基于RFID智能仓储管理系统设计.doc

JI JIANGSU UNIVERSITY 本 科 生 毕 业 论 文 基于 RFID 的智能仓储管理系统设计 Design of Intelligent Warehouse Management System Based on RFID 学院名称 计算机科学与通信工程学院 专业班级 06 通信工程 1 班 学生姓名 邱廷君 指导教师姓名 宋雪桦 指导教师职称 副教授 2010 年 6 月 基于 RFID 的智能仓储管理系统设计 专业班级 06 通信工程 1 班 学生姓名 邱廷君 指导教师 宋雪桦 职 称 副教授 摘要 射频识别技术在军事监控 环境科学 空间探索和日常生活等许多方面都具有广泛 的应用前景 可以说射频技术是信息感知和采集的一场革命 是21世纪最重要的技术之 一 目前国外已有很多文献报道 射频识别技术已经应用于多个领域 并表现出良好的 性能 因此在国内 有着广阔的应用前景和价值 反映了当今通信研究领域的前沿 近年来 物流业得到了快速的发展 处于物流中心环节的仓储系统 也随之加快了 发展步伐 随着计算技术和自动化技术的快速进步 仓储系统已经向自动化 智能化方 向发展 射频识别技术作为新一代自动识别技术 其具有显著的优势 在仓储管理中的 应用得到了广泛的关注 本文详细分析了 RFID 技术 以 RFID 技术为核心 在分析仓储管理流程的基础上 提 出了仓储管理系统的总体设计和功能设计 并论述了 RFID 定位计算方法 解决约束 RFID 系统快速读取的瓶颈 提高商品实时数据的采集 使商品的采购 仓储 配送过程更加 便捷 本文以物流仓库为例设计了仓库管理系统中 RFID 系统的总体框架 系统组成和工 作流程 对商业应用中大批量物品的识别和管理具有重要意义 关键词 射频识别 仓储管理系统 物流 RFID定位算法 Design of Intelligent Warehouse Management System Based on RFID Abstract The RFID technology has a broad application in many fields such as martial monitor environmental science and so on It can be considered as an innovation in information sense and collection and one of the most important technologies in 21st century The RFID technology have been used for experimental study and all of them have good performance abroad Hence to carry on studying about correlative topics in our country will have good applied possibilities and value which reflects the studying lead in the field of communication research Recent years as the logistics industry has been developing rapidly the storage system being the key link of the logistics industry also expedite the pace of development With the rapid progress of technology and automation technology the system has made a develop direction of automation and intellectualized RFID Radio Frequency Identification technologies as a new generation of the automatic recognition technology it has a distinct advantage and received widespread concern on applications of the warehousing management The detailed analysis RFID technology on the basis of analysis warehouse management processes make the overall design and functions of the warehousing management system And it treats the RFID positioning computation solve the bottleneck of the RFID system on quickly reading to make the Real time data collection speed faster so that the goods purchase storage and distribution could be more convenient This article to its flow takes logistics warehouse as a example make the design the overall framework systems and working processes of RFID system has a great significance on the mass of the identification and management Key words RFID Radio Frequency Identification wms warehouse management system logistics RFID positioning computation 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 5 5 1 1 自动识别技术简介 5 1 2 RFID 技术的现状及发展 6 1 2 1 RFID 技术的应用现状 6 1 2 2 RFID 技术的发展方向 7 第二章第二章 RFIDRFID 技术概述技术概述 9 9 2 1 RFID 技术简介 9 2 1 1 什么是射频识别技术 9 2 1 2 射频识别技术发展历史 10 2 1 3 射频识别技术的发展 10 2 2 RFID 系统的分类 11 2 2 1 根据标签的供电形式分类 11 2 2 2 根据标签的数据通信方式分类 11 2 2 3 根据工作频率分类 11 2 2 4 根据标签的可读性分类 11 2 2 5 根据 RFID 系统标签和读头之间的通信工作时序分类 11 2 3 RFID 技术的优势 12 2 4 RFID 技术的应用 12 2 4 1 无源 RFID 技术 12 3 1 RFID 系统组成 16 3 1 1 阅读器 16 3 1 2 天线 16 3 1 3 电子标签 16 3 1 4 RFID 中间件 17 3 1 5 RFID 应用系统软件 17 3 2 RFID 系统工作原理 17 第四章第四章 RFIDRFID 系统中的数据编码与防冲突技术系统中的数据编码与防冲突技术 1818 4 1 编码与校验 18 4 1 1 RFID 系统通信模型 18 4 1 2 RFID 数据传输常用编码格式 18 4 1 3 RFID 传输数据校验 21 4 2 防冲突技术 21 4 2 1RFID 系统的冲撞问题 21 4 2 2 防冲突算法研究 21 4 2 3 动态调整二进制树形搜索法 22 4 2 4 算法的复杂度分析 25 第五章第五章 基于基于 RFIDRFID 技术的仓储管理系统设计开发技术的仓储管理系统设计开发 2727 5 1 仓储管理现状 27 5 2 仓储管理的发展方向 27 5 3 基于 RFID 技术的仓储管理系统总体设计方案 28 5 3 1 RFID 技术的系统硬件结构 28 5 3 2 RFID 技术系统的软件结构 29 5 1 本论文的主要工作 33 5 2 未来工作展望 33 参考文献参考文献 3535 致致 谢谢 3636 最新可编辑 word 文档 第一章第一章 绪论绪论 1 1 自动识别技术简介 在我们的现实生活中 各种各样的活动或者事件都会产生这样或者那样的数据 这些数据包括人的 物质的 财务的 也包括采购的 生产的和销售的 这些数据的 采集与分析对于我们的生产或者生活决策来讲是十分重要的 如果没有这些实际工况 的数据支援 生产和决策就将成为一句空话 将缺乏现实基础 在计算机信息处理系统中 数据的采集是信息系统的基础 这些数据通过数据系 统的分析和过滤 最终成为影响我们决策的信息 在信息系统早期 相当部分数据的处理都是通过人工手工录入 这样 不仅数据 量十分庞大 劳动强度大 而且数据误码率较高 也失去了实时的意义 为了解决这 些问题 人们就研究和发展了各种各样的自动识别技术 将人们从繁沉的重复的但又 十分不精确的手工劳动中解放出来 提高了系统信息的实时性和准确性 从而为生产 的实时调整 财务的及时总结以及决策的正确制定提供正确的参考依据 在当前比较流行的物流研究中 基础数据的自动识别与实时采集更是物流信息系 统 LMIS Logistics Management Information System 的存在基础 因为 物流 过程比其他任何环节更接近于现实的 物 物流产生的实时数据比其他任何工况都要 密集 数据量都要大 那么 究竟什么是自动识别技术 auto identification 呢 自动识别技术就是应用一定的识别装置 通过被识别物品和识别装置之间的接近 活动 自动地获取被识别物品的相关信息 并提供给后台的计算机处理系统来完成相 关后续处理的一种技术 举例说明 商场的条形码扫描系统就是一种典型的自动识别 技术 售货员通过扫描仪扫描商品的条码 获取商品的名称 价格 输入数量 后台P OS 系统即可计算出该批商品的价格 从而完成顾客的结算 当然 顾客也可以采用银 行卡支付的形式进行支付 银行卡支付过程本身也是自动识别技术的一种应用形式 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 归根到底 自动识别技术是 一种高度自动化的信息或者数据采集技术 自动识别技术近几十年在全球范围内得到了迅猛发展 初步形成了一个包括条码 技术 磁条磁卡技术 IC 卡技术 光学字符识别 射频技术 声音识别及视觉识别等 集计算机 光 磁 物理 机电 通信技术为一体的高新技术学科 一般来讲 在一个信息系统中 数据的采集 识别 完成了系统的原始数据的采 集工作 解决了人工数据输入的速度慢 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 因此 自动识别技术作为一种革命性的高新技术 正迅速为人们所接受 自动识别系统通 最新可编辑 word 文档 过中间件或者接口 包括软件的和硬件的 将数据传输给后台处理计算机 由计算机 对所采集到的数据进行处理或者加工 最终形成对人们有用的信息 在有的场合 中 间件本身就具有数据处理的功能 中间件还可以支持单一系统不同的协议的产品的工 作 完整的自动识别计算机管理系统包括自动识别系统 Auto Identification Sys tem 简称 AIDS 应用程序接口 Application Interface 简称 API 或者中间 件 Middleware 和应用系统软件 Application Software 也就是说 自动识 别系统完成系统的采集和存储工作 应用系统软件对自动识别系统所采集的数据进行 应用处理 而应用程序接口软件则提供自动识别系统和应用系统软件之间的通讯接口 包括数据格式 将自动识别系统采集的数据信息转换成应用软件系统可以识别和利用 的信息并进行数据传递 RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术 它通过 射频信号自动识别目标 对象并获取相关数据 识别工作无须人工干预 可工作于各种恶劣环境 RFID 技术 可识别高速运动物体并可同时识别多个标签 操作快捷方便 RFID 是一种简单的无线系统 只有两个基本器件 该系统用于控制 检测和跟踪 物体 系统由一个询问器 或阅读器 和很多应答器 或标签 组成 1 2 RFID 技术的现状及发展 1 2 1 RFID 技术的应用现状 RFID 技术的应用已趋成熟 在北美 欧洲 大洋洲 亚太地区及非洲南部都得到 了相当广泛的应用 典型的应用领域包括 1 铁路车号自动识别管理 如 北美铁路 中国铁路 瑞士铁路等 2 车辆道路交通自动收费管理 如 北美部分收费高速公路的自动收费中国部分 高速公路自动收费管理 东南亚国家部分收费公路的自动收费管理 3 旅客航空行包的自动识别 分拣 转运管理 如 北美部分机场 4 车辆出入控制 如 停车场 垃圾场 水泥场车辆出入 称重管理等 5 校园卡 饭卡 乘车卡 会员卡 驾照卡 健康卡 医疗卡 等国内 国外均 有大应用 6 生产线产品加工过程自动控制 主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上 7 动物识别 养牛 养羊 赛鸽等 大型养殖厂 家庭牧场 赛鸽比赛 8 物流 仓储自动管理 大型物流 仓储企业 9 贮气容器的自动识别管理 10 汽车遥控门锁 电子门锁等 最新可编辑 word 文档 目前国内 RFID 成功的行业应用有中国铁路的车号自动识别系统 其辐射作用已涉 及到铁路红外轴温探测系统的热轴定位 轨道衡 超偏载检测系统等 正在计划推广 的应用项目还有电子身份证 电子车牌 铁路行包自动追踪管理等 1 2 2 RFID 技术的发展方向 RFID 技术的发展 一方面受到应用需求的 驱动 另一方面 RFID 的成功应用反来 又极大地促进了应用需求的扩展 从技术角度说 RFID 技术的发展体现在若干关键 技术的突破 从应用角度来说 RFID 技术的发展目的在于不断满足日益增涨的应用 需求 一 RFID 技术未来的发展 RFID 技术的发展得益于多项技术的综合发展 所涉及的关键技术大致包括 芯片 技术 天线技术 无线收发技术 数据变换与编码技术 电磁传播特性 RFID 技术的发展已经走过 50 余年 在过去的 10 多年里得到了更快的发展 随 着技术的不断进步 RFID 产品的种类将越来越丰富 应用也越来越广泛 可以预计 在未来的几年中 RFID 技术将持续保持高速发展的势头 RFID 技术的发展将会在电 子标签 射频标签 阅读器 系统种类 标准化等方面取得新的进展 二 RFID 电子标签方面 电子标签芯片所需的功耗更低 无源标签 半无源标签技术更趋成熟 1 作用距离更远 2 无线可读写性能更加完善 3 适合高速移动物品识别 4 快速多标签读 写功能 5 一致性更好 6 强场强下的自保护功能更完善 7 智能性更强 8 成本更低 三 RFID 阅读器方面 1 多功能 与条码识读集成 无线数据传输 脱机工作等 2 智能多天线端口 3 多种数据接口 RS232 RS422 485 USB 红外 以太网口 4 多制式兼容 兼容读写多种标签类型 5 小型化 便携式 嵌入式 模块化 6 多频段兼容 7 成本更低 四 RFID 系统种类方面 1 低频近距离 RFID 系统具有更高的智能 安全特性 2 高频远距离 RFID 系统性能更加完善 系统更加完善 最新可编辑 word 文档 五 RFID 标准化方面 1 标准化基础性研究更加深入 成熟 2 标准化为更多企业所接受 3 系统 模块可替换性更好 更为普及 最新可编辑 word 文档 第二章 RFID 技术概述 2 1 RFID 技术简介 2 1 1 什么是射频识别技术 射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合 交变磁场或电磁场 实现无接触信 息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术 射频识别系统通常由电子标签 射频标签 和阅读器组成 电子标签内存有一定格式 的电子数据 常以此作为待识别物品的标识性信息 应用中将电子标签附着在待识别物 品上 作为待识别物品的电子标记 阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息 通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令 电子标签根据收到的阅读器的命令 将内 存的标识性数据回传给阅读器 这种通信是在无接触方式下 利用交变磁场或电磁场的 空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的 电子标签具有各种各样的形状 但不是任意形状都能满足阅读距离及工作频率的要 求 必需根据系统的工作原理 即磁场耦合 变压器原理 还是电磁场耦合 雷达原理 设计合适的天线外形及尺寸 电子标签通常由标签天线 或线圈 及标签芯片组成 标签 芯片即相当于一个具有无线收发功能再加存贮功能的单片系统 SoC 从纯技术的角度来 说 射频识别技术的核心在电子标签 阅读器是根据电子标签的设计而设计的 虽然 在射频识别系统中电子标签的价格远比阅读器低 但通常情况下 在应用中电子标签的 数量是很大的 尤其是物流应用中 电子标签由可能是海量并且是一次性使用的 而阅 读器的数量则相对要少的多 实际应用中 电子标签除了具有数据存贮量 数据传输速率 工作频率 多标签识 读特征等电学参数之外 还根据其内部是否需要加装电池及电池供电的作用而将电子标 签分为无源标签 passive 半无源标签 semi passive 和有源标签 active 三种类型 无源标签没有内装电池 在阅读器的阅读范围之外时 标签处于无源状态 在阅读器的 阅读范围之内时标签从阅读器发出的射频能量中提取其工作所需的电能 半无源标签内 装有电池 但电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅 助支持 标签电路本身耗电很少 标签未进入工作状态前 一直处于休眠状态 相当于 无源标签 标签进入阅读器的阅读范围时 受到阅读器发出的射频能量的激励 进入工 作状态时 用于传输通信的射频能量与无源标签一样源自阅读器 有源标签的工作电源 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标签与阅读器通信所需 的射频能量 射频识别系统的另一主要性能指标是阅读距离 也称为作用距离 它表示在最远为 多远的距离上 阅读器能够可靠地与电子标签交换信息 即阅读器能读取标签中的数据 实际系统这一指标相差很大 取决于标签及阅读器系统的设计 成本的要求 应用的需 求等 范围从 0 100m 左右 典型的情况是 在低频 125kHz 13 56MHz 频点上一般均采 最新可编辑 word 文档 用无源标签 作用距离在 10 30cm 左右 个别有到 1 5m 的系统 在高频 UHF 频段 无 源标签的作用距离可达到 3 10m 更高频段的系统一般均采用有源标签 采用有源标签 的系统有达到作用距离至 100m 左右的报道 2 1 2 射频识别技术发展历史 从信息传递的基本原理来说 射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型 初级与次 级之间的能量传递及信号传递 在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型 雷达发射 电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机 1948 年哈里 斯托克曼发表的 利用反射功率的通信 奠定了射频识别射频识别技术的理论基础 射频识别技术的发展可按十年期划分如下 1940 1950 年 雷达的改进和应用催生了射频识别技术 1948 年奠定了射频识别技 术的理论基础 1950 1960 年 早期射频识别技术的探索阶段 主要处于实验室实验研究 1960 1970 年 射频识别技术的理论得到了发展 开始了一些应用尝试 1970 1980 年 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 试得到加速 出现了一些最早的射频识别应用 1980 1990 年 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 1990 2000 年 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采用 射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分 2000 年后 标准化问题日趋为人们所重视 射频识别产品种类更加丰富 有源电子 标签 无源电子标签及半无源电子标签均得到发展 电子标签成本不断降低 规模应用 行业扩大 至今 射频识别技术的理论得到丰富和完善 单芯片电子标签 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射频识别技术与产品 正在成为现实并走向应用 特别值得一提的是在 1998 年美国麻省理工学院的 David Brock 博士和 Sanjay Sarma 教授在喝咖啡聊天时 谈及物品自动识别技术手段问题时产生的从系统的角度来解决物 品自动识别问题的灵感 由此导致了供应链中物品自动识别概念的一次革命 并最终在 1999 年 10 月 1 日正式创建 Auto ID Center 非盈利性的开发组织 Auto ID Center 诞生 后 迅速提出了产品电子代码 EPC Electronic Product Code 的概念以及物联网的概念 与构架 并积极推进有关概念的基础研究与实验工作 可以说 EPC 与物联网的概念将射 频识别技术的应用推到了极致 对射频识别技术的发展与应用的推广起到了极大的推动 作用 2 1 3 射频识别技术的发展 射频识别技术的发展 一方面受到应用需求的驱动 另一方面射频识别技术的成功 应用反过来又将极大地促进应用需求的扩展 从技术角度说 射频识别技术的发展体现 在若干关键技术的突破 从应用角度来说 射频识别技术的发展目的在于不断满足日益 最新可编辑 word 文档 增涨的应用需求 射频识别技术的发展得益于多项技术的综合发展 所涉及的关键技术大致包括 芯 片技术 天线技术 无线收发技术 数据变换与编码技术 电磁传播特性 随着技术的不断进步 射频识别产品的种类将越来越丰富 应用也越来越广泛 可 以预计 在未来的几年中 射频识别技术将持续保持高速发展的势头 射频识别技术的 发展将会在电子标签 射频标签 阅读器 系统种类等方面取得新进展 在电子标签方面 电子标签芯片所需的功耗更低 无源标签 半无源标签技术更趋 成熟 其作用距离将更远 无线可读写性能也将更加完善 并且能够适合高速移动物品 识别 识别速度也将更加快 具有快速多标签读写功能 与此同时 在强场强下的自保 护功能也会更加完善 智能性更强 成本更低 在读写器方面 多功能读写器 包括与 条码识别集成 无线数据传输 脱机工作等功能将被更多的应用 同时 多种数据接口 包括 RS232 RS422 485 USB 红外 以太网口也将得到应用 而读写器将实现多制式 多频段兼容 能够兼容读写多种标签类型和多个频段标签 读写器会朝着小型化 便携 式 嵌入式 模块化方向发展 成本将更加低廉 应用范围更加广泛 在系统方面 低 频近距离系统将具有更高的智能 安全特性 高频远距离系统性能将更加完善 成本更 低 而 2 45GHz 和 5 8GHz 系统将更加完善 同时 无芯片系统将逐渐得到应用 总而言之 射频识别技术未来的发展中 在结合其它高新技术 比如 GPS 生物识别 等技术 由单一识别向多功能识别方向发展的同时 将结合现代通信及计算机技术 实 现跨地区 跨行业应用 2 2 RFID 系统的分类 2 2 1 根据标签的供电形式分类 依据射频标签工作所需能量的供给方式 可以将 RFID 系统分为 有源 无源和半有 源系统 2 2 2 根据标签的数据通信方式分类 标签的数据调制方式即标签是通过何种形式方法与读头之间进行数据交换 据此 RFID 可分为主动式 被动式和半主动式 2 2 3 根据工作频率分类 RFID 系统的工作频率即为读头发送无线信号时所用的频率 一般可以分为低频 高 频 超高频和微波 低频 135KHz 以下 高频 13 56MHz 超高频 860M 960MHz 微波 2 4G 5 8G 2 2 4 根据标签的可读性分类 射频标签内部使用的存储器类型不一样 可以分为可读写卡 RW 一次写入多次 读出卡 WORM 和只读卡 RO 只读卡标签内一般只有只读存储器 ROM 和随即存储器 RAM 和缓冲存储器 而可读写卡一般还有非活动可编程记忆存储器 这种存储器除了 存储数据功能外 还具有在适当条件下允许多次写入数据的功能 最新可编辑 word 文档 2 2 5 根据 RFID 系统标签和读头之间的通信工作时序分类 时序指的是读头和标签的工作次序问题 即是读头主动唤醒标签 RTF Reader Talk First 还是标签首先自报家门 TTF Tag Talk First 的方式 一般来说 无源标签 一般是 TTF 方式 TTF 系统通信协议比较简单 防冲撞能力更强 速度更快 2 3 RFID 技术的优势 作为一项新技术 和传统的条形码技术相比较 其具有非常明显的技术和应用上的 优势 具体表现在 1 读取方便快捷 数据的读取无需光源 甚至可以透过外包装来进行 有效识别距 离更长 自带电池的主动标签 有效识别距离可达到 30 米以上 2 识别速度快 标签一进入磁场 阅读器就可以即时读取其中的信息 而且能够同 时处理多个标签 实现批量识别 3 数据容量大 一维条形码的容量是 50 字节 二维条形码最大的容量可储存 2 3000 字符 RFID 最大的容量则有数百万字节 4 使用寿命长 应用范围广 其无线电通信方式 使其可以应用于粉尘 油污等高 污染环境和放射性环境 而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码 5 标签数据可动态更改 利用编程器可以向电子标签里写入数据 从而赋予 RFID 标 签交互式便携数据文件的功能 而且写入时间比打印条形码更短 6 更好的安全性 RFID 电子标签不仅可以嵌入或附着在不同形状 类型的产品上 而且可以为标签数据的读写设置密码保护 从而具有更高的安全性 7 动态实时通信 标签以每秒 50 100 次的频率与阅读器进行通信 所以只要 RFID 标签所附着的物体出现在阅读器的有效识别范围内 就可以对其位置进行动态的追踪和 监控 2 4 RFID 技术的应用 目前定义 RFID 产品的工作频率有低频 高频和超高频的频率范围内的符合不同标准 的不同的产品 而且不同频段的 RFID 产品会有不同的特性 其中感应器有无源和有源两 种方式 2 4 1 无源 RFID 技术 一 低频 从 125KHz 到 134KHz 其实 RFID 技术首先在低频得到广泛的应用和推广 该频率主要是通过电感耦合的方 式进行工作 也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用 通过读写器交 变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流 可作供电电压使用 磁场区域能够很好的 被定义 但是场强下降的太快 特性 1 工作在低频的感应器的一般工作频率从 120KHz 到 134KHz TI 的工作频率为 最新可编辑 word 文档 134 2KHz 该频段的波长大约为 2500m 2 除了金属材料影响外 一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离 3 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制 4 低频产品有不同的封装形式 好的封装形式就是价格太贵 但是有 10 年以上的 使用寿命 5 虽然该频率的磁场区域下降很快 但是能够产生相对均匀的读写区域 6 相对于其他频段的 RFID 产品 该频段数据传输速率比较慢 7 感应器的价格相对与其他频段来说要贵 主要应用 1 畜牧业的管理系统 2 汽车防盗和无钥匙开门系统的应用 3 马拉松赛跑系统的应用 4 自动停车场收费和车辆管理系统 5 自动加油系统的应用 6 酒店门锁系统的应用 7 门禁和安全管理系统 符合的国际标准 a ISO 11784 RFID 畜牧业的应用 编码结构 b ISO 11785 RFID 畜牧业的应用 技术理论 c ISO 14223 1 RFID 畜牧业的应用 空气接口 d ISO 14223 2 RFID 畜牧业的应用 协议定义 e ISO 18000 2 定义低频的物理层 防冲撞和通讯协议 f DIN 30745 主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准 二 高频 工作频率为 13 56MHz 在该频率的感应器不再需要线圈进行绕制 可以通过腐蚀活着印刷的方式制作天线 感应器一般通过负载调制的方式进行工作 也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断 开促使读写器天线上的电压发生变化 实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制 如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开 那么这些数据就能够从感应器传输到读 写器 特性 1 工作频率为 13 56MHz 该频率的波长大概为 22m 2 除了金属材料外 该频率的波长可以穿过大多数的材料 但是往往会降低读取距 离 感应器需要离开金属一段距离 3 该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制 4 感应器一般以电子标签的形式 最新可编辑 word 文档 5 虽然该频率的磁场区域下降很快 但是能够产生相对均匀的读写区域 6 该系统具有防冲撞特性 可以同时读取多个电子标签 7 可以把某些数据信息写入标签中 8 数据传输速率比低频要快 价格不是很贵 主要应用 1 图书管理系统的应用 2 瓦斯钢瓶的管理应用 3 服装生产线和物流系统的管理和应用 4 三表预收费系统 5 酒店门锁的管理和应用 6 大型会议人员通道系统 7 固定资产的管理系统 8 医药物流系统的管理和应用 9 智能货架的管理 符合的国际标准 a ISO IEC 14443 近耦合 IC 卡 最大的读取距离为 10cm b ISO IEC 15693 疏耦合 IC 卡 最大的读取距离为 1m c ISO IEC 18000 3 该标准定义了 13 56MHz 系统的物理层 防冲撞算法和通讯协 议 d 13 56MHz ISM Band Class 1 定义 13 56MHz 符合 EPC 的接口定义 三 超高频 工作频率为 860MHz 到 960MHz 之间 超高频系统通过电场来传输能量 电场的能量下降的不是很快 但是读取的区域不 是很好进行定义 该频段读取距离比较远 无源可达 10m 左右 主要是通过电容耦合的 方式进行实现 特性 1 在该频段 全球的定义不是很相同 欧洲和部分亚洲定义的频率为 868MHz 北 美定义的频段为 902 到 905MHz 之间 在日本建议的频段为 950 到 956 之间 该频段的波 长大概为 30cm 左右 2 目前 该频段功率输出目前统一的定义 美国定义为 4W 欧洲定义为 500mW 可能欧洲限制会上升到 2W EIRP 3 超高频频段的电波不能通过许多材料 特别是水 灰尘 雾等悬浮颗粒物资 相对于高频的电子标签来说 该频段的电子标签不需要和金属分开来 4 电子标签的天线一般是长条和标签状 天线有线性和圆极化两种设计 满足不 同应用的需求 5 该频段有好的读取距离 但是对读取区域很难进行定义 6 有很高的数据传输速率 在很短的时间可以读取大量的电子标签 最新可编辑 word 文档 主要应用 1 供应链上的管理和应用 2 生产线自动化的管理和应用 3 航空包裹的管理和应用 4 集装箱的管理和应用 5 铁路包裹的管理和应用 6 后勤管理系统的应用 符合的国际标准 a ISO IEC 18000 6 定义了超高频的物理层和通讯协议 空气接口定义了 Type A 和 Type B 两部分 支持可读和可写操作 b EPCglobal 定义了电子物品编码的结构和甚高频的空气接口以及通讯的协议 例 如 Class 0 Class 1 UHF Gen2 c Ubiquitous ID 日本的组织 定义了 UID 编码结构和通信管理协议 在将来 超高频的产品会得到大量的应用 例如 WalMart Tesco 美国国防部和 麦德龙超市都会在它们的供应链上应用 RFID 技术 2 4 2 有源 RFID 技术 2 45GHz 5 8G 有源 RFID 具备低发射功率 通信距离长 传输数据量大 可靠性高和兼容性好等特 点 与无源 RFID 相比 在技术上的优势非常明显 被广泛地应用到公路收费 港口货运管 理等应用中 总之 射频识别技术以其独特的优势 逐渐的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的降低 其应用将越来越广泛 最新可编辑 word 文档 第三章 RFID 系统组成及工作原理 3 1 RFID 系统组成 3 1 1 阅读器 读写器也称阅读器 询问器 reader interrogator 是对 RFID 标签进行读 写操 作的设备 主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分 读写器是 RFID 系统中最重要 的基础设施 一方面 RFID 标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中 转换为数字信号 再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形 最后从 中解调出返回的信息 完成对 RFID 标签的识别或读 写操作 另一方面 上层中间件及 应用软件与读写器进行交互 实现操作指令的执行和数据汇总上传 在上传数据时 读 写器会对 RFID 标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤 将其加工为读写器事件后 再上传 以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量 因此在很多读写器中还集成 了微处理器和嵌入式系统 实现一部分中间件的功能 如信号状态控制 奇偶位错误校 验与修正等 未来的读写器呈现出智能化 小型化和集成化趋势 还将具备更加强大的 前端控制功能 例如直接与工业现场的其它设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调 度 在物联网中 读写器将成为同时具有通讯 控制和计算 communication control computing 功能的 C3 核心设备 3 1 2 天线 天线 antenna 是 RFID 标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连 接的设备 RFID 系统中包括两类天线 一类是 RFID 标签上的天线 由于它已经和 RFID 标签集成为一体 因此不再单独讨论 另一类是读写器天线 既可以内置于读写器中 也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连 目前的天线产品多采用收发分离技 术来实现发射和接收功能的集成 天线在 RFID 系统中的重要性往往被人们所忽视 在实 际应用中 天线设计参数是影响 RFID 系统识别范围的主要因素 高性能的天线不仅要求 具有良好的阻抗匹配特性 还需要根据应用环境的特点对方向特性 极化特性和频率特 性等进行专门设计 3 1 3 电子标签 RFID 标签俗称电子标签 也称应答器 tag transponder responder 根据工作 方式可分为主动式 有源 和被动式 无源 两大类 本文主要研究被动式 RFID 标签及 系统 被动式 RFID 标签由标签芯片和标签天线或线圈组成 利用电感耦合或电磁反向散 射耦合原理实现与读写器之间的通讯 RFID 标签中存储一个唯一编码 通常为 64bits 96bits 甚至更高 其地址空间大大高于条码所能提供的空间 因此可以实现单品级的物 品编码 当 RFID 标签进入读写器的作用区域 就可以根据电感耦合原理 近场作用范围 内 或电磁反向散射耦合原理 远场作用范围内 在标签天线两端产生感应电势差 并 在标签芯片通路中形成微弱电流 如果这个电流强度超过一个阈值 就将激活 RFID 标签 最新可编辑 word 文档 芯片电路工作 从而对标签芯片中的存储器进行读 写操作 微控制器还可以进一步加入 诸如密码或防碰撞算法等复杂功能 RFID 标签芯片的内部结构主要包括射频前端 模拟 前端 数字基带处理单元和 EEPROM 存储单元四部分 3 1 4 RFID 中间件 中间件 middleware 是一种面向消息的 可以接受应用软件端发出的请求 对指定 的一个或者多个读写器发起操作并接收 处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件 中间件在 RFID 应用中除了可以屏蔽底层硬件带来的多种业务场景 硬件接口 适用标 准造成的可靠性和稳定性问题 还可以为上层应用软件提供多层 分布式 异构的信息 环境下业务信息和管理信息的协同 中间件的内存数据库还可以根据一个或多个读写器 的读写器事件进行过滤 聚合和计算 抽象出对应用软件有意义的业务逻辑信息构成业 务事件 以满足来自多个客户端的检索 发布 订阅和控制请求 3 1 5 RFID 应用系统软件 应用软件 application software 是直接面向 RFID 应用最终用户的人机交互界面 协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置 逐级将 RFID 原子事件 转化为使用者可以理解的业务事件 并使用可视化界面进行展示 由于应用软件需要根 据不同应用领域的不同企业进行专门制定 因此很难具有通用性 从应用评价标准来说 使用者在应用软件端的用户体验是判断一个 RFID 应用案例成功与否的决定性因素之一 3 2 RFID 系统工作原理 RFID 技术的基本工作原理并不复杂 标签进入磁场后 接收解读器发出的射频信号 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 Passive Tag 无源标签 或被动标签 或者主动发送某一频率的信号 Active Tag 有源标签或主动标签 解 读器读取信息并解码后 送至中央信息系统进行有关数据处理 一套完整的 RFID 系统 是由阅读器 Reader 与电子标签 TAG 也就是所谓的应答器 Transponder 及应用软件系统三个部份所组成 其工作原理是 Reader 发射一特定频率的 无线电波能量给 Transponder 用以驱动 Transponder 电路将内部的数据送出 此时 Rea der 便依序接收解读数据 送给应用程序做相应的处理 以 RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成 感 应偶合 Inductive Coupling 及后向散射偶合 Backscatter Coupling 两种 一般低频 的 RFID 大都采用第一种式 而较高频大多采用第二种方式 阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读 写装置 是 RFID 系统信息控制和 处理中心 阅读器通常由耦合模块 收发模块 控制模块和接口单元组成 阅读器和应 答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换 同时阅读器通过耦合给无源应答器提 供能量和时序 在实际应用中 可进一步通过 Ethernet 或 WLAN 等实现对物体识别信息 的采集 处理及远程传送等管理功能 应答器是 RFID 系统的信息载体 目前应答器大多 是由耦合原件 线圈 微带天线等 和微芯片组成无源单元 最新可编辑 word 文档 最新可编辑 word 文档 第四章 RFID 系统中的数据编码与防冲突技术 4 1 编码与校验 4 1 1 RFID 系统通信模型 射频识别系统的结构与通信系统的基本模型相类似 满足了通信功能的基本要求 读写器和电子标签之间的数据传输构成了与基本通信模型相类似的结构 读写器与电子 标签之间的数据传输需要三个主要的功能块 如图 1 所示 按读写器到电子标签的数据 传输方向 是读写器 发送器 中的信号编码 信号处理 和调制器 载波电路 传输 介质 信道 以及电子标签 接收器 中的解调器 载波回路 和信号译码 信号处理 图 4 1 射频识别系统的基本通信结构框图 在图中 信号编码系统的作用是对要传输的信息进行编码 以便传输信号能够尽可 能最佳地与信道相匹配 这样的处理包括了对信息提供某种程度的保护 以防止信息受 干扰或相碰撞 以及对某些信号特性的蓄意改变 调制器用于改变高频载波信号 即使 载波信号的振幅 频率或相位与调制的基带信号相关 射频识别系统信道的传输介质为 磁场 电感耦合 和电磁波 微波 解调器的作用是解调获取信号 以便再生基带信号 信号译码的作用则是对从解调器传来的基带信号进行译码 恢复成原来的信息 并识别 和纠正传输错误 4 1 2 RFID 数据传输常用编码格式 可以用不同形式的代码来表示二进制的 1 和 0 射频识别系统通常使用下列编 码方法中的一种 反向不归零 NRZ 编码 曼彻斯特 Manchester 编码 单极性归零 UnipolarHZ 编码 差动双相 DBP 编码 米勒 Miller 编码利差动编码 1 反向不归零 NRZ Non Return Zero 编码 反向不归零编码用高电平表示二进制 1 低电平表示二进制 0 如图 4 2 所示 最新可编辑 word 文档 图 4 2 NRZ 编码 此码型不宜传输 有以下原因 a 有直流 一般信道难于传输零频附近的频率分量 b 收端判决门限与信号功率有关 不方便使用 c 不能直接用来提取位同步信号 因为在 NRZ 中不含位同步信号频率成分 d 要求传输线有一根接地 2 曼彻斯特 Manchester 编码 曼彻斯特编码也被称为分相编码 Split Phase Coding 在曼彻斯特编码中 某 位的值是由该位长度内半个位周期时电平的变化 上升 下降 来表示的 在半个位周 期时的负跳变表示二进制 1 半个位周期时的正跳变表示二进制 0 如图 4 3 所示 图 4 3 曼彻斯特编码 曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或者反向散射调制时 通常用于从电子标签 到读写器的数据传输 因为这有利于发现数据传输的错误 这是因为在位长度内 没有 变化 的状态是不允许的 当多个电子标签同时发送的数据位有不同值时 接收的上升 边和下降边互相抵消 导致在整个位长度内是不间断的副载波信号 由于该状态不允许 所以读写器利用该错误就可以判定碰撞发生的具体位置 3 单极性归零 Unipolar RZ 编码 单极性归零编码在第一个半个位周期中的高电平表示二进制 1 而持续整个位周 期内的低电平信号表示二进制 0 如图 4 4 所示 单极性归零编码可用来提取位同步 信号 最新可编辑 word 文档 图 4 4 单极性归零编码 4 差动双相 DBP 编码 差动双相编码在半个位周期中的任意的边沿表示二进制 0 而没有边沿就是二进 制 1 如图 4 5 所示 此外 在每个位周期开始时 电平都要反相 因此 对接收器 来说 位节拍比较容易重建 图 4 5 差动双相编码 5 米勒 Miller 编码 米勒编码在半个位周期内的任意边沿表示二进制 1 而经过下一个位周期中不变 的电平表示二进制 0 位周期开始时产生电平交变 如图 4 6 所示 因此 对接收器 来说 位节拍比较容易重建 图 4 6 米勒编码 6 差动编码 差动编码中 每个要传输的二进制 1 都会引起信号电平的变化 而对于二进制 0 信号电平保持不变 如图 4 7 所示 用 XOR 门的 D 触发器就能很容易地从 NRZ 信 号中产生差动编码 具体电路如图 4 8 所示 图 4 7 差动编码 最新可编辑 word 文档 图 4 8 从 NRZ 编码产生差动编码 4 1 3 RFI