（通信与信息系统专业论文）基于地磁传感器的车辆无线检测技术研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着中国现代化建设的快速发展以及城市化进程的加快 中国汽车保有 量迅猛增加 停车难的问题随之出现 如何提高停车位的使用效率是停车管 理亟需解决的问题 针对这一情况 提出基于地磁传感器的有源r f i d 停车 位车辆无线检测系统的设计方法 系统由基于地磁传感器的有源r f i d 停车位车辆检测节点 r f i d 读写 器 无线a p 和上位机软件组成 有源r f i d 停车位车辆检测节点采集停车 位地磁场信号 r f i d 读写器读取检测节点数据 通过w i f i 加入无线局域网 将读到检测节点的数据上传到上位机 上位机软件以界面形式动态显示整个 系统中停车位使用情况以及读写器接收到的数据 单节点测试 得出检测节点电流占空比约为1 2 在一个周期中节点 大部分时间处于休眠状态 检测节点与读写器有效的无线通信距离约4 2 米 多节点组网测试 系统能够正确检测和显示停车位使用情况 单节点和多节点测试表明基于地磁传感器的有源r f i d 停车位车辆无线 检测系统能满足停车位车辆实时检测的需要 关键词 车辆 r f i d检测节点读写器地磁传感器 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sm o d e r n i z a t i o nd r i v ea n dt h e a c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o n r a p i di n c r e a s ei nc a ro w n e r s h i pi nc h i n a p a r k i n g d i f f i c u l tp r o b l e ma p p e a r s t h ep r o b l e mm u s ts o l v et h a th o wt o e n h a n c et h e e f f i c i e n tu s eo fp a r k i n gs p a c e si n p a r k i n gm a n a g e m e n t i nr e s p o n s e d e s i g n b a s e do nm a g n e t i cs e n s o ra c t i v er f i d p a r k i n gv e h i c l ew i r e l e s sd e t e c t i o ns y s t e m i sp r o p o s e d s y s t e mc o n s i s t so fa c t i v er f i d b a s e dm a g n e t i cs e n s o rv e h i c l ed e t e c t i o n n o d e sp a r k i n gs p a c e s r f i dr e a d e r s w i r e l e s sa pa n dp cs o f t w a r e a c t i v er f i d p a r k i n gv e h i c l ed e t e c t i o nn o d e sc o l l e c tt h em a g n e t i cf i e l ds i g n a l r f i dr e a d e r r e a d st h ed e t e c t i o nn o d ed a t a a c c e s st ow i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r kv i aw i f i u p l o a dt h ed a t ao fn o d et op c t h r o u g h o u tt h es y s t e m t h eu s i n go fp a r k i n g s p a c e sa n dt h er e c e i v i n gd a t ao fr e a d e ra r ed y n a m i cd i s p l a ya st e x ti nt h ep c s o f t w a r ei n t e r f a c e d e t e c t i o no fas i n g l en o d et e s tn o d e sc u r r e n td r a wo fa b o u t1 2 d u t yc y c l e b u ta l s od e t e c t i o nd r a w so fa b o u t4 2m e t e r st h ee f f e c t i v ed i s t a n c eo fw i r e l e s s 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 dt h en o d e m u l t i p l en o d e sn e t w o r kt e s t i n d i c a t e st h a tt h es y s t e mc a nc o r r e c t l yd e t e c ta n dd i s p l a yp a r k i n gs p a c e si nu s e s i n g l en o d ea n dm u l t i p l en o d e st e s t ss h o wt h a tb a s e dm a g n e t i cs e n s o ra c t i v e r f i dp a r k i n gv e h i c l ew i r e l e s sd e t e c t i o ns y s t e mc a nm e e tt h en e e d so fr e a l t i m e v e h i c l ed e t e c t i o n k e yw o r d s v e h i c l e r f i d d e t e c t i o nn o d e s r e a d e r m a g n e t i cs e n s o r 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 随着中国现代化建设的快速发展以及城市化进程的加快 中国汽车保有 量迅猛增加 截至2 0 10 年底 全国私人轿车保有量3 4 4 3 万辆 汽车在给 人们带来便利同时 而由于道路建设滞后以及停车管理落后等问题也给人们 带来交通拥堵 停车困难等诸多烦恼 近年来智能交通已成为许多高校和科 研院所重点研究领域之一 智能停车管理更是重要的研究方向 科学规范 管理高效 安全合理 方便快捷的智能停车场管理系统已成为很多大型楼宇 和居民小区必备的配套设施 地处繁华地段的大型停车场 由于停放车辆较 多 车流量很大 增加了周边的交通压力 为了保证停车场周边交通的畅通 和停车位高效的利用 停车管理需要采用有效的停车引导和智能的停车位车 辆检测技术b 1 1 2 课题研究的意义 地磁传感器对地磁场信号变化比较灵敏 它能够检测到车辆对停车位处 地磁场信号的扰动 无线射频识别技术的非接触性和可识别特性以及w i f i 组建无线局域网的便捷性 为构建智能的停车位车辆无线检测提供了有力的 技术保障 本课题旨在研究基于地磁传感器的停车位车辆无线检测技术 构建一个 停车位车辆无线检测系统 系统融合了无线射频识别技术 r f i d 传感器技 术和w i f i 网络技术 系统在停车位车辆检测具有实时性 可靠性 方便快 捷等特点 采用这样一种系统能有效地提高停车位的使用效率 一定程度上 缓解繁华地段停车难和交通拥堵状况 1 2 背景知识 1 2 1地磁传感器 w i l l i a mt h o r m p s o n 在1 8 5 6 年 l o r dk e l v i n 在晚些时候 先后发现了铁 磁金属中的磁阻效应h 1 这一发现一直等待了1 0 0 多年 直到厚膜电路技术 的出现才制造了第一只实验性的磁阻传感器 在磁带和磁盘驱动器中的高密 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 度读入头是磁阻传感器增长最强劲的市场 磁阻传感器典型应用包括汽车轮 速和曲轴转速的测量 罗盘定向 车辆检测 电流传感等p 1 众多磁阻传感器中的异向性磁阻传感器 a n i s o t r o p i cm a g n e t i c 简称 a m r 采用输出值与磁场变化值一一对应的方法来测量在地磁场内的线位置 或位移 和角位置 或位移 a m r 传感器也称为地磁传感器 它将铁镍 合金薄膜沉积在硅片基底上 形成各种阻值的电桥 常用的是惠更斯电桥 在遇到地磁场变化时 它能输出与地磁场变化量相应的值 低成本 高灵敏 度 小体积 能抑制噪声和良好可靠性是a m r 传感器比机械的或者其他电子 式的传感器在实际应用中有更突出的优势p 1 2 2无线射频识别技术 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 简称r f i d 是一种 出现在第二次世界大战 兴起于2 0 世纪9 0 年代的非接触式自动识别技术 r f i d 可以对多个静止的或者运动的目标进行非接触式识别 能够对目标的 身份信息进行加密和解密 r f i d 系统包括读写器 标签和主机服务器 标 签由芯片与天线组成 它具有唯一的身份标识电子编码 将标签粘在在物体 上用于标识目标 读写器向标签发射读取操作信号 接收标签的响应信号 识别标签的身份信息 主机服务器主要负责识别对象身份信息的管理 如今 r f i d 技术在许多领域得到应用 比如门禁系统 食品追溯和电子票务等 利用无线电波对多个标签批量阅读或者实现远程阅读的r f i d 其意义远超 过条形码 r f i d 具有非接触性和目标i d 唯一性的优点 因此r f i d 在识别时不需 要人工参与 实现自动无损操作 操作快捷方便 r f i d 系统使用的电子产 品码 e p c 具有明确对象序列数据 能减少人为的干涉 实时信息流 提高供应链效率和增强识别过程安全性等特点 1 2 3wifi 技术 w i r e l e s sf i d e l i t y 简称w i f i 又称i e e e 8 0 2 1 l b 标准 它的最大优 点在于传输速率高 极限速率可达l l m b p s 有效距离远 能与现有的8 0 2 1 1 d s s s 设备兼容 i e e e 8 0 2 11 b 标准是i e e e 8 0 2 1 1 网络标准的新版本 有信 号强度自动调节功能 在干扰或信号较弱的情况下 带宽可在5 5 m b p s 2 m b p s 和lm b p s 之间自动调整 这样能有效地保障网络的稳定性和可靠性 w i f i 主要特点 传输速率快 可靠性高 在开放性区域通信距离可达3 0 5 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 米 而在封闭性的区域通信也能达到1 2 2 米 方便接入现有的有线以太网 组网的成本低p 1 w i f i 技术突出的优势在于 1 无线信号覆盖范围半径可达1 0 0 米 而蓝牙信号覆盖范围有限 半 径大约1 5 米 2 数据传输速率快 虽然w i f i 技术的无线通信传输质量不是很好 数据安全性较蓝牙要低 传输质量也有待改进 但是由于w i f i 传输速率可 以达到1 l m b p s 符合个人和社会信息化的需求 3 厂商进入门槛比较低 将带w i f i 功能的设备部署在机场 车站 咖啡厅 图书馆等人员比较密集的地方 通过高速线路把设备接入因特网 上述场所就能给用户提供热点 热点发射出的信号能覆盖数十米到lo o 米的 范围 在热点区域 支持无线l a n 的笔记本电脑或p d a 就可以高速接入因 特网 在这样的模式下 厂商用零成本就能实现设备接入网络 节省了设备 开发和部署的大量成本 9 川们 i l l 1 3国内外停车位车辆无线检测技术发展状况 如何提高停车位的使用效率 是停车位车辆检测面临的一个十分重要课 题 有很多定位技术可以对停车位上的车辆进行无线检测 但现有的定位技 术对停车位车辆检测存在着一定的缺陷 如g p s 技术用于停车场这样小区 域的定位服务中 成本太高而且定位精度不高 多年来国内外研究比较多 应用比较广泛的是基于超声波的停车位车辆 检测技术 它工作原理是将超声波探头放置在停车位上方 一个探头发送超 声波信号 另一个探头接收反射回来的超声波信号 根据探头到地面的距离 差别来判断是否有车停在停车位上 超声波具有非埋设 无附加发射装置 免维护和抗静电干扰等优点 2 1 在国外和国内一些发达城市大型停车场采用 此技术 但超声波对停车位车辆检测在应用上却有一定不足 一是超声波散 射反射问题比较严重 比如倾斜的车窗 停车不到位很有可能将超声波反射 到相邻车位的超声探头而导致误判 二是必须将超声波探头安装在停车位的 正上方 不但施工量大而且也不美观 三是成本高 进口的超声波探头价格 在2 0 0 到3 0 0 美元左右 成本的压力严重限制了此技术方案的推广 副 1 4 l 近年来 将r f i d 技术用于停车场智能管理成为r f i d 应用的研究热点 r f i d 技术同其它技术相比较 具有成本上的优势 而且r f i d 定位技术对 环境的要求和受到环境影响都很小 定位精度较高 传输范围大 r f i d 技 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 术在定位物体的同时还从定位目标中读取有关该目标的身份信息 s p o t o n 是一个典型的r f i d 定位系统 它分析无线信号的强度 用聚合算法实现三 维定位 在s p o t o n 系统中 将标签布成网络状 系统不需中央控制单元 读写器通过检测标签信号强弱来估计被定为标签的距离 到目前为止还没有 建成完整的s p o t o n 系统 r f i d 技术用于停车位车辆无线检测重点研究是采用基于信号强度与到 达时间差的复合定位算法 对停车场车辆进行无线定位引导 通过停车场的 计算机管理系统获得停车场车位车辆的信息 2 0 0 6 年6 月 美国s y m b o l 科技公司与领先的停车和收费解决方案供应 商p a y l o e k 公司宣布美国新泽西州的h o b o k e n 市将率先部署一个创新的 r f i d 解决方案来管理该城市的住宅街道停车 h o b o k e n 是美国最早应用这 种r f i d 解决方案的城市 s y m b o l 的企业移动解决方案集成了先进的数据采 集产品 无线射频识别技术 移动计算平台 无线基础设施 移动软件和世 界级的s y m b o l 企业移动服务 p a y l o c k 是提供创新停车解决方案的业界领 先厂商 主要为城市 大学和私营管理公司提供多种智能化程度更高的停车 管理m 1 国内主要是上海和江苏几个做r f i d 产品的公司在推动r f i d 技术用于 停车位车辆无线检测方面的研究 典型的是上海秀派电子科技有限公司于 2 0 0 9 年4 月推出基于r f i d 的地磁感应概念的车辆检测器e f l u x 方案 方案 的组成部分包括用于检测停车位是否有车辆的检测单元 用于接收信号的接 收单元 以及应用软件 鉴于r f i d 技术在识别领域的重要性 中国国家标准化管理委员会在 2 0 0 4 年2 月宣布成立电子标签r f i d 国家标准工作组 负责起草和制定我国 有关r f i d 的国家标准 2 0 0 6 年6 月 中国射频识别 r f i d 技术政策白 皮书 在北京发布 为 落实温家宝总理关于建设 感知中国中心 的重要指 示 2 0 0 9 年1 1 月l2 日 江苏省人民政府 中国科学院 无锡市人民政府签 署了共建中国物联网研究发展中心协议 先期以江苏物联网研究发展中心和 中国科学院物联网发展中心为运作载体 总部设在无锡 这必将为我国r f i d 技术与产业未来的发展提供系统的行动指南和有力的技术支撑 1 4 课题来源与任务 本课题来源于2 0 0 9 年西南科技大学研究生创新基金资助项目 基于地 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 磁传感器的车辆无线检测技术研究 0 9 y c j j 0 8 本课题还得到2 0 1 0 年度国 家自然科学基金项目 基于导体结构自然谐振的无芯片射频识别标签 6 1 0 7 5 0 3 0 资助 本课题的任务是根据大型停车场车位管理智能化 系统化 网络化的需 求 采用基于地磁传感器和有源r f i d 技术开发出停车位车辆无线检测节点 以及r f i d 读写器 运用w i f i 技术构建停车位车辆无线检测网络 上位机 软件能显示停车位的使用情况 1 5论文的主要研究内容和章节安排 1 5 1主要研究内容 根据停车场车位使用情况实时显示的需求 采用模块化 可配置的思想 设计停车位车辆无线检测系统 用地磁传感器采集车位区域地磁场信号 处 理器根据车位磁场扰动情况判断车位上是否有车辆 地磁场信号检测节点的 微处理器采用有源r f i d 的方式将数据按一定格式打包发送到r f i d 读写器 带w i f i 功能的r f i d 读写器通过无线局域网将读取到的数据包上传到上位 机 上位机对接收到的数据包进行处理并判断车位是否被使用 最后将车位 的使用情况在上位机软件显示出来 本课题主要完成以下几个方面的内容 1 设计停车位车辆无线检测系统的方案 2 设计基于地磁传感器和m s p 4 3 0 单片机的有源r f i d 停车位车辆检 测节点 设计基于m s p 4 3 0 和带w i f i 功能的r f i d 读写器 3 实现系统上位机软件 4 测试系统 对取得相应的数据进行分析验证系统用于停车位车辆无 线检测的可行性 1 5 2章节安排 本文章节安排如下 第1 章提出课题研究背景 分析停车位车辆无线检测技术和国内外对停 车位车辆无线检测技术研究的情况 对停车位车辆无线检测技术背景知识进 行介绍 最后介绍基于r f i d 技术的车位车辆无线检测的研究和发展现状 并阐述本论文所做的具体研究工作 第2 章介绍r f i d 系统的组成和基本工作原理及r f i d 系统的分类 典 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 型的r f i d 系统由射频标签 t a g 读写器 r e a d e r 以及上位机服务器组成 利用无线射频方式在阅读器和标签之间进行非接触双向数据传输以达到目 标识别和数据交换的目的 对r f i d 系统的分类进行说明 介绍r f i d 系统 的应用 第3 章分析停车位车辆无线检测系统的需求 明确系统的功能 提出基 于地磁传感器的有源r f i d 车位车辆无线检测系统总体方案 第4 章提出基于地磁传感器的有源r f i d 车位车辆无线检测节点与带 w i f i 功能r f i d 读写器的设计 包括地磁传感器 射频部分和微处理器的芯 片选型和电路原理图设计 p c b 板的设计和电路焊接 给出检测节点和读写 器主要的功能程序 第5 章介绍上位机软件的总体设计方案 采用s o c k e t 的方式在m i c r o s o f t v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 平台下用c 群开发系统上位机软件 第6 章对检测节点做电流占空比测试和无线信号有效通信距离测试 将 多个检测节点进行组网测试 进行单节点通信测试 验证传输数据帧的完整 性 多节点的组网测试验证系统是否满足实时正确检测停车位有无车辆的需 求 最后总结本课题所做的工作 分析本课题研究存在的不足 并对下一阶 段的工作进行展望 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2无线射频识别技术概述 从广义上讲 带有特定识别信息的无线电波传输都属于r f i d 范畴 r f i d 是对采用无线射频信号来交换识别信息的设备和技术的概括性称呼 一般情况下 r f i d 指的是采用一个很小的标签来识别特定的目标对象 识 别的过程包括标签接收无线电波信号和将信号解码 然后返回一组数字或其 他识别信息 r f i d 作为一种非接触式的自动识别技术 可以通过射频信号自动识别 目标 获取相关的数据 不需要人工干预即可完成信息传输和处理 并且操 作简单快捷 2 1r fld 系统 r f i d 系统由读写器 标签和主机服务器组成 标签有时也称为芯片 读写器向标签发出读写指令 标签响应 读写器获取标签信息 然后对相关 信息采取进一步的操作 这种操作可能会在手持设备上显示相关信息或者向 p o s 系统进行信息分发 也可能会改变库存数据库数据 或者并入互联网实 现远程支付 9 1 图2 1 给出了典型的r f i d 系统示意图 图2 1 r fid 系统示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fr f i ds y s t e m 2 1 1标签 在传统的无线电设备概念里r f i d 称为异频雷达收发机 异频雷达收发 机是电磁波发射和接收单元的集合体 用来接收特殊的电磁信号并自动进行 信息反馈 在其最基本的应用中 异频雷达收发机侦听无线电信号 并反馈 代表其独特标识信息的无线电信号 在实际应用中 异频雷达收发机可以将 画糙画糙 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 一串由字母或数字组成的信号传输给信号发射源 也可以传输由数字和字符 组成的混合字符串 更高级的系统还可以具有计算和验证过程 包括加密无 线电传输 以防止非法侦听者获取传输的信息瞄0 1 r f i d 系统中的异频雷达 接收机通常称为标签或芯片 r f i d 标签主要包含以下部分 编码 解码电路 存储区 天线 电源电路 通信控制电路 r f i d 标签可分为有源标签和无源标签 有源标签自带给通信控制电路 供电的电源 标签能够主动地发射和接收电磁波信号 不必依靠读写器天线 的近场来获取能量 因此 有源标签作用距离不局限于近场范围 标签和读 写器之间通信可以跨越近场达到很远的距离 无源标签内部没有电源 标签内部所需的能量需要从读写器发出的电磁 波中获取 经过整流 存储后提供给通信控制电路所需的工作电压 无源标 签有一个可以吸收读写器天线发射的电磁波能量的共振电路 无源标签通过 读写器天线近场获得能量 这就需要标签和读写器天线保持足够近的距离 这就限制了通信距离 引 2 1 2 读写器 读写器可以是独立的系统 能够读取标签的数据或往标签里写入数据 也可接入p o s 系统 l a n 或者互联网 在需要向l a n 或者其他系统传输数 据时 读写器通过以太网接口 w i f i 或r s 2 3 2 等接口进行数据传输 读写器将要发送的信息经过编码加载到特定的载波上经天线发送出去 进入读写器天线作用区域的标签收到此信号 有关的通信控制电路对此信号 进行解调 解码等 然后对命令请求和鉴权信息进行判断 标签接收到读操 作命令 控制逻辑电路从标签存储区中抽出有关信息 经过加密 编码和调 制后通过标签天线发送给读写器 读写器对接收到的信号进行解调 解码 解密后送至中央信息处理单元进行有关数据分析处理 标签收到写操作命 令 有关控制逻辑单元提升内部电荷泵电压 对存储区数据进行改写 如果 对应的密码或权限不符 则返回错误信息或者不做任何操作 引 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2r fid 系统工作原理 2 2 1r fid 系统相关的电磁场基本理论 空间信息传输信道的性能完全由天线周围的场区特性决定 这是电磁传 播的基本规律 读写器和标签通过自身的天线构建两者之间的非接触信息传 输信道 射频信号加载到天线后 在紧邻天线的空间中 除了辐射场外 还 有一个非辐射场 非辐射场场强与距离的高次幂成反比 随着离开天线的距 离迅速减小 在这个区域 电抗场占优势 把该区域称为电抗近场区 它的 边界约为1 个波长 超过电抗近场区 就是辐射场区 按照离开天线距离的 远近 又把辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区 根据观测点距离天线的 不同 天线周围辐射的场呈现出来的性质也不同 通常根据观测点与天线的 距离将天线周围的场划分为3 个区域 无功近场区 辐射近场区和辐射远场 区 2 1 无功近场区 天线辐射场中紧邻天线口径的区域称为无功近场区也称为电抗近场区 电抗性储能在该区域中占支配地位 通常 取距天线口径表面允 27 处为该 区域的界限 2 辐射近场区 辐射近场在辐射场区中占优势 它的角度分布与距离天线口径的距离有 关 相对相位和相对幅度是天线距离的函数 3 辐射远场区 辐射远场区又称为夫朗荷费区 在该区域中 辐射场的角分布与距离无 关 理论上 只有距离天线无穷远处才到达天线的远场区 实际中 在某个 距离上 当辐射场的角度分布与无穷远时的角度分布误差可忽略时 就把该 点至无穷远的区域称为天线远场区 天线场区的划分 一方面说明了天线周围场的分布情况 也就是能量在 辐射场中以电磁波的形式向外传播 能量在无功近场中以电场和磁场形式相 互转换而不向外传播 另一方面表明天线周围的场强距离天线越近 场强越 强 2 2 2 数据传输原理 在r f i d 系统中 读写器和标签之间通过电磁波来实现通信 按照通信 距离 可以划分为近场和远场 相应的读写器和标签之间的数据交换方式也 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 被划分为负载调制和反向散射调制旺川 o 一 负载调制 低频射频识别系统通过准静态场的耦合来实现能量传递的 在这种情况 下 读写器和标签之间的天线能量交换方式类似于变压器模型 这就是负载 调制 负载调制通过改变标签天线上的负载电阻使得读写器天线上的电压发 生变化 实现近距离标签对天线电压的振幅调制 通过数据来控制负载电压 的通断实现数据从标签到读写器传输 负载调制方式广泛应用于1 2 5 k h z 和 1 3 5 6 m h z 射频识别系统中 二 反向散射调制 在典型的远场 如9 1 5 m h z 和2 4 5 g h z 的射频识别系统中 读写器和标 签之间的距离有几米 而载波波长仅有几到几十厘米 读写器和标签之间的 能量传递方式为反向散射调制 无源射频识别系统中标签将数据发送到读写器时所采用的通信方式称 为反向散射调制 通过控制天线的阻抗实现标签返回数据 控制标签天线阻 抗的方法都是采用基于 阻抗开关 的方法 采用的阻抗开关有变容二极管 逻辑门和高速开关 标签阻抗控制方式的原理图如图2 2 所示 匹配网络 阻抗开关 再 i 一 尘 了 i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 2标签阻抗控制方式1 2 0 1 f i g 2 2t a g si m p e d a n c ec o n t r o ic ir c u i t 发送的数据信号具有两种电平 通过混频器与中频信号完成调制 调制 后的信号送到一个 阻抗开关 由阻抗开关改变天线的发射系数 完成对 载波信号的调制 反向散射调制方式和普通的数据通信方式有很大的区别 在整个数据通信链路中 一个发射机就能完成双向的数据通信 标签根据要 发送的数据来控制天线开关来改变阻抗匹配程度 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 3r fid 系统分类 根据射频识别系统的特征 r f i d 系统有多种分类方法 按照工作方式 分为全双工系统 半双工系统和时序系统 按照数据载体分为只读系统和读 写系统 按照能量供应方式分为有源系统和无源系统 按照采用的频率分为 低频系统 中高频系统 超高频和微波系统 按照耦合类型分为电感耦合系 统和电磁反向散射耦合系统 根据保存的信息注入标签内分为集成电路固化 式系统 现场有线改写式系统和现场无线改写式系统 从读取标签数据的技 术手段分为广播式系统 倍频式系统和反射调制系统1 2 0 1 还可以依据标签的 材质 系统工作距离和读写器工作情况等方面对r f i d 系统进行分类 各主 要分类方法的简单叙述旺 全双工系统 数据在读写器和标签之间同时进行双向传输 并且从读写 器到标签的能量传输是连续的 标签发送数据采用分谐波或者用一种完全独 立的非谐波频率 这些频率只有读写器频率的几分之一 半双工系统 读写器与标签之间的数据传输交替进行的 并且读写器到 标签的能量传输是连续的 时序系统 标签到读写器的数据传输是在标签能量供应间歇进行 从读 写器到标签的能量传输总是在限定的时间间隔内进行 时序系统的缺点是在 读写器发送问歇 标签的能量供应中断 要求系统必须有容量足够大的辅助 电容或辅助电池对标签进行能量补偿 只读系统 读写器只能读取标签内的数据 不能改写标签的数据 标签 中一般存储的是自身序列号 这是加工芯片时集成的 可读写系统 读写器 可以改写标签内存储的信息 也可以动态地将数据写入标签内 无源系统 标签自身没有电源 所需的能量从读写器发出的射频波束中 获取 经过整流 存储后提供标签所需的工作电压 无源系统不需要过多的 维护 但读写器要发射更大的功率 识别距离比较近 有源系统 有源标签内置有电池 为标签提供全部或部分能量 一般具 有较远的阅读距离 读写器需要的功率较小 不足之处是电池寿命有限 2 引 低频系统 一般工作频率为3 0 3 0 0 k h z 典型的工作频率为1 2 5 k h z 和 l3 3 k h z 这些频点的射频识别系统都有相应的国际标准 低频系统标签成 本低 标签内存小 阅读距离较短 标签外形多样 阅读天线方向性不强 低频系统主要用于门禁 动物识别和资产管理等 中高频系统 一般工作频率为3 3 0 m h z 典型的工作频率为1 3 5 6 m h z 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 中高频系统有相应的国际标准支持 中高频系统标签和读写器成本较高 标 签内存较大 阅读距离较远 适应高速运动物体 阅读天线和标签天线均有 较强的方向性 超高频和微波系统 超高频和微波系统简称为微波系统 微波系统的工 作频率一般为3 0 0 m h z 3 g h z 或大于3 g h z 典型频率为4 3 3 m h z 9 0 2 9 2 8 m h z 2 4 5 g h z 和5 8 g h z 集成固化式r f i d 系统 标签内的信息一般在生产集成电路时将信息以 r o m 工艺模式注入 保存的信息不可改写 现场有线改写式r f i d 系统 标签一般将保存的信息写入其内部的存储 区 改写时需要专用的编程器或写入器 改写过程必须供电 现场无线改写式r f i d 系统 标签一般适用于有源类标签 具有特定的 改写指令 在标签存储区内保存信息 广播发射式r f i d 系统 标签必须采用有源工作方式 并实时将存储的 标识信息向外广播 读写器相当于一个只收不发的接收机 这种系统的缺点 是标签必须不停地向外发射信息 既费电 又对环境造成电磁污染 而且系 统不具备安全保密性 倍频式r f i d 系统 读写器发出射频查询信号 标签返回信号的载频为 读写器发出射频的倍频 这种工作模式利于读写器接收处理回波信号 但是 标签将接收到的读写器射频能量转换为倍频回波载波时 能量转换效率低 反射调制式r f i d 系统 这种系统需要解决同频收发问题 系统工作时 标签将部分接收到的微波查询能量信号转换为标签内部电路工作电压 另一 部分微波能量信号被标签内保存的数据a s k 调制后反射回读写器 系统工 作过程中 读写器发出微波信号与接收反射回的a s k 调制信号同时进行 由于反射信号强度较发射信号强度要弱很多 因此发射调制式r f i d 系统实 现的难点在于同频接收瞄叭 2 4r fid 技术的应用 r f i d 技术的最大优点在于减少人工的干预和非接触式识别 可以在商 业活动进行过程中自动收集数据 且收集数据不需要特别的动作 自动操作 提高了数据质量 减少了数据采集的时间 可以实时地获取数据 r f i d 技术的应用领域非常广泛 已经大量运用于商业和政府部f j r f i d 在供应链牛的强制需求 奠定了r f i d 在商界的应用基础 因此也使得r f i d 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 在其他领域的应用受到重视1 2 4 1 r f i d 的应用很多 其中部分应用列举如下 1 供应链 包括批发和零售业的库存管理和物料管理 如包装级和 托盘级的应用案例 沃尔玛 美国国防部 t a r g e t 英国的t e s e o 和德国的 麦德龙集团 2 自动收费系统 如美国东部高速公路的易卡通收费系统以及其他 许多国家和地区的自动收费系统 3 票务管理 通过植入式r f i d 门票进行大型体育赛事的管理 如 2 0 0 8 年的北京奥运会门票和2 0 1 0 年的上海世博会门票 4 人员管理 r f i d 标签用于医疗和安全管理目的 如医院婴幼儿的 安全管理等 类似的系统还有零售商店货架上的单品级商品管理 资产跟踪管理 家 禽和野生动物管理 图书馆管理等等 r f i d 技术也应用到了公共交通 地 铁 校园 社会保障等领域 目前 许多欧美国家高速公路有电子收费站 粘有标签的车辆不用停车 就能直接通过收费道 同时实现自动扣费 澳洲政府想把r f i d 技术用于管 理比澳洲人口还多的袋鼠 美国太空总署想利用这种技术对发射到太空中的 航空器进行追踪 英国航空公司进行的智能型标签在扫描的同时改变其记录 内容的r f i d 试验计划 行李箱在安检时不需要重新换贴一个新的标签眵 中国已经在开始尝试在一些领域进行应用示范 比如重大会议或者活动 的门禁管理 可以有效保障通关人员的信息有效性和通关的便捷性 邮政行 业进行物品传输方面的安全及整体数据模型的应用测试 在汽车行业 航空 行业 石化 零售行业 药品管理 医院管理 停车场管理方面进行应用示 范 e p cg l o b a lc h i n a 建立了中国测试中心 其主要服务方向包括国内产品 进入国外市场 国外产品进入中国市场 2 5 本章小结 本章介绍了r f i d 系统组成和各部分的工作原理 从物理角度介绍r f i d 系统的电磁理论 对r f i d 系统的应用进行分类说明 从实用角度而言 中 高频系统应用面比较广 在读写距离方面的优势使得微波频段的r f i d 系统 得到重视 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 停车位车辆无线检测系统分析与总体设计 本章首先对停车位车辆无线检测系统的需求进行分析 在此基础上介绍 系统的软硬件架构 根据系统的工作流程提出系统的各个单元设计方案 包 括基于地磁传感器的有源r f i d 检测节点和r f i d 读写器设计 以及系统通 过w i f i 加入局域网的设计 3 1停车位车辆无线检测系统需求分析 3 1 1停车位车辆无线检测的特点分析 提高停车位的使用效率是停车场智能管理亟需解决的问题 当前停车场 主要采用人工清点 分区刷卡控制 视频监控或超声波检测等方式来提高停 车位的使用效率 人工清点需要投入的人力资本太高 效率低下 不能满足快速集中停车 的需求 分区刷卡控制只能部分提高停车位的使用效率 视频监控系统建设 复杂 成本过高 不适合商业区和社区推广b 运用传感器技术和r f i d 技术的停车位车辆无线检测系统具有非接触 性 可扩展性 低功耗 低成本 实时性等特点 1 非接触性 车辆的金属特性能改变进入或离开停车位时停车位的地 磁场信号强度 用地磁传感器来捕获地磁场变化 采用一定的算法处理这种 变化得出停车位是否有车 这样的检测方式相对于借助设备本身发出信号经 过车辆反射后接受回波信号处理的检测方式更可靠 比如超声波检测 2 可扩展性就是在现有系统架构下增加停车位检测节点不影响系统的 正常工作 这需要系统组成网络的形式 设有无线网络接入点实现系统的数 据交换 3 提高停车位的使用效率就是在一定的时间段内 充分用现有的停车 位尽可能满足人们的停车需求 这就要求系统的检测具有实时性 从量化角 度就是5 秒左右更新停车位显示信息 4 检测节点受限于供电布线 需要自带电池供电 并且检测节点在激 活状态下能耗在几十毫安级别 在休眠状态下能耗在几毫安级别 根据车位 动态显示的要求节点工作占空比控制在5 之内 根据实际的需求选择性价 比合理的微处理器 西南科技大学硕士研究生学位论文第l5 页 3 1 2 停车位车辆无线检测系统组织分析 停车位车辆无线检测系统包括基于地磁传感器的有源r f i d 检测节点 带w i f i 功能r f i d 读写器 无线a p a c c e s sp o i n t 和上位机软件忙 系统 组织结构如图3 1 所示 图3 1系统组织结构 f i g 3 1o r g a n i z a t i o n a is t r u c t u r e 系统各部分的构成和作用 1 基于地磁传感器的有源r f i d 检测节点 检测节点通过a m r 传感 器采集到车位磁场信号 根据磁场的变化情况判断车位是否停有车 采用特 定的帧格式将数据成帧后打包发给r f i d 读写器 2 带w i f i 功能的r f i d 读写器 读写器采用轮询的方式读取具有同 一系统i d 的检测节点上传的数据 读写器丢弃不是同一系统i d 的检测节点 数据包 通过读写器内部的r s 2 3 2 转w i f i 模块将读到的车位信息数据传到 固定i p 地址的上位机 3 无线a p 无线a p 是构建整个停车位车辆无线检测系统的重要部 分 由无线a p 构建停车场内部的停车位车辆无线检测局域网 也可以通过 无线a p 将局域网加入到互联网中 实现同城停车位联网 管理部门根据停 车位网建立城市停车引导系统 4 上位机软件 软件承担着整个系统内车位使用情况的分析和汇总 将相应的车位信息显示或存储 也可以根据特定需求 在车位控制上做一些 设定 比如预留停车位 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 2停车位车辆无线检测系统总体设计方案 系统总体方案是融入传感器技术 r f i d 技术 w i f i 技术和计算机网络 技术 从车辆具有的金属特性和地磁场的情况来考虑 用a m r 传感器采集 地磁场信号 根据非接触性 持久性和识别性需求 系统检测节点采用有源 r f i d 技术 按照停车场实际情况 系统r f i d 读写器采用w i f i 技术进行局 域网组建 读写器与上位机软件通过s o c k e t 建立通信 3 2 1系统物理结构 通过3 1 2 节的系统组织分析 系统分为基于地磁传感器的有源r f i d 检测节点 带w i f i 功能r f i d 读写器 无线a p 和上位机软件四个部分 整 个系统的物理结构如图3 2 所示 各个部分的物理结构要求如下 一 基于地磁传感器的有源r f i d 检测节点 基于地磁传感器的有源r f i d 检测节点 以下都简称为检测节点 用于 检测停车位的地磁场信号 根据地磁场信号的变化情况判断停车位是否有 车 将车位信息打包传给读写器 检测节点需要固定安装在停车位上 考虑 到停车场的实际情况 检测节点从物理结构上尺寸要小 另外根据车辆材质 的差异性 检测节点到车辆底盘的垂直距离不能太大 检测节点采用电池供电方式 检测节点p c b 板尺寸需要从装配与电池 盒匹配 抗变形和成本角度综合考虑 由于地磁场是一个矢量场 地磁传感 器采集的地磁场数据基准值要具有可靠性 这需要p c b 板要有良好的抗变 形能力 采用厚为2 m m 的p c b 板来提高抗变形能力 通常情况下微处理器 供电电压为5 v 或者3 3 v 通过电源芯片转化成其他芯片所需的供电压 因 此采用三节5 号电池 4 5 v 对检测节点进行供电 采用带开关功能的三节 5 号电池组盒尺寸控制在7 0 m m x 5 0 m m 2 0 m m 范围 考虑到p c b 板安装以 及电池盒开关的占位空间 将p c b 板尺寸控制在5 0 m m 4 5 m m 2 0 m m 范 围 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 图3 2停车位车辆检测系统物理结构 f i g 3 2 p a r k in gt h ep h y s i c a is t r u c t u r eo ft h ev e h i c i ed e t e c t i o ns y s t e m 二 带w i f i 功能r f i d 读写器 带w i f i 功能r f i d 读写器 以下都简称为读写器 用于读取检测节点 的车位信息 在停车场区域中读写器的布局需要能有效读到同一系统i d 的 检测节点信号 又要考虑读写器能有效加入w i f i 局域网 即读写器能和无 线a p 正常通信 读写器时刻处于读取车位检测节点的信号状态 同时还需要与无线a p 进行通信 这样一种工作状态决定着读写器功耗比较大 需要从市电中进行 变电供电 读写器留有9 v 的直流电源接口 三 无线a p 无线a p 主要是提供无线工作站对有线局域网和从有线局域网对无线工 作站的访问 在访问接入点覆盖范围内的无线工作站可以通过它进行相互通 信 由于无线a p 的覆盖范围是一个向外扩散的圆形区域 因此无线a p 通 常放置在无线网络的中心位置 而且各无线客户端与无线a p 的直线距离最 好不要超过3 0 米 以避免通讯信号过度衰落导致通信失败怍8 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 考虑到停车场的空间布局 放置无线a p 需要考虑如下问题 1 无线a p 与读写器之间通信 根据上面分析 系统中的读写器要在 无线a p 的信号覆盖半径之内 考虑现有无线a p 技术成熟性 具有无线a p 功能无线路由器的成本低 系统中采用无线路由器来实现无线a p 功能 2 无线路由器与上位机之间布线 无线路由器与上位机之间通过网线 来连接 由无线路由器来构建一个局域网 给系统上位机和每个读写器分配 一个固定i p 四 上位机软件平台 上位机软件平台设置一台p c 机 实现系统数据的集中管理 上位机软 件平台接收读写器传来的数据 软件将数据处理之后 通过界面文字的形式 显示各个车位的使用情况 经过以上分析 停车位车辆无线检测系统是一个检测和通信应用系统 系统中各个部分以数据链的形式传递数据 将系统的物理结构设计成星型结 构 构建无线局域网的形式 检测节点定时采集地磁场信号 读写器时刻处 于工作状态随时读取检测节点发出的信息 上位机软件将停车位信息处理然 后显示车位使用情况 3 2 2系统通信模型及通信协议 由前面分析可知 系统采用一个读写器读取其辐射范围内的多个检测节 点信息的模式 也就是主从结构通信 如果读写器和检测节点之间的通信仅 采用查询方式进行 当节点数量较多时 效率