（电路与系统专业论文）多天线uhf+rfid系统识别的可靠性研究与实现.pdf

multi-antenna uhf rfid system identification reliability research and implementation a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by chen hui supervised by associate prof. zhong yuanchang major：circuit else return 1; return 0; 5 多天线 uhf rfid 阅读器的软件程序 49 图 5.2 多天线模式识别流程图 fig.5.2 flow chart of multi-antenna mode identification u=n(v1vm-1)/n(v1.vm-1) u=n v1vm-2)/n(v1. vm-2) u=n(v1v2)/n(v1v2) u=1 是 否 是 否 是 否 是 否 分别启动天线 1，2 获取集合 v1，v2 v1=v2 启动天线 3 获取集合 v3 v3(v1v2) vm-1(v1v2 vm-2) vm(v1v2 vm-1) u=n(v1vm)/n(v1.vm) 结束 开始 分别启动天线 m1 获取集合 vm-1 分别启动天线 m 获取集合 vm 重庆大学硕士学位论文 50 标签的基本信息包括 rn16、pc、epc 编码、epc 编码字节长度以及用于访问 操作的句柄 handle，将这些基本信息用结构体定义为 tag 类型。 其中，常量 epclength 定义了 epc 支持的字节长度，默认为 64 字节。 多天线控制优化算法的函数 multantennahandle 程序见附录 f。 5.5 阅读器命令解析程序设计 多天线 uhf rfid 阅读器采用被动式的工作方式，即阅读器通过 rs232 标准 通信方式接收由用户从主机客户端发出的操作命令，解析并执行命令，最后将执 行结果返回给用户客户端。这种方式能够方便用户构成自己的应用系统。因此， 工作在被动式的阅读器需要有自己的命令解析程序。目前，对于阅读器的命令集 并没有相关标准协议，每个厂商都会有自己不同的命令集结构。 一般读写器为用户提供了完整的对标签的操作命令，主要包括如下三个部份： （1）读写器参数设定命令：完成对读写器工作参数的设定，包括：通信波特 率、发射功率、读写器设备编号、扩展功能 io 口操作等。 （2）标签操作的基础指令集：提供与国际标准相一致的对标签操作的基础指 令集，包括：标签查询、密码校验、读标签、写标签、锁定标签及标签灭活等。 （3）标签操作的高级指令集：为方便用户的操作，在基础指令集的基础上， 可以提供一些对标签操作的高级指令集，它的每条命令是由多条基础指令集组合 而成。包括：密码设置、读标签、写标签、锁定标签及灭活标签等。 表 5.6 中描述的是本设计中阅读器所用主要的一些命令。 struct tag /* rn16 随机码 */ u8 rn162; /* pc 值 */ u8 pc2; /* epc 数组 */ u8 epcepclength; /* epc 长度 */ u8 epclen; /*length in bytes */ /* 用于标签读写操作的句柄 */ u8 handle2; ; 5 多天线 uhf rfid 阅读器的软件程序 51 表 5.6 主要命令说明 table 5.6 main command description 函数 指令码 说明 calloutvisionid 0 x10 输出阅读器版本信息 callantennapower 0 x18 控制天线射频场开关 callwriteregister 0 x1a 写指定寄存器 callreadregister 0 x1c 读指定寄存器 callconfiggen2 0 x20 配置标准协议 callinventory 0 x31 盘存操作 callselecttag 0 x33 选择标签 callwritetotag 0 x35 写标签数据 callreadfromtag 0 x37 读标签信息 calllockunlock 0 x3b 标签锁定 callkilltag 0 x3d 标签灭火 callhopfreq 0 x41 跳频操作 命令体如图 5.3 所示。 命令码 命令数据长度 命令数据 xor 校验码 图 5.3 命令体结构 fig.5.3 command frame structure 其中： 命令码：1 个字节。 命令长度：1 个字节，说明随后命令数据的长度。 命令数据：若干个字节，根据命令的不同，会带有若干个字节的命令数据。 xor （校验码） ： 1 个字节， 为从“命令码”开始到命令数据结束的各个字节的“异 或”（xor）校验和。 命令解析函数 uartcommands 程序见附录 g。 5.6 本章小结 本章完成了多天线 uhf rfid 阅读器的相关程序的设计，主要包括了射频模 块的驱动控制，type c 协议命令函数，多天线优化算法，命令解析程序以及系统 设置程序等。 重庆大学硕士学位论文 52 6 系统测试与结果分析 53 6 系统测试与结果分析 首先给出多天线识别模式阅读器的主要技术指标，然后通过阅读器的识别距 离测试实验得出最佳识别距离，最后通过多天线识别模式的多组实验，并分析其 测试结果来验证多天线识别模式的性能。 6.1 多天线模式阅读器的技术指标 本文所设计的多天线 uhf rfid 阅读器是采用了 as3992 阅读芯片， 根据芯片 参数，阅读器的工作频率范围为 840-960mhz，并可以通过跳频指令控制改变阅读 器的工作频率。射频模块的工作电压为 7.5v，工作电流为 710ma。阅读器与主机 通信的接口为 rs-232， 射频功率为 29dbm， 支持最新国际标准 iso/iec 18000-6c。 通过测试，阅读器的单个天线最佳识别距离不超过 4 米。多天线 uhf rfid 阅读 器主要的技术指标如表 6.1 所示。 表 6.1 多天线 uhf rfid 阅读器的技术参数 table 6.1 the technical parameters of multi-antenna mode uhf rfid reader 参数名称 性能参数 工作频段 840-960mhz 工作电压 7.5v 工作电流 710ma 错误检验 crc-16 射频功率 29dbm 最佳识别距离 4m 主机接口方式 rs-232 支持标准 iso/iec 18000-6c 6.2 阅读器识别距离测试 系统测试采用的是天线增益为 7dbm 的定向天线，在室内环境中进行测试。 由于阅读器的多个天线使用相同型号的天线，因此在测试阅读器的单个天线的识 别距离时，仅以其中某个天线进行测试。测试分别在距离天线 3.5m、4m、4.5m、 5m、5.5m、6m 处，分别对这六组中不同位置的 10 个符合 iso/iec 18000-6c 标准 的电子标签进行多次测试，并记录每组识别距离中读取标签数据（epc 编号等标 签基本信息）的成功率，测试结果如表 6.2 所示。通过测试结果中实际识别到的标 签个数及其识别成功率均取平均值，得出单个天线平均识别成功率与识别距离的 关系如图 6.1 所示。 重庆大学硕士学位论文 54 表 6.2 阅读器识别距离测试记录 table 6.2 test record of identification distance 组号 识别距离 （m） 标签个数 平均识别 标签个数 平均识别 成功率 1 3.5 10 10 100% 2 4 10 10 100% 3 4.5 10 9.8 98% 4 5 10 9.3 93% 5 5.5 10 8.6 86% 6 6 10 8.0 80% 图 6.1 平均识别成功率 fig.6.1 the average success rate of identification 从测试结果可以看出，阅读器最佳识别距离不超过 4m。 6.3 多天线识别模式性能测试分析 为了测试多天线识别模式的识别性能，将多天线阅读器的 4 个天线置于最佳 识别距离的 4 个对等的位置，即首先需要启用的前两个天线需要放在对等的放置， 其多天线部署示意图如图 6.2 所示。 6 系统测试与结果分析 55 图 6.2 多天线识别模式测试示意图 fig.6.2 test schematic diagram of multi-antenna mode identification 在识别区域内，均匀地放置 20 个符合 iso/iec 18000-6c 标准的电子标签，为 了测试多天线识别模式在复杂环境下的识别性能，进行 5 组不同的实验。第 1 组， 所有标签都不受干扰的放置于识别区域，即识别区域中只有标签本身，无其它干 扰识别效果的障碍物，并对这些标签进行若干次识别测试，实验不仅记录每次多 天线识别模式下的识别结果，包括实际识别到的标签个数以及可靠识别率 u 值， 而且还会记录每次识别中的每个天线的识别结果，即每个天线实际识别到的标签 个数。其它 4 组采用同样的实验方法，只是第 2 组中的 20 个标签中有 5 个标签将 会受到识别干扰，本实验将这 5 个标签贴在金属瓶罐上，均匀随机地与其它 15 个 标签放置在多天线识别区域内。而第 3 组中将会有 10 个标签受到识别干扰，第 4 组中有 15 个标签受到识别干扰，第 5 组中所有标签都将受到识别干扰。 为了将多天线识别模式与传统的单天线识别模式的识别性能进行对比，本实 验中同时记录了每个天线的识别结果，并对每次识别中的 4 个天线实际识别到的 标签个数取平均值，来表示本次识别中单天线识别模式所识别到的标签个数。 表 6.3 为这 5 组实验的单个天线平均识别到的标签个数及其平均识别成功率。 而表 6.4 则为这 5 组实验的多天线识别模式的识别结果， 包括平均识别到的标签个 数，平均启用天线个数，平均可靠识别率 u 以及平均识别成功率。 表 6.3 单个天线平均识别结果 table 6.3 the average identification results with single antenna 组号 干扰标签个数 标签个数 平均识别标签个数 平均识别成功率 1 0 20 20 100% 2 5 20 17.8 89% 3 10 20 15.4 77% 4 15 20 12.3 61.5% 5 20 20 9.5 47.5% 重庆大学硕士学位论文 56 表 6.4 多天线模式平均识别结果 table 6.4 the average identification results with multi-antenna 组号 干扰标签 个数 标签个数 平均识别 标签个数 平均识别 成功率 平均启用天 线个数 平均可靠 识别率 u 1 0 20 20 100% 2 1 2 5 20 19.7 98% 3.3 0.88 3 10 20 18.8 94% 3.8 0.63 4 15 20 18.2 89% 4 0.39 5 20 20 17.4 85% 4 0.24 由表 6.3 和表 6.4 所测试获得的 5 组实验结果得到的单个天线平均识别成功率 和多天线模式平均识别成功率得到如图 6.3 所示的单天线与多天线识别模式成功 识别率结果对比曲线图。 图 6.3 单天线与多天线识别模式成功识别率结果对比 fig.6.3 comparison of the success identification rate with single antenna and multi- antenna 从图 6.3 可以看出，每组不同的实验中，即不同的受干扰情况，多天线识别模 式下的识别成功率要比单天线识别模式下的识别成功率要高。 由表 6.4 得出如图 6.4 所示的多天线识别模式下的，识别成功率与可靠识别率 的关系图。 6 系统测试与结果分析 57 图 6.4 成功识别率与可靠识别率 u 的关系 fig.6.4 the relationship between success identification rate and reliable identification rate u 从图 6.4 可以看出，随着不同实验组中识别成功率的降低，系统的可靠识别率 u 值也是变小的， 由于实际应用中， 用户可能无法得知实际参与识别总的标签个数， 因此从多天线识别模式测出的可靠识别率参数 u 值来评估实际的识别成功率是可 行的。 另外，从表 6.4 可以看出，随着不同实验组中受干扰标签个数的增加而导致平 均识别成功率降低，实际启用的天线个数也会增加。 6.4 测试结论 通过多天线识别模式对多标签的识别实验来看，多天线识别模式不仅提高了 uhf rfid 阅读器的识别成功率，提高系统识别的可靠性，从而降低了系统中不可 靠性因素带来的影响，还可以通过多天线识别模式中测得的可靠识别率 u，为用户 提供可对识别结果进行评估的参数，供用户参考，最后证实了多天线识别模式可 以根据实际识别情况来控制启用的天线个数，达到提高识别速率的目的。 实验结果表明：该多天线识别模式对提高阅读器多标签识别的可靠性效果明 显，为 uhf rfid 阅读器多标签识别可靠性的提高开辟了新途径。 重庆大学硕士学位论文 58 7 总结和展望 59 7 总结和展望 7.1 总结 rfid 技术作为本世纪最热门的十大技术之一，被广泛应用于社会、国防、经 济等众多领域，有着广泛的应用前景，将成为改变人类生活的一项重要技术。为 了提高重庆长安汽车生产线中 rfid 系统在电磁波的干扰、金属物质的限制、环境 条件的复杂多变等因素影响的识别环境下识别的可靠性，本文提出了通过单阅读 器多天线模式来提高 rfid 系统识别的可靠性的方法。 本文重点研究了如何利用多 天线识别模式来提高复杂识别环境下对多标签识别的可靠性，为了证明该识别模 式能够提高系统可靠性，本文从多天线可靠性识别模型的仿真分析以及实验测试 这两个方面加以证明。 本文所做的具体工作有以下几方面： 为了验证多天线识别模式可行性，首先建立适用于该识别模式的多天线可 靠性模型，并从理论上验证了该模式的正确性和可行性。并且在多天线识别模式 基础上，通过多天线分时多次单独识别的结果而计算出可靠识别率 u，并以此来作 为评估整个识别结果可靠性的参数，为了提高识别速率，以可靠识别率 u 参数为 依据设计了用于多天线优化控制算法，以使系统能够根据不同的识别环境来自动 控制启动天线个数，提高整个 rfid 系统的识别效率。 以功能强大的 as3992 阅读芯片为核心设计了支持 iso/iec 18000-6c 国际 标准的射频模块，并利用 p9404a 射频开关设计了多天线控制电路，从而实现了多 天线 uhf rfid 阅读器。最后设计了符合 iso/iec 18000-6c 国际标准的命令集程 序，并设计了实现适用于多天线识别模式的多天线优化控制算法程序。 通过实验将多天线识别模式与传统的单天线识别模式做对比，验证了多天 线模式能够明显提高复杂识别环境下的识别成功率，提高系统识别的可靠性，同 时也验证了可靠识别率 u 能够表示系统受到不可靠性因素的影响程度，从而为用 户对识别结果提供一个可供参考的评估参数。 从理论分析以及实验测试结果来看， 多天线识别模式不仅提高了 uhf rfid 阅 读器的识别成功率，提高系统识别的可靠性，降低了系统中不可靠性因素带来的 影响，还可以通过多天线识别模式中测得的可靠识别率参数为用户提供可对识别 结果进行评估的参数，供用户参考，最后还证实了多天线识别模式可以根据实际 识别情况来控制启用的天线个数，达到提高识别速率的目的。结果表明该多天线 识别模式对提高阅读器多标签识别的可靠性效果明显，为 uhf rfid 阅读器多标 签识别可靠性的提高开辟了新途径。基于多天线优化控制算法的多天线识别模式， 重庆大学硕士学位论文 60 已在整车及零部件生产质量监控和流程管理中得到了成功的应用，提高了汽车生 产的质量与效率。 7.2 展望 为了提高超高频复杂识别应用环境下的系统识别可靠性能，本文提出了多天 线识别模式为核心的识别方案，为 uhf rfid 阅读器提高多标签识别的可靠性开 辟了新途径。本文目前的主要研究内容，是提出并从模型研究分析以及实验测试 分析验证了多天线识别模式不仅提高了 uhf rfid 阅读器的识别成功率，提高系 统识别的可靠性，降低了系统中不可靠性因素带来的影响，还可以通过多天线识 别模式中测得的可靠识别率参数为用户提供可对识别结果进行评估的参数 u 值。 未来还有许多方面需要继续深入研究，主要有以下两个方面： 多天线合理部署的规范措施。由于根据多天线优化控制算法，对多天线进 行编号，即为每个天线赋予优先启用级别，因此，优先启用级别越高的天线，应 该优先部署在识别区域内的最佳识别位置，特别是系统中需要首先启动前两个天 线。因此，需要通过更多的理论分析和更多的实验数据来得出一套用于多天线合 理部署的规范措施。 本文提出并定义了可靠识别率参数 u，该参数既用来为用户提供对每次识 别结果进行可靠性评估的参数，也是用于多天线优化算法实现的重要参数。本文 只是验证了可靠识别率 u 值可以反映系统识别结果的可信度，而具体的 u 值大小 如何确定更为准确地对识别结果可信度进行定量评估，还需要通过更多的实验数 据才能得出。比如在不同的应用环境下，可靠识别率参数 u 值达到多少时，才能 够确定本次识别结果被认为是可信的，可以接受的。另外，虽然该可靠识别率参 数是为多天线识别模式的阅读器而提出来的，但是对于更多的单天线阅读器应用， 也可以将该参数的概念应用于其中，使之成为一个普遍而重要的 rfid 阅读器参 数。 致 谢 61 致 谢 在论文完成之际，谨向所有关心和支持我的师长和同学们表示衷心的感谢！ 本文是在指导老师仲元昌教授的悉心指导下完成的，仲老师严谨治学的态度， 诲人不倦高尚的师德以及平易近人的人格魅力对我影响深刻。在论文选题、论证 和开发实验过程当中，每一项都是在仲老师的细心指导下完成的，倾注了仲老师 大量的心血。除了在学业上给了我诸多指导外，仲老师还在生活上给了我极大的 帮助和关怀，在此，谨向仲老师表示诚挚的敬意和衷心的感谢！ 在学术上，我曾得到过通信工程学院的冯文江教授、吴玉成教授等老师，数 理学院荣腾中老师的悉心指导， 还有东方电子 rfid 技术中心的工程师们的技术支 持，另外，还得到了许多同学和朋友的帮助。在此，我深深地向他们致以最真诚 的感谢！ 特别感谢实验室和我一起学习奋斗三年的周冬芹、徐保桂、郭开林、王靖欣、 郭耿涛、黄华同学，不论在学习上还是生活上，我们都曾相互帮助、相互勉励； 特别感谢我的舍友赵巍、李尧尧、刘兴同学，我们一起在 305 宿舍共同度过了快 乐的三年，他们在生活和学习中给予了我极大的帮助和支持，他们待人大方而真 诚的态度，让我深受感动，这段美好的回忆会永远印记在我的心里。 感谢我的家人我的父母和妹妹。没有他们的支持，就不会有我的今天！ 感谢我的母亲含辛茹苦的抚育和无微不至的关怀，感谢我的父亲对我的学业和情 感上的支持和理解，感谢我的妹妹对我的信任和支持。 感谢我的女朋友王佳。从大学一年级到现在，从我考研到读研，都给予了我 极大的帮助和支持，从读大学到我读研究生期间，都没有太多的时间陪伴她，让 我深感内疚。在此，为她对我学业上一如既往的支持与对我无比的信任表示深深 的感激之情。 最后，衷心地感谢在百忙中评审论文和参加答辩的各位专家、教授！ 陈 辉 二 o 一一年四月 于重庆 重庆大学硕士学位论文 62 参考文献 63 参考文献 1 bottani e, bertolini m, montanari r, et al. rfid-enabled business intelligence modules for supply chain optimisationj. international journal of rf technologies, 2009, 1(4): 253-278. 2 sarma s, brock d, engels d. radio frequency identification and the electronic product codej. ieee micro, 2001, 21(6): 5054. 3 angeles r. rfid technologies: supply-chain applications and implementation issuesj. information systems management, 2005, 22(1): 5165. 4 linda c, wanba s f. an inside look at rfid technologyj. tech. manag. innovation, 2007, 2(1): 114128. 5 choi b o, kim c h, kim d s. manufacturing ultra-high-frequency radio frequency 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