拉，t ) 的电磁辐射。这等效于在 射频卡与阅读器的天线间存在一互感肛并由此在射频卡上感应出感应 电动势玑 我们可以这样估算磁场的强度 硒。+ a 芋 ( 2 ) 肚v 菇舞_ 泣z ， 屉阅读器的天线半径 北京交通大学硕士学位论文 ，：阅读器天线的圈数 ，。：阅读器天线的电流 在天线轴心，如果x ) ) 尼距离轴心中心点z ( 米) 外的磁场强度为( 绝 对值) ： 口。三( 2 3 ) 上。 由此看出，在距离z 远大于天线半径厅的情况下，磁场强度将会以 三次方的速度递减。 射频卡与阅读器之间的互感m 的估算： 肼。翌些：半 ( 2 4 ) j 1 ，l p 扣一。 新+ 阿 k j ：j 等 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 北京交通大学硕士学位论文 q 1 ：阅读器天线品质因数 工，：阅读器天线等效电感 二：射频卡天线线圈等效电感 r z ：射频卡a s i c 电流损耗和天线线圈损耗 2 2c r c 校验 使用r f 技术传输数据时，很容易受到外界干扰，使传输数据发生改 变导致错误。校验和纠错是用以识别并以一定的措施进行校正处理的办 法。本文中使用的校验法是c r c 。 c r c 校验”1 原来用于磁盘驱动器，即使数据量很大也能可靠地校验。 这种方法同样也适用于有线传输或无线通信技术中识别错误。c r c 校验 只能识别错误但不能校正错误，它的优点是识别错误可靠性高，只需要 少量的操作就可以识别。1 6 位的c r c 能够适用于4 k 字节长的数据完整 性校验。下面来具体的讨论c r c 校验原理及其实现。 c r c 校验是在一个p 位二进制数据序列d 后附加一个r 位二进制检 验码序列r ，从而构成一个长为n = p + r 位的二进制序列m 。附加的数据序 列r 就称为校验码，它根据c r c 的算法和数据序列有着特定的关系，如 果因干扰使数据在传输中的某一位或某些位发生错误，这种特定的关系 就会被破坏，因此通过检查这种特定关系，就可以实现对数据正确性的 检验。 校验码r 是对数据序列d 进行二进制模二除法取余式得到的，它除 以一个称为生成多项式的( r + 1 ) 位二进制序列g = g ，毋一。占。g 。 ，用多 项式表示为： 北京交通大学硕士学位论文 鬻一q + 器g g o ) ( 2 7 ) 其中，x d 0 ) 表示将数据序列d 左移r 位( 即在d 的末尾增加r 个o 位) ，q 0 ) 代表这一除法所得的商，r 0 ) 为余式。 而进行校验的过程则是对序列m 直接进行除法取余计算： 等删+ 器 ( 2 8 ) 得到的余式r o ) 为o 表示数据正确，否则认为数据发生错误。 m c u 处理数据一般是以字节形式进行的，所以在r f i d 系统中以字节 为单位进行运算。这里将把用字节构成二进制序列称为“字节序列”，显 然m c u 的数据序列、检验码以及他们组成的序列m 都是字节序列。所以 在r f i d 系统中要解决的问题就是如何对多字节序列进行除法取余运算。 首先设一个i 个字节肼- 、m 2 、m 、“构成8 术i 位二进制序列， 并用字节形式来表示它为m 一 m ，m ：埘“州z ，然后再截取m t 的前 ( i 1 ) 个字节构成m m 序列，m “= “，m z m “ ，这两个序列的关系可 以用多项式肘- o ) = 工8 m “o ) + r 0 ) ，其中o ) 是字节的二进制多 项式表示形式，而z 8m “0 ) 表示将肘“序列左移一个字节。 对于m “序列， 锵哏。”等 ( 2 9 ) 其中，二进制余式序列曩一t = t 。f “ ， 表示高位字节序列，f 表示 北京交通大学硕士学位论文 低位字节序列。 而对于m ；序列来说可得： 等啪) + 垫等盟 ( 2 1 0 ) 结果前一项x 8 q 一，g ) 是整数，与余式无关，因此对m ；o ) 的取余运 算可以表示为 删娟e 帮e 【垫蒜业l 式中r e 表示取余运算。下面以c r p l 6 来说明运用三字节算法， 如表2 1 。 如果要实现简单侠捷，可以使用查表法，及预先把多字节可能产生 的余式计算出来，组成一个余式表，直接查表面不进行二进制的除法。 但是表格很大会占用较大的存储空间，所以运用时要综合考虑。 2 3 国际标准l s 0 i e c1 5 6 9 3 一疏耦合i c 卡( v i c c ) 国际标准i s o l e c1 5 6 9 3 “。5 6 3 以“识别卡非接触的集成电路卡一 一疏耦合卡”为标题说明非接触v i c c ( v i c i n i t yc a r d ) 卡的作用原理和 工作参数。 下面介绍i s 0 i e c1 5 6 9 3 标准的协议部分，包括： 协议和命令； 初始化v i c c 和v c d 之间通信所必需的参数； 防碰撞( 对多张卡中的每一张卡的检测和通信方法) 1 8 北京交通大学硬士学位论文 表2 1 三字节c r c 算法步骤 岫m呐鸭 性鸭mj ，l l d埔t脚n l d l 1 3 】 2 f 3厶 托】 3 i h 】 2 【k l“吗l i 晦五 j f bk”气柏】 k 】 【 “k州- 】 k l 【h丘”m 】 k 【 m，i n ”】 e l d j 2 3 1 协议 1 请求格式： 请求包含下列域： 标志 命令代码 参数和数据域 c r c 图2 3 通用请求格式 f i 9 2 3g e n e r a lr e 掣e s tf 0 册a t 1 9 北京交通大学硕士学位论文 2 响应格式： 响应包含下列域： 标志 一个或多个参数域 数据 c r c 圉2 4 通用响应格式 f i 醇4g 朗e m lr e s p o n 辩f 0 珊a t 3 v i c c 状态： v i c c 可能是下面四种状态中的一种； p o w e r o f f r e a d y q u i e t s e l e c t e d 这些状态之闻的转换详见图2 5 。所有符合此标准的卡都强制支持 p o w e r - o f f ，r e a d y ，q u i e t 三种模式。s e l e c t e d 状态时可选择状态。 p o w e r o f f 状态 当v i c c 不被v c d 激活时，v i c c 处于p o w e r - o f f 状态。 r e a d y 当v i c c 被v c d 激活时，v i c c 处于r e a d y 状态。在此状态时，v i c c 处理应处理任何不带s e l e c t 标志的请求。 o u i e t 当在安静模式下，v i c c 应该处理任何没有i n v e n t o r y 标志的而带 北京交通大学硬士学位论文 d d r e s s 标志的请求。 s e l e c t e d 仅当v i c c 在此状态下会处理带s e