基于RFID的智能停车场管理系统的研究与设计-硕士论文

代 学 密 号：1 0 5 3 2 号：J 0 5 0 9 3 0 1 3 级：普通 湖南大学硕士学位论文 基于R F I D 的智能停车场管理系统的研究与 设计 T h eR e s e a r c ha n dD e s i g no fM a n a g e m e n tS y s t e mo fI n t e l l i g e n t P a r k i n gB a s e do n R F I D b y G U 0W e n t a o B E ( C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ) 2 0 0 3 At h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e R e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f M a s t e ro fE n g i n e e r i n g l n C i r c u i ta n dS y s t e m i nt h e G r a d u a t eS c h o o l o f H u n a nU n i v e r s i t y S u p e r v i s o r P r o f e s s o rH EY i g a n g S e p t e m b e r , 2 0 10 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的l 内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：幼吾笔湾 日期：”年c 7 月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密哦 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：邬孑乞；亳日期：铆J 年c 月矿日 刷醛轹桐叫醐忉尸年夕胁日 f 硕I j 学位论文 摘要 随着社会经济的繁荣，人们生活水平的提高，城市汽车的数量大量的增加， 为了保证车辆交通方便，特别是满足同益增长的停车需求，大型、超大型的停车 场不断涌现，停车场管理技术也成为当I j 智能化建筑的头号标志之一。然而传统 停车场管理技术已不能满足实际需求，存在的问题主要表现在：现有的停车场管 理系统要求车辆在进入停车场时须停车取卡，出停车场时又需停车验卡，车辆进 出极其缓慢，经常造成堵车现象，不仅浪费时间，能源浪费也非常严重；随着停 车场中车辆数量的增加，管理工作量和难度都成倍加大。因此，迫切需要采用自 动化程度高、方便快捷的智能停车场管理系统，来提高停车场管理水平。 射频识别技术( 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 ，R F I D ) 是一种自动识别技术， 它与传统的无接触识别技术有所不同，它利用射频信号在空间的耦合和传输特性， 能够远距离识别静止或移动的物品。针对R F I D 技术的基本原理和运用途径，分析 其独有的优势，本文提出了一种基于R F I D 技术的智能停车场管理系统取代传统的 人工收费的管理办法。通过把先进的R F I D 技术引入到停车场管理系统当中，可有 效地减少由于人工操作造成的费用流失，保证车辆的安全和交通方便，提高停车 场的管理水平。 本文首先分析研究了R F I D 系统的原理和组成，包括射频标签、读写器、中问 件和应用系统软件等部分，从电感耦合系统和电磁反向散射系统两个方面对R F I D 系统的射频工作原理和进行了分析，重点介绍了射频标签和读写器的类型、结构 以及工作原理。然后通过需求分析，明确了智能停车场管理系统所要具备的功能， 进而提出了一种基于R F I D 技术的智能停车场管理系统的设计。设计中对智能停车 场中车辆入场和出场工作流程进行了介绍，重点介绍了设计中各硬件部分的组成， 包括对车辆检测设备、射频电子标签、读写器、读写器天线、车位引导系统、摄 像机和道闸机等设备的选型依据都进行了论述，对读写器的接收模块和发送模块 的电路进行了设计。最后对停车场管理系统的软件模块进行了设计，针对读写器 和射频电子标签之间通信产生的碰撞问题进行了研究，对碰撞的原理和目前常用 的防碰撞的算法进行了分析和探讨。通过比较A L O H A 算法和二进制搜索算法的优 缺点，在传统的二进制搜索算法的基础上，提出了一种改进的二进制搜索算法， 并进行了仿真实验，通过仿真实验结果分析，这种改进的二进制搜索算法比传统 的二进制搜索算法更加优越，能有效地解决射频识别系统防碰撞问题。 关键词：R F l D ，超高频，智能停车场，防碰撞，二进制搜索算法 I I A b s t r a c t W i t hs o c i a la n de c o n o m i cp r o s p e r i t ya n dt h el i v i n gs t a n d a r d ，C a r sa r ei n c r e a s i n g i nn u m b e r I no r d e rt og u a r a n t e ec o n v e n i e n c et r a n s p o r t a t i o na n de s p e c i a l l ym e e tt h e g r o w i n gd e m a n do fp a r k i n g ，l a r g e a n ds u p e rl a r g ep a r k i n gs p a c e s a r ec o n s t a n t l y e m e r g i n w h i c hm a k e sc a rp a r kt e c h n o l o g yb e c o m eo n e o ft h eb e s ts y m b o l so ft h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n g H o w e v e rt h et r a d i t i o n a lp a r k i n gm a n a g e m e n tt e c h n o l o g ya l r e a d y c a n n o ts a t i s f yt h ea c t u a ld e m a n d ，t h e r ea r em a n yp r o b l e m s i n ：t h ee x i s t i n gp a r k i n g m a n a g e m e n ts y s t e mr e q u i r e m e n t s c a re n t e r i n gi n t ot h ep a r k i n gp l a c em u s ts t o pt o r e m o v ec a r d ，c a rc o m i n go u to ft h ep a r k i n gp l a c ec h e c ko u t ，w h i c hi sv e r ys l o w l ya n d h a p p e n st r a 伍cj a I nm a k e sw a s t en o to n l yt i m eb u ta l s oe n e r g ys e r i o u s l y , W i t ht h e i n c r e a s i n gn u m b e ro f v e h i c l e si nt h ep a r k i n gl o t ，m a n a g e m e n tw o r k l o a da n dd i f f i c u l t y a r ed o u b l e d T h e r e f o r e ，u r g e n t l yn e e d i n gt h ea u t o m a t i o na n dc o n v e n i e n ti n t e l l i g e n t p a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi m p r o v e st h em a n a g e m e n tl e v e l 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 ) i sa na u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y w i t ht h et r a d i t i o n a ln o n c o n t a c ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sd i f f e r e n t ，w h i c hu s e sr a d i o f r e q u e n c ys i g n a l si n t h es p a c eo fc o u p l i n ga n dt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，c a nb e s t a t i o n a r vo rm o b i l er e m o t ei d e n t i f i c a t i o no fg o o d s R F I Dt e c h n o l o g y f o rt h eu s eo ft h e b a s i cp r i n c i p l e sa n dw a y so fi t su n i q u ea d v a n t a g e s ，w ep r o p o s eaR F I Dt e c h n o l o g y b a s e do nI n t e l l i g e n tp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mt or e p l a c et h e t r a d i t i o n a lm a n u a lf e e m a n a g e m e n t T h r o u g ht h ea d v a n c e dR F I Dt e c h n o l o g y i n t ot h ec a rp a r km a n a g e m e n t s v s t e mw h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o s to f t h el o s sc a u s e db ym a n u a lo p e r a t i o n ，t o e n s u r et h es a f e t yo fv e h i c l e sa n dt r a n s p o r tf a c i l i t i e s ，i m p r o v et h em a n a g e m e n t l e v e lo f p a r k i n g T h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ft h eR F I Ds y s t e m sa n dc o m p o n e n t s ， i n c l u d i n gR Ft a g s ，r e a d e r s ，m i d d l e w a r ea n da p p l i c a t i o n ss o f t w a r e ，t w oa s p e c t so f R F I D s v s t e m sa n dr a d i ow o r k sw e r ea n a l y z e d ，f o c u s e so nt h eR Ft a g sa n dr e a d e r s t y p e ， s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e T h r o u g hr e q u i r e m e n ta n a l y s i st h e n ，t h ef u n c t i o no f t h e i n t e l l i g e n tp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e m i sd e t e r m i n e d ，a n dt h e nt h ed e s i g n o f I n t e l l i g e n tp a r k i n gm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o naR F I Dt e c h n o l o g yl Sp u tf o r w a r d1 n w h i c ht h ew o r k f l o wo fc a ri na n do u ti ni n t e l l i g e n tv e h i c l ep a r k i n gl o ta r ei n t r o d u c e d a n dt h ed e s i g no ft h ec o m p o s i t i o no ft h ev a r i o u sh a r d w a r ei s f o c u s e do n ，i n c l u d i n g v e h i c l ed e t e c t i o nd e v i c e s ，r a d i of r e q u e n c ye l e c t r o n i ct a g s ，r e a d e r s ，r e a d e ra n t e n n a s ， p a r k i n gg u i d a n c es y s t e m s ，c a m e r a sa n do t h e re q u i p m e n ts e l e c t i o n T h e s ep a r t s a r e d i s c u s s e d t h ec i r c u i to fs e n d r e c e i v em o d u l eo ft h er e a d e ri sd e s i g n e d F i n a l l y , t h e I I I s o f t w a r eo fp a r k i n gm a n a g e m e n t s y s t e m i sd e s i g n e d T h e c o l l i s i o n1 n t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h er e a d e ra n dR F I DT a g s i ss t u d i e d T h et h e o r Yo fc 0 I l i s l o n a n dt h ea n t i - c o l l i s i o na l g o r i t h m s u s e dc o m m o n l ya r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d b y c o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h eb i n a r ys e a r c h i n ga l g o n t h ma n d A L O H Aa l g o r i t h m ，o nt h eb a s i so ft h e t r a d i t i o n a lb i n a r ys e a r c h i n ga 1 9 0 r n h m a n i m p r o v e db i n a r ys e a r c h i n ga l g o r i t h m i sb r o u g h tf o r w a r d S i m u l a t i o ne x p e n m e n t 1 s d o n e B va n a l y z i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h ei m p r o V e d b l n a r Ys e a r c h l n g a I g o r i t h m i sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lb i n a r y s e a r c h i n ga l g o r i m m w h l c hc a n e f f e c t i v e l ys 0 1 v et h ep r o b l e mo fR F I Da n t i c o l l i s i o ns y s t e m K e yW 。r d s ： R a d i 。F r e q u e n e yI d e n t i f f c a t i 。n ； U l t r a h i g hF r e q 咖c y ； I n t e l l i g e n t p a r k i n gp l a c e ；A n t i c 。l l i s i 。n ；B i n a r yS e a r c h i n g A l g 。r i t h m I V 顶J 化沦支 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书I 摘要I I A b s t r a c t I I I 第l 章绪论l 1 1 选题的背景和意义1 1 2 停车场管理系统的现状与发展趋势1 1 2 1 国内停车场管理系统的现状和趋势2 1 2 2 国外停车场管理系统的现状和趋势3 1 3 论文的主要工作3 第2 章R F I D 系统及组成原理5 2 1R F I D 系统的基本组成5 2 1 1 电子标签5 2 1 2 读写器6 2 1 3 中间件9 2 1 4 应用系统软件1 0 2 2R F I D 系统的射频工作原理1 0 2 2 1 电感耦合R F I D 系统1 1 2 2 2 电磁反向散射R F I D 系统11 2 3 无线射频设别的标准1 2 2 3 1 技术标准1 3 2 3 2 应用标准1 4 2 3 3 数据内容标准1 4 2 3 4 性能标准1 4 2 4 小结15 第3 章智能停车场管理系统设计1 6 3 1 智能停车场管理系统1 6 3 1 1 停车场系统的性能特点1 6 3 1 2 智能停车场的优点1 6 3 2 停车场系统工作流程1 7 3 2 1 车辆入场工作流程1 8 3 2 2 车辆出场工作流程1 9 V p ? J ? 1 ，- 一 一 培J ：R F I Dl 丫】膂能俘乍：场麓：珲系统的硼宄j 设计 3 3 停车场管理系统组成2 0 3 3 1 车辆检测设备2 l 3 3 2 汽车射频电子标签2 3 3 3 3 读写器 3 3 4 读写器天线 3 3 5 上位机系统 3 3 6 车位引导系统 3 3 7 摄像机 3 3 8 道闸机一 3 3 9 其他设备 2 5 3l 3 3 3 3 3 3 3 4 3 4 3 4 小结3 4 第4 章停车场应用系统软件3 5 4 1 系统软件模块3 5 4 1 1 登录模块3 5 4 1 2 计费模块3 5 4 1 3 查询模块3 8 4 1 4 用户卡管理模块一3 8 4 1 5 用户管理模块4 0 4 1 6 报表模块4 1 4 1 7 参数设置模块4 l 4 2 系统防碰撞研究一4 2 4 2 1 防碰撞原理4 2 4 2 2 防碰撞算法4 4 4 3 j 、结4 9 总结与展望5 0 参考文献5 2 致 谢5 5 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 6 V I 、： 硕I ：学使论乏 1 1 选题背景和意义 第1 章绪论 随着中国工业与通信科技的快速发展，汽车越来越成为人们必备的交通工具 之一，许多大型办公和娱乐场所都有提供停车场设施供人们来使用，如各种大型 的卖场、百货公司、综合性医院等。但是停车的时候往往需要花大量的时间柬寻 找车位，如果遇到上班、下班和节假日等停车高峰期时，停车就成了一种寻找与 等待的过程。虽然有些大型的营业场所有工作人员引导车辆停泊，但本着节约人 力成本的原则，我们都希望提高停车场的智能管理水平，改善因为停车位紧缺、 管理不善等原因造成的“停车难”的问题。 射频识别技术( 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 ，R F I D ) ，是一种自动识别技 术，它与传统的无接触识别技术有所不同，它利用射频信号在空问的耦合和传输 特性，能够远距离识别静止或移动的物品。R F I D 系统的前端主要由射频标签和 读写器组成。其中射频标签的形式多种多样，如卡片状、钮扣状、钥匙扣状等。 根据具体的应用场合把R F I D 标签贴在或者安装在物品上，再由读写器读取存储 于标签中的数据，实现对物品的自动识别。在停车场管理系统中，射频标签装在 汽车的挡J x L 玻璃上，车辆在入场和出场时，安装在停车道闸附近的读写器就可以 读取每台车辆的相关信息。射频识别技术具有远距离读取、高准确率等特点，除 了可以在停车场管理系统中应用外，还可以广泛应用于物流销售、防伪、动物的 跟踪等领域。无论是研究意义，还是价值意义都远远超过了传统的条形码【l 】。 1 2 停车场管理系统的现状与发展趋势 智能停车场是目前智能交通系统I T S ( I n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m ) 的重 要组成部分之一，它既可以作为智能交通系统的一个子系统，又可作为一个相对 独立的系统进行研究。智能停车场作为智能交通系统的一部分，是因为它能够实 时地向整个交通系统提供停车位等信息，对交通的疏导起到一定的作用，同时能 接收交通系统的指挥，服从统一的调度；智能停车场能作为一个相对独立的系统 是因为它具有车辆出入控制系统、计费系统等功能，能独立运行。现代智能停车 场是集远距离自动识别技术、车辆检测技术、图像识别技术等先进技术一体的综 合应用系统，其收费管理、人员管理和车辆控制先进、便捷、安全可靠，可有效 地解决停车难的问题，如果能与先进的门禁系统配合应用，可以实现进出停车场 时不停车收引引。 屎- j ：R F I D 的智能停乍场铃胛系统的研究j 设计 1 2 1 国内停车场管理系统的现状和趋势一 _ ： 目前国内的停车场管理系统根据车主的需求或建筑的限制，其配置的设备也 各不相同。在一般的住宅小区，有的停车场管理系统仅仅配置了自动道闸机，有 车辆通过时，管理人员控制道闸升起，车辆通过后，再控制道闸落下，这种停车 场管理只能依靠人工管理，一些小型的大厦、机关等场所也是如此。此外，还有 一种路内停车场，该停车场一般采用咪表停车收费系统，可以通过车主刷卡消费， 也可以通过人工收费。这种采用咪表作为管理媒介的停车场在一些经济比较发达 的城市较常见，如湖南长沙地区王府井商业广场就是采用的这种管理模式。咪表 停车场管理系统的缺点也是显而易见，如它占用交通道路资源较大，容易引起交 通拥堵。近年来，在沿海一些大城市中，通过引进先进的技术，停车场的智能化 程度越来越高。 随着城市汽车拥有量的大量增加，停车的问题越来越受到人们的关注。归结 起来停车场管理系统的现状主要表现为以下几点： ( 1 ) 最初的国内停车场管理系统主要采用引进的方法，如引进先进的技术、 生产设备等，甚至直接引进成品，因此这一阶段的停车场管理系统大多是组装、 集成等。随着我国停车产业的发展壮大，停车场管理系统的研发技术也得到了迅 速增强，一些自主品牌相继出现。据统计，目前自主品牌系统、合资组装系统和 纯国外进口系统的市场占有率之比约为2 ：1 ：1 。 ( 2 ) 智能停车场管理系统在未来的发展空间很大。我国车辆的增长速度与政 府停车场的建设规划差距较大，在一些城市车辆的数量与停车位的数量之比高达 5 ：1 ，现在城市汽车拥有量还在不断增加，因此智能停车场的应用前景广阔。 ( 3 ) 国内自主品牌的停车场管理系统可靠性普遍较低。虽然许多停车系统的 关键设备国内能够自主研发，但技术含量不甚高，部分产品甚至仿冒国外的产品， 价格也不透明，出现很多问题，如系统主机无征兆的死机、道闸出故障无法升降 等。一旦这些问题出现，就会引起交通拥堵。 ( 4 ) 智能停车场管理系统的智能化程度不高。市场上能提供停车场成套设备 的生产厂家并不多，大多数厂商都采取拼装的形式，导致停车场管理系统可靠性 差，稳定性不强。而且一些高智能的系统在一般的停车场管理系统中也没有被考 虑进来，如车位引导系统、车位网上查询系统等。 ( 5 ) 智能停车场管理系统应用程度不均衡。在沿海经济发达的城市，智能停 车场管理系统的应用程度明显要高很多。 从发展趋势上看，落后的以I C 卡为收费媒介的停车场管理系统正在逐渐被淘 汰，新型的无接触式射频识别技术、图像识别技术等先进技术的日趋成熟，以这 些技术为媒介的智能停车场管理系统同益被人们所接受。人性化的设计也得到了 2 ? 、坝t j 孕位论义 皇昌皇! 鼍皇皇皇詈詈詈詈詈詈詈詈詈皇詈詈詈皇詈昌暑葛= 詈詈皇篁詈皇鼍詈皇= 罩皇詈j 皇詈詈詈= 詈曼苎! ! ! 詈詈詈詈詈! = 詈皇詈詈詈暑詈罩詈皇皇皇皇= 鼍鼍詈皇! ! 詈詈暑暑鼍詈詈詈詈詈詈詈墨I I - m l ! 加强，如车位引导系统的采用，能使筚主很快很准确地找到车位。甚至可以把车： 位查询系统放到网上，在一些商_ p 集中地区域，车主通过上网能很方便地查询到 距离自己最近的空停车位在什么地方，避免因为寻找车位产生的交通拥堵现象的 发生【3 1 。 1 2 2 国外停车场管理系统的现状和趋势 国外的停车场管理系统经过多年的发展，技术越来越成熟，有的甚至达到了 智能无人化收费的程度，如新加坡的樟宜机场采用了高度智能化的专用设备，虽 然它有三千多个车位，可是停车场内却看不到一个管理员，车辆的进出有序，都 是根据系统提示自行完成的。在东京、巴黎等国外的一些大城市，很少看到由于 停车产生的车辆拥堵现象的发生，原因之一为政府的规划具有前瞻性，并且比较 合理，他们采用多种形式的停车场相结合，如路内咪表停车与地下停车场相结合， 有的城市甚至建设空中停车场，车与车位的比例控制得很好，接近1 ：1 的比例，停 车场的规划建设能满足车辆增加的需求；还有一个原因是国外建筑中对智能化的 投入很高，接近整个建筑投资的8 左右，停车场作为建筑的组成部分之一，其智 能化水平要相对高一些。 一些发达国家停车场设备生产厂家F 在研究更高智能的停车场管理系统，它 能实现网络化停车。这种停车场管理系统以网络为平台，在整个城市构建，其收 费的电子化程度也相当高，基本上都足通过网上银行交易，很少有现金交易。车 主可以在家罩通过登录网上停车场管理系统，根据出行的时I 日J 和目的地，查询车 位信息，通过网上支付停车费用完成车位预订，网络在人们的R 常生活中越来越 重要，这种新型的智能停车场管理系统很好地适应了这种现状。这种新型的停车 场管理系统的造价非常高，技术实现的难度也很大，且维护费用也不菲，但这肯 定是今后智能停车场管理系统的发展趋势I 引。 1 3 论文的主要工作 ( 1 ) 介绍了选题的背景，探讨了智能停车场的发展现状和趋势以及R F I D 在 智能停车场管理系统中的应用前景。 ( 2 ) 介绍了射频识别系统的组成及特点，对本设计用到的射频识别系统的工 作原理进行了理论分析和探讨。 ( 3 ) 设计了一种基于射频识别技术的智能停车场管理系统，该系统包含了 目前世界上先进的射频识别技术、车辆检测技术和自动化控制技术。这些技术的 应用使得停车场的管理智能化，可以减少交通拥堵的现象，收费更加快捷并且避 免因人为失误造成的费用损失，此外还可以减轻管理人员的工作强度。 髓 二R F I D 的智能停下场管胛系统的叭究j 设i I ( 4 ) 探讨了多车道控制系统的抗干扰处理方法，即R F I D 技术中防碰撞方法。 分析了R F I D 系统中防碰撞的几种算法：A L O H A 算法和二进制搜索算法。在传统 二进制搜索算法的基础上，提出了一种改进的二进制搜索算法，通过仿真比较， 该算法比传统二进制搜索算法更优越。 4 硕1 j 学位论文 。 r 第2 章R F I D 系统及组成原理 2 1R F I D 系统的基本组成 典型的R F I D 射频谚 别系统由硬件组件和软件组件两部分组成，其中硬件部 分包括电子标签、读写器；而软件组件则包括中间件和应用系统软件两部分。下 。面介绍这几个基本的组成部分。 2 1 1 电子标签 电子标签也称射频标签，它是R F I D 系统中不可或缺的重要组成部分，根据 应用场合的不一样，它存在的形态也各不一样，但归纳起来都由两部分组成，即 I C 芯片和无线通信天线。其中无线通信天线为内置的，其作用用来与读写器进行 通信。射频识别系统在工作时，先由阅读器发出信号，电子标签中的天线接收到 信号后把一部分整流作为直流电源给标签内的电路提供能量，另外一部分则被电 子标签内的存储数据信息调制后送回给阅读器。电子标签内载有物品的信息，是 整个R F I D 系统中最重要的载体，它的形态有多种多样，应用场合不一样，称法 也不一样。如在门禁系统中，载有业主信息的电子标签一般为卡片状，称之为门 禁卡或一卡通等；而在动物追踪领域，它一般为纽扣状，与项链起套在动物的 脖子上，称之为动物标签或电子狗牌。电子标签的内部结构如图2 1 所示。 图2 1 电子标签的内部结构框图 从图2 1 中可以看出，电子标签中I C 芯片部分由存储单元、逻辑控制单元、 电压调节器、调制器和解调器等功能模块组成。电压调节器的作用主要是为各电 路提供能量，它把阅读器发出的信号通过天线接收，转化为直流电源，通过电容 存储，稳压电路稳压，为标签中内部电路提供稳定的电源；逻辑控制单元的作用 是把从阅读器收到的信号译码，并按照要求把数据回送给阅读器；调制器的作用 是把逻辑控制单元的送出的信号进行调制，然后通过天线发送给阅读器；解调器 5 荩二 二R F I D 的 ￥能停车场管理系统的研究j 设计 的住用主要是把载波调制信号中的载波信息去掉，得到真J 下的调制信号。天线的 作H J 前文已介绍，在此不累述。 一 电子标签按照不同的分类方法，可分为许多种类。根据电子标签工作的频率 不一样，可以分为低频标签、中频标签和超高频标签。其中低频指的是频率为 1 2 5 K H z 和2 2 5 K H z 等工作频率，中频指的是1 3 5 6M H z 的工作频率，而超高频指的 是9l5 M H z 、2 4 5 G H z 署1 1 5 8 G H z 等工作频率。低频标签一般用于物流领域和动物追 踪等领域，中频标签一般用于门禁领域，而超高频标签由于识别距离较远，被广 泛地应用于高速公路不停车收费、集装箱识别等场合【5 l 。 根据电子标签的读写性能不一样，有可读写卡、写一次读多次卡和只读卡等 几种形式。只读卡价格最便宜，它里面的数据不能修改，安全性在三种卡中最高； 写一次读多次卡里面的数据是一次性写进去的，用户不能再修改；可读写卡在三 种卡中价格最高，因为它单面的数据可以反复修改，多次写入，如信用卡等。 根据射频标签的供电形式不同可分为无源标签、有源标签、半有源标签三种。 有源电子标签内带有电池，因此价格较高，电池的寿命也是有限的，但是它的射 频识别距离可以达到十几米，这是其他两种标签做不到的；而无源电子标签本身 不含电池，它必须通过读写器发射信号，从该信号中获取能量，然后再把数据信 息传递给读写器。它的优点重量比较轻，体积也可以做得很小，但是它的缺点也 是显而易见的，比如它的发射距离就很短，一般只有几十厘米的距离。 射频识别系统根据调制方式的不同又可分为被动式系统、半被动式系统和主 动式系统。被动式系统电子标签一般在门禁系统应用较多，它用调制散射的方式 来发送数据。主动式射频识别系统适用于有障碍物的场合，标签利用自身的射频 能量主动给读写器发送数据。半被动式射频识别系统中，电子标签内部含有电池， 但是它只对标签内部的数字电路提供能量，而且标签并不利用自身能量主动发送 数据给读写器，而是利用反向散射调制的方式在标签被激活后，传送数据的。 此外，按照封装方式、作用距离、数据格式等不一样还有很多分类的方法， 如按照作用距离的不一样可分为密耦合标签、近耦合标签、疏耦合标签和远距离 标签等。无论是那种分类方法，其工作方式大同小异，都是标签载有物品的信息， 以某种方式固定在物品上，通过读写器远距离读取电子标签的信息，完成物品的 识别。 2 1 2 读写器 在电子标签与系统进行数据交换时，读写器起到关键性的作用，它是射频识 别系统的关键终端，是不可缺少的硬件设备装置，读写器的性能直接影响着系统 的稳定性和可靠性。读写器通过天线向标签发送射频调制信号，标签接收到信号 后返回一个射频调制信号，这个信号载有标签信息，读写器再通过天线接收该信 6 号j 。同时经过处理后，传给中问件。一个典型的读! ；器终端出发射单元：接收单 元、信号处理控制单元和电源等部分组成，读写器主机由射频通道模块：控制模 块和I 0 接口模块三部分构成，如图2 2 所示。 卜、 麻朋1r 、 I o 接 控制射频 口模 1卜 处理 ，o卜、 通信 系统 N一 天线 块 模块模块 1 ；译专毋毒钒； 图2 2 标准读写器的结构框图 2 1 2 1 读写器的基本构成 读写器由硬件和软件两个部分构成。硬件部分为天线、射频通信模块、控制 处理模块、I O 接口模块等部分。天线可以是集成的，也可以是独立外置的。天线 的作用是读写器与射频标签通信时，起到一个桥梁作用，读写器通过天线发射电 磁能量和接收数据信息。射频通信模块的主要作用是完成通信中信号的调制、解 调以及功率放大等。而控制处理模块由于应用场合的需求不一样，其性能也不一 样。I O 接口模块根据应用的需求，可以为键盘控制接口、R S 2 3 2 接口、L C D 液晶 显示驱动接口或者是和P D A 相连的C F 接口等。 软件部分的功能是对读写器接收到的信息进行及时响应，同时再向标签发出 相应的指令命令，一般来说，软件程序在读写器出厂时，都由生产厂家固化在读 写器模块中【6 】。按照功能的不同，软件主要包括以下三个部分： ( 1 ) 导入部分。它的作用主要是当系统启动时，事先指定的存储器空间导入 对应的程序，然后再运行。 ( 2 ) 控制部分。它的主要作用是改变读写器的工作模式，控制天线开始发送 数据和停止发送数据，以及完成读写器与计算机主机之间的数据交换、命令传输 等。 ( 3 ) 解码部分。它主要作用是进行代码的转化，比如将指令转化为机器码， 将模拟信号转换为数字信号等。 读写器通过射频收发器进行数据的发送和接收，首先向射频标签发送射频能 量，然后再从射频标签接收射频信息，最后对返回的信息进行处理，传送给计算 机网络。 2 1 2 2 读写器工作原理 一般情况下，读写器应该按照具体的应用场合，根据电子标签的类型来进行 具体的设计。射频技术的发展越来越成熟，读写器的功能也越来越强大。如图2 3 7 堆J ：R F I D 的智能停乍场管理系缪：舒研究。J 设汁 所示，为读写器基本的工作原理图。 图2 3 读写器工作原理图 读写控制器通过天线与电子标签进行指令传输和数据交换，指令传输和数据 交换都是通过空间信道来完成的，读写控制器与控制模块进行数据请求和数据接 收，再由控制模块向计算机传输数据，同时计算机可以向控制模块发出数据提取 指令。从图2 3 可以看出，读写器与计算机、电子标签是一个回路形式，读写器既 可以向计算机发送数据，又可以响应从计算机发出的指令；读写器既可以从电子 标签读取数据信息，又可以向标签写入指令信息【_ 。 2 1 2 3 读写器主机模块 读写器主机通常包括射频通道模块、控制处理模块和I O 接口模块，具体如下： ( 1 ) 射频通道模块 射频通道模块作为读写器的前端，它影响着读写器的成本。控制处理模块传 送给射频通道模块一个控制命令，后者控制该命令的运行，同时向射频标签发送 数据，对标签返回的数据进行解调等处理，再把信号送给控制处理模块。射频通 道模块主要有以下几个任务： 发出高频信号，电子标签接收后一部分转化为直流电源为其提供能量。 把射频信号的功率进行放大处理，即进行调制，再通过天线发送给电子标 签。 通过天线从电子标签接收信号，再通过解调电路把信号进行解调。 此外，在射频通道模块中还有收发分离电路，把信号通道分隔成两个，读写 器向电子标签发送数据时通过发射通道进行，而读取电子标签中的数据时，则通 过接收通道来完成。 ( 2 ) 控制处理模块 控制处理模块也称为读写模块，主要任务如下： 接收来自应用系统软件发送来的指令并执行，完成与应用系统软件之间的 通信。 对读写器和电子标签进行身份验证，并对两者之问的通信过程进行控制。 在读写器和电子标签进行数据交换时，可以对数据进行加密和解密。 8 ”一n 顾 j 拳化论文 对信号进行编码和解码 一 l 控制处理模块作为读写器的智能单元，除了把送到电子标签的命令进行编码， 对回波信号进行解码，控制读写命令的流程等外；同时对接收数据和发送命令的 缓存起到一定的作用，可以实现I O 口的控制和应用系统软件之间的通信协议。 ( 3 ) I O 接口模块 I O 接口模块主要是通过与外部设备进行连接，完成读写器与外部设备之问的 通信。常用的I O 接口有R S 2 3 2 串行接口、以太网接口、打印机接口和U S B 接口等 多种接口，通过不同的接口与不同的外部设备进行连接，实现不同的功能。如以 太网接口主要给读写器提供上网接口；打印机接口为读写器提供与打印机的连接， 可以实现数据的打印输出。根据具体的应用场合，读写器接口的选择也不尽相同， 如进行远距离通信时，读写器一般通过R S 2 3 2 串行接口完成，而短距离传输时， 可以选择U S B 接口进行通信，近距离无线通信时，则可选择红外I R 接口完成数据 的传输【8 j 。 2 1 3 中间件 中问件位于读写器和后台数据库之问，它包含硬件和软件两个部分，其中硬 件指的是与读写器配套使用的设备，如网络接口设备等。软件指的是一些服务程 序，它位于服务器和客户计算机操作系统上，对计算机资