（控制理论与控制工程专业论文）基于rfid技术的智能图书馆系统.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 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 ，无线射频识别) 技术是自动识别技术的一种高级形 式，它利用射频信号通过空间藕合实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别的 目的。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、读取距离远、标签上数据可以加密、存储数据容量大、存储信息更改自如等 优点，已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一，是一种市场前景和应用规模巨大的高 新技术。 本文首先介绍了r f i d 技术在国内外的发展及现状，总结了r f i d 技术在图书馆系统 中使用体现出来的优势及该系统实施的意义；进而对r f i d 技术的概念、组成、工作原理 及典型应用进行了概述；然后介绍了本系统中读写器和p c 机之间通信协议的制定及编程 实现；接下来针对当今图书馆管理系统的现状，提出了在图书馆管理中运用r f i d 技术， r f i d 技术的应用可以给图书管理带来很多便利；最后介绍了r f i d 智能图书馆系统的整体 结构设计，介绍了系统中各个模块的功能和使用，并着重研究了自助借还系统、图书整架 系统和智能门禁系统的设计，通过本系统的设计充分体现了r f i d 技术给图书管理带来的 自动化和智能化。 本系统以r f i d 技术为基础，以r f i d 中间件为媒介实现了先进的r f i d 技术和图书管 理方法的有机结合，为图书馆的管理提供了十分有效的技术手段，将先进的r f i d 技术同 图书管理系统有机地结合起来，有效地提高了图书管理的效率，简化了图书管理的流程， 降低了图书管理人员的劳动强度，为读者提供更加便利快捷的图书借还，查询等服务，这 种技术的应用将给图书管理系统带来重大变革。 关键词：射频识别：图书管理；中间件；通信 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 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 d v a n c e da 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 h i c ht r a n s m i t sr fs i g n a l sa sn o n c o n t a c ti n f o r m a t i o nt h r o u g hs p a c ec o u p l i n g , a n du t i l i z e st h e i n f o r m a t i o nt oa c h i e v ei d e n t i f i c a t i o n a st h ew i r e l e s sv e r s i o no fb a r c o d e ，r f i dt e c h n o l o g yi s w a t e r p r o o f , m a g n e t i c a l l y - s h i e l d e d ，a n dh a sl o n gr e a d i n g d i s t a n c e t h el a b e ld a t ac a nb e e n c r y p t e d ，t h ec a p a c i t yo fs t o r a g ed a t ai sl a r g ea n dt h es t o r a g ei n f o r m a t i o nc o u l db em o d i f i e d e a s i l y r f i dh a sb e e nr e c o g n i z e da so n e o ft e ni m p o r t a n tt e c h n i q u e si nw o r l d w i d e ，a n dh a sw e l l m a r k e tp r o s p e c t sa n db r o a da p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r , i tf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u so fr f i dt e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a d ，s u m m e su pt h ea d v a n t a g e st h a tr f i dp r e s e n t e di nt h el i b r a r ys y s t e ma n dt h e s i g n i f i c a n c eo fi m p l e m e n t a t i o n ；t h e no v e r v i e wt h ec o n c e p t ，c o m p o s i t i o n ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n d t y p i c a la p p l i c a t i o n so fr f i dt e c h n o l o g y ；t h e ni n t r o d u c e st h ee s t a b l i s h m e n ta n dp r o g r a m m i n g f o r t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h er e a d e r sa n dp ci nt h i ss y s t e m ；n e x ta g a i n s tt h ec u r r e n t l i b r a r ym a n a g e m e n ts y s t e ms t a t u s ，p r o p o s e st o u s er f i dt e c h n o l o g yi nt h em a n a g e m e n to f l i b r a r y , t h ea p p l i c a t i o no f r f i dt e c h n o l o g yc a nb r i n gm a n yc o n v e n i e n c et ob o o km a n a g e m e n t ； f i n a l l yi n t r o d u c e st h er f i di n t e l l i g e n tl i b r a r ys y s t e m so v e r a l ls t r u c t u r a ld e s i g n ，i n t r o d u c e st h e f u n c t i o na n du s eo fe a c hm o d u l ei nt h i ss y s t e m ，a n df o c u s e so nt h em a k i n gu s eo fs e l f - h e l p ，t h e s y s t e mo fb o o k s h e l f - t i d i n g ，t h es y s t e mo fi n t e l l i g e n ta c c e s sc o n t r o l ，t h r o u g ht h ed e s i g no ft h e s y s t e mf u l l yr e f l e c t st h ea u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n to f r f i dt e c h n o l o g yt ob o o km a n a g e m e n t t h i ss y s t e mi sb a s e do nr f i dt e c h n o l o g y , u s e st h er f i dm i d d l e w a r ea st h em e d i at o c o m b i n et h ea d v a n c e dr f i dt e c h n o l o g ya n dl i b r a r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，o f f e r st h ev e r y e f f e c t i v et e c h n i c a lm e a n sf o rl i b r a r ym a n a g e m e n t ，c o m b i n e st h ea d v a n c e dr f i dt e c h n o l o g y a n dl i b r a r ym a n a g e m e n ts y s t e mo r g a n i c a l l y , e f f e c t i v e l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo ft h el i b r a r y m a n a g e m e n t ，s i m p l i f i e st h ep r o c e s so f t h eb o o km a n a g e m e n t ，r e d u c e st h el a b o ri n t e n s i t yo ft h e l i b r a r ym a n a g e m e n t p r o v i d e sr e a d e r s w i t hm o r ec o n v e n i e n ta n de f f i c i e n tb o o k - b o r r o w , b o o k 1 e n da n de n q u i r i e ss e r v i c e sa n ds oo n ，t h ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yw i l lb r i n g i m p o r t a n tc h a n g ef o rl i b r a r ym a n a g e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：r a d i o 疳e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ；l i b r a r ym a n a g e m e n t ；m i d d l e w a r e ；c o m m u n i c a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 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 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：至盟日期：邓! ! ：兰 研究生学位论文版权使用授权书 一 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 论文作者签名：墨2 鱼丝 指导教师签名： 羔3立圣。 日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 国内外图书馆系统的发展历程 人类已跨入了新世纪，正在进入信息时代，现在信息技术的应用越来越普及，不但促 进了社会的高速发展，也改变着人们的工作、学习、生活和娱乐的方式及思想观念。随着 计算机的只益普及，计算机软件无处不在，软件在计算机的发展和应用中至关重要，在人 类进入信息化社会时成为新兴信息产业的支柱【l 】。信息化浪潮、网络革命在给社会带来冲 击的同时，也使图书馆业务受到了强烈的冲击。图书馆传统的管理和服务方式已不能适应 读者对同益增长的文献信息的需求。随着馆藏量的不断增加，图书资料的收录和查询的难 度也就相应增加，手工方式已经不能满足要求，如何运用先进的信息技术，提高科技图书 的管理和服务水平，是我们面临的一个新的挑战l z 】。 一直以来人们使用传统的人工方式管理图书馆的日常工作，对于图书馆的借书和还书 过程，想必大家都已很熟悉，在计算机尚未在图书馆广泛使用之前，借书和还书过程主要 依靠手工。手工过程的不足之处显而易见，首先处理借书、还书业务流程的效率很低，其 次处理能力比较低，一段时间内，所能服务的读者人数是有限的。利用计算机来处理这些 流程无疑会极大程度地提高效率和处理能力，我们将会看到排队等候借书、还书的队伍不 再那么长，工作人员出错的概率也小了，读者可以花更多的时间在选择书和看书上。 后来条形码的出现使图书管理系统的效率有了更大的提高，条形码技术和计算机的结 合使管理人员彻底脱离的人工操作，一本图书对应一个条形码，条形码对应全球唯一的编 码，该编码在数据库中对应图书的基本信息，操作该图书时只需使用条形码扫描设备扫描 该书的条形码即可以得到该书的信息，另外图书上有磁条，借出的图书磁性消失，归还的 图书充磁，这样可以对图书有很好的管理，防止了图书的丢失。 随着时代的不断前进，咨询文化的愈加发达，知识经济现象也日益显著，图书馆已成 为咨询服务的要地。而大中型的图书馆由于进出人数众多，经常遇到诸如图书失窃、长时 间排队借还书、无法快速准确的盘点图书等问题p 】。如何有效并以崭新的风格来发挥应有 的功能，乃是跨世纪时代全方位图书馆事业健全发展所需面临的首要问题。由于电脑技术 的日新月异，图书馆人员工作繁琐、重复性也可经由电脑来处理和控制，如果将r f i d 技 术和电脑技术紧密结合，则可大大节省图书馆的人力、时间，还可以将资料进行妥善的控 制，扩大了图书馆的服务项目【4 】。 本文介绍的r f i d 技术是较条形码更高级的技术，在我们r 常生活和工作中，条形码 的身影无处不在，条形码的技术已经非常成熟，并且已经得到了广泛的普及，那么电子标 签r f i d 凭借什么来挑战条形码已经确立的市场优势呢? 从概念上来说，两者很相似，目 的都是快速准确地确认追踪目标物体。主要的区别如下：r f i d 电子标签的存储区可以根 据需要随时修改，条形码却不能；射频标签不像条形码，它特有的辨识器不能被复制；标 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 签的作用不仅仅局限于视野之内，因为信息是由无线电波传输，而条形码必须在视野之内。 其实上r f i d 技术起初主要是应用到物流仓储管理系统中的，随着标签成本的降低和读写 设备性能的提高，慢慢的在很多领域有了应用，直到现在开始应用于图书馆管理系统中。 1 2r f i d 技术在图书馆系统中应用的优势 r f i d 技术在图书馆系统的应用，缩短了流通服务所需花费的时间，依靠r f i d 射频 识别技术的支持，借书过程变得十分简单。当用户挑选了几本图书来到阅读器面前借阅时， 不像条形码系统那样需要对图书进行一一扫描，而只需要进行批处理操作，借出状况一下 子就清清楚楚地显示在屏幕上，同样，还书过程也是如此。另外，目前大多数的r f i d 系 统还能够把条形码、磁条、书目信息和流通记录等全部整合存储在一起，提供系统识别利 用【2 6 1 。这样，利用r f i d 电子标签不仅可以查询书目信息和借阅信息，更可以追寻特定馆 藏资料在图书馆中的准确位置，从而加快了流通作业的速度【2 7 】。 结合r f i d 智能图书馆系统的设计内容，在图书馆系统中使用r f i d 技术，有以下一 些优点。 ( 1 ) r f i d 比起条形码能够存储信息，比起i c 卡存储容量更大。现在大多数的图书馆 对图书和读者管理时一般是把图书及读者的信息写到数据库中去，而使用r f i d 技术进行 图书编目、办理读者卡等操作时可以把图书、读者的一些信息写入r f i d 标签的存储模块 中去，这样在一些脱离数据库的场合可以直接使用r f i d 读写设备获取或修改图书或读者 信息【2 3 】【2 4 】【2 5 】。 ( 2 ) 比起条形码技术，r f i d 读写器可以一次读取多张标签。在条形码系统中采用的 是逐本的扫描来借阅和归还图书，所以读者一次性借阅和归还多本图书的情况下显得效率 非常低，采用r f i d 技术可以解决该难题，使图书流通速度大幅度提高。 ( 3 ) 采用r f i d 技术，读写无需接触，读写距离远。r f i d 读写器分为多种类型，根据 读写距离可以分为近距离、中距离和远距离，分别应用于不同的场合。比如：近距离用来 对图书编目、整理架位、借还图书等进行操作；中距离的用于门禁监控；远距离的应用于 图书跟踪。 ( 4 ) r f i d 标签的使用寿命长。由于采用了非接触式的读取方式，加上具有防水、防磁、 耐高温的特性，r f i d 电子标签的寿命比条形码长得多，每个电子标签最少能被读取十万 次以上，这样，电子标签一旦贴上后就可以长期使用。 ( 5 ) r f i d 标签内容可以修改，所以可以反复利用。利用r f i d 标签的这个优点可以对 一些不再使用的读者证或者一些可以取下来的图书标签反复利用，这样可以节省成本。 ( 6 ) 采用r f i d 技术可以提高读写速度。r f i d 技术经过无数测试验证出来，比条形码 和i c 卡读写速度要快很多，这样在图书馆系统中不仅可以提高借还书和整架的速度，而 且可以防& f l 禁报警延缓等情况的发型2 8 】。 ( 7 ) r f i d 标签的数据可加密，不易被伪造。由于r f i d 技术的特点，使其数据可以用 程序加密，写入标签的图书信息和读者信息可以锁定，一经锁定以后永远不能被改变【2 9 】。 ( 8 ) r f i d 读写器穿透能力强。利用这个优点，r f i d 读写设备可以放到无人看见的地 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 方，这样可以防止在一些无人值守的场合读写器被毁坏。 ( 9 ) r f i d 标签的免受污损能力强。图书馆场合一般环境非常好，但是也不能排除环境 恶劣的环境，r f i d 读写器和标签之间在恶劣的环境下照样可以进行信息交换。 ( 1 0 ) r f i d 标签不受物品尺寸大小与形状限制，可制成各种包装类型，以应用在各种 不同场合。对图书馆的图书来说可以统一把r f i d 标签粘贴到规定的位置，但是图书馆除 了图书以外还要对一些光盘、杂志等进行管理，这样同一个规格的标签可能就不实用了， 这时候需要使用不同形状的电子标签。 ( 1 1 ) r f i d 读写器可以识别高速运行的物体，这对于门禁系统有着非常重要的意义。 图书馆门禁是图书馆管理系统的一道安全门，安全门的设计必须在各种环境下都能够发挥 自身的功能。对高速运行的物体，现在很多门禁系统存在漏读的情况，而采用r f i d 技术 可以扫描到高速运行的物品，弥补了一些安全漏洞。 ( 1 2 ) 图书准确查找：如果图书没有放在规定的位置，在书库中找到一本书，是很费 时的事情。根据r f i d 标签和读写器通信时的信号强度可以计算r f i d 标签和读写器的距 离，再通过在库内的固定位置设置参考标签，把参考标签的信号强度和需要查找的图书的 信号强度相比较，就能够确定图书的位置，快速找到图书【3 们。 ( 1 3 ) 图书定位：对已经编目的图书及时进行采集，给每本书赋予特定的位置信息， 在其它模块除了查找该书的基本信息外可以得到该书的具体位置信息，这样给读者和管理 员查找图书提供了便利【5 列。 ( 1 4 ) 图书快速整理：开架书库的一个突出问题就是错架现象严重，由于读者的个人 素质、习惯的不同，有些读者会有意、无意的不把书放回原来的位置，打乱了图书的摆放 顺序，影响其他读者查找图书，开架书库的工作人员经常要花费大量的时间和精力整理书 架，大大增加了工作量和劳动强度【3 。利用r f i d 技术，把图书的存放位置记录在r f i d 标签中，工作人员用读写器在书架附近扫描一遍，就可以发现是否有错架的图书，避免了 在整个书库中一本本的人工检查，减少了工作人员整理书架的工作量，提高了工作效率。 ( 1 s ) 利用r f i d 技术可以进行快速的图书盘点。由于r f i d 标签可以远距离、无接触 的识别，能够批量读取多本图书的信息，工作人员用读写器在书库内巡视一遍，就可以收 集到所有图书的信息，完成图书的盘点。由于降低了工作量，减少了工作时间，图书盘点 可以成为一项轻松的、经常性的工作，从而帮助工作人员及时掌握库存图书的情况。以前 的图书管理系统，一般采用条码进行管理。但由于条码的特性，造成盘点时，必须把图书 一本本的拿下，一本本的识别读取，速度不快，结果使得盘点工作还是需要花大量的人力 和时间去完成【3 2 1 。而r f i d 具有的无线实时传输数据的特性，以及一次可读取多个标签的 能力，使得盘点工作真f 做到快速、准确、高效。而且，利用r f i d 技术可以很容易查找 到不在书架或者放错书架的图书，工作人员可以很容易进行图书的盘点，大大节省人力和 物力，使得原来需要几个人数天的工作量，一个人一天甚至数小时即可完成【5 。 ( 1 6 ) 自助借还图书：读者可以自己完成借书和还书的工作，这样可以加快图书的流 通，提高借还书的效率，既减免了借书时排队的烦恼，并能保证还书时丝毫无偏差，过程 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 快速、简单、准确。对于大中型图书馆，前来借、还书的人数非常众多，造成读者常常需 花很长的时问来排队。如果利用r f i d 读写设备，以及相关应用系统，读者则可自助完成 借、还书等工作，进而使图书馆在有限的人力资源下，增进流通速率、简化借阅流程，进 而提升图书馆工作人员以及图书馆的服务品质。 ( 1 7 ) 智能安全门：对于所有的图书馆来说，图书失窃一直是个不小的问题。不仅给 图书馆造成了经济上的损失，而且，对于善本书籍的失窃，则无法用金钱来衡量。以往的 条码图书管理系统，为了防止失窃，还必须另外购置防盗系统。由于r f i d 的技术特性而 言，本身就是防盗技术中的一种，所以，利用r f i d 实施图书管理系统，不仅可以提高图 书馆的整体管理水平和效率，而且，还可以起到图书防盗作用【4 1 1 。如果结合读者和管理 人员的借阅卡和工作卡，还可以实时了解人员进出的情况，统计进出数据，为更好的改进 工作机制提供准确的数据。由于r f i d 电子标签中包含了条形码和磁条的信息，大多图书 馆r f i d 系统都具有防盗监控的功能，能够替代图书馆多年以来一直使用的电机防盗监控 系统。 ( 1 8 ) 开架书库的书经常会根据需要进行更新，利用r f i d 标签容量大的优点，可以把 图书的有关信息存储在r f i d 标签中，用读写器找到需要撤换的图书，避免了人工查阅， 还可以防止遗漏。 ( 1 9 ) 读者的借书证上附着r f i d 标签，在借、还书时，通过读写器自动把相关信息输 人计算机，实现读者自助借、还书。与现在使用条形码的方式相比，使用r f i d 技术更快 捷、方便。图书馆工作人员可以把节省出的时间和精力更多的投人到咨询和管理工作中。 ( 2 0 ) 柜台工作站不仅可以处理借还书作业，而且同时可以用来处理其他较复杂的工 作，例如罚款、办理读者证等任务，这样可以缓解自助借还的压力和弥补自助借还的不足， 毕竟涉及到图书超期罚款方面的还是要通过人工来完成【4 9 】。 ( 2 1 ) 在图书馆系统中集成r f i d 技术可以使读者在图书馆内的行踪透明化，一个读者 今天借阅了什么书，归还了什么书，通过自助借还机办理借还书还是在通过柜台工作站办 理借还书，何时进入图书馆，何时离丌图书馆等等都可以清楚的记录到数据库中，一旦有 需求可以清楚的查询读者的借还书日志。 ( 2 2 ) 对一些只需读者实地查看的资料，可以采用远距离读写器监控，一旦检测到该 资料被读者拿出监视范围，就开始报警，这样可以减轻重要的资料被拿乱或者偷盗的现象。 ( 2 3 ) 智能书车：对馆内图书的管理我们结合了r f i d 技术和智能书车，提出了对图书 架位的一种全新的管理模式，智能书车可以完成图书的采集、整理、查找、盘点、装车、 上架等功能，不仅使很多功能能够集成使用而且发挥了r f i d 技术的优势，极大的提高了 馆内图书的管理效率【4 2 。 ( 2 4 ) 原有图书馆管理图书方式除了要粘贴条形码以外还要粘贴磁条以防图书被盗， 另外除了图书以外还有光盘、杂志、档案等其它需要管理的物品，这时就要想出不同的方 法进行管理，而r f i d 标签可以实现以上的所有功能，可以将馆藏的信息识别与安全防盗 管理合而为一，将不同性质的物品的管理合而为4 4 3 j 。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 ( 2 5 ) 自助借书一般在图书馆开放的时候使用，自助还书可以一天2 4 小时开放，使读 者在闭馆的时问也可以归还不再看的图书，可以大大缓解图书流通高峰的借还书拥挤现 象。 1 3r f i d 智能图书馆项目的意义 该项目运用先进的r f i d 技术，对图书馆的藏书资源、管理模式进行优化与整合，实 现图书管理的自动化、智能化，使藏书发挥最大效率、管理最人性化、读者服务效率最高， 完善并改进图书馆的现行运行模式，提升了图书馆的核心竞争力4 4 1 。 运用r f i f 技术实现读者自助借还书简单快捷，实现科学准确的管理图书文献的位置、 分布、流通及流向，增强书籍分类、定位及数据收集，以全新的服务内容、人性化的服务 形式，让读者真正想用到现代化图书馆提供文献信息服务的快捷与准确，激发读者的阅读 需求【4 引。 r f i d 将彻底改变传统的借阅服务、典藏管理模式，提高图书馆管理效率，大大减轻 工作负荷，促使工作人员全心致力于为读者提供知识创新、高知识含量的服务，病最大限 度的让读者享用。以项目建设为契机，促使公共图书馆联网的建设，促使图书馆图书文献 通借通还，营造“无所不在”的借阅环境，丰富广大读者的精神文化生活h 5 1 。 1 4 本文研究的内容与安排 本文是结合一个r f i d 智能图书馆项目展开的，本项目不仅体现了r f i d 技术给图书 馆系统带来的重大变革，而且在软件设计上有了很大的创新，以一种全新的理念去管理图 书。 本文主要包括以下内容：。 ( 1 ) r f i d 技术分析及应用； ( 2 ) r f i d 读写器和p c 机的通信协议制订及编程实现； ( 3 ) 基于r f i d 技术的智能图书馆系统分析及功能模块组成； ( 4 ) r f i d 智能图书馆系统的设计。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章r f i d 技术及其应用 无线射频识别是从2 0 世纪9 0 年代兴起并逐渐走向成熟的一项自动识别技术。它利用 射频方式进行非接触双向通讯，以达到识别目的并交换数据。利用射频识别技术防伪，与 其他防伪技术如激光防伪、数字防伪等技术相比，其优点在于：每个标签都有一个全球唯 一的u i d 号码，u i d 是在制作芯片时放在r o m 中的，无法修改、无法仿造；无机械磨损， 防污损；读写器具有不直接对最终用户丌放的物理接口，保证其自身的安全性；数据安全 方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理；读写器与标签之自j 存在 相互认证的过程等l5 1 。 2 1r f i d 系统的组成与工作原理 2 1 1r f i d 系统的组成 一个最基本的r f i d 系统如图2 1 所示， ( 1 ) 标签( t a g ) ：由耦合元件及芯片组成， 上标识目标对象； 一般包括以下几个部分： 每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体 ( 2 ) 阅读器( r e a d e r ) ：读取( 有时还可以写入) 标签信息的设备，可设计为手持式或固定 式； ( 3 ) 天线( a n t e n n a ) ：在标签和读取器间传递射频信号； ( 4 ) 一套完整的r f i d 系统还需具备数据传输和处理系统 6 1 。 r f i d 读写器将对标签的操作指令 调制后通过天线发射出去 标签接收信号，并通过电感耦合反射 调隼4 的能量将其标识和数据信号发射 给读写器 g 荔荔缓糕鞣獬黧鬻骖 攀i 鳞齄鬓穆睁一j 薯读写器将信息和数据传输到信息 应用软件系统基系统进行数据管理、处理 图2 1r f i d 系统组成及工作原理 2 1 2r f i d 系统的工作原理 r f i d 技术的基本工作原理如图2 1 所示，它是利用空问电磁感应或者电磁传播来进 行通信，以达到自动识别被标识对象的目的。在r f i d 技术的实际应用中，电子标签附着 在被识别的物体上，当带有电子标签的被识别物品通过阅读器的可识读区域时，标签和阅 读器之问建立起无线方式的通信链路，标签向阅读器发送自身信息，如标签编号和标签存 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 储数据等，阅读器接收这些信息并进行解码，然后传送给后台计算机处理，从而完成整个 信息处理过程。 2 2r f i d 技术的优点 有人说r f i d 是比较高级的条形码，从技术成本方面或许如此，只不过，如果你说它 只是高级条形码而没有任何新用途，这种说法是无根据的。比起条形码技术，r f i d 可以 协助企业达到更快速、更便捷、更通透的物品管理，在一切讲求快速反应、立即决策的今 天，r f i d 所提供的物品管理效率j 下是企业所需要的，而商机，就在这需求中被创造出来 的【7 1 。 条码是一种应用非常广泛的自动识别技术，但r f i d 与之相比优势非常明显：不需要 光源，甚至可以透过外部材料读取数据；使用寿命长，能在恶劣环境下工作；能够轻易嵌 入或附着在不同形状、类型的产品上；读取距离更远；可以写入及存取数据，写入时间相 比打印条形码更快：标签的内容可以动态改变；能够同时处理多个标签；标签的数据存取 有密码保护，安全性更高；可以对r f i d 标签所附着的物体进行追踪定位。以下是r f i d 技术比起条形码技术所体现出来的七大优点： ( 1 ) 快速扫描 一次只能有一个条形码受到扫描；r f i d 辨识器可同时辨识读取数个r f i d 标签。 ( 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纸张的固定 尺寸和印刷品质。此外，r f i d 标签更方便向小型化与多样化发展，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 标签是将数据存储在芯片中，因此可以免受污损。 ( 4 ) 可重复使用 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。而条形码扫描器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，对卷标所能扩充容量的需求也相应增加。 ( 7 ) 安全性 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 由于r f i d 承载的是电子信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及 变造。 2 3r f i d 技术发展面临的问题 作为条形码技术的替代者，r f i d 标签是一项全新的技术，有着广阔的市场前景，但 由于技术的不成熟，以及诸多因素的制约，普及与推广需要假以时只，目前，全面推广 r f i d 技术还需要克服以下困难和障碍。 ( 1 ) 标准未统一 标准( 特别是关于数据格式定义的标准) 0 0 不统一是制约r f i d 发展的首要因素。因为 每个r f i d 标签中都有惟一的识别码，如果它的数据格式有很多种且互不兼容，那么使用 不同标准的r f i d 产品就不能通用，这对经济全球化下的物品流通是十分不利的，数据格 式的标准这个问题涉及到各个国家自身的利益和安全。目前的现状是日本和美国的两大标 准组织互不兼容的对抗局面，而中国也开始制定自己的r f i d 标准，预计其他的许多国家 也会陆续开始制定自己的标准。如何让这些标准相互兼容，让一个r f i d 产品能顺利地在 世界范围中流通，是当前重要而急切需要解决的问题【8 】。 ( 2 ) 技术不成熟 r f i d 是一项j 下在兴起的技术，不少用户认为该技术将完全替代条形码。但是，如何 将这项昂贵的、崭露头角的专有技术转化为有利的供应链工具是目前最大的挑战。 ( 3 ) 成本问题 目前，每个传统条形码的价格约为0 2 5 美分，而一个r f i d 标签的价格大约是3 0 4 0 美分，是条形码价格的1 0 0 多倍，巨大的成本差距严重地阻碍了r f i d 技术的普及。 据业内人士预计，当全球的r f i d 标签需求量超过5 0 亿片后，成本将会随着规模的扩大 进一步地降低到2 美分左右，未来1 0 年里，r f i d 标签将逐步替代现有条形码【9 1 。 ( 4 ) 隐私与安全 r f i d 的大规模应用还涉及到隐私保护以及安全问题。目前的r f i d 技术要想在对信 息有保密要求的领域展丌应用还存在着障碍，如何在不增加太多成本的同时提高电子标签 的安全性还是一个有待进一步研究的问题【1 0 1 。 r f i d 系统中的隐私侵害使终端用户对安全忧心忡忡，在美国f d a 通过了在人体内 植入芯片的决议后这个问题似乎更加敏感，生产商们将不得不忙于拿出解决办法来，因为 同样的问题会阻碍他们早同应用这项技术。 2 4 国内外r f i d 技术的应用 最早的r f i d 出现在二战时期，美军用它来识别自家和盟军的战机；1 9 7 3 年，查尔 斯沃尔顿( c h a r l e sw a l t o n ) 获得了第一个用于无源r f i d 阅读器的r f i d 专利，他拥有该项 技术的专利权长达1 7 年之久；近年，r f i d 技术已应用到了制造业、物流、商业、航空、 海关、交通、医疗领域；美国军方在第二次伊拉克战争中大量使用r f i d 技术，2 0 0 5 年 在全军推广应用；美国最大的零售商沃尔玛要求在2 0 0 5 年1 月前，所有出口到沃尔玛美 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 国总部的商品集装箱托盘都必须使用r f i d 电子标签；由于美国沃尔玛( w a l - - m a r t ) 和国 防部对r f i d 在物流领域应用的青睐，进一步引发了射频识别应用的新高潮，2 0 0 5 年被 称为“r f i d 应用元年”l i 。 近些年来，r f i d 技术的应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的很多方面， 在生产、零售、物流、交通等各个行业有着广阔的应用前景，直到最近在图书馆系统开始 应用，r f i d 因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目，它不仅可以帮助一 个企业大幅提高货物、信息管理的效率，还可以让销售企业和制造企业互联，从而更加准 确地接收反馈信息，控制需求信息，优化整个供应链。 目前全世界已经安装了大量的r f i d 系统，但主要用于宠物与野生动物跟踪、公路和 停车收费等有限的领域。但事实上，r f i d 还可以在高速公路自动收费及交通管理、门禁 保安、r f i d 卡收费、生产线自动化、仓储管理、汽车防盗、防伪、电子物品监视系统、 火车和货运集装箱的识别、物流管理、生产线追踪等领域大展身手，比如门禁控制、电子 报站系统、航空包裹识别、汽车防盗器、文档追踪管理、包裹追踪识别、畜牧业、后勤管 理、移动商务、产品防伪、运动计时、票证管理【l 2 1 。 由于r f i d 技术的应用面已经越来越普遍，已逐渐成为企业提高物流供应链管理水 平、降低成本、企业管理信息化、参与国际经济大循环、增强竞争能力不可缺少的技术工 具和手段，新加坡、韩国等国都明确把r f i d 技术列为国家重点发展项目，我国也将此项 技术作为8 6 3 重点项目大力扶持。 无线射频识别被称为是继“个人电脑、互联网、无线通讯”之后信息产业的第4 次新技 术革命，r f i d 技术的兴起并不是因为它是一项新技术，而是因为这项技术已经开始成熟 并逐渐具备了走向实际应用的能力，同时也是因为目前正广泛应用的自动识别技术( 例如 条形码技术) 已无法满足人们更高的要裂钓。 7“ 作为全球的制造业基地，中国将是未来全球最大的r f i d 应用市场。这对于国内的 科研机构和企业将是一次难得的机遇。目前，我国在r f i d 芯片、r f i d 系统安全等核心 技术方面的研究几乎还是空白，在r f i d 应用方面也还处于起步阶段。在政府推动、企 业参与的环境下，在庞大市场空间的吸引下，在中国会有越来越多的企业和研究机构参与 r f i d 技术的研发和应用，会有更多的企业利用r f i d 技术进行企业信息化改造。中国将 不仅主导r f i d 技术的应用市场，也应该成为r f i d 技术的全球研发中心1 4 。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 第三章读写器与上位机的通信模块设计 3 1r f i d 系统硬件结构 下面以t i 公司的r f i d 标签为例说明一下电子标签的存储结构，标签的存储结构如 图3 1 所示，有一部分区域出厂时就已经锁定，该区域内容不能修改，比如标签的编号和 版本信息等，大部分区域都可以通过软件进行读取和写入，并可以通过软件锁定。 b l o c k 撑。t 2 叠。 缸 0 l l o c kb i t s 。 f = f 碱。呵l ku = u s e rl o c k ， u s e rd a t a ( 2 0 4 8b i t s ) u i i l a 2 ，e 王三e 丑曰。) 射o n u m b e 。r l d s f i d ， 二二二二= 二二二翟l田 1 a f it b l o c k sn o tu s e d - , ：二= 二：麽互团圆l l o r l l l 。u r i r i o n ，q c 忱噶 二疆区互盈匹2 墨至= 翟翟；k 嗍，一。d ，； 图3 1e l l 子标签存储结构图 u i d ：每张标签都有全球唯一的编号，用u i d 表示，8 个字节。 d s f i d ：数据保存格式识别号，预留一个字节可以供用户读写。 a f i ：应用家族识别号，预留一个字节供用户读写。 b l o c k ：标签的存储空间，不同规格的标签的存储空间大小不同。 i cv e r s i o n ：存储r f i d 卡的版本号。 r f i d 读写器读写模块的核心部分包括一个控制用微处理器和一个r f i d 基站芯片， 它能独立完成对符合i s o1 5 6 9 3 标准卡片的所有操作，它还具有与用户主系统的串行通信 能力，可根据用户系统的命令完成对r f i d 卡的读写操作，并将所得数据返回给用户系统， 这个用户系统可以是一个主控板或p c 机【1 3 】。 r f i d 读写器读写模块硬件主要由中央微处理器( 8 9 c 5 2 ) 、r f i d 基站芯片、高频电路、 模块天线、r s 2 3 2 通信电路、复位电路、l e d 状态显示和, t , i q s t 驱动电路等组成。其硬件 结构图如图3 2 所示。 目=目 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 包在传输过程中由于外界因素的影响也可能发生一些意想不到的情况致使包内数据损坏， 这时候要经过c r c 校验验证数据包的正确性。下面是本系统中用到的通信协议，由于篇幅 有限，简单介绍几条卡操作命令，其它的卡操作命令请参考附录。 下面是主机和r f i d 读写设备之间的通信协议，主机发送给读写器的命令中包括 d d l1 e f 前导码、数据包的长度、读写器的地址、请求数据( 命令字和参数) 和校验位，无 论发送的什么命令，只有请求数据和校验码需要改变，其它的数据是不变的；读写器返回 主机的命令包括d d li e f 前导码、数据包的长度、读写器的地址、命令字、应答数据和 校验位，其中命令字和主机发送给读写器的命令字相同，除此之外应答数据和校验位需要 变化，其它的数据无需变化。 主机_ 读写器 l 23456 n 2n 1n 前导码l前导码2前导码3长度n读写器地请求数据c r c 高c i 低 ( 0 x d d )( 0 x 1 1 )( 0 x e o址( o x o o ) 位 位 主机+ - 读写器 l 23456 ( 7 n - 2 ) n 1n 前导码1前导码2前导码3k = 度读弓器地命令 ( 应答数 c r c c r c ( 0 x d d )( 0 x 1 1 )( 0 x e 0 n 址( 0 x 0 0 1 字据1高位低位 读卡( 0 x 0 1 ) ：i n v e n t o r y 读卡是r f i d 系统中最基本的命令，我们规定读卡的命令是0 l ，这样根据上面的协 议规定，p c 机发送到读写器的数据包中响应的请求数据应该是0 x 0 1 ，而读写器的应答数 据为读取的卡个数、卡类型、d s i f d 和u i d ，主机获得了返回数据以后根据卡个数对后 面的数据包进行解析，取得卡类型、d s i f d 和u i d 并根据这些信息进行应用程序的处理， 下面是读卡的通信协议。 请求数据 i 67