（电路与系统专业论文）基于rfid的智能停车场管理系统的研究与设计.pdf

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 对计算机资源和网络的通信起到管 理作用 中间件的引入能够克服r f i d 系统读写器增多或者是后台服务程序增多 软件 变更带术的问题 使系统维护更加快捷方便 因为中问件是通过一些应用程序接 口与读写器相连 完成对电子标签的读写 这样即使遇到系统读写器数量增多的 情况 通过中问件预留接口就能解决 免除了因系统升级带来的维护复杂性的困 扰 图2 4r f i d 中间件与系统的连接关系图 中间件的功能主要包括读写器协调控制 数据过滤与处理 数据路由与集成 9 埔r i f l d 的智能f 下场管 雌彳统的i p 彳 j 设计 和进程管理四个方面的功能 它与电子标签 读写器和后台应用程序之间的连接 关系如图2 4 所示 随着中间件技术的不断发展和完善 r f i d 中问件还增加了以下几个内容 如 对读写设备的管理 对数据通信过程的管理 对数据的过滤以及对标准的整合等 内容 2 1 4 应用系统软件 在r f i d 应用系统中 应用系统软件属于整个后台网络的软件部分 后台网 络除了软件之外 还有一些网络设备等硬件资源 应用系统软件的功能主要是把 数据进行汇总 管理 交互等 同时对整个r f i d 网络负责管理 确保整个后台 网络的正常运行 根据r f i d 技术在不同领域的应用 不同行业的特定需求导致了r f i d 应用 系统软件开发时也不尽相同 但r f i d 应用系统软件的作用是一样的 比如控制 读写器对电子标签进行信息的读写 对后台网络汇总的数据进行集中地统计和处 理等等 在一些特殊的领域 如电子商务领域 r f i d 应用系统软件可以与企业 仓储管理系统 客户关系管理系统等相互结合 对提高企业的生产效益起到至关 重要的作用 2 2r f i d 系统的射频工作原理 r f i d 系统的射频工作原理是 读写器通过天线向空f n j 发射一定频率的射频 信号 该频率根据应用场合不同频率的设定也不同 如物流领域中射频的频率一 般为1 2 5 k h z 或2 2 5 k h z 而停车场管理系统中射频的频率一般为9 1 5 m h z 当载 有电子标签的物品进入射频信号的范围后 电子标签中的内置天线接收到该射频 信号 通过电磁感应取得能量 激活电子标签 电子标签把载有物品信息的代码 再通过电子标签的内置天线发射出去 读写器的天线接收到来自电子标签的信号 后 经过读写器内部的各电路对信号进行解调 解码等相关处理后 把有效信息 通过中间件传输给后台主机网络系统 后台主机网络系统根据信息对电子标签进 行身份识别 然后根据事先程序的设定做出相应的控制和处理 从r f i d 系统的射频工作原理中可以看出 电子标签与读写器之间既存在互 相通信 又存在能量的感应 根据能量感应的方式不一样 一般来说可分为两类 电感耦合和电磁反向散射耦合 电感耦合的理论依据是电磁感应定律 通过空间的高频交变磁场完成 而电 磁反向散射耦合的理论依据是电磁波在空间传输的规律 其原理与雷达通信的原 理相同 发射的信号在空间传播 碰到障碍物后信号被反射回来 反射回来的信 号载有目标信息 根据应用领域的不同 读写器与电子标签的通信距离也不同 1 0 顽 f j 学位论文 一 l 鼍 1 其耦合方式也就不一样 一般来说 在瓴距离的应用领域 耦台方式为电感耦合 因为电感耦合的距离一般小于l 米 如物流领域 而在远距离射频识别应用领域 如停车场管理系统 由于电子标签与读写器的作用距离一般都大于1 米 那么采 用的耦合方式为电磁反向散射祸合 2 2 1 电感耦合r f i d 系统 r f i d 射频识别系统中 电感耦合实际上就是一种变压器的耦合 读写器的 天线线圈相当于变压器的初级线圈 电子标签的内置天线线圈相当于变压器的次 级线圈 系统的工作原理如图2 5 所示 在r f i d 系统中 电感耦合的方式一般 适用于电子标签是无源的情况下 在无源电子标签中 电路本身没有电源 其能 量的获得都是通过电磁感应产生的 读写器的天线发射射频信号 形成一个高频 的电磁场 磁力线穿越读写器天线的线圈和周围的空间 当电子标签进入磁场后 电子标签的天线线圈就会产生电磁感应 内部 一 j 牛q 芯片逻辑 电路 读写器电了 标签 图2 5 电感耦合r f