（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式的rfid移动智能终端的实现.pdf

摘要 射频识册( r f m ) 技术是自动识别技术的一种，它采用大规模集成电路技 术、识别技术、计算机及通信技术，通过阅读器( r e a d e r ) 和安装在载体上的应答 器( t a g ) 构成r f i d 系统，实现对载体的非接触的识别和数据信息交换与其 他自动识别技术相比，r f i d 技术具有高效快捷、非接触、无污染、识别率高等 突出优点在物流、交通、仓储、车辆识别等领域具有广泛的应用前景。 以r f i d 技术为基础，设计出了一种新的应用模式：将r f i d 技术与可移动 的智能终端相结合，移动智能终端设备作为r f i d 模块的载体，r f i 模块作为 数据的采集主体，通过s d i o 加密卡对采集射的数据做加密处理，再利用智能终 端的数据甄络将信息传到后台数据库，实现数据的实时采集、处理与传输智 能终端以w m d o w sm o b i l e5 0 操作系统为平台，具有可扩展功能的特性，支持基 于w i n c e 开发的第三方软件的使用。该设计可应用于商品的销售渠道查询、交 通稽查、身份认证等可利用非接触i c 来存储信息，且需要信息反馈的场合。 具体实现过程中，设计了基于$ 6 7 0 0 阅读器芯片和m s p 4 3 0 f 1 4 9 控制器的 读写器，读写器模块工作在1 3 5 6 m h z 的频段，天线以导线的方式印届0 在电路板 上，整个模块放置在移动终端的后盏板中；采用单片机通用口三线模拟的方法 模拟通用s p i 口时序，克服其不可位操作的缺点，实现对$ 6 7 0 0 的驱动；分析 了r f i d 系统的通信协议i s o i e c l 5 6 9 3 并按照协议说明指令工作过程及数据 处理过程：分析了循环冗余校验的原理和实现方法：以嵌入式操作系统为基础 开发了基于w i n c e 的串口通信程序：通过合适的连接器件将r f i d 模块集成在 智能终端上，并给出了应甩程序在终端上运行的流程图；分析了系统的整体安 全性，并提出解决方案。设计与实际样机达蓟了实用要求。 关键词：r f i d ，移动智能终端，1 3 5 6 m h z ，w i n d o w sm o b i l e5 0 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 s 锄a 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 hi n t r o d u c e s t h el a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，i d e n t i f i c a t i o na n dc o m p u t e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i ti sm a i n l ym a d eu po fr e a d e ra n dt a g b yt h ec a r r i e r , d a t ac a nb ed u p l e xu a n s p o r t e dc o n t a c t l e s s l yb e t w e e nr e a d e ra n dt a g b e c a u s eo fi t s n m a ya d v a n t a g e s 羽k h 舔c o a t a c t l e a s , s u i t a b | e f o rb a d e n v i r o n m e n t , n o n - c o n t a m i n a t i v ea n de f f i c i e n tr e c o g n i z i n ga b i l i t y , l t f mt e c h n o l o g yh a s 柚a b r o a d a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di ni n d u s t r y , s t o r e h o u s e ，v e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ，t r a f f i ct r a n s p o r t m a n a g e m e n ta n do t h e rf i e l d s b a s e do nt h et h e o r yo fr f i d ，an e wa p p l i c a t i o nm o d ei sd e v i s e d ：c o m b i n et h e r f i dt e c h n o l o g yw j m p o r t a b l es m a r td e v i c e s u c h 蠲p o c k e tp c i nt h i ss y s t e m , t h e p o r t a b l ed e v i c ea c t sa st h ec s i t i e t o fr h d m o d u l ew h i c hi su s e df o rc o l l e c t i n g i n f o r m a t i o n ；a f t e re n c f y p t i n gb ys d i oc a r d , t h ei n f o r m a t i o nw i l lb eu a n s p o r t e dt o b a c kd a m - b a s et h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r k a sar e s u l to ft h i s t h er e a l - c o l l e c t , r e a l - d i s p o s ea n dr e a t - t n m p 矾o fi n f o r m a t i o nc a nh er e a l i z e d t h et e r m i n a lu n i tu s e d a ss y s t e mf l a tr o o fh a sw i n d o w sm o b i l e5 0o s w i 出t h ec h a m c t e d s t i co ff i m c t i o n e x p e n d a b l e 蠲w e l l 髓t h es u p p o r to fu s a g eo ft h et h i r d p a r t ys o f t w a r eb a s e do n w i n c e t k sd e s i g n 啪h ew o r k e du n d e rt h es i t u a t i o no fu s i n gc o n t a e t l e s s i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r dt os t o r a g ed a t aa n dn e e di n f o r m a t i o nt oh ef e e d b a c lf o r i 1 1 懿a n c e ，i n q u i r ea b o u td i s t r i b u t i o no fc o m m o d i t i e s ，t r a f f i ci n s p e c ta n di d e n t i t y a u t h e n t i c a t i o n t h er e a l i z a t i o no ft h ew h o l es y s t e mi sa sb e l o w s ：d e s i g nar f i dr e a d e r c o m p o s e db yr e a d e ri co f $ 6 7 0 0a n dm c u o fm s p 4 3 0 f 1 4 9 ，t h er f i dm o d u l e w o r k sa tf r e q u e n c yo f1 3 5 6 m - za n di sp l a c e di nt h ep o r t a b l ed e v i c eb a t t e r yc o v e r w i t ht h ea n t e n n ap r i n t e do ni cb o a r da c c o r d i n gt oac o n d u c t i n gw i r em a n n e r ；, a d o p t t h ei d e ao fg p i os i m u l a t i o nt op r o d u c es p it i m i n g st od r i v e $ 6 7 0 0 ，o v e r c o m i n gt h e s h o r t c o m i n go fg e n e r a lm c us p ip o r t ；a n a l y z et h el 心i ds y s t e mc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li s o i e c l 5 6 9 3a n de x p l a i nt h ei n s t r u c t i o n sa l o n gw i t hh o wt h e yw o r k ； i n t r o d u c et h e t h e o r yo fc r ca n dh o wi t i sc a r r i e do u t ；d e v e l o pt h ec o m n a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o np r o g r a ma tt h eb a s eo fe m b e d d e do s ；u s ef i tl i n k e rt oj o i nt h er f i d m o d u kt oi n t e l l i g e n tm o b i l et e r m i n a la n di l l u m i n a t et h ef l o wc h , 缸to fa p p l i c a t i o n p r o g r a m s ；a n a l y z et i ms e c u r i t yo fw h o l es y s t e ma n dp r o p o s et h em e t h o dt os o l v e b o t ht h ed e s i g na n ds i m p l ea c h i e v et h er e q u i r i n g o f p r a c t i c a l i t y k e yw o r d s ：r f i d ，m o b i l ei n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，1 3 5 6 m h z , w i n d o w sm o b i l e5 0 i l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印j i i 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：杨扬 c ) 唧年3 月叫日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人似作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：袖扬 吲年月1 日 第1 章绪论 1 1 课题的来源与意义 第1 章绪论 射频识别( 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 ) 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它的发展最早可以追溯至第 二次世界大战时期，那时它被用来在空中作战行动中进行敌我识别在过去的 半个多世纪里，r f i d 技术逐渐由探索阶段走向成熟阶段。技术的标准化，产品 的多样化，使得它可应用的场合也越来越多：零售，物流、门禁管理、身份认 证、金融等就用得比较早的零售、物流行业来说，全球最大零售商沃尔玛早 在2 0 0 3 年6 月就发出r f i d 宏图一一要求其供应商在接下来几年必须在他们运 往沃尔玛分销中心的货物的包装箱或集装架上，贴上r f i d 标签一一这一举措不 仅使得r f i d 产业勃然兴起，还为我们揭示了未来将要大举来临的事物【1 2 】。 射频识别技术以其独特的性能优势，引发了一场供应链的革命，是当今时 代信息技术在全球物品编码、物资流通、自动配送方面的最新应用，受到全球 乃至社会各界前所未有的关注。这一技术的出现，给人类的工业生产、商业生 产、日常生活带来了巨大的变革，将在物流、医疗卫生、交通等诸多领域发挥 重要的作用，并对提高生产效率、增加社会财富、促进人类文明发展产生深远 的影畴 从自动识别技术的基本范畴来说，r f i d 技术是一种数据采集技术。目前， 手持的p o s 机可以解决数据的实地、个体采集，数据被存储在p o s 机上或p o s 机上的s d 卡中。然后，通过数据线或存储卡，将采集到的数据传输到后台进行 处理随着信息技术的发展，对采集到的数据进行实时处理、实时反馈的要求 也越来越高，又鉴于移动终端的普及率、使用率逐年呈上升趋势，于是，笔者 想到，是否可以有这样一种情况：利用手持终端和已经成熟的通信网络，将通 过终端采集到的数据实时传输出去，实现数据的可上传、可查询和可反馈。要 达到这个目标。需要一个可编程、可扩展的移动终端，一个传输数据业务速率 比较快的网络和一个可采集数据的模块。 本课题设计思路是，从智能终端内部电路板上引出信号线，与外露的通信触 第1 章绪论 点相连，通过这组通信触点，终端可以方便地与安装在背板上的电子设备交换 数据。从而扩展了终端的功能，以满足不同应用的需要，同时也降低了购买成 本利用终端服务商提供的g s m 或c d m a i x ，t d s - c d m a ，w c d m a 无线嚼 络，智能终端又可用作无线网络终端，采集劭韵数据可以很方便地传输出去； 利用数据加密装置和身份识掰装置组成安全性能很高的智能终端银行，或作为 安全可靠的警用无线终端设备使用。 1 2 嵌入式技术 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机 系统【3 酗1 5 】简而言之，它是完成特定任务的计算机系统。嵌入式系统往往作为 一个大型系统的组成部分被嵌入到该系统中( 这也正是它名称的由来) 嵌套关 系可能相当复杂，也可能非常简单它的表现形式多种多样，可以应用在消费 类电子、信息家电、智能识别系统、导航系统、汽车电子，工业控错、数字电 视、医疗设备等多种领域 嵌入式系统具有实时性、小尺寸、低功耗、高效率等特点旧。实时性是指系 统的正确性不仅与系统的逻辑正确性相关，而且与系统的响应时问相关。根据 对时限要求的不同，又可将嵌入式系统分为硬实时系统和软实时系统。硬实时 是指系统对时限的要求特别严格，如果不满足时限要求会给系统带来灾难性后 果。如飞行控制系统、空同设备、军方系统等；软实时是指系统对时限的要求 不是很迫切。如果不能满足时限要求，系统仍然可以正常工作，只是性能有所 影响而已如数据采集系统、数字家电、通讯设备等。小尺寸是指系统的外部 资源少、代码少、规格小等方面。由于嵌入式系统的使用环境有别于普通的计 算机系统，这就在某种程度上限制了为它提供能量的方式，也就决定了它必须 要有低功耗的特性，才可以满足其在恶劣环境下的正常运行。 嵌入式系统的组件根据应用的需要，嵌入在设备内部，发挥着运算、处理、 储存以及控耕等作用。嵌入式系统一般由硬件设备、嵌入式操作系统、嵌入式 应用软件组成。硬件大致由微处理器( 也叫微控制器) ，存储设备、外围接口组 2 第1 章绪论 成目前以3 2 位的单处理器、6 4 m 内存、3 2 m f i a s h 居多操作系统具有内核镜 像小、实时性强的特点，具备支持硬件的驱动软件和较强的安全性能。嵌入式 应用软件的设计必须考虑到嵌入式系统硬件资源的有限性。嵌入式应用软件包 括通信协议、图形接口、数据库系统和教| l 览器等。 1 2 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( r e a l q i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m , r t o so re o s ) 是一 种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括硬件、 软件系统) 极为重要盼组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件，系统 内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。 由于嵌入式系统运行环境的限制以及嵌入式系统的运行性能需求，通用的 p c 操作系统是无法满足要求的，因此诞生了面向较少系统资源的嵌入式操作系 统。嵌入式操作系统是掌上电脑的灵魂，广泛应用于个人数字助理、便携式电 话及各种手持设备、公用电话亭、游戏控制板、数字式制造设备，机项盒等消 费类家电信息产品 嵌入式操作系统是对通用操作系统的继承与发展，具有操作系统的基本功 能。包括指令执行、任务谓度、储存器管理、设备管理和中断处理等。但是。 由于嵌入式系统的硬件环境和程序运行需求有很大限制，所以嵌入式操作系统 又有如下不同于一般操作系统的特点： ( 1 ) 资源限耕：嵌入式系统一般只有6 4 m b 内存，而且非易失性f l a s h 通常 也就3 2 m b ，因此，操作系统运行时，就不能像在p c 枫上那样开销资源了。 ( 2 ) 安全性限制：嵌入式操作系统安全性非常重要，在w i n d o w sc e 中的设备 驱动程序基本都作为应用程序来运行，就是为了防止在内核态运行时出问题而 导致系统崩溃。 ( 3 ) 可移植性：嵌入式系统硬件平台种类比较多，不像p c 机由i n t e l 和a m d 垄断，因此操作系统必须把h a l 、b s p 和内核清楚的分割开来，这样对于移植， 开发工作就会简便很多。一般b s p 是由处理器生产厂家提供的。目前，w i n d o w s c e 支持的处理器种类已经包括x 8 6 、m i p s 、a r m 、x s e a l e 等一系列主流的嵌入 式处理器。 鉴于本课题所需的载体为智能终端，而智能终端上的操作系统均为嵌入式 3 第1 章绪论 操作系统，这里就针对几种比较流行的专用型一一用于智能终端，移动电话 的一一嵌入式操作系统作简单介绍。智能终端与非智能终端的典型区别在于前 者可以支持第三方软件，也就是说，可以像p c 机一样，将应用程序装入系统之 中，对其进行操作或卸载。目前，国内比较流行的专用型操作系统有w i n d o w s m o b i l e 、s y m b i a n 、l i n u x 以及p a l mo s m 1 w i n d o w sm o b i l e 操作系统 w i n d o w sm o b i l e 是微软w i n d o w sc e 下的一个品牌，是微软进军移动设备 领域的重大品牌调整，包括p o c k e tp c 、s m a r t p h o n e 以及m e d i ac e n t e r s 三大平台 体系，面向个人移动电子消费市场。相比于其它三种操作系统，w m d o w sm o b i l e 进入市场的时阊是比较晚的，但微软本身的优势足以使它在智能终端领域占据 不少的份额 首先，延续了微软p c 版操作系统的界面，w i n d o w sm o b i l e 的操作界面是每 一个微软系统使用者所熟悉的风格，这对于该系统平台的推广来说是一个非常 有利的因素。其次，凭借微软的o f f i c e 软件在办公领域的首脑地位，在其子品 牌w m d o w sm o b i l e 上，功能强大的文字处理软件，w o r d 、e x c e l 当然是必不可 少的装备。在最新的版本5 0 上，终端上的w o r d 文档、e x c e l 表格可以非常方便 的通过软件与p c 同步，不需要进行格式转换就可以对其进行查看或编辑。再次， 有g r m d o w sm e d i ap l a y e r 的支持，w i n d o w sm o b i l e 的媒体播放能力也是遥遥领 先于其它产品的。它不仅可以支持m p 3 、w m a 、w m v 、m p g 格式的文件，而 且还可能通过加装其他播放软件来播放低码率的r m 、r m v b 文件最后，因 为有微软的大力推广和支持，w m d o w sm o b i l e 吸引了众多的同盟者，它们作为 第三方，给其提供软件支持，使得w i n d o w sm o b i l e 系统具有了强大的扩展能力。 当然，w i n d o w sm o b i l e 操作系统也有其不足的地方。比如说，强大的处理 能力必然要以大容量的内核配制和高比例的内存开销为代价，对于内核受限的 嵌入式操作系统而言，这个方面无疑会大大影响其性能。 2 s y m b i a n 操作系统 1 9 9 8 年6 月，由爱立信、诺基亚、摩托罗拉和p s i o n 共同出资，筹建了s y m b i a n 公司。s y m b i a n 公司以开发和供应先进、开放、标准的手机操作系统一- - s y m b i a n 操作系统为目标。如今，围绕着s y m b i a n 操作系统开发和生产的一系列软硬件 产品，在全球掌上电脑和智能手机市场上占据了大部分的份额。这其中以诺基 亚为代表，在其高端产品中，无不例外的使用了s y m b i a n 操作系统。 4 第1 章绪论 s y m b i a n 操作系统提供了一系列个人信息管理功能，包括联系人和日程管 理等，还有众多的第三方应用软件可以供其选择。但s y m b i a n 操作系统通常会 因为手机的具体硬件而作改变，这也就意味着在不同的手机上它的界面和运行 方式会有所不同这就在某种程度上影响了系列产品的延续性，而且增加了操 作的复杂度。s y m b i a n 操作系统完全支持m i c r o s o f tw o r d 、e x c e l 和p o w e r p o i n t 文件，但是否能够建立或者编辑这些文件，还取决于手机的硬件设备。 3 l i n u x 操作系统 l i n u x 操作系统因其源码的公开性吸引了众多的底层开发者，在智能终端的 市场上也占有一定的比饼，因为免费的资源对于大多数手机制造商来说都具有 极大的诱惑力 8 1 。l i n u x 的优势表现有以下几点： ( 1 ) 应用于智能手机上的l i n u x 操作系统和通常说的应用于电脑上的l i n u x 操 作系统是一个系统，而且都是全免费操作系统。在操作系统上的免费，就等于 节省了产品的生产成本 ( 2 ) l i n u x 操作系统系统资源占用率较低，而且性能比较稳定。 ( 3 ) l i n u x 操作系统与j a v a 的相互融合，是任何一个操作系统所不能比拟的， l i n u x + j a v a 的应用方式，能够给用户极大的拓展空间 但也正因为l i n u x 操作系统的源码公开性，各厂家均有可能开发自己的使用 平台，这也就使得l i n u x 没有一个统一的平台如果可以有一个统一的l i n u x 软 件平台，然后手机制造商根据自己的需要在其上添加具体的特性，这样的开发 成本将会更少。也更接近完整的手机操作系统。 毛p a l m 操作系统 p a l m 操作系统是早些年前掌上电脑操作系统的霸主，但在现在s y m b i a n 、 w i n d o w sm o b i l e 流行的时代，p a l m 已风光不再不过，存在必有其道理，p a l m 操作系统也是具有独特性的。其一，就是操作简单。想运行一个程序，只要点 击它的图标就可以；要想输入数据，使用触摸笔直接在屏幕上写入就可以，或 者点击屏幕上的模拟键盘。其二，就是单线程，同一时间只能够运行一个程序。 单线程的运作方式，使得在p a l m 系统上操作时不必像在p c 中那样关闭程序， 只需从一个程序切换到另一个程序即可；同时，也不用担心系统因为打开了多 个应用程序而陷入内存溢出的状态。 但从现今的芯片技术来看，不管是嵌入式操作系统内核的处理速度，还是 系统的内存大小都比早些年有了长足的进步，再加上人们日常使用p c 所形成的 第1 章绪论 习惯，单线程的运作方式显然不能最大化地发挥内核的能力，而且也不能满足 人们的使用需求。 由以上分析来看，四种操作系统是各有千秋。但就现在的市场份额，以诺 基亚为代表s y m b i a n 和以多普达为代表的w i n d o w sm o b i l e 还是主流的操作系统， 而且w i n d o w s m o b i l e 在微软的推广和广大微软用户的支持下，大有赶超s y m b i a n 的势头 1 3 盱i d 技术 1 3 1 盯i o 技术 r f i d 技术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 空问耦合( 电感耦合或电磁耦合) 传输特性，实现对识别对象的自动识别【9 】。该 技术具有以下特点：就其对象来说，射频卡具有非接触操作，应用便利，无机 械磨损，寿命长，无需可见光源，穿透性好，抗污染能力和耐久性强，可重复 使用等特性；就其设备来说，读写器可以在恶劣环境下工作，对环境要求低， 读取距离相对远，无需与目标接触就可以得到数据，并且使用了防碰撞技术， 能够识别高速运动物体并可同时识别多张射频卡。 射频识别技术的发展已有半个多世纪的历程，按十年期段来划分，其大致 发展情况如表1 1 所示 1 3 2 盱i o 系统的组成 一般来说，r f i d 系统包含射频标签、读写器和数据管理系统三部分。其中， 射频标签由天线及芯片组成，每个芯片都含有惟一的识别码，一般保存有约定 格式的电子数据，在实际应用中，射频标签粘贴在待识别物体的表面；读写器 是可非接触地读取和写入标签信息的设备，它通过网络与其他计算机系统进行 通信，从而完成对射频标签信息的获取、解码，识别和数据管理；数据管理系 统主要完成数据信息的存储和管理，并可以对标签进行读写控制。 射频识别技术是利用无线电波或微波能量进行非接触双向通信，从而实现 识别和数据交换功能的自动识别系统。射频识别系统的组成结构如图1 1 所示。 6 第1 章绪论 母1 ir f i d 系统组成 其中，射频标签与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的空间耦合在 耦合通道内，根据时序关系。实现能量的传递和数据的交换。 表1 1 射频识别技术的发展情况 时间 发展情况 雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1 9 4 8 年奠定了射频识别技术的理 1 9 4 0 1 9 5 0 焦 论基础 1 9 5 0 1 9 6 0 焦 早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室研究阶段 1 9 6 0 1 9 7 0 年 射频识别技术的理论得到了发展开始了一些应用尝试 射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得 1 9 7 0 1 9 8 0 焦 到加速，出现了一些最早的射频识别应用 1 9 8 0 1 9 9 0 芷 射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现 射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛应用，射 1 9 9 0 2 0 0 0 篮 频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分 r f i d 标准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， 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、 2 0 0 0 年至今多电子标签识读、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公司宣布大 范围使用髓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 的研究和应用 1 射频标签 射频标签是r f i d 系统真正的数据载体。一般情况下，射频标签由标签天线 7 第1 章绪论 年口标签专用芯片组成。 每个标签具有惟一的电子编码，附着在物体目标对象上，用来存储需要识 趴和传输的信息。它必须能够自动或在外力的作用下，把存储的信息主动发射 出去射频标签可以像纸一样薄，柔韧、可弯曲、可编程，射频标签内编写的 程序可按特殊的应用随时进行读取和改写。 依据射频标签供电方式的不同，射频标签可以分为有源射频标签和无源射 频标签。有源射频标签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量 供应也部分地转换为射频标签与读写器通信所需的射频能量。无源射频标签的 工作电源就要根据电磁感应原理，以无线感应方式获取。 2 读写器 读写器是负责读取或写入标签信息的设备，它可以是单独的整体，也可以 作为部件嵌入到其他系统中。读写器可以单独实现数据的读写、显示和处理等 功能，也可以与计算机或其他系统进行联合，完成对射频标签的操作。读写器 基本的功能就是提供与射频标签进行数据传输的途径 典型的读写器包含有控制模块、射频模块、接口模块以及读写器天线。此 外，许多读写器还有附加的接口( r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、以太网接口等) ，以便将所获 得的数据传送给应用系统或从应用系统中接收命令 一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决 定是否需要发射机对发送的信号重发一次，或者指示发射器停止发信号，这就 是命令响应协议。使甩这种协议，可以在很短的时间、很小的空间识别多个标 签，也可以有效地防止欺骗阎题的产生 3 数据管理系统 数据管理系统主要完成数据信息的存储、管理以及对射频标签进行读写控 制 1 3 3r f i d 工作原理 r f i d 系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信 号，当附着标签的目标对象进入发射天线工作区域时会产生感应电流，射频标 签凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送 某一频率的信号；射频标签将自身编码等信息通过内置发送天线发送出去；系 第l 章绪论 统接收天线接收到从射频标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器， 读写器对接收的信号进行解调和解码后，送到数据管理系统进行相关处理；数 据管理系统根据逻辑运算判断该射频标签的合法性，针对不同的设置做出相应 的处理和控锚，发出指令信号，控制执行机构动作【m 。 发生在读写器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种【l l l ：适宜于近 场识j j l 的电感耦合( 如图1 2 ) 和适用于远场识别的电磁反向散射耦合( 如图1 3 ) 1 电感耦合 阅读器 标签 图1 2 电感耦合示意图 电感耦合利用的是读写器天线产生的未辐射交变电磁能，类似于变压器原 理：读写器的能量和信息( 命令和数据) ，通过读写器天线上的电压( 或电流) 变化形成的交变磁场传送至近距离耦合卡( c i c c ) 天线，并以感应电压( 或电 流) 的变化予以表现；而c i c c 的发送数据则对c i c c 天线进行负载调制，并经 交变磁场将此调制变化( 等效负载变化) 反映至读写器天线，表现为反作用的 感应电压( 或电流) 变化典型的工作频率有：1 2 5 k h z ，2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z 。 识别作用距离小于l m ，典型作用距离为l o 至2 0 c m 该两方向的信息传输是分时进行，即取半双工方式通信旧。 2 电磁反向散射耦合 电磁反向散射耦合利用的是读写器天线辐射的交变电磁能，此时的读写器 天线和c i c c 天线是真正意义上的天线( 有效辐射电磁波) ，而非前述电感耦合 中的。变压器线圈”：读写器天线发射的电磁波照射到c i c c 天线后，形成反向 回波，并被读写器天线接收。读写器的发送信息( 命令和数据) 是通过对读写 器天线发射电磁波的幅度、频率和相位的调制予以传送。c i c c 则通过调制反射 回波的幅度、频率和相位实现其信息的回送。此时，c i c c 天线等效于一个反射 9 第1 章绪论 截面随c i c c 被读数据的变化而变的雷达目标。典型的工作频率有：4 3 3 m h z 、 9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z 。识尉作用距离大于l m ，典型作用距离为3 至1 0 m 。 该耦合方式下的两个方向的信息传输也是分时进行，为半双工通信。 阅读嚣 标签 图1 3 电磁反向散射耦合示意图 1 3 4 自动识别技术的比较 r f i d 技术包含在自动识别技术的范畴内。自动识别技术是以计算机技术和 通信技术的发展为基础的综合性科学技术，它是信息数据自动识读、自动输入 计算机的重要方法和手段。简言之，自动识别技术是一种高度自动化的信息和 数据采集技术。它解决了人工数据输入的速率慢、误码率高、劳动强度大、工 作简单、重复性高等问题，为计算机信息处理提供了快速、准确地进行数据采 集输入的有效手段【1 3 】。 根据识别对象的特征，自动识别技术可分为数据采集技术和特征提取技术， 基本功能都是完成物品的自动识别和数据的自动采集。表1 2 给出几种识别系统 之阃的比较，表明了射频识别系统和其他系统的优缺点。 从表中我们可以看出，射频识别技术与磁卡、i c 卡等接触式的自动识别技 术相比，r f i d 系统的电子标签和阅读器之间无须物理接触就可以完成识别，属 于非接触识别。射频识别技术具有一些独特的地方：读写操作方便、灵活，实 时完成，一次识别多个射频标签、精度高、适应环境能力强、抗干扰强等。正 因为它有这样的特点，r f i d 已成为最具有前景的一种自动识别技术，并且已经 占领了巨大的市场。 1 3 5r f i o 技术应用 1 0 第l 章绪论 r 肿技术以其独特的优势，逐渐被广泛应用于工业自动化，商业自动化和 交通运输控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不 断扩大，射频识别产品的成本将不断降低，其应用将越来越广泛。表1 3 列举了 射频识别技术几个典型的应用。 表1 2 各种识别系统优缺点的比较 、系统 光学符号生物计数 射频识别 参数 条型码语音识别i c 卡 识掰测量法系统 典型的数据 l 1 1 l 1 6 6 4 k1 6 6 4 k 量字节 数据密度 小 小高高很高很高 机器阅读的 好好费时闻费时厨好 好 可读性 个人阅读的 可读性 受制约简单容易简单容易困难不可能 不可能 受污染潮 很严重很严重 可能( 接 湿影响触) 没有影响 受光遮盖影全部失 全部失效可能 没有影响 响效 受方向和位 很小很小 一个插入 置影响 方向 没有影响 有条件 用坏磨损有条件的接触没有影响 的 购置费电 子阅读设备 很少一般很高很高 很少一般 工作费用 ( 例如：打很少很少无无一般无 印机) 未经准许的可能( 录音 复制修改 容易容易不可能 不可能不可能 带) 阅读速度 低低很低 很低 ( 包括数据 5 低 很快 载体的使用 4 s3 s 5 s 4 s0 5 s l o s 数据载体与 l c - 直接接触o l o m 微 阅读器之间 0 5 0 c - ,o 5 0 c i i i 直接接触 的最大距离 ( 扫描仪) 或 2 c s波 注，生物计数测量法包括手印法，指纹法以及眼底视网膜识别法 l i 第l 章绪论 表1 3 r f i d 典型应用 典型应用领域具体应用 车辆自动识别管理铁路车号自动识别 高速公路收费及智能交通系 在车辆高速通过收费站的同时完成缴费，解决了交通的瓶 颈问题，提高了车行速度，避免拥堵。提高了收费结算效 统 率。 射频识射技术为货物的跟踪、管理及监控提供了快捷，准 货物的跟踪、管理及监控确、自动化的手段以射频识剐技术为核心的集装箱自动 识别，成为全球范围最大的货物跟踪管理应用。 射频识别技术目前在仓储、配送等物流环节已有许多成功 仓储、配送等物流环节的应用，随着射频识别技术在开放的物流环节的研究开 发，物流业将成为射频识别技术最大的收益行业。 射频识别卡是射频识别技术自9 一个主要应用。射频识别卡 电子钱包、电子票证的功能相当于电子钱包，实现非现金结算目前主要的应 用在交通方面。 生产线产品加工过程自动控主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上，实现自动控 制制、监视提高生产效率节约成本。 射频识别技术可用于动物跟踪。在大型养殖厂，可通过采 用该技术建立饲养档案、预防接种档案等，达到高效、自 动物跟踪和管理动化管理牲畜的目的阿时为食品安全提供了保障。射频 识 鲥技术还可用于信鸽比赛、赛马识别等，以准确测定到 达时间 1 4 本文的主要研究内容和结构 本文以r f i d 读卡器在智能终端上的实现为研究重点，研究内容包括r f i d 读写器的设计、嵌入式操作系统上应用程序的开发以及以移动智能终端为平台 的系统的整合与实现。 全文在结构上分为六部分： 第1 章，介绍了嵌入式系统和r f i d 技术，包括其系统组成、工作原理，并 对多种自动识别技术进行了比较，列举了r f i d 技术的应用。 第2 章，对课题整体方案设计进行介绍，说明方案选择依据，包括智能终端 特性、频段选择依据、读卡芯片特点、微控制器特点等。 第3 章，详细说明了读卡器模块的设计，包括硬件部分的分块实现、部分程 序说明、软件流程等。 1 2 第1 章绪论 第4 章，介绍了在嵌入式操作系统上开发应用程序的基本流程，结合r f i d 模块的嵌入，重点说明w i n c e 上的串口开发、应用程序开发流程。 第5 章，将以上两个部分整合，完成系统的整合与测试，并说明设计中要注 意的几点问题 第6 章，对全文进行总结，提出进一步应用和改进方案。 1 5 本章小结 在说明课题背景和意义的前提下，介绍了与课题相关的基本知识点，包括 嵌入式技术和射频识别技术。在嵌入式技术部分中，对四种针对智能终端的嵌 入式操作系统作了分析和比较；在射频识别技术中，详细说明了系统的组成、 工作原理、发展情况及应用。最后对全文内容及结构进行了说明。 第2 章整体方案设计 第2 章整体方案设计 在第1 章的基础上，对整体的设计方案进行了说明，包括终端设备选择、使 用频段选择、r f i d 模块的控制器和读卡芯片选择等。 2 1 系统整体结构及要求 基于对嵌入式系统和r f i d 技术的分析，可以看出，将数据采集模块整合到 嵌入式系统中。使之成为可由嵌入式系统操作，但采集过程和物理上都相对独 立的设备是可行的。为了达到数据实时采集、传输的目的，一个可采集数据的 模块是必需的，同时还需要：一个可移动终端作为整个系统的载体，要求这个 终端具有可编程、可扩展的特性：一个成熟的通信网络作为传输数据的通道， 要求该网络对于传输数据业务来说有比较大的吞吐量。 一 和手持的p o s 机相比，本设计相当于用移动终端的屏幕和键盘代替了手持 p o s 机的屏幕和键盘，用成熟的无线通信网络代替了手持p o s 机向后台传输数 据的通道，比如数据线或存储卡。 系统整体设计包括对移动终端、通信网络和数据采集模块部分的选择 2 2 移动终端平台选择 z 乏1 数据网络 现阶段，国内成熟的通信网络有g s m 网络和c d m a 网络。 g s m 蜂窝移动通信系统工作在如下射频频带【1 3 1 ： 上行( 移动台发，基站收) 8 9 0 9 1 5 m h z ； 下行( 基站发，移动台收) 9 3 5 9 6 0 m h z ； 双工间隔为4 5 m h z 。 随着业务的发展，可按需要向下扩展，或向1 s g h z 频段的d c s l 8 0 0 过渡， 即1 8 0 0 m h z 频段。d c s l 8 0 0 系统工作在如下射频频带： 1 4 第2 章整体方案设计 上行( 移动台发，基站收) 1 7 1 0 1 7 8 5 m h z ； 下行( 基站发，移动台收) 1 8 0 5 l 髂o z ； 双工问隔为9 5 姗z ； 载频间隔为2 0 0 k h z 。 应用蜂窝结构的g s m 系统采用t d m a 的接入技术，它是把整个可供使用的 信道容量按时问分配给多个用户的技术，载频问隔为2 0 0 k h z ，而每个载频按时 阿分隔为8 个时隙的1 个t d m a 帧，即每个载频含8 个物理信道，帧长为4 6 1 5 m s ， 每时隙0 5 7 7 m s 。8 个基本物理信道采用t d m a 方式和高斯滤波最小移频键控 ( g m s k ) 的调制，每载波码元速率为2 7 0 8 3 3 k b p s 。 i s 9 5c d m a 蜂窝系统工作频带为： 上行( 移动台发，基站收) 8 7 0 8 9 4 m h z ； 下行( 基站发，移动台收) 8 2 5 8 4 9 m h z ； 双