基于RFID的会议报到系统的设计.doc

基于rfid的会议报到系统的设计第3l卷第7期2005年7月电子工蠢师electronicengineervo1.3lno.7ju1.2005基于rfid的会议报到系统的设计程晓莉,方少元(华南理工大学电子与信息学院,广东省广州市510640)【摘要】研究和设计了一种基于射频识别(rfid)技术的会议报到系统.此系统利用rfid技术,可以实现对大中型会议的人员简单快速地自动签到和会议数据统计处理功能,从而大大提高了会议管理的工作效率.文中首先介绍了会议报到系统的基本功能和组成,然后对系统重要组成部分rfid卡的天线进行设计,制作和测试,最后实现以delphi6.0为开发平台,利用串口通信和ac.tess数据库的可视化控制管理软件.关键词:射频识别,会议自动报到,rfid卡,微带天线中图分类号:tp2740引言1rfid系统传统的大型会议报到管理是靠人工签到来完成的,不仅效率低,出错率高,统计工作量大,而且对到会人员的认证也比较复杂.因此.需要一种智能的会议报到系统,提高会议管理的工作效率.rfid(射频识别)技术的快速发展给会议报到智能化系统带来了可能性和可行性.会议报到系统是结合rfid技术,网络技术和投影技术的一种智能会议管理系统,实现大型会议实时显示到会人员的报到情况,完成快速统计会议数据,查询等功能,可大大提高会议管理的效率.当前,国内外某些公司已尝试开发了应用rfid技术的会议报到系统,使签到过程简单,方便,快捷,准确.有些完善的系统已经被试用于省人民代表大会,政协会议或其他机关和企业的大型会议中,获得了很好的评价.但目前研制成的会议报到系统,一般是实现近距离的rfid功能,即阅读器的识别范围为10cm15cm.会议人员进入会议现场,必须持卡靠近阅读器才能完成报到过程.对于大型会议,到会人员可能要排队进行签到,造成一定的不便和低效率.因此,远距离的自动识别报到系统更适合应用于大型会议.本文研究和设计的会议报到系统是利用高频段(915mhz)的rfid技术,可以实现远距离(5m10m)的人员自动签到功能.在该系统中,参加会议的人员每人携带一张rfid卡,当到达会议场所时,人口附近的阅读器便能够快速地识别出每张rfid卡,并将该到会人员的基本资料投影到大屏幕上,从而实现实时显示会议报到情况.收稿日期:2005-03.16?68?1.1rfid技术的特点rfid是用无线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的一项新技术j.它主要与当今数字化商务相适应,可以实现自动识别和远程监控及管理.其通信距离范围可从几厘米到几十米,而且依据读写方式不同,可以输入几千字节的数字信息,具有极高的保密性.frid技术的环境适应性强,可全天候,无接触地完成自动识别,跟踪和管理功能,且穿透能力和抗干扰能力强.因此,rfid技术已在世界各地得到广泛应用,如工业自动化,商业自动化,交通运输控制管理等众多领域.1.2rfid系统的组成和工作原理一个典型的rfid系统由阅读器,应答器(即rfid卡)和中央管理控制软件组成.阅读器是产生射频信号及高频能量来激活rfid卡片工作,并与卡片进行数据交换的设备.应答器(rfid卡)的核心是含有一定存储容量的芯片,用于存储被识别物体的信息,它在接收并调制反射高频信号时达到与阅读器相互识别和通信的目的.中央管理控制软件主要是收集阅读器的信息,根据具体应用进行相关的数据处理.rfid系统分为有源和无源两类.有源rfid卡由电池提供能量,而无源rfid卡不用电池,由接收到的阅读器发射的高频信号转换成直流来提供工作能量.无源rfid卡的工作原理如下.当处于工作状态,即进入阅读器的辐射能量场,卡片上的天线接收到射频信号,然后由能量处理电路中相关的整流器件将射频检波,整流转化为直流电压,为rfid卡上的芯片第31卷第7期程晓莉,等:基于rfid的会议报到系统的设计?计算机与自动化技术?提供工作能量.芯片内部的调制器以一定的调制方式(幅移键控),将芯片内部的信息进行调制,然后通过天线发射出去.阅读器的接收天线接收并识别出调制信息后,按约定的解调方式进行解调,然后把解调的信息通过相关的接口(rs.232)传送到主机的中央管理软件进行数据处理.2会议报到系统的特点和组成2.1会议报到系统的主要特点a)报到过程简单,快速;b)实时显示会议人员的报到情况;c)完善的信息查询,数据统计处理.2.2会议报到系统的组成本系统主要由阅读器,rfid卡,pc主机等部分组成.pc主机是中央控制部分,主要完成对阅读器的控制,与阅读器进行数据通信,利用数据库对会议信息进行储存,处理,查询等,并连接网络,以便进行远程监控和管理.2.2.1硬件部分1)阅读器本系统的阅读器采用美国transcore公司smartpassii1650阅读器,可以工作于超高频(868mhz915mhz)和微波波段(2.45ghz).该阅读器包括915mhz频率的射频模块,数字处理器,电源供应器和天线.其特点是:射频范围广,阅读距离远,可达10ill以上;识别rfid卡的速度快;具有防冲撞功能(可同时读取50张rfid卡).2)rfid卡本系统采用无源frid卡,由一个电子数据处理,存储设备(通常是单个的微小芯片)和实现天线功能的大面积环绕线圈组成.芯片采用intellitag500,frid卡的存储容量为1kb,以8bit(即1b)作为编址和读写操作单元.2.2.2软件部分管理控制软件是会议报到系统的中心部分,用于控制阅读器的工作模式,与阅读器进行数据通信,并管理会议数据库,进行远程监控等.以delphi6.0为开发平台,利用串口通信和access数据库来实现软件功能.3rfid卡rfid卡由天线,阻抗变换线和集成电路3部分组成.天线部分负责射频信号的接收和反射调制信号;阻抗变换线用来实现天线与负载的匹配;集成电路包括存储器,射频选择和能量处理3部分.本文是对天线部分进行研究和设计.在设计中,天线部件采用对称阵子微带天线.常用的微带天线是在一个薄的介质片上,一面附上金属薄片层作为接地板,另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片,利用微带线或同轴探针对贴片馈电.微带天线以其体积小,重量轻,易于集成制造等特点在电磁领域得到了广泛应用,而且更加适合使用于rfid系统中.rfid系统中常用的微带天线有矩形微带天线,圆形微带天线,易于实现线极化和圆极化.3.1对称阵子天线对于实际使用的大多数天线,因其电尺寸与波长可比拟,所以不能应用电流元的公式来计算辐射场.此时辐射场的计算,严格说来应该根据其特定的边界条件求解麦克斯韦方程组的解.但是这种严格解法数学计算相当复杂,所以工程上大多采用近似方法.近似法中的等效传输线法,把对称天线认为是由开路的双线传输线张开而成,因此,在计算天线的辐射场时,天线上的电流可近似为按正弦分布.其电流分布表示为:,f,msin卢(zz)0zz1z/一l,msinj8(z+z)一zz0式中:,m为天线上波腹点的电流;z为振子一臂的长度;=2-rr/a为相移常数;a为自由空间的波长.在分析计算对称振子的辐射场时,可以把对称振子看成是无数个电流为,(z),长度为(iz的电流元串联而成,得到对称振子的辐射电场强度的近似值:e:j60im监1_e-.rsin0式中,括号内的一项称为对称振子的方向函数,用.厂(0)表示,即l9,:旦旦二旦竺,.sin0则iei:601mf()r3.2rfid卡的设计与制作设计时一般选用半个波长的天线.在近于半个波长时,天线处于谐振状态,输入阻抗接近实数,此时天线的效率较高,辐射和接收电磁波的能力较强,并且易于实现阻抗匹配.因为半波对称振子(1/a=0.25,即天线半长度为波长的1/4)的天线形状简单,辐射方向性好,垂直于振子轴线的方向,且方向图比较尖锐.天线的输入电阻一般为50q,所以本设计选择半波振子作为rfid卡的微带天线的基本形状.在半波振子天线的馈电处添加一段移相线,以达到更好的匹配.?69?计算机与自动化技术?电子工毽师2005年7月frid卡的工作频率为915mhz,根据波长公式得:a=号=_32.8(cm)7?l半波振子天线的长度为:z=a/4=8.2(cm).3.2.1设计和仿真rfid卡的设计和仿真使用美国awr(微波应用研究)公司的微波电路设计软件微波工作室(microwaveoffice2001).基于半波对称振子天线的基本特点,本文设计和研究了两种不同形状类型的微带天线,如图1和图2所示.图1天线1的形状图2天线2的形状天线1中间几字形是移相线,作用是使天线和芯片调制负载达到更好的匹配效果;两端对称的微带是半波对称振子天线,主要是接收和反射射频信号;移相线右端与天线相接的端口1是馈点,用以焊接芯片,调制负载匹配的功能.天线的尺寸如表1所示.表1天线的长度尺寸cnl用microwaveoffice软件仿真散射参量s参量.s是由归一化人射波电压和归一化发射波电压来定义的,是微波网络中应用最多的一种主要参量.如图3所示.频率扫描间隔为0.05ghz.从图3可看到,天线1和天线2的散射参量.s在915mhz左右都有一个波谷,说明在915mhz附近谐振.天线l波谷峰值较大,说明吸收性能比天线2好,频带也较宽.但天线2的|s曲线比较陡,滤波性较好.?7o?(b)天线2图3天线散射参量仿真图3.2.2rfid卡制作和测量天线基板采用厚度为1.5mm的单面覆铜板,为8cm5cm,其相对介电常数为2.55.基板选用覆铜板有利于降低rfid卡的制作成本.介质材料是玻璃纤维.用fec1溶液把铜面腐蚀成天线的形状,最后在天线馈点处焊接上芯片,制成一个rfid卡.用smartpassli1650阅读器对rfid卡分别在室内和室外进行了测试.室内是大约7m4m的封闭实验室,室外是空旷的天台.阅读器都是安装在距地面3m高的位置,天线面稍向下倾斜30.左右,使卡片天线的辐射极化方向可以获得最大的接收功率.测试结果如表2所示.表2天线最大阅读距离测试数据从表2可看到,卡片的最大阅读距离在室内比室外大.这是由于室内是封闭的,四周墙壁和桌子等环境因数对辐射能量及信号起一定的反射作用,而天台空旷,除了地面,几乎没有反射,所以在某个距离点上室外的电磁场强度要低于室内.天线2比天线j的阅读距离远.但对比两种天线的散射参量.s仿真图,看到天线1在915mhz时的吸收性能比天线2好.说明第3l卷第7期程晓莉,等:基于rfid的会议报到系统的设计?计算机与自动化技术?吸收系数大的天线并不是最佳效果的天线.因为rfid卡工作的基本原理是负载反向散射调制原理,天线接收射频信号的同时,发射调制信号,所以在谐振频率处的s大反而影响反射调制信号功率,使rfid卡的阅读距离更短.因此,在设计制作天线时必须考虑吸收功率和反射功率之间的平衡,以提高rfid卡的实际阅读距离,达到系统的要求.4会议报到管理控制软件的实现4.1系统软件功能特点系统的中央管理控制软件是会议报到系统的中心,以控制阅读器和rfid卡的工作状态,以及进行会议数据统计处理等.主要特点是:界面简单美观,易于操作控制;通过串口通信协议,实现对阅读器的控制与数据传送;会议信息的录人简单方便,维护性和保密性好;快速统计处理会议数据;完善的会议资料查询功能等.系统软件主要用delphi做开发工具;access数据库用于会议信息的存储和查询;串口通信控件实现主机控制阅读器的工作模式,并与阅读器进行数据交换.4.2系统软件的功能模块系统软件主要包括:用户登录模块,实时报到显示模块,阅读器控制模块,数据库管理模块,数据统计处理模块,如图4所示.丽型ll.笙控制.1兰一l竺堡堡i实时报到显示模块图4系统管理控制软件的模块图用户登录模块用来检验用户的权限,维护系统的安全性;阅读器控制模块主要通过串口通信控件来实现主机对阅读器的控制以及数据交换的功能;数据库管理模块是应用access数据库进行会议信息的存储,修改,查询,维护等,保证数据的完整性和可靠性,而且便于录人查询工作;实时报到显示模块是结合投影技术,把阅读器和获取的rfid卡信息迅速通过数据库查询配对,得到相应的会议人员信息资料,并将其显示在屏幕上,便于会场人员了解到会人员的现场情况;数据统计模块是对会议人员的出席,缺席数据进行统计和处理,并将其存人数据库,需要时制成报表和打印.5结束语会议报到系统是应用rfid技术的特点实现会议报到管理的自动化和智能化.由于阅读器的功能强大,结构复杂,技术要求高,设计难度大,因此,本文的工作只是对rfid卡和管理软件进行研究和设计.本文研究设计以半波对称振子为基础的rfid卡的微带天线,并对其s散射参量进行仿真和实际测试,比较分析了测试结果.对天线的设计是尝试性的,虽然基本达到系统设计要求,但不是非常理想.用delphi开发的会议报到系统软件基本实现了系统要求.但应用的是microsoftaccess数据库,存储处理数据量较小,进一步改进可以用sqlserver或oracle的大型数据库,以满足大型会议的需要.参考文献1张铎.自动识别技术.中国物资流通.2001,(19):22252沈宇超,沈树群.射频识别技术及其发展现状.电子技术应用,1999,25(1):453finkenzellerk.射频识别(rfid)技术.陈大才,编译.北京:电子工业出版社,20014李绪益.电磁场与微波技术(下册).广州:华南理工大学出版社.2000designofmeetingregistersystembasedonrfidchengxiaon,fangshaoyuan(southchinauniversityoftechnology,guangzhou510640,china)【abstract】ameetingregis