（计算机软件与理论专业论文）基于rfid射频识别的室内导盲系统的研究.pdf

摘要 r f i d 技术是近几年研究较为热门的一项技术，它利用了空间耦合的技术， 在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。现时r f i d 的应 用正在逐渐扩大，而且已经使用在固定设备上，更有着趋向成为手持设备的发展； 另一方面社会的高速发展正不断提升国民的生活水平，因此，残障人士的权益也 渐渐受到大众的关注。人生活过程中9 5 的信息是通过视觉获得的，对于生活在 黑暗世界中的盲人，如何安全行走，是其生活中最大的问题，就此问题，本文设 计了基于r f i d 的室内导盲系统，研究是基于r f i d 技术，并运行在智能手机平 台的系统，它不仅可以获得地形和障碍物的距离信息，而且还可以利用智能手机 平台的多媒体功能，向盲人提供更加丰富的信息。 本文首先阐述了基于r f i d 的室内导盲系统的研究意义及其国内外的研究现 状，并介绍了r f i d 技术的概念、历史和现时的应用情况，接着对它的组成、工 作原理、现时标签的协议和标准做了详细的介绍，并把运行平台s y m b i a no s 做 了简单的介绍。 然后提出了系统的总体结构和流程，并对系统所用到的软件和硬件的选择做 出分析，包括工作频率的选定、可以使用的硬件接口的分析，对不同对空协议及 其他属性的标签进行筛选，接着对人机交互平台以及所涉及到的开发、调试和运 行平台的选定。 在软件设计方面，本文设计了以r f i d 技术获取信息，透过蓝牙的串口服务 作为通信的信道，利用s y m b i a no s 解析存放着带有当前信息的x m l 文档，并 通过其多媒体输出对应指令的系统。最后对所设计的基于r f i d 室内导盲系统进 行模拟测试，验证了它的准确性、灵活性、实时性和稳定性。 关键字：r f i d 技术：室内导盲；s y m b i a no s , 蓝牙：x m l a b s t r a c t r f i dt e c h n o l o g yi sap o p u l a rt e c h n i q u ed e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ，w h i c hm a k e s f u l lu s eo fs p a c ec o u p l i n gt e c h n o l o g y i nt h ec o u p l e dc h a n n e l ，e n e r g yt r a n s m i s s i o n a n dd a t ae x c h a n g ea r ed e p e n d i n go nt i m i n gr e l a t i o n s h i p a tp r e s e n t ，t h er f i d a p p l i c a t i o nf i e l di sg r a d u a l l ye x p a n d i n g f u r t h e r m o r e ，r f i di sn o to n l yu s e do nt h e f i x e dd e v i c eb u ta l s oi sa p p l i e do ns o m ep o r t a b l ed e v i c e so nt h eo t h e rh a n d ，a st h e r a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h er i g h t sa n di n t e r e s t so fd i s a b l e dp e o p l eh a v e g r a d u a l l yb e c o m et h ep u b l i cc o n c e m b e c a u s em o r et h a n9 5 i n f o r m a t i o ni so b t a i n e d b yt h ev i s u a l ，h o w t os a f ew a l k i n gf o rt h o s ew h oa r el i v i n gi nt h ed a r ki sb e c o m i n gt h e b i g g e s tp r o b l e m t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sd e s i g n sai n d o o rn a v i g a t i o ns y s t e mb a s e do n r f i dt e c h n o l o g yf o rt h ev i s u a l l yi m p a l e d t h i ss y s t e mi sr u n n i n go nt h es m a r tp h o n e p l a t f o r m ，w h i c hn o to n l yc a na c q u i r et h ed i s t a n c ei n f o r m a t i o no ft h eo b s t a c l ea n d t e r r a i n ，b u ta l s oc a np r o v i d em u c hm o r ei n f o r m a t i o nf o rt h eb l i n db yt h em u l t i m e d i a f u n c t i o no nt h es m a r tp h o n e p l a t f o r m f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n ts t a t eo fi n d o o rn a v i g a t i o ns y s t e mb a s e d o nr f i df o rt h ev i s u a l l yi m p a i r e d i ta l s oi n t r o d u c e st h ec o n c e p t ，h i s t o r ya n dc u r r e n t r f i da p p l i c a t i o n b e s i d e s ，t h et h e s i sa n a l y z e st h er f i dc o m p o s i t i o n s ，t h ep r o t o c o l s a n ds t a n d a r d so ft h et a g ，t h er f i dw o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h er u n n i n gp l a t f o r m - s y m b i a no s s e c o n d l y ，t h i st h e s i sd e s i g n e dt h ea r c h i t e c t u r ea n df l o wo fi n d o o rn a v i g a t i o n s y s t e mb a s e do nr f i df o rv i s u a l l yi m p a i r e d t h et h e s i s a l s oa n a l y z e ss y s t e m s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec h o o s i n g ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo fw o r k i n gf f e q u e n c y ，t h e a v a i l a b l eh a r d w a r ei n t e r f a c e ，t h ep r o t o c o l sa n dp r o p e r t i e so ft h et a g t h e ni td i s c u s s e s a b o u tt h et e s t i n ga n dr u n n i n gp l a t f o r mb a s e do nt h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n p l a t f o r m f o rt h ea s p e c to fs o f t w a r ed e s i g n , t h ep r o p o s e ds y s t e mr e t r i e v e sd a t ab yr f i d t e c h n i q u e ，c o m m u n i c a t e st h r o u g ht h es e r i a ls e r v i c eo fb l u e t o o t hm o d u l e ，d e s i g na p a r s e rt op a r s e st h ex m ld o c u m e n tb ys y m b i a no sa p i ，a n dt h e no u t p u t st h e i n s t r u c t i o nt h r o u g ht h es y m b i a no sm m e f i n a l l y , t h i st h e s i se m p l o y sas i m u l a t i o n t e s t st op r o v et h ea c c u r a c y , f l e x i b i l i t y , s t a b i l i t ya n dr e a l - t i m eo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：r f i d ；i n d o o rb l i n dn a v i g a t i o n ；s y m b i a no s ；b l u e t o o t h ；x m l 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文 中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦| 、1 大学研究生学术活 动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 。7 年月毛日 声明人( 签名) ： 彤穆 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办法 等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交学位 论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书馆及 其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国博士、 硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇 编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( j ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ： 移了年月e t 滓和 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 世界卫生组织估计全世界有盲人4 0 0 0 万到4 5 0 0 万，低视力人数是盲人的3 倍，约1 4 亿人，其中7 5 且f ll 亿多患者可以通过手术及屈光矫正得以恢复或提 高视力，尚有2 5 的低视力患者需要低视力保健，如需配戴助视器及视觉康复仪 笙 q 2 l 寸。 我国曾在上世纪8 0 年代进行过视力残疾状况调查。结果显示，我国有视力 残疾患者近1 3 0 0 万，其中盲约5 5 0 万，低视力约7 5 0 万。1 4 岁以下儿童盲及低 视力的主要病因为先天性遗传性眼病，如先天性白内障、先天性小眼球小角膜、 视网膜色素变性、白化病、视神经萎缩等。6 0 岁以上老年人盲或低视力的主要 病因为白内障。 据报道，我国每年会出现新盲人大约4 5 万，低视力1 3 5 万，即约每分钟就 会出现1 个盲人，3 个低视力患者。如果不采取有力措施，到2 0 2 0 年我国视力 残疾人数将为目前的4 倍，即将达到5 0 0 0 余万【3 】。 对于视力残疾人士来说掌握行走的方式和特性是日常生活的一部份，他们可 以依赖一定的辅助设施，比如在道路上铺设盲人砖、传统的盲杖、加入声波探测 障碍物的电子盲杖，还有其他的盲人导航设备等等，这一切都有它们的优点和缺 点。有调查得出结论【4 j ： 由于缺乏有效的辅助设施和行走技巧，有7 8 的视力残疾人士会限制自己的 活动范围。 4 9 的视力残疾人士会觉得在他们的出行中寻找可行的道路是有困难的，而 有4 0 的人会觉得在乘车时也有同样的困难。 7 2 的视力残疾人士在生活起居上识别物品和设施时有遇到困难，比如公交 站、公共厕所，以及其他生活用品。 8 0 的视力残疾人士觉得，现时所能提供的辅助设施实际上不能满足他们的 活动需要，它们不能给用户提供正确的路径和躲避障碍。 几乎所有的视力残疾人士都希望有一个辅助导航设施可以让他们和正常人 一样的，能确保他们在路上感觉方便和安全。 2基于r f i d 射频识别的室内导盲系统的研究 由此可总结出，视力残疾人士主要的期望是这些辅助设施可以为他们的出行 路线做出适当的规划，而且可以动态地向他们提示出身边的障碍物。对于传统的 盲杖，显然是不可能达到这个要求的，即使是后来演变出来的电子盲杖，虽然加 入了红外传感电子技术和超声波技术，并通过它们的碰撞反射原理，延长了探测 范围，达到用户不需触及障碍物便可以做出判断，但是它并不能给用户一个路径 提示的作用。 另外还有利用全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 技术的导盲系统， 它是依靠天上多个卫星和地面仪器的几何位置，计算出用户的所在坐标，经过计 算和规划，再向用户提供信息，虽然它可以满足以上要求，但是由于卫星和地面 相距长达数万公里，相对于人行距离只是其千万分之一，加上在这几万公里中不 确定的自然现象，可见其精确程度比较难掌握。 当场景移到室内，则以上方法出现的问题就更大了，室内的地型变化比室外 复杂，而且室内只涉及百多米的三维空间，一般基于g p s 地图的绘制都是对于 大面积的区域，并且都是街道图，极少数会有楼房内的电子地图制作，所以在室 内要使用g p s 作导航是难上加难。 有见及此，本研究提出了利用r f i d 技术对导盲系统中的定位方法进行改进， 使得它的精度可以提高，以下列举一些r f i d 技术的优点【5 1 ： 1 读写距离灵活 以r f i d 标签的工作频率，可以分为低频段射频标签、中高频段射频标签和 超高频与微波标签，可以根据需要采用不同频段，使它的读写距离短到几公分， 远至上百米以上。 2 体积小型化、形状多样化 r f i d 在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合载 体的固定尺寸和印刷品质。此外，r f i d 标签更可往小型化与多样化形态发展， 以应用于不同产品。 3 抗污染能力和耐久性 传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但r f i d 对水、油和化学药 品等物质具有很强抵抗性。此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所 以特别容易受到折损，r f i d 标签是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。 4 可重复使用 第一章绪论 现今的条形码印刷上去之后就无法更改，r f i d 标签则可以重复地新增、修 改、删除，r f i d 标签内储存的数据，方便信息的更新。 5 穿透性和无屏障阅读 在被覆盖的情况下，r f i d 能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的 材质，并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡 的情况下，才可以辨读条形码。 6 数据的记忆容量大 一维条形码的容量是5 0 b y t e s ，二维条形码最大的容量可储存2 至3 0 0 0 字符， r f i d 最大的容量则有数m e g a b y t e s 。随着记忆载体的发展，数据容量也有不断 扩大的趋势。未来物品所需携带的资料量会越来越大，对标签所能扩充容量的需 求也相应增加。 7 安全性 由于r f i d 承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不 易被伪造及变造。 1 2 研究工作的目的和意义 中国是世乔上盲人最多的国家，约有9 0 0 万视力障碍或全盲者，占全世界4 5 0 0 万盲人总数的1 5 左右。人生活过程中9 5 的信息是通过视觉获得的。盲人 生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。如何安全行 走，是盲人生活中最大的问题。 除了传统的盲杖和导盲犬，为了提高盲人的生活质量，增加其行走能力，世 界各国一直进行着导盲系统的研制。目前研发成功的导盲系统有：超声波导盲系 统、无线电导盲系统、卫星导盲、盲人电子眼镜、红外线导向灯系统等。 本研究是基于r f i d 技术，并运行在智能手机平台的系统，它不仅可以获得 地形和障碍物的距离信息，而且还可以利用智能手机平台的多媒体功能，向盲人 提供更加丰富的信息。 采用r f i d 技术是基于它以下的优点： 1 可控的读写距离 选定r f i d 标签的工作频率，可以把它的识别距离控制在一定范围里，一方 4 基于r f i d 射频识别的室内导盲系统的研究 面它可以向用户提示是否偏离路径，另一方面可以使它不会干扰到其他室内的仪 品，例如在医院或研究所中，都存放着大量灵敏的器材。 2 体积小、形状灵活多变 r f i d 在标签上不受尺寸大小与形状限制，不需为了读取精确度而配合载体 的固定尺寸。此外，r f i d 读取的天线更可因应读取距离和载体形状而特别设计， 以应用于不同产品。 3 抗污染能力和耐久性 r f i d 标签对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。而且，由于r f i d 标签是将数据存在芯片中，因此可以免受污损。 4 可多次擦写 r f i d 标签可以多次新增、修改、删除，这些数据都是存放在r f i d 标签内， 管理者可以因情况的改变而更新信息。 5 穿透性阅读 因为它的穿透性阅读能够穿透纸张、木材和塑料等非金属材质，并能够进行 穿透性通信，所以可以把r f i d 标签放在其他材质之中或以下，以为防止受到磨 损或破坏。 ，6 数据的记忆容量大 因为r f i d 标签可以存放大量数据，最大的容量可达数m e g a b y t e s ，而且还 有不断扩大的趋势，所以它可以把附近地形和障碍物的距离信息都存在其中，令 系统除了协助用户闪避障碍物外，还可以做到导盲的作用。 本研究所描述的基于r f i d 的视力残疾人士室内导航系统，可以通过嵌在生 活用品的读卡器，阅读固定在地面上存有坐标及周边可行点信息的标签，正确地 获取用户的当前位置及下一步的策略，并选取适合的己预录制提示语音，经耳机 播放给用户，以达致安全快捷地引领用户到达目的地的目标。 1 3 射频i 只n ( r f i d ) 导航的国内外研究现状 r f i d 导航是一个比较新的概念，现在世界各地都还在研究或试验阶段，而 且一般都是以室外的为主。 现时欧盟资助了一项研究计划，旨在为盲人开发基于r f i d 的道路指示，属 第一章绪论 5 于s e s a m o n e t 计划的一部分。目前一个1 0 人的专家组正在测试意大利的三条 试验道路。 盲人在行走时，需要使用特殊设计的导盲杖。导盲杖中嵌入r f i d 识读器， 可以识别道路上埋设的r f i d 标签。标签上的标识信息通过无线连接传输到口袋 中的迷你计算机，计算机可以计算行人的位置。行路帮助信息转换为声音符号， 盲人可以通过耳机听到这些声音。通过声音的帮助，可以保证盲人一直处于道路 的中央行走。 在交叉路口，类似的系统帮助避免事故的发生，即通过发送激活通过信号来 给过往人员和车辆示意有人将要过马路，保障盲人安全。 这条嵌满r f i d 芯片的道路长2 千米。随着该网络的不断扩展，还可提示居 民可选的道路，甚至会引导他们到达规定的目的地。由于智能手机中存储的地图 需要从中央数据库进行更新，操作者可以随时更改信息来标识意外的障碍如某一 建筑物【6 j 。 在日本有一个研究，他们也是利用r f i d 技术导盲，但是他们是把读写器放 在身上，并不利用盲杖，而消息的反馈是透过套在手指上的传感器，他们把这些 套在手指上的传感器模拟盲人用的凸字，把消息以文字的方式传给用户忉。 泰国的研究是一个利用g p r s 技术向服务器查询最近路径的系统，对于室内 引导来说，因为每次的提示相隔应该比较短，所以如果透过网络处理的话，可能 会需要时间上的等待引。 而我国亦有相关的研究，中科大的这项户外系统的研究，提出了丰富的标签 信息，例如建筑物、公交站、其他的生活设施的信息，而且标签还分为引导标签 和信息标签，还有专门是横过马路的提示标签，不过它也是基于网络的数据库方 式查询的，所以在室内使用比较不方便【4 】。 1 4 本论文的创新点 本论文一共有两个创新点： 一、系统中利用到r f i d 技术获取用户所处位置的信息，因为r f i d 的识别 范围比较小，所以它所造成的误差则更少，加上它不受环境的影响，所以准确性 更高。 6 基于r f i d 射频识别的室内导盲系统的研究 二、在s y m b i a no s 平台上透过蓝牙信道读写r f i d 设备，并由系统直接解 析和处理x m l 文件，在获取速度上比利用g p s 导航为快，尤其是在室内使用， 因为地形的变化较快，所以实时性是十分重要，而且能在无线网络相对较弱的室 内或郊区环境下，更能保证获取信息的稳定性。 最后，由于r f i d 标签的可重写性，即使路径上有任何改变，也可以即时做 出更改，令系统拥有更大的灵活性。 1 5 本论文的工作和内容 在本课题的研究工作中，通过对r f i d 读卡器对其标签进行读写的方法和原 理的熟悉，并在掌握了s y m b i a no s 的设计和c a r b i d e c + + 编程，设计了基于r f i d 射频识别的室内导盲系统。本文的具体内容安排如下： 第一章绪论。通过比较，阐述了利用r f i d 技术导盲的优点，并介绍了设计 基于r f i d 射频识别的室内导盲系统的目的和意义，同时概括了基于r f i d 射频 识别的室内导盲系统的国内外研究现状，以及本课题的创新点和本论文的内容安 排。 第二章r f i d 技术的原理和s y m b i a no s 的介绍，首先介绍了r f i d 技术的 背景知识，并阐述了它的工作原理和协议标准，最后对s y m b i a no s 进行了简单 的介绍。 第三章基于r f i d 的室内导盲系统的总体结构设计，对工作频率的选定、硬 件接口的规范、标签的标准协议、人机交互终端、以及运行和开发的平台都做出 了详细的说明。 第四章基于r f i d 的室内导盲系统的软件设计，本章将系统的详细设计分成 四个部份，包括蓝牙通信、r f i d 读写、x m l 解析以及多媒体播放四个模块，每 小节都展示了该模块的设计框架，并附以其运作的流程。 第五章测试及结果分析，本章提出三个测试方法来测试其中两个模块和整体 功能，以验证所设计系统的可行性和各个性能。 第六章总结与展望。 第二章r f i d 技术简介与原理和s y m b i a no s 的介绍 7 第二章r f i d 技术简介与原理和s y m b i a no s 的介绍 本章首先介绍了r f i d 技术的产生、发展、分类和应用，接着是它的各个的 组成部分及工作的基本原理，最后对系统运行的平台s y m b i a no s 做一个简单的 介绍。 2 1r f i d 技术简介 2 1 1r f i d 的基本概念 无线射频识别技术( 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( 应答器，t a g ) 和阅读器( 读 写器，r e a d e r ) ；在r f i d 的实际应用中，电子标签附着在被识别的物体上( 表面 或内部) 。当带有电子标签的被识别物品通过其可识读范围时，阅读器自动以无 接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出来，从而实现自动识别物品或自动 收集物品标志信息的功能。读写器系统又包括读写器和天线，有的读写器将天线 和读写器模块集成在一个设备单元中【9 】。 由上可见，为了完成r f i d 系统的主要功能，r f i d 系统具有两个基本的构 成部分即电子标签( t a g ) 和阅读器( r e a d e r ) 。此外，为了更好地完成无线射频识 别技术的识读功能在较大型的r f i d 系统中，还需要用到中间件等附属设备来 完成对多读写器( 可以是不同厂家的产品) 识别系统的管理。 2 1 2r f i d 的发展历史 在1 9 2 2 年，诞生了雷达( r a d e r ) 。作为一种认别敌方空间飞行物( 飞机) 的有 效兵器，雷达在第二次世界大战中发挥了重要的作用，同时雷达技术也得到了极 大的发展。至今，雷达技术还在不断发展，人们正在研制各种用途的高性能雷达。 r f i d 技术是直接继承了雷达的概念，并由此发展起来的一种新的自动识别 技术。1 9 4 8 年，哙里斯托克曼( h a r r ys t o c k m a n ) 发表的“利用反射功率的通信 8 基于r f i d 射频识别的室内导盲系统的研究 奠定了r f i d 的理论基础成为r f i d 理论领域的不朽之作。 在过去的半个多世纪里，r f i d 的发展经历了以下几个阶段，如果按照1 0 年 为一时期，可以划分如下1 9 1 ： 1 9 4 l 1 9 5 0 年雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技 术的理论基础。 1 9 5 1 一1 9 6 0 年早期r f i d 技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1 9 6 1 一1 9 7 0 年r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1 9 7 卜1 9 8 0 年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，并出现了一些最早的r f i d 应用。 1 9 8 1 1 9 9 0 年r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。 1 9 9 1 - - 2 0 0 0 年r f i d 技术标准化问题日趋得到重视，r f i d 产品得到了广泛 应用r f i d 产品逐渐成为人们生活中的一部分。 从2 0 0 1 年至今，r f i d 标准化问题日趋为人们所重视。r f i d 产品种类更加 丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到了发展，电子标签 成本不断降低，规模应用行业不断扩大，r f i d 技术的理论得到了丰富和完善。 单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、 适应高速移动物体的r f i d 正在成为现实。特别是世界头号零售商沃尔玛宣布大 范围使用r f i d 和美国军方宣布军需物品均使用r f i d 来进行识别与跟踪，极大 地推动了r f i d 的研究与应用。 2 1 3r f i d 的分类方法 根据射频识别系统的系统特征，可进行多种分类如下【1 3 】： 1 根据标签的供电形式分为有源系统和无源系统 射频标签可分为有源的和无源的两种。有源射频标签使用标签内电池的能量 让识别距离较长，可达几十米甚至上百米，但是它的寿命有限并且价格较高；标 签由于带有电池，因此，有源标签的体积比较大，无法制作成薄卡( 比如信用卡 标签) 。无源射频标签不含有电池，利用耦合的读写器发射的电磁场能量作为自 己的能量，它的重量轻、体积小，寿命可以非常长，很便宜，可以制成各种各样 的薄卡或挂扣卡：但它的发射距离受限制一般是几十厘米到几十米，且需要有 较大的读写器发射功率。 第二章r f i d 技术简介与原理和s y m b i a no s 的介绍 9 2 根据标签的数据调制方式分为主动式、被动式和半主动式 根据调制方式的不同可分为主动式、被动式和半主动式。一般来讲，无源系 统为被动式，有源系统为主动式。主动式的射频系统用自身的射频能量主动地发 送数据给读写器，调制方式可为调幅、调频或调相、被动式的射频系统，使用调 制散射方式发射数据，它必须利用速写器的载波来调制自己的信号，在门禁或交 通的应用中适宜。 此外，还有半主动的r f i d 系统。所谓半主动标签系统也称为电池支援式反 向散射调制系统。半主动标签本身也带有电池，只起到对标签内部数字电路供电 的作用，但是标签并不通过自身能量主动发送数据，只有被阅读器的能量场“激 活时，才通过反向散射调制方式传送自身的数据。 3 根据标签的工作频率可以分为低频、高频及超高频和微波系统 读写器发送无线信号时所使用的频率被称为r f i d 系统的工作频率，其本上 划分为四个主要范围：低频( 3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( 3 3 0 m h z ) 和超高频( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 以及微波( 2 4 5 g h z 以上) 。低频系统一般工作在1 0 0 5 0 k h z ，常见的工作频率有 1 2 5 k h z 、1 3 4 2 k h ：高频系统工作在1 0 1 5 m h z 左右，常见的高频工作频率为 1 3 5 6 m h z 超高频工作频率为8 5 0 9 6 0 m h z ，常见的工作频率为9 1 5 m h z ；微波工 作在2 4 5 g h z 的微波频段。低频系统用于短距离、低成本的应用中，如多数的 门禁控制、动物监管、货物跟踪；高频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应 用；超高频系统应用于需要较长的读写距离和较高的读写速度的场合，如火车监 控、高速公路收费等系统。 4 根据标签的可读写性分为只读、读写和一次写入多次读出卡 根据射频标签内部使用存储器类型的不同可分成三种：可读写卡( r w ) 、一 次写入多次读出卡( w o r m ) 和只读卡( r o ) 。r w 卡一般比w o b m 卡和r o 卡贵， 如信用卡等。w o r m 卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变， w o r m 卡比r w 卡要便宜。r o 卡存有一个惟一的号码i d ，不能修改，这样具 有较高的安全性，r o 卡最便宜； 只读标签内部有只读存储器( r e a do n l ym e m o r y , r o m ) 和随机存储器 ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y , r a m ) 。只读标签的r o m 中存储有标签的标识信息， 这些信息可以在标签制造过程中由制造商写入r o m 中，也可以在标签开始使用 时由使用者根据特定的应用目的写入特殊的编码信息。这种信息可以只简单地代 1 0基于r f i d 射频识别的室内导盲系统的研究 表二进制中的“o 或“l ，也可以像二维条码那样，包含复杂的相当丰富的信 息。但这种信息只能是一次写入，多次读出。只读标签中的r a m 用于存储标签 反应和数据传输过程中临时产生的数据。另外，只读标签中除了r o m 和r a m 外，一般还有缓冲存储器用于暂时存储调制后等待天线发送的信息。 可读可写标签内部的存储器除了r o m 、r a m 和缓冲存储器之外，还有非活 动可编程记忆存储器；这种存储器除了存储数据功能外，还具有在适当的条件下 允许多次写入数据的功能。非活动可编程记忆存储器有许多种，e e p r o m ( 电可 擦除可编程只读存储器) 是比较常见的一种，这种存储器在加电的情况下，可以 实现对原有数据的擦除以及数据的重新写入。 2 1 4r f i d 的应用领域 射频识别技术在国外发展得很快，r f i d 产品种类也较多，它被广泛应用于 工业自动化、商业自动化，交通运输控制管理等众多领域【9 】【1 4 】： 1 高速公路自动收费( a v i ) 及交通管理 高速公路自动收费系统是r f i d 技术最成功的应用之一。目前中国的高速公 路发展非常快，地区经济发展的先决条件就是有便利的交通条件。而高速公路收 费却存在一些问题，一是交通堵塞，在收费站口许多车辆要停车排队，这已成为 交通瓶颈，。r f i d 技术应用在高速公路自动收费上，能够充分体现它非接触识别 的优势，让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费。 2 门禁保安 将来的门禁保安系统均可应用射频标签，一卡可以多用，比如工作证、出人 证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等，其目的都是识别人员身份、安全管理、 进行收费等。其好处是简化了出入手续，提高了工作效率，安全保护；出入口有 一台读写器，只要人员佩戴了封装成i d 卡大小的射频标签，出入时读写器可以 自动识别身份，人员非法闯入时会有报警。安全级别要求高的地方，还可以结合 其他的识别方式，将指纹、掌纹或额面特征存入射频标签。 3 r f i d 卡收费 目前的收费卡多用磁卡、i c 卡，随着射频标签技术的发展，射频标签也开始 抢占市场，其原因是在一些恶劣的环境中，磁卡、i c 卡容易损坏而射频标签 则不易磨损，也不怕静电及其他情况。同时，射频标签使用起来很方便、快捷， 第二章r f i d 技术简介与原理和s y m b i a no s 的介绍 l l 甚至不用打开包，在读写器前摇晃一下，就完成了收费。 4 生产线自动化 在生产流水线上用r f i d 技术，可以实现自动控制、监视，提高生产率，改 进生产方式，节约成本。工厂可以在装配流水线上应用射频标签，以便大量地生 产用户定制的产品。产品的生产是基于用户提出的要求式样而生产的。用户可以 从上万种内部和外部选项中选定自己所需要的颜色、型号还有形状式样。这样一 来，装配流水线上就得装配上百种式样的产品，如果没有一个高度组织的、复杂 的控制系统，就很难完成这样复杂的任务。 5 仓储管理 将r f i d 系统用于智能仓库货物管理，r f i d 系统能完全有效地解决了仓库 里与货物流动有关的信息管理。它不但增加了一天内处理货物的件数，还能及时 掌控这些货物的一切信息，读写器和天线都放在叉车上，每个货物都贴有射频标 签所有条码信息都被存储在仓库的中心计算机里，该货物的有关信息都能在计 算机里查到。当货物被装走运往别地时，由另一读写器识别并告知计算中心它被 放在哪个拖车上。这样管理中心可以实时地了解到已经生产了多少产品和发送了 多少产品，并可自动识别货物，确定货物的位置。 6 汽车防盗 汽车防盗是r f i d 较新的应用。由于已经开发了足够小的射频标签，所以含4 有特定码字的射频标签能够封装到汽车钥匙当中。在汽车上装有读写器，当钥匙 插人到点火器中时，读写器能够识别钥匙的身份。如果读写器接收不到射频标签 发送来的特定信号，汽车的引擎将不会发动。利用这种电子验证的方法，汽车的 中央计算机就能容易地防止短路点火。 7 防伪 将射频识别技术应用在防伪的领域有它自身的技术优势，防伪技术本身要求 其成本较低但是却很难伪造。射频标签的成本就相对便宜，而芯片的制造需要 有昂贵的芯片工厂，使伪造者望而却步。射频标签本身具有内存，可以存储、修 改与产品有关的数据，利于销售商使用；而且它体积十分小，便于产品封装。 建立严格的产品销售渠道是防伪问题的关键。利用射频识别技术，厂家、批 发商、零售商之间可以使用惟一的产品号来标识产品的身份。 8 电子物品监视系统 1 2 基于r f i d 射频识别的室内导盲系统的研究 利用电子物品监视系统( 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 ，e a s ) 的目的是防止商 品被盗窃，系统是基本配置的r f i d ，内存容量仅为1 比特，即开或关。系统包 括贴在物体上的射频标签和商店出口处的扫描器。射频标签在安装时被激活，它 在激活状态时接近扫描器将会被探测到这样就会报警；e a s 系统已被广泛使 用，据估计每年消耗约6 0 亿套。 9 畜牧管理与动物识别 这个领域的发展起步于赛马的识别是将小玻璃封装的射频标签植于动物皮 下，从而提供赛马的识别功能。动物识别不仅可以追踪动物的种群的踪迹，还可 以防治疾病与疫情，保证肉类食品的健康与安全。 1 0 火车和货运集装箱的识别 在火车运营中使用r f i d 系统有一个很大的优势，就是火车是按既定路线运 行的，所以肯定要通过设定的读写器的地点。通过读到的数据，能够得到火车的 身份、监控火车的完整性。起初的致力于用超音波和雷达测距系统读出车厢侧的 条码，现在被r f i d 系统取代。射频标签一般安在车厢顶边，读写器安在铁路沿 线，这样就可得到火车的实时信息及车厢内装的物品信息。 1 1 运动计时 在马拉松比赛中，由于马拉松比赛人员太多，有时第一个出发的与最后一个 出发的人离开起跑线能相隔4 0 m i n ，如果没有一个精确的计时装置会造成不公平 的竞争。比赛时，运动员在自己的鞋带上系上射频标签，在比赛的起跑线和终点 线处放置带有微型天线的小垫片，当运动员越过此垫片时，计时系统接收运动员 所带的射频标签发出的i d 号，并记录当时的时间，这样每个运动员都有自己的 起始和结束时间，因此就没有不公平了。 1 2 在军事物流上的应用 伊拉克战争期间美英联军在军用物品的管理和医院伤病员、战俘、平民等 的管理上都采用r f i d 管理。受战争检验效果的鼓舞，美国军方宣布，在不久的 将来，美国军方所有物资除了散料与液态物资之外，全部需要采用r f i d 来进行 管理。 第= 覃r f i d 技术苘舟与壕理和s y m b i a n o s 的舟g 2 2r f i d 系统组成及工作原理 2 2 1r f i d 系统组成 可以把一个标准r f i d 系统分为以下组件，包括r f i d 标签、读写器、天线 和中间件【i o l 。 2 2 1 1r f i d 标签 p a v l d 标签是射频识别系统中的重要部件，也是射频识别系统的显著标志， 每一个被标记的物品都有一个射频标签，每个标签都有一个独立的代码，它使得 在全球范田内追踪物品成为可能。无源射频标签从结构上讲，均包含天线和芯片 两个部分，困工作频率和应用场合的不同，具有不同的结构和封装形式，其具体 的工作方式也有很大差异。 2 2 1 2 读写器 图2 lr f i d 标签 读写器是r f i d 系统的关键终端。它通过天线向标签发送射频调制信号，同 时通过天线接收从标签返回载有信息的射频调制信号，经处理后传给中间件。一 个典型的读写器终端由发射单元、接收单元、信号处理控制单元和电源等部分组 成，标准读写器的工作模型如图2 - 2 所示。读写器主机通常包括以下三个模块： 射频通道模块、控制处理模块和i o 接口模块。 基于r f d 射频* 别的室内导盲幂统的研究 图2 - 2 标准读写器的工作 ( 1 谢频通道模块 射频通道模块是读写器的前端，也是影响其成本的关键部分。射频通道模块 通常完成控制处理模块送来的控制命令的运行，向r f i d 标签发送数据的载波调 制，以及对回波信号进行解调处理，并将处理后的回波基带信号送到控制处理模 块。射频通道模块的组成一般包括以下主要内容： 频率源电路：用于产生读写器的载波信号； 调n 解调电路：用于实现基带信号载波发送与接收的调制与解调； 功率放大电路：用于实现将发送到天线的射频信号放大到足够的功率电平： 单天线收发分离电路：用于实现读写器发送与接收射频通道的分离； 信号放大、滤波、整形处理电路：用于处理解调后的回波信号； 收发控制电路：用于控制射频的输出功率及多天线系统的功率分配。 f 2 1 控制处理模块 控制处理模块是读写器的智能单元。其主要功能包括实现发送到r f l d 标签 的命令的波形编码、回波信号的解码、差错控制、读写命令流程控制等；同时也 起到发送命令缓存接收数据缓存的作用。与后端应用程序之间的接口协议的实 现，i o 控制等也由控制处理模块完成。控制处理模块的组成一般包括以下主要 内容： c p u 或m p u ( 嵌入式微处理器，即单片机) ：智能处理单元，内装嵌入程序； c p u 或r f i d 外围接口电路；为c p u 或m p u 提供必要的存储区、中断控制 器、i o 信号与i o 接口控制信号等： 信号处理、缓存等处理电路：对发送命令、接收回波信号进行编码、解码、 缓冲存储等： 嘲豳圈 翮篱一 第二章r f i d 技术简介与原理和s y m b i a no s 的介绍 1 5 时钟电路、看门狗电路：为c p u 或m p u 提供工作时钟以及系统自恢复功能： 其他控制与接口电路：根据系统设定的功能，实现相应的控制与接口预处理 由莹 号宁o ( 3 ) g o 接口模块 i o 接口模块用于实现读写器与外部传感器、控制器以及应用系统主机之间 的输入与输出通信。常用的i o 接口有： r s 2 3 2 串行接口：计算机流行的标准串行通信接口，可实现双向数据传输。 优点是接口标准、通用、流行，缺点是传输速度与传输距离受限； r s 4 2 2 4 8 5 串行接口；标准串行接口，支持远距离通信，标难传输距离1 2 0 0 m 。 采用差分数据传输模式，抗干扰能力较强。通信速度范围与r s 2 3 2 相同： 标准并行打印接口：通常用于为读写器提供外接打