（信号与信息处理专业论文）基于wince的射频信息识别系统.pdf

摘要 本课题为横向课题，是天津理工大学与郑州兆科电子集团公司联合开发的项目，基 于w i n c e 的射频信息识别系统。传统的条码技术由于恶劣环境、条码污损等限制带来 了识别难，甚至不能识别的难题。射频识别技术通过射频信号自动识别目标对象并获取 相关数据信息，可以解决很多传统识别技术的缺陷，替代条形码。而且由于射频标签的 信息存储量大，克服了条码技术信息容量小的问题。 本文详细介绍了采用w i n c e 操作系统为上位机信息处理平台、采用单片机和射频 模块为射频信息识别终端的总体结构和软件设计。本文重点在于上位机程序设计和射频 识别终端的程序设计。关键技术是利用软件模拟s p i 数据总线的方式，实现对射频模块 的命令控制和数据传输功能，克服了四线制硬件s p i 总线控制器与三线制s p i 外围模块 不兼容的问题。论文的主要研究内容如下： l 、对射频信息识别系统( r f i d ) 的国内外发展现状进行研究，通过对( 1 3 5 k h z 以下、 1 3 5 6 m h z 、9 0 2m h z ( u h f ) 、2 4 5 g h z 等) 不同频段r f i d 系统分析，选择1 3 5 6 m h z 频段的r f i d 系统。 2 、基于w i n c e 的射频信息识别系统总体设计，包括射频识别终端和信息处理上 位机。 射频信息识别终端由m c u 控制单元、射频识别模块和相关硬件资源构成。以m c u 控制单元为核心，根据系统要求详细分析和设计射频读卡模块的数据传输接口规范、数 据传输协议、m c u 对射频模块的控制方案和软件s p i 数据传输方案。 信息处理上位机由硬件丌发平台、b o o t l o a d e r 系统和w i n c e 操作系统构成。 以w i n c e 操作系统为核心，根据系统信息处理的要求，分析该上位机平台的软硬件系 统，设计终端与上位机信息传输的方案。 3 、射频信息识别系统软件设计，包括读卡终端程序和系统上位机程序两个部分。 读卡终端程序实现对射频模块的寻卡、防碰撞、选卡、密码验证和读卡操作等功能。 根据软件系统的要求，以对射频模块控制功能为核心，设计命令控制公共调用程序、软 件s p i 数据发送和数据接收程序，完成对射频模块的控制和数据传输。 上位机程序实现从读卡终端的数据接收、校验和解析等功能。根据软件系统对数据 处理的要求，以对数据接收和处理功能为核心，设计上位机操作界面、串口数据接收、 显示和数据报文解析处理的多线程程序，完成系统对信息数据处理的功能。 项目的成功完成，解决了原有光学条码识别系统的易破损，赃污、数据存储容量小、 信息保密性差等问题。 关键词：射频识别w i n c e 操作系统软件模拟s p i 总线多线程 a b s t r a c t t h ep r o j e c ti st h ej o i n td e v e l o p m e n tp r o j e c to ft i a n j i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y a n dz h a o k ee l e c t r o n i c sc o r p o r a t i o n t h e r a d i o f r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n i n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nw i n c e d u et oa d v e r s ec i r c u m s t a n c e s ，b a rc o d ed e f a c e d t h e c o n s t r a i n t sb r o u g h ta b o u tt h ep r o b l e mt h a ti sn o ti d e n t i f y i 讧i di sa na u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g i e si n t h ef i e l do fi d e n t i f i c a t i o n i tc a ns o l v em a n ys h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a l r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y a n dr e p l a c eb a rc o d e s a sl a r g ei n f o r m a t i o ns t o r a g eo ft h e r a d i o f r e q u e n c yt a g s 1 玎i dt e c h n o l o g yo v e r c o m et h eb a rc o d e ss m a l lc a p a c i t yo f i n f o r m a t i o n t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e mi n c l u d e i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp l a t f o r mb a s eo nw i n c eo p e r a t i n gs y s t e ma n dr 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 nt e r m i n a lt h a tc o n s i s to fm c ua n dr a d i of r e q u e n c ym o d u l e s t h i sa r t i c l e f o c u s e so nh o s tc o m p u t e rp r o g r a ma n dr f i dt e r m i n a lp r o g r a m t h ek e yt e c h n o l o g yi st h e s o f t w a r es i m u l a t i o ns p id a t ab u sa p p r o a c h ，r e a l i z ec o m m a n da n dd a t at r a n s m i s s i o nf u n c t i o n s o ft h er f i dm o d u l e t h ea p p r o a c ho v e r c o m ei n c o m p a t i b i l i t yo ff o u r - w i r es p ib u sc o n t r o l l e r a n dt h r e e w i r es p im o d u l e t h em a i no f t h es t u d ya r ea sf o l l o w s ： 1 t h i sr e s e a r c hs t u d yt h ei 讧i ds y s t e mo fi n t e m a la n da b r o a d ，a n a l y z et h ea p p l i c a t i o no f d i f f e r e n tb a n dr f i ds y s t e m ( 1 3 5 k h zb e l o w ，1 3 5 6 m h z ，9 0 2m h z ( u h f ) ，2 4 5 g h z ) f i n a l l y t h es y s t e ma d o p t e d13 5 6 m h zr f i ds y s t e m s 2 t h eo v e r a l ld e s i g no fi u i ds y s t e mb a s e do nw i n c ei n c l u d er 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 nt e r m i n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp c t h ec o r ei sm c u a c c o r d i n gt os y s t e m r e q u i r e m e n t s ，t h ed e t a i l e dp r o g r a mo fa n a l y s i sa n dd e s i g ni n c l u d ed a t ai n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n o fi 江i dm o d u l e ，d a t ap r o t o c o l ，p r o g r a mo fr f i dm o d u l ec o n t r o l e db ym c ua n ds o f t w a r e p r o g r a mo fs p i t r a n s m i s s i o n i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp ci n c l u d eh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m 、b o o t l o a d e ra n d w i n c eo p e r a t i n gs y s t e m t h ec o r ei sw i n c e a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fi n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gs y s t e m s t h ep r o g r a mo fa n a l y s i sa n dd e s i g n i n c l u d eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e m 、i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o no ft e r m i n a la n dh o s t 3 t h es o f t w a r ed e s i g no fr f i di n c l u d et h et e r m i n a lp r o c e d u r ea n dp r o g r a mo f i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g t h ep r o g r a mo fc a r dr e a d e rt e r m i n a la c h i e v ef u n c t i o no f r e q u e s t 、s e l e c t 、a n t i - c o l l i s i o n 、 p a s s w o r da u t h e n t i c a t i o na n d r e a d a c c o r d a n c et or e q u i r e m e n to fs o f t w a r es y s t e m t h ec o r ei st h ec o n t r o lo fr f i d m o d u l e p r o g r a md e s i g ni n c l u d ep r o c e d u r eo fp u b l i cc a l l 、s o f t w a r e s p is e n da n dr e c e i v e p r o c e d u r e t h e yc o m p l e t ei 心i dm o d u l ec o n t r o la n dd a t at r a n s m i s s i o n t h ep r o g r a mo fi n f o r m a t i o np r o c e s sh o s ta c h i e v ef u n c t i o no fd a t ar e c e i v i n g ，c h e c k i n g a n da n a l y s i s a c c o r d a n c et or e q u i r e m e n to fd a t ap r o c e s s ，t h ec o r ei st h ep r o c e s so fd a t a r e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n g p r o g r a md e s i g ni n c l u d em u l t i t h r e a d e dp r o c e d u r eo fs e r i a l d a t a r e c e p t i o n 、d i s p l a ya n da n a l y s i so fd a t a 、o p e r a t o ri n t e r f a c e 1 1 1 es u c c e s s f u lc o m p l e t i o no ft h ep r o j e c ts o l v et h ep r o b l e mo fd a m a g e 、s e w a g e 、s m a l l d a t ac a p a c i t y 、p o o rs e c u r i t yo ft h eo p t i c a lb a rc o d e k e yw o r d s ：r f i d ，w 烈c eo p e r a t i o ns y s t e m ，s o f t w a r es p i ，m u l t i p l et h r e a d s 独创性声明 本入声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 乍和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨兰盘兰或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：秀l 窆7 天 s a - - - 字瑶期：2 哆矿夕年莎月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡墨盘璺 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：毫了髦7 乏导师签名： 签字日期：? 口口夕年2 月哆日签字尉期：碲月夕日 第一章绪论 1 1 射频识别技术 第一章绪论 射频识别( 简称r f i d ) 技术是9 0 年代兴起的自动识别技术。它是一项利用射频信号 通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别 目的技术。 r f i d 标签与读写器之间进行无线通信频段的国际标准达5 种之多，分别是1 3 5 k h z 以下、1 3 5 6 m h z 、8 6 0m h z 9 1 1m h z ( u h f ) 、2 4 5 g h z 以及5 8 g h z 。五种各具特色也 都有缺陷，前两种使用最广，但通信速度较慢，传输距离也不够长。而后三种频段高， 耗电量也大。目前r f i d 存在两个技术标准阵营，一个是欧美的e p c 标准，其r f i d 采 用的是u h f 频段，如9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ，侧重于远距离识别系统、不停车收费系统等； 另一个是日本的u i d 标准，采用的频段为2 4 5 g h z 和1 3 5 6 m h z ，可用于库存管理、信 息发送与接收以及产品和零部件的跟踪管理等。本课题研究的内容为1 3 5 6 m h z 射频识 别系统，其非常适合用于仓储物流与供应管理等应用i l 2 j 。 射频识别系统从狭义的角度说，由两个部分组成，即电子标签和读写器。广义的射 频识别系统还应该包括实际应用中后台软硬件，甚至包括所构建的数据传输网络。本文 的研究对象是整个r f i d 信息管理系统的终端，基于w i n c e 的射频信息识别系统。在 实际的应用中，电子标签( 射频i c 卡) 附着在待识别的物品上，当附着有电子标签的 待识别物品通过射频识别系统可识读范围时，系统中的读写器会以无接触的方式自动将 电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或者自动收集物品标识信息的 功能。电子标签是射频识别系统真正的数据载体，读写器是射频识别系统实现的基础保 证。 射频识别技术与传统的识别技术有很大的区别，它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，识别工作几乎无需人工干预， 可工作于各种恶劣环境。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以解决 很多传统识别技术的缺陷，可以替代条形码1 3 。5 j 。正是由于射频识别技术的这些独特的 优势，它正逐渐的被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。 另外随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，应用射频识别技术的产 品成本将不断降低，其应用将越来越广泛。 由于射频标签的读取依靠辐射电磁场而不是依靠可见光，这就克服了条码技术由于 恶劣天气环境、条码污损等限制带来的识别难，甚至不能识别的问题。从而实现自动读 取数据的目的。而且由于一些射频读写器可以实现一定距离的数据读写，所以不用近距 离接触，甚至阅读距离可以长达近百米，而且电子标签可以粘附在任何动态目标上，只 要运动速度在读写器识别速度限制之内，就可以远距离读取运动物品标签上的信息【6 7 1 。 第一章绪论 1 2 课题的来源 信息时代离不开数据处理，对数据进行各种处理的前提是需要对数据进行录入，纸 带记录可以说是最原始的数据录入方式了，慢慢发展到键盘、手写板、条码光学录入等。 从实际的角度来说，数据一般都是某一对象相关信息的集合，是某一对象的代表。有没 有一种方法在最小化人工干预的情况下自动获得目标对象的相关信息呢? 可以，这就是 自动识别技术。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，在其识别工作中极大降低人工干预的成分。作为条形码 的无线版本，r f i d 技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读 取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。而且 r f i d 技术还可以支持高速运动的标签识别及同时识别多个标签，其应用将给零售。物 流等产业带来革命性变化。 本课题来源于郑州兆科电子集团公司的“基于r f i d 自动化仓储系统”项目。近年 来，随着r f i d 技术在国内的逐步推广应用，许多大型企业已经把目光转向r f i d 应用 上来。对于这些大型的企业来说，仓储物流的自动化信息化决定了一个企业的生产和管 理效率，而基于r f i d 技术的应用开发为仓储物流的自动化信息化提供了强大的支持， 对于基于r f i d 自动化仓储系统来说，需要一款便携式r f i d 信息识别器平台。它是整 个系统的一个至关重要的组成部分，而构建这样一个平台需要熟悉r f i d 原理、嵌入式 硬件和嵌入式操作系统等方面的知识。所以本项目的就是构建一个基于w 烈c e 操作系 统的射频( r f i d ) 信息识别系统，克服原有光学条码易破损，赃污等缺陷。并且使其在 软硬件接口上具有一定程度的兼容扩展性，使此系统的其他开发者只关注与其业务相关 的软硬件开发。 1 3r fld 的国内外发展现状 早在1 9 4 8 年，哈里斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯便提出了r f i d 这个 概念，此构想来源于当时对雷达与射频的研究。然而直到3 0 年后，由于集成电路、微 处理器的发展以及市场的需要，r f i d 技术才正式被研究与发展起来。 在5 0 年代，一些科学先驱关于r f i d 技术的研究成果和技术文章陆续发表了。到了 6 0 年代，r f i d 技术的理论得到了一定的发展，科学家们便开始了一些应用的尝试。 到了7 0 年代，该技术得到了大量研究者、发明家以及科学研究院的重视。r f i d 技 术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测试得到加速。出现了一些最早的 r f i d 应用们。 8 0 年代，r f i d 技术在很多领域得到了应用。在欧洲，动物追踪系统得到非常广泛 的应用。在意大利、法国、西班牙、葡萄牙和挪威这些国家里，一些路道收费站安装了 r f i d 系统。 9 0 年代初，电子收费站在美国已经得到广泛的应用。1 9 9 1 年，在俄克拉荷马州的 高速公路上开通了电子收费站，车辆通过时无需减速，r f i d 系统可进行自动收费。后 第一章绪论 来，r f i d 在收费站以及铁路上的应用相继出现在很多个国家中，如阿根廷、澳大利亚、 巴西、加拿大、中国、日本、马来西亚、墨西哥、纽西兰、韩国、南非、新加坡以及泰 国【1 1 13 1 。 随后，r f i d 的技术迅速地发展起来，伴随芯片向集成化和小型化发展，r f i d 标签 缩小成单片集成电路。r f i d 技术标准化问题同趋得到重视，r f i d 产品得到广泛采用， r f i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 r f i d 技术在国外的发展较早也较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、 日本、南非目前均有较为成熟且先进的r f i d 系统。其中，低频近距离r f i d 系统主要 集中在1 2 5 k h z 系统；高频远距离r f i d 系统主要集中1 3 5 6 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、 5 8 g h z 。北美指定使用9 1 5 m h z 为r f i d 频段；欧盟除明确4 3 0 - - - 4 3 4 7 9 m h z 频段为专 用r f i d 系统使用外，要求使用8 6 8 m h z 频段，日本使用u i d 标准，采用的频段为 9 5 0 9 5 6 m h z 和1 3 5 6 m h z 的r f i d 系统。r f i d 还未形成统一的全球化标准，市场为多 种标准并存的局面，但随着r f i d 在全球物流行业大规模应用的开始，r f i d 标准的统 一已经得到业界的广泛认同。r f i d 技术在国外的应用更是十分广泛，其应用范畴大致 可分为四类：商品电子防盗系统e a s ( e l e c t r o n i ca r t i c l es u r v e i l l a n c e ) 、移动数据采集 ( p o r t a b l ed a t ac a p t u r e ) 、网络系统( n e t w o r k e ds y s t e m s ) 、定位系统( p o s i t i o n i n gs y s t e m s ) 。 1 商品电子防盗系统 商品电子防盗系统已经不是一个陌生的名词了，现在的各大超市和零售店中都可以 看到。早期的e a s 主要应用于防止贵重物品被盗，将射频电子标签附在贵重商品上， 读卡器定时监测该物品是否在商店内，一旦监测到物品在射频电子标签未被取消监测之 前离开了商店，便会发出警钟。而现在，e a s 已经广泛的应用在各种个样的商品中。 2 移动数据采集 比如说，在一种移动设备上安装感应器，可感应周围环境的温度、湿度、亮度或某 种移动速度，这些数据均会自动存储在附在装置上的射频电子标签上，数据可由读卡器 读取。 3 网络系统 此系统使用的是固定读卡器，可对移动的目标进行跟踪，通常直接跟企业系统连接， 是一种典型的目录管理技术。 4 定位系统 可对目标进行定位，可提供导航作用。目标可为各种各样的物体，如汽车、动物， 还有人类等等。具体的应用有：动物身份标记、高速公路自动收费、动物的饲养、商品 监控系统、有毒废弃药品的管理、门禁管理、邮件包裹追踪、物品出入库记录、航空行 李管理、生产过程监控、药物防伪标志、电子护照、车辆防盗系统等等。 我国在r f i d 技术的研究方面也发展很快，我国政府在1 9 9 3 年制定的金卡工程实施 计划及全国范围的金融卡网络系统的l o 年规划，使一个旨在加速推动我国国民经济信 息化进程的重大国家级工程，由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅型1 4 j6 l 。 近几年由亚太r f i d 技术协会秘书长周文豪博士、清华大学的缨立新博导等学者对 r f i d 在我国的企业生产过程监控管理、商品证件防伪、安全门禁管理、产品追踪溯源 第一章绪论 等方面进行了深入的研究，并获得重大成果；南京大学博导徐家凯教授也对r f i d 在智 能交通网络管理系统的研究上取得重大成果；上海同济大学博士生导师黄立平教授联合 上海农业信息有限公司将r f i d 技术应用于农业标准化和农产品安全监控平台；江苏省 农业科学院农业资源与环境研究所的陆昌华研究员和中国农业大学水利与土木工程学 院的谢菊芳教授对工厂化农牧产品安全生产全程信息跟踪进行了研究；济南大学副校长 杨波、建筑大学于承新教授、山东标准化研究院钱恒副院长进行了物流配送通用g p s 通信监控系统研究；华中科技大学教授，博士生导师熊有伦研发了自主知识产权的无线 射频电子标签( r f i d ) 全自动封装生产线原型样机；华中科技大学控制科学与工程系主 任、教授、博士生导师王红卫进行了基于多通信平台的r f i d 中间件技术的研究与开发。 现在，r f i d 技术作为一种新兴的自动识别技术，也将在中国很快地普及，可以说， 我国射频识别产品的市场是十分巨大的。在r f i d 技术研究及产品开发方面，国内已具 有了自主开发低频、高频与微波r f i d 电子标签与读卡器的技术能力及系统集成能力。 但与国外r f i d 先进技术之间的差距主要体现在r f i d 芯片技术方面。尽管如此，在r f i d 芯片设计及开发方面，国内已有多个成功的低频r f i d 系统芯片面市。目前，在我国射 频识别技术主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面1 1 7 以引。 1 4 本文的主要研究工作 本文详细介绍了采用w i n c e 操作系统为上位机信息处理平台、采用单片机和射频 模块为射频信息识别终端的总体结构和软件设计。利用p 8 9 c 5 2 x 2 单片机优越的控制能 力及软件的灵活性，实现了软件模拟s p i 数据总线对射频模块的命令控制和数据读写功 能。设计运行于w 烈c e 上位机软硬件平台的应用软件，实现对射频信息识别终端所提 供数据的各种处理功能。本文重点在于上位机程序设计和射频识别终端的程序设计。关 键技术是利用软件模拟s p i 数据总线的方式，实现对射频模块的命令控制和数据传输功 能，克服了四线制硬件s p i 总线控制器与三线制s p i 外围模块不兼容的问题。论文的主 要研究工作如下： 1 从总体上分析r f i d 技术、本课题的来源和研究目的，研究r f i d 技术的国内外 发展现状。分析了( 1 3 5 k h z 以下、1 3 5 6 m h z 、9 0 2m h z ( u h f ) 、2 4 5 g h z 等) 不同频 段r f i d 系统的应用，并决定使用1 3 5 6 m h z 频段的r f i d 系统。重点介绍本文的主要 研究工作。研究r f i d 系统的组成、其组成部分( 读卡终端、电子标签、r f i d 中间件、 r f i d 应用系统软件) 的概念、功能及工作原理。最后详细分析本设计方案1 3 5 6 m h z 频段r f i d 系统所采用的电感耦合工作方式的原理。 2 射频信息识别系统的设计，包括射频信息识别终端和信息处理上位机。 搭建由m c u 控制单元、射频识别模块和相关硬件资源构成的射频信息识别终端系 统。以m c u 控制单元为核心，根据系统要求详细分析和设计射频读卡模块的数据传输 接口规范、数据传输协议、m c u 对射频模块的控制方案和软件模拟s p i 方案。 信息处理上位机由硬件开发平台、b o o t l o a d e r 系统和w i n c e 操作系统构成。 以w i n c e 操作系统为核心，根据系统信息处理的要求，分析该上位机平台的软硬件系 第一章绪论 统，确定终端与上位机信息传输的方案。 3 射频信息识别系统读卡终端程序设计和上位机程序设计 编写读卡终端程序实现对射频模块的寻卡、防碰撞、选卡、密码验证和读卡操作等 功能。根据软件系统的要求，以对射频模块控制功能为核心，设计命令控制公共调用程 序体、软件s p i 数据发送程序和软件s p i 数据接收程序，完成对射频模块的控制和数据 传输。 编写上位机程序实现从读卡终端的数据接收、校验和解析等功能。根据软件系统对 数据处理的要求，以对数据接收和处理功能为核心，设计上位机操作界面、串口数据接 收、显示和数据报文解析处理的多线程程序，完成系统对信息数据处理的功能。 4 详细总结系统的设计、系统的目的和意义，对未来系统的设计提出了一些改进的 方法。 第二章r f i d 系统组成、工作原理 第二章r fld 系统组成、工作原理 本章主要介绍r f i d 系统的组成及工作原理。对r f i d 系统的基本构成、各组成部 件的概念与工作原理进行了详细分析，并对电感耦合工作方式的r f i d 系统原理进行分 析。 2 1r fld 系统组成 图2 1 是r f i d 系统体系结构图，主要由读卡终端、电子标签、r f i d 中间件和应用 系统软件四部分构成。 i r 1 餐蠡圈 柏：麓l 勾i 电子标籀l 筐天线i嚣 l 霸瞄豳圈翅蕊瞳 图2 - 1r f i d 系统体系结构图 1 读卡终端 读卡终端( r e a d e r ) 又称读头、读写器等，它在r f i d 系统中扮演着重要的角色，读卡 终端主要负责与电子标签的双向通信，同时接受来自于主机系统的控制指令。读卡终端 的频率决定了r f i d 系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距离。 读卡终端根据使用的结构和技术不同可以是只读或读写装置，是r f i d 系统信息控 制和处理中心。读卡终端通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分组成，其内部结 构如图2 2 所示。 射频接口模块具有以下主要任务： 产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量； 对发射信号进行调制，用于将数据传输给电子标签； 接收并调制来自电子标签的射频信号。 在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别用于来往于电子标签与读卡终端两个 方向的数据传输。传送往电子标签的数据通过发射器分支通道，而来自于电子标签的数 据则通过接收器分支通道接收【2 0 之2 1 。 逻辑控制单元也称为读写模块，其具有以下主要任务： 与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送来的指令； 第二章r f i d 系统组成、工作原理 控制与电子标签的通信过程； 信号的编码与解码； 对读卡终端和标签之间传输的数据进行加密和解密； 执行防冲突算法； 对读卡终端和标签之间的身份进行验证。 图2 - 2 读卡终端内部结构 天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波的 装置。在r f i d 系统中读卡终端必须要通过天线来发射能量，形成电磁场，通过电磁场 来对电子标签进行识别，所以可以说读卡终端上的天线所形成的电磁场范围就是读卡终 端的可读区域2 3 之5 1 。 2 电子标签 电子标签( e l e c t r o n i ct a g ) 也称作智能标签( s m a r tl a b e l ) ，电子标签是指由i c 芯片和 无线通信天线组成的超微型的小标签，其内置的射频天线用于和读卡终端进行通信。系 统工作时，读卡终端发出查询( 能量) 信号，电子标签( 无源) 收到查询( 能量) 信号 后将其一部分整流为直流电源供电子标签内的电路工作，另一部分能量信号被电子标签 内保存的数据信息调制后反射回读卡终端。电子标签是射频识别系统真正的数据载体， 根据其的应用场合不同表现为不同的应用形态，如在动物跟踪和追踪领域中称为动物标 签或动物追踪标签、电子狗牌；在不停车收费或车辆出入管理等车辆自动识别领域中称 为车辆远距离i c 卡、车辆远距离射频卡或电子牌照；在访问控制领域中称为门禁卡或 一卡通。电子标签的内部结构如图2 3 所示。 其内部各模块功能如下所述： 天线：用来接收由读卡终端送过来的信号，并把所要求的数据送回给读卡终端； 电压调节器：把由标签读卡终端送过来的射频信号转换成d c 电源，并经大电容 储存能量，再经稳压电路以提供稳定的电源； 调制器：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给读卡终 端； 解调器：把载波去除以取出真正的调制信号； 第二章r f i d 系统组成、工作原理 逻辑控制单元：用来译码读卡终端所送过来的信号，并依其要求回送数据给读卡 终端； 存储单元：包括e e p r o m 与r o m ，做为系统运行及存放识别数据的位置。 芯片 图2 - 3 电子标签内部结构 3 r f i d 中间件 中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的 技术之间共享资源，中间件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通 f 耋 i 口o r f i d 中间件扮演电子标签和应用程序之间的中介角色( 如图2 4 ) ，从应用程序端 使用中间件所提供的一组通用的应用程序接v i ( a p i ) ，即能连到r f i d 读卡终端，读取电 子标签数据。这样一来，即使存储电子标签信息的数据库软件或后端应用程序增加或改 由其他软件取代，或者r f i d 读卡终端种类增加等情况发生时，应用端不需修改也能处 理，解决了多对多连接的维护复杂性问题。 r f l d 中间件主要包括以下四个功能： 读卡终端协调控n - 终端用户可以通过r f i d 中间件接口直接配置、监控以及发送 指令给读卡终端。例如终端用户可以配置读卡终端，使得当频率冲突发生时，读卡终端 自动关闭。一些r f i d 中间件开发商还提供了支持读卡终端即插即用的功能，使得终端 用户新添加不同类型的读卡终端时不需要增加额外的程序代码。 数据过滤与处理：当标签信息传输发生错误或有冗余数据产生时，r f i d 中间件可 以通过一定的算法纠正错误并过滤掉冗余数据。r f i d 中间件可以避免不同的读卡终端 读取同一电子标签的冲突，确保了高于读卡终端水平的数据准确性。 数据路由与集成：r f i d 中间件能够决定采集到的数据传递给哪一个应用。r f i d 中 间件可以与企业现有的企业资源计划( e r p ) 、客户关系管n ( c r m ) 、仓储管理系统( w m s ) 等软件集成在一起，为它们提供数据的路由与集成，同时中间件还可以保存数据，分批 第二章r f i d 系统组成、工作原理 的给各个应用提交数据。 进程管理：在进程管理中，r f i d 中间件根据客户定制的任务负责数据的监控与事 件的触发。例如在仓储管理中，设置中间件来监控货品库存的数量，当库存量低于设置 的标准时，r f i d 中间件会触发事件，通知相应的应用软件。 图2 4r f i d 中间什在系统中的角色 4 r f i d 应用系统软件 r f i d 应用系统软件是针对不同行业的特定需求而开发的应用软件，它可以有效的 控制读卡终端对电子标签信息进行读写，并且对收集到的目标信息进行集中的统计与处 理。r f i d 应用系统软件可以集成到现有的电子商务和电子政务平台中，与e r p 、c r m 以及s c m 等系统结合起来提高各行业的生产效率。 2 2r fld 系统工作原理 r f i d 系统的基本工作原理是：由读卡终端通过发射天线发送特定频率的射频信号， 当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使得电子标签将 自身编码信息通过内置射频天线发送出去；读卡终端的接收天线接收到从标签发送来的 调制信号，经天线调节器传送到读卡终端信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送 至后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的 设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读卡终端完成不同的读写操作。 从电子标签到读卡终端之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分成两类： 电感耦合( i n d u c t i v ec o u p l i n g ) 系统和电磁反向散射耦合( b a c k s c a t t e rc o u p l i n g ) 系统。电感 耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电磁反向散射耦合，即 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 h z 和1 3 5 6 m h z 。利用电感耦合方式的识别系统作用距离般小于i 米， 典型的作用距离为1 0 - - 2 0 厘米。 第二章r f i d 系统组成、工作原理 电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、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 和5 8 g h z 。识别作用距离大于1 米，其典 型的作用距离为4 - 一6 米。 1 r f i d 系统相关技术 ( 1 ) 信号的a s k 调制 a s k 调制方式是以信号振幅变化来表示二进制数据，图2 5 显示了控键度1 0 0 的 a s k 调制过程，数字信号和高频载波经过乘法器相乘输出调制波，调制波的振幅随着数 字信号而切换，很容易在接收端经过包络检波或相关解调而恢复出数据。 图2 5a s k 调制过程 ( 2 ) 信号编码 数据编码一般又称基带数据编码，一方面便于数据传输，另一方面可以对传输的数 据进行加密。常用的数据编码如图2 - 6 所示： ( a ) 反向不归零编码n r z c n o n r e r u n t o z e r o ) ：n r z 编码用“高电平表示1 ，用“低” 电平表示0 。 ( b ) 曼彻斯特编码( m a n c h e s t e r ) ：曼彻斯特编码在半个比特周期时负跳变表示1 ，半个 比特周期时正跳变表示0 。曼彻斯特编码在采用副载波的负载调制或者反向散射调制时， 通常用于从标签到读头的数据传输，因为这有利于发现数据传输的错误。 n r z 编码 厂厂 1oilo ol0 曼彻斯特编码 1f 1r 门f 1r lollo olo 图2 - 6 射频识别系统中的数据编码 第二章r f i d 系统组成、工作原理 2 电感耦合系统工作原理 r f i d 的电感耦合工作方式对应于i s o i e c l 4 4 4 3 协议。电感耦合电子标签是由一个 电子数据作载体，通常是由单个微芯片以及用作天线的大面积的线圈等组成。系统工作 原理为：电感耦合方式的电子标签几乎都是无源工作的，在标签中的微芯片工作所需的 全部能量由读卡终端发送的感应电磁能提供。高频的强电磁场由读卡终端的天线线圈产 生，并穿越线圈横截面和线圈的周围空间，以使附近的电子标签产生电磁感应。因为使 用的频率范围内的波长比读卡终端天线和电子标签天线之间的距离大好多倍( 对于电感 耦合工作方式的r f i d 系统的读卡终端天线和电子标签天线之间的距离不超过1 0 厘米) ， 可以把电子标签到天线间的电磁场当作简单的交变磁场考虑。 ( 1 ) 能量供应 发射磁场的一小部分磁力线穿过距离读卡终端天线线圈一定距离的电子标签天线 线圈。通过感应，在电子标签的天线线圈上产生一个电压，将其整流后作为微芯片的工 作电源。将一个电容器与读卡终端的天线线圈并联，其中电容器与天线线圈的电感一起， 形成谐振频率与读卡终端发射频率相符的并联振荡回路，该回路的谐振使得读卡终端的 天线线圈产生较大的电流，这种方法也用于产生供远距离电子标签工作所需要的场强。 因为电感耦合系统的效率不高，所以只适用于低电流电路。只有功耗极低的只读电 子标签( 小于1 3 5 k h z ) 可用于1 米以上的距离。具有写入功能和复杂安全算法的电子 标签的功率消耗较大，因而一般的作用距离为1 5 厘米。 ( 2 ) 数据传输 电子标签与读卡终端的数据传输采用负载调制，电感耦合是一种变压器耦合，即作 为初级线圈的读卡终端和作为次级线圈的电子标签之间的耦合。只要线圈之间的距离不 超过0 1 6 入，并且电子标签处于发送天线的近场范围内，变压器耦合就有效。 如果把谐振的电子标签放入阅读天线的交变磁场中，那么电子标签就可以从磁场获 得能量。从供应读卡终端天线的电流在读卡终端内阻上的压降可以测得此附加功耗。电 子标签天线上的负载电阻的接通和断开促使读卡终端天线上的电压发生变化，实现了用 电子标签对天线电压进行振幅调制。而通过数据控制负载电压的接通和断开，这些数据 就可以从标签传输到读卡终端了。同时，为了在读卡终端中回收数据，需要对在读卡终 端天线上测得的电压进行整流，即对经过振幅调制的信号进行解调【2 6 , 2 7 】。 2 3 本章小结 本章对r f i d 系统的读卡终端、电子标签、r f i d 中间件和应用系统软件四个组成 部件的概念、功能及工作原理进行分析；读卡终端通过射频信号负责与电子标签的双向 通信、电子标签是由i c 芯片和无线通信天线组成的数据载体、r f i d