毕业论文-射频识别技术

湖南大学毕业设计(论文)第65页1绪论1.1RFID技术及其应用简介射频识别技术(英文：RadioFrequencyIdentification，缩写：RFID)是一种无线通信技术，它可以通过无线电信号来辨识出特殊目标并将其中的数据读取出来，而不需要识别装置与目标之间建立机械接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，将数据从电子标签上传送出去，以追踪记录物体的位置，温度等相关信息。有些标签可以从读写器发出的电磁场中获取能量支持其运行，并不需要电池，称为被动标签；也有标签本身拥有电源，可以发出无线电波来与读写器通信，称为主动标签。标签中记录了被测物体的信息，数米之内都可以识别。射频标签与条形码不同，条形码需要在识别器的视线之内才能读写，而射频标签则不需要，甚至可以嵌入被测物体。一般而言，RFID系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，系统的组成会有所不同，但从RFID的工作原理来看，系统主要由信号发射机，信号接收机，发射天线等几部分组成。RFID由于具有数据读写功能，小型化和多样化的形状，适合恶劣环境，可重复使用，存储容量大等优点，因而应用十分广泛。至今为止，各行各业中都运用了RFID技术。将标签放置在超市的商品上，顾客就可以无需等待人工扫描直接付账。汽车流水线可以轻松的定位汽车的生产进度。射频标签也可以附于牲畜上，在肉制品出售时可以通过溯源清楚的知道其品质信息。射频识别的身份识别卡可以使员工得以进入安全级别较高的建筑，在征收停车场费用和告诉公路收费是，汽车上的射频应答器可以做到无滞留缴费。某些RFID标签可以附在衣物、个人财物上，在物品丢失时可以快速定位。九十年代射频识别使用在门禁系统中首先进入台湾市场，继而进入中国市场，如今RFID技术已经被广泛应用于各个领域，从门禁管理、人员考勤、消费管理、车辆管理、巡更管理、生产管理、物流管理，皆可以见到其踪迹，二代身份证全面选用13.56MHZ的射频\t"/c20/201407/_blank"IC卡更是对RFID技术的推进，银行卡也开始逐步使用射频卡来代替原来的磁条卡，到今天RFID技术已经彻底融入我们生活的每一个角落。RFID系统常见有以下几种应用：通道管理通道管理包括人员和车辆或者物品，实际上就是对进出通道的人员或物品通过识别和确认，决定是否放行，并进行记录，同时对不允许进出的人员或物品进行报警，以实现更加严密的管理，我们常见的门禁、图书管理、射频卡超市防盗、不收费的停车场管理系统等都属于通道管理。数据采集与身份确认系统数据采集系统是使用带有RFID阅读器的数据采集器采集射频卡上的数据，或对射频卡进行读写，实现数据采集和管理，如我们常用的\t"/c20/201407/_blank"身份证识别系统、\t"/c20/201407/_blank"消费管理系统、社保卡、银行卡、考勤系统等都属于数据的采集和管理。定位系统定位系统可以用于自动化管理中对车辆、人员、生产物品等进行定位。阅读器通常放置在指定空间、移动的车辆、轮船上或者自动化流水线中，射频卡放在移动的人员、物料、物品、半成品、成品上，阅读器通过无线的方式或者有线的方式连接到主信息管理系统，系统对读取射频卡的信息进行分析判断，确定人或物品的位置和其他信息，实现自动化管理，常见的应用如博物馆物品定位、监狱人员定位、矿井人员定位、生产线自动化管理、码头物品管理等。可见射频识别技术无论是在通信，工商业，交通运输业领域还是在仓储管理，智能家居，生产过程控制方面都有着十分广阔的应用。1.2RFID技术发展历史回顾和研究现状RFID技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战，当时为了鉴别飞机，又被称为敌我识别技术，这种技术沿用至今。从应用频率上看，因为经过多年的发展，13.56MHz以下的RFID技术已普遍应用，技术成熟，目前业界最关注的是位于中高频段的RFID技术，特别是860MHz～960MHz(UHF频段)的远距离RFID技术发展最快；而更高频段如2.45GHZ频段由于产品拥挤，易受干扰，技术相对复杂，其相关的研究和应用仍处于探索的阶段。国外RFID技术的研究起步较早，美国麻省理工大学的Auto_IDcenter是射频识别技术的发起者。许多大学和机构都投入了很多的研发力量从事研究工作。ISO,EPCglobal,UbiquitousID中心，ETSI等都在进行RFID技术规范和标准的制定。产业化方面，Philips,TI,Intel等公司都在进行芯片的研发，其中Intel在2007年3月推出了R1000；IBM,微软，SAP等也在开发相应的系统软件。RFID技术在我国“十一五”计划期间被列为国家科研的重点内容，并从标准制定，资源整合，技术开发，系统集成以及设备制造方便给予了强有力的支持。多所大学和科研机构也在进行着射频识别技术的深入研究。可以说，RFID技术的重要性和前景，已经被国内外所认可。RFID技术的发展已经走过50余年，随着技术的不断进步，RFID产品的种类将越来越丰富，不仅满足了应用的需求，同时又使得应用进一步发展。未来RFID技术的发展将会在电子标签、阅读器、应用系统集成、中间件平台、通信协议标准化等各个方面同时进行。RFID电子标签方面：芯片所需的功耗将更低；芯片体积更小，以便一些特殊场合应用；作用距离更远，随着IC技术的发展，标签工作电压更低，作用距离变得更远；标签存储空间更大；处理时间更短，可以满足快速处理的要求；更适合高速移动物体识别，这将对传输速度和稳定性提出更高的要求；标签可以实现自毁，这对于保护信息安全十分重要；无线读写性能进一步提升，进一步加强其抗干扰性；生产工艺不断提高，主要体现在天线印刷技术，比如导电墨水的应用使得标签的生产工艺产生了巨大的变化。RFID阅读器方面：随着RFID技术的发展，越来越多的应用对RFID系统的读写器提出了更高的要求，读写器将变得更加智能，可以脱离中央处理器，做到脱机工作，完成门禁，报警等功能；读写器的制作成本降低，目前大规模的应用成本还比较高，随着技术的不断成熟，读写器的成本将进一步降低；读写器将具备读取不同频率段的电子标签的功能，这依赖于多天线端口的发明；由于全球没有统一的RFID技术标准，未来读写器将具备多制式兼容功能，使其兼容不同制式的电子标签；为了满足市场，读写器最终会向小型化，便携式，嵌入式，模块化发展。RFID系统种类方面:目前RFID的系统分类主要是按照技术标准进行分类，未来RFID系统的分类将向着多样化的方向发展，如以数据内容为标准，以应用场合为标准，这取决于RFID技术的发展速度。1.3RFID技术存在的问题RFID在推广过程中，同样遇到不少尴尬，原因主要有以下四点：（1）价格成本过高RFID从标签到芯片再到读写器、中间件的一整套设备的价格较高，再加上系统布设成本、系统维护成本以及可能存在的市场接受风险，严重阻碍了RFID的市场推广。目前，国内读写器的均价在5000元以上，超高频读写器则达到10000元以上。(2)技术限制RFID技术尚未完全成熟，具体体现在三个方面。一是应用于某些特殊的产品，如液体或金属罐等，大量RFID标签会出现无法正常工作的情况。二是传统的\t"/c20/201407/_blank"电子标签制作工艺仍然相对繁杂。需要将标签进行化学浸泡方可进行贴码，标签失效率很高。三是RFID标签与读写器有方向性，信号很容易被物体阻断，即使贴上双重标签，还是有3%标签无法被读取。(3)标准化问题RFID至今没有形成统一的行业标准。在技术层面上，RFID读写器与标签的技术没有形成统一，会出现无法一体化使用情况。在行业内部，不同制造商所开发的标签通信协议、使用频段、封包格式不同，会造成使用时的困惑和混乱。(4)安全问题和隐私保护。RFID标签一旦接近读写器，就会无条件自动发出信息，无法确定读写器是否合法。无源RFID系统没有读写能力，无法使用密钥验证方法来进行身份验证。这就涉及到个人隐私和商业安全的保护问题。1.4课题研究方法本课题的研究是针对地铁列车轴温监测而展开，自主研发温度电子标签和读写器。，用标准C语言进行开发。在列车轴上贴上文本研发的温度标签，将采集的温度参数记录在电子标签内，通过读写器对标签内的数据的采集来实现对环境参数的细致地，实时地管理。该系统的工作方式非常简单，温度标签实时采集温度参数，阅读器在接收到上位机的指令后开始读取标签信息。系统设计主要问题：系统的低功耗设计。温度采集的准确性。1.5课题研究内容本文主要研究RFID温度电子标签与读写器的整体硬件设计部分，从理论分析到实际软硬件设计都进行了详细地阐述。各章节安排如下：第一章阐述了课题背景及目的，分析了国内外研究状况和相关领域中已有的成果，及整体设计思路。第二章介绍了系统的工作原理、以及系统各部分的内部结构。第三章介绍了该装置电子标签部分和读写器部分的硬件设计。第四章介绍了电子标签，读写器，温度采集部分的软件设计流程以及电子标签与读写器之间的通信协议IEEE802.15.4。2系统整体设计2.1器件选型本论文的设计目的是监测地铁列车轴温，考虑到监测的距离再结合标签工作频率划分标准，我选择了使用IEEE802.15.4通信协议的CC2430芯片作为系统核心。具体的工作频率划分如下：1.低频段射频标签低频段射频标签，也可以称为低频标签，这种标签的工作频率范围一般处于30kHz~300kHz。使用最多的工作频率有以下两种：125KHz，134.2KHz。低频标签在1979年开始被应用，是现在最成熟的使用频段。低频标签利用标签与读写器天线电磁耦合的作用从读写器获取能量并进行数据传输，所以低频标签通常都是无源标签。低频标签在和读写器通信时有比较严格的要求，标签要处于阅读器天线的作用范围之内，且二者的距离一般不能超过1米。这限制了低频标签的应用。低频标签的典型应用有：物体识别、自动停车收费系统、工具识别、汽车防盗（带有内置应答器的汽车钥匙），车辆管理系统等。其中汽车行业是低频标签的最大客户，比如在一个汽车点火系统中，当人用钥匙启动汽车时，嵌入在钥匙中的低频标签会被RFID读写器读取ID，如果ID正确则可以启动，若ID错误则会发出警报。ISO11784/11785（用于动物识别）、ISO18000-2（125-135kHz）这几个通信标准都与低频标签有关。低频标签主要的优点体现在：标签芯片的制作工艺采用了CMOS工艺，这就决定了它低功耗，成本低的优点；本身较低的频率不用受到无线电频率的管制，使用自由度大；低频段的通信可以穿透水、有机组织、木材等，克服环境因素限制；在要求通信距离不高的，通信速度要求低的，数据数量少的场合有着其它类型电子标签所不能比拟的优势等。同样低频标签也有劣势，比如：标签内部存储空间小，可存储数据量少；只能适合低速、近距离识别应用；低频标签不具备防碰撞能力，这使得同时读取多个标签无法实现，极大地限制了低频标签的应用。2.高频段射频标签工作频率范围在3MHz~30MHz的电子标签被称为高频段电子标签。典型工作频率为：13.56MHz。由于此频段在无线电频率划分中处于高频段，所以称之为高频电子标签。高频标签通常也采用无源方式，其工作方式同低频电子标签相似，也是通过电磁耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射电磁场中获取能量。阅读器在读取标签中数据时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。高频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。高频标签的基本特点与低频标签相似，高频标签由于使用更高的频率，其数据传输速度要更高一些，同时高频标签具有防碰撞能力，使多标签同时读取变为可能。高频电子标签的天线部分制作成本要低于低频电子标签，同时其读写器的设计也要比超高频读写器简单，因此高频电子标签具有一定的优势。高频标签的设计不断优化，可以制作成卡片状，这使得它在图书馆系统，酒店门禁卡系统，列车车票，身份证，电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等方面有着广泛的应用。在高频段的相关国际标准有：ISO14443、ISO15693、ISO18000-3（13.56MHz）等。由于高频频段在使用上并没有什么限制，再加上智能卡的普及，高频标签成为目前世界上使用范围最广的标签。3.超高频标签与微波标签超高频与微波频段的射频标签，简称为微波射频标签，其工作频率一般为：433.92MHz，862(902)~928MHz，2.45GHz，5.8GHz。微波射频标签一般可分为有源标签与无源标签这两种类型。无源微波标签通过电磁耦合的形式从阅读器的辐射场中获取能量并进行数据传输，有源微波标签则在进入阅读器辐射场时被唤醒。与低频标签和高频标签不同的是，微波射频标签有更远的通信距离，通常可达4-6米，甚至10米以上，这使得微波标签可以满足对通信距离要求高的场合的需要。微波射频标签的天线一般由铜，铝或银等材料冲压而成，这种天线一般很细，这使得标签可以做的很薄。同时，微波射频标签具有防碰撞功能，读写器可以同时读取多个微波标签，这在大规模应用中有着很重要的作用。当今，能否实现多标签同时识别正成为评判一个系统是否是先进系统的重要依据。以目前的技术水平来看，处于902~928MHz频率范围的无源微波标签发展的十分迅速。而在2.45GHz和5.8GHz频率段则以半无源微波标签居多。这种半无源标签通常采用钮扣电池供电，具有较远的阅读距离。微波射频标签的主要特性表现在供电模式、数据传输距离、是否具有防碰撞功能、是否可以应用于高速识别系统，读写器的发射功率容限，读写器的成本，标签的制作成本等方面。微波射频标签的优点主要体现在工作距离长，天线尺寸相对较小，可以绕开障碍物，可以定向识别，通信速率更快。从内部存储空间来看，微波射频标签的内部存储空间在2Kbit左右，这已经可以满足几乎所有场合的需求，从技术及应用的角度来说，微波射频标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有：1Kbits，128Bits，64Bits等。由Auto-IDCenter制定的产品电子代码EPC的容量为：90Bits。微波射频标签的应用同样十分广泛，包括：集装箱货运管理，工业自动化管理，航空包裹管理等。相关的国际标准有：ISO10374，ISO18000-4（2.45GHz）、-5（5.8GHz）、-6（860-930MHz）、-7（433.92MHz），ANSINCITS256-1999等。2.2系统工作原理系统原理图如图2.1所示，可分为上位机系统、读写器模块和电子标签三部分，其中微控制器是整个系统的核心部件，以CC2430芯片为依托进行设计完成，存储在控制器中的程序统筹控制数据收发，数据采集并进行数据处理和记录。在硬件结构上，集成温度传感器的有源电子标签主要由无线射频收发模块，通信天线，微处理器，传温度感器DS18B20，供电模块组成。当电子标签开始工作后，首先对温度传感器DS18B20，CC2430上的射频通信部分进行初始化，并设置射频收发器的收发地址，确定数据传输速率，发射芯片的发射功率和CRC校验长度和有效数据长度，然后微处理器把温度传感器定时采集到的温度数据和传感器ID编号通过通信接口发送给CC2430芯片上的射频通信部分，射频芯片再通过发送模式将数据发送给读写器。图2.1系统原理图2.3CC2430处理器系统结构分析CC2430有三种不同版本：CC2430-F32/64/128,分别对应32/64/128KB的闪存。CC2430是一个真正的片上系统（SoC)解决方案，在应用IEEE802.15.4协议以及ZIGBEE技术的场合使用十分广泛，它可以用很低的费用构成节点。CC2430芯片中集成了性能优越的CC2420RF收发器，增强型8051MCU,32/64/128的闪存，8KB的RAM和其它很多强大的功能。由于CC2430可以切换集中不同的操作模式，操作模式之间的切换时间进一步保证了低功耗使得CC2430在对低功耗要求很高的场合应用十分合适。针对本课题具体设计如图2.2所示。图2.2CC2430芯片系统结构图该芯片具有如下功能：高性能和超低功耗的8051单片机内核。符合IEEE802.15.4通信协议的RF收发核心。非常高的灵敏度与系统抗干扰性。32,64或128KB的系统内可编程闪存。8KBSRAM，以及4KB的数据存储功能（不同供电模式下）工作电流小（当带芯片运行在32MHZ时，Rx为27mA,Tx为25mA）工作模式之间转换时间非常短，使占空比比较低的系统平均功耗更低。外围器件需求极少，组网快捷提供强大，灵活的开发工具2.4C语言与IAREmbeddedWorkbench集成开发工具简介C语言由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie在1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它由早期的编程语言BCPL(BasicCombinedProgrammingLanguage)发展演变而来，在1970年,贝尔实验室的KenThompson根据BCPL语言设计出较先进的并取名为B的语言,随后造成的C语言的出现。而B语言之前还有A语言，取名自世界上第一位女程序员Ada（艾达）。随着计算机领域的日益发展,出现了多种C语言的分支由于标准还没有统一，这些分支之间产生了差异，这对于C语言的发展并不有利。为了使其走向统一,美国国家标准研究所(ANSI)为C语言制定了一套ANSI标准，这就是现在的C语言标准。C语言是世界上应用最多，使用最简洁的程序设计语言之一。在操作系统代码编写以及驱动硬件软件的代码编写方面，用C语言进行代码编写明显要由于其他种类的语言编写，C语言的应用在许多大型系统上都能找到。IAREmbeddedWorkbench(简称EW)的C/C++交叉编译器与调试器是当今世界最完善和对用户最友好的嵌入式应用研发工具。EW可以支持各种型号的微处理器并且提供同样直观简介的用户开发界面。EW已经支持40种以上类型的处理器内核。EW包括：嵌入式C/C++优化编译器，汇编器，连接定位器，库管理员，编辑器，项目管理器和C-SPY调试器等。使用IAR的编译器可以得到最优化的代码，减少系统资源的占用率，极大地减少成本支出，提高竞争力。IAREmbeddedWorkbench集成的编译器功能特性：.高效PROMable代码.完全兼容C语言.内部集成对多种芯片的处理方式.软件版本更新与外围延伸支持完美.精确的中断解决方案和快捷的仿真.工程中支持相对路径IAREmbeddedWorkbench是一个完善的系统环境开发平台:平台中包括编辑器，系统工程到C/C++编译器，连接器与调试器等各式各样的开发工具。EW与不同仿真器，调试器可以做到完美匹配，使研发人员在应用过程中，只在EW开发环境下，就可以完成多种微控制器的代码编写工作。2.5DS18B20数字温度传感器介绍DS18B20是DALLAS公司生产的单线式数字温度传感器，它具有3引脚TO-92小封装体积，其不锈钢外壳封装形式可以防水防潮，适合恶劣的现场温度检测，其温度测量范围为-55℃-+125℃。其内部结构如下图2.3所示。图2.3.DS18B20内部结构框图DS18B20数字温度计有9位温度精度，指示器件的温度。温度数据经过单总线模式送入DS18B20，因此CC2430与DS18B20的连接仅需一条线。DS18B20的电源可以通过电源模块供电也可以通过数据线提供。每一个DS18B20都拥有一个唯一的ID编号，所以多个DS18B20可以放在同一条单线总线上而不用担心数据混乱。其ROM操作指令如下：ReadROM(读ROM)[33H]MatchROM(匹配ROM)[55H]SkipROM(跳过ROM)[CCH]SearchROM(搜索ROM)[F0H]Alarmsearch(告警搜索)[ECH]存储器操作指令;WriteScratchpad(写暂存存储器)[4EH]ReadScratchpad(读暂存存储器)[BEH]CopyScratchpad(复制暂存存储器)[48H]ConvertTemperature(温度转换)[44H]RecallEPROM(重新调出)[B8H]ReadPowersupply(读电源)[B4H]2.6系统性能指标1.工作频段：2.4GHZ2.工作电压：2.0-3.6V3.工作电流：接收数据时27mA,发送数据时25mA.4.灵敏度：-97dBm5.最大输出：24dBm6.最大传输速率：250kb/s3系统硬件设计本论文介绍的集成温度传感器的电子标签硬件部分主要由以下几个部分组成：天线电路的设计，电源模块的设计，CC2430复位电路设计，传感器与CC2430连接电路的设计以及上位机与读写器通信接口的电路设计。以下重点介绍各模块电路。3.1集成温度传感器的电子标签设计3.1.1天线电路设计CC2430的天线部分如下图3.1所示。它使用的是一个非平衡天线，连接非平衡变压器可以让天线的性能更好。电路中的非平衡变压器由C17，L1，L2，C14，C18以及一个PCB微波传输线组成。整个结构满足RF输入/输出匹配电阻50欧姆的要求。图3.1天线部分3.1.2晶振电路采用32MHZ晶振XTAL1,与2个负载电阻器，C14，C15一起构成一个32MHZ晶体振荡器电路。图3.2晶振电路3.1.3电源电路设计电源是整个系统能够正常工作的基本保证,如果电源电路设计的不好,系统有可能不能工作,或者即使能工作但是散热条件不好,导致系统不稳定等异常情况。本论文介绍了一种以AH805为升压稳压芯片的电源模块。以为CC2430具有低功耗的特性，所以选用了2节1.5V干电池为电源。通过AH805升压稳压芯片产生5V电压为MAX232和复位电路供电，3V电压为CC2430供电。该部分具体电路如图3.3所示。图3.3电源模块3.1.4DS18B20接口电路设计温度传感器DS18B20与芯片CC2430的硬件连接非常简单，如图3.4所示。由于DS18B20将地址线，数据线，控制线合成为一根双向串行传输的信号线，可以单独控制，所以只需要占用CC2430的一个I/O口（P0.4）。图3.4DS18B20与CC2430的连接3.2读写器硬件电路设计3.2.1与上位机串口通信的设计本论文介绍一种通过MAX232芯片完成串口通信的思路。CC2430无法与上位机直接相连，本文提出了一种采用MX232芯片将RS232电平转换为TTL电平的方案来实现上位机与读写器的连接。该芯片是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0-+5v,mMAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。MX232芯片由电源模块提供5V电压进行工作，其7,8,13,14引脚是RS232端引脚，9,10,11,12引脚是TTL电平端，用来连接CC2430。具体电路图如图3.5所示。图3.5串口通信部分硬件电路3.2.2复位电路硬件设计复位电路部分采用了RC复位方式，可以使用上电复位方式或者手动复位方式，低电平有效。为了达到准确的复位，应该使RESET-N端保持10ms的低电平。当复位结束后，不要立刻初始化，因为这样会发生错误。所以，进入初始地址（0000H）后，先对软件进行10ms左右的延时处理，随后再初始化。4软件设计本文的软件部分主要由以下几个部分组成：电子标签部分软件设计，读写器软件设计，温度采集软件设计，串口通信部分软件设计。具体设计流程如下：4.1有源电子标签软件流程设计系统先进行CC2430的初始化，这其中包括设置主时钟晶振频率，射频收发能量，输入输出口定义以及简单的数据包装协议初始化。完成初始化后将对系统工作模式进行判断，如果是发送模式，则调用DS18B20中的测温函数采集车轴温度，并且按照协议将标签ID,温度数值打包发送，待收到读写器发出的确认收到命令后，进入低功耗模式。若未收到读写器发出的确认命令，则继续进行数据发送，直到收到确认信息。如果不是发送模式，则进入接收模式，调用接收函数接收数据。具体软件流程见图4.1.图4.1电子标签部分开发流程图4.2读写器软件流程设计读写器上电后，先对程序和RF进行初始化，开始搭建网络，这时可以通过上位机向读写器发出接收标签信息命令，此时读写器向标签发送读取ID号以及温度参数的指令，并进入接收模式。如果此时读写器接收到上位机的其他指令，则会对上位机命令进行解析，并完成上位机发出的指令，之后再次进入接收模式。若接收到标签数据，则将接收到的信息送上位机显示并向标签发送确认收到的指令。具体软件流程见图4.2图4.2读写器部分开发流程图4.3温度采集部分软件流程设计DS18B20在系统中担任着温度检测的任务，他可以提供9位温度参数精度，与CC2430的P0.4接口连接，通过电源模块进行供电。其ROM操作指令和存储器指令如下：ReadROM(读ROM)[33H]MatchROM(匹配ROM)[55H]SkipROM(跳过ROM)[CCH]SearchROM(搜索ROM)[F0H]Alarmsearch(告警搜索)[ECH]存储器操作指令;WriteScratchpad(写暂存存储器)[4EH]ReadScratchpad(读暂存存储器)[BEH]CopyScratchpad(复制暂存存储器)[48H]ConvertTemperature(温度转换)[44H]RecallEPROM(重新调出)[B8H]ReadPowersupply(读电源)[B4H]DS18B20的工作原理如下：首先对DS18B20进行初始化，随后发出跳过ROM指令CCH，跳过ROM后发送温度转换指令44H并等待转换。转换完成后再进行初始化，再发送跳过ROM指令CCH和数据读取指令BEH并将数据存入缓冲区，等待进行数据处理。具体的程序流程图如图4.3所示。图4.3温度采集部分开发流程图4.4标签的自定义通信协议IEEE802.15.4网络共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧。

1)信标帧.以下四个部分构成了信标帧的负载单元：超帧描述字段、GTS分配字段、待转发数据目标地址段与信标帧负载数据。

（1）信标帧中的超帧描述字段详细注明了这个超帧的作用时间，活跃部分的作用时间和竞争访问时段的作用时间等信息。

（2）GTS分配字段的作用是把无竞争时段平均分为为若干个GTS，然后把每一个划分好的GTS分配给每一个设备。

（3）转发数据目标地址中保存了与协调者保存的数据相对应的设备地址。如果某一个设备在待转发数据目标地址字段中找到了自身设备的地址，这就表明在协调器中有它的数据，这时此设备会发出MAC命令帧到协调器来请求传输数据。

（4）上层协议需要数据传输通道，信标帧的负载数据可以提供。比如在用到信息安全处理的时候，被通信设备所使用的安全通信协议将被当做负载数据写入相应信息的依据。一般的情况下，这个字段是可以忽略的。当信标不能使用网络时，如果有其他设备发出请求，协调器也可以发送出信标帧。这时信标帧不再具有其他功能而只是帮助协调器传输数据给设备，此时只有这个信标帧的待转发数据目标地址字段起作用，其它字段均无意义。2）数据帧

当上层需要向MAC子层传输数据时需要数据帧，数据帧的负载部分就是上层向MAC子层发送的数据。当数据负载传送至MAC子层后，形成了一个个的MAC服务数据单元。MAC服务数据单元在MAC子层中加上了MHR头信息与MFR尾信息后，就变成了MAC帧。

随后MAC帧被发送到物理层后，重新构成了物理帧的负载PSDU。PSDU在物理层再一次被改写，在帧首的位置添加了同步信息SHR和帧长度字段PHR字段。同步信息SHR由两部分组成：同步的前导码和SFD字段，这二者的值都是固定的。帧长度字段的PHR注明MAC帧的长度，由于其只有一个字节的长度且低7位有效，固MAC帧的总长度不能超过127个字节。确认帧

当一个设备接收到的目的地址是其自身的数据帧或MAC命令帧，而且帧的控制信息字段的确认请求位被置1，设备需要发出一个帧，这个帧被称为确认帧。而且确认帧的序列号必须和被确认帧的序列号相同，且负载数据的长度为0。被确认帧发送后确认帧随即发送，这个过程不使用CSMA-CA机制竞争信道。

4）命令帧

MAC命令帧的功能是搭建PAN网络，数据传输等。现在已经有几种命令帧被定义，这几种已被定义的命令帧可以实现以下三种功能：设备与PAN网络的连接，数据的交换，分配Gts。在帧的格式上命令帧与确认帧，数据帧等没有很大区别，不过在帧控制段的帧类型位有些诧差异。命令帧的帧控制段的帧类型位011B。在一段帧上的负载数据决定了此命令帧的具体功能。负载数据作为一个变长结构，在命令帧上的负载数据其第一个字节规定为命令字节，而其后的数据对不同的命令帧类型有不同的格式。图4.4发送的同步头图4.5帧控制域（FCF）的格式图4.6确认帧的格式工作总结本文在分析讨论RFID以及ZIGBEE技术原理的基础上，提出了以CC2430芯片为依托，以DS18B20位温度传感前段的地铁列车轴温监测方案，并以此测试方案为理论基础，对实现方案的硬件进行了深入的探讨。在14周左右的毕业设计时间内，主要工作归结如下：（1）在充分研究了RFID与ZIGBEE技术的基本原理，讨论比较各种解决方法，并对基本测试方法进行误差分析的基础之上，提出了以CC2430为核心的具体方案。（2）基本实现了温度数据采集，数据存储，数据发送，上位机数据接收，超温报警等一系列工作过程。（3）硬件电路部分完成了包括电源电路的设计，复位电路设计，主时钟电路设计，串口通信设计。软件部分则设计出了集成温度传感器的有源电子标签软件流程，读写器软件流程，DS18B20工作软件流程以及串口通信软件流程。（4）采用了MAX232芯片完成上位机与读写器之间的数据通信，简单高效，节省开发成本。（5）本文采用CC2430芯片作为主控制器，使用IAREmbeddedWorkbench开发环境，使硬件设计和软件编写都更加方便高效。但由于时间和水平的有限，在某些环节上还存在着一定的缺陷，有待进一步完善。下面提出一些改进意见和设想：（1）射频收发端的天线设计还可以选择性能更好的设计方案，仍有改进的空间，今后还需进一步提高。（2）串口通信部分采用了MAX232来完成数据通信，也可以尝试FT232RL芯片完成USB到UART转换。（3）温度测量间隔时间较长，可以对下位机软件进行优化，达到更快的测量速度。（4）本文测试对象是地铁列车的轴温，考虑到夏天时轴温温度较高，所以集成温度传感器的电子标签部分要考虑更高的温度承受能力，这一点还需完善。（5）手动复位部分还存在抖动，这一点还需要改善复位部分电路设计。虽然在大学课堂上并没有接触过RFID和ZIGBEE的相关知识，但是通过这14周做毕业设计的经历让我对无线通信技术有了很深入的了解。并且通过自己查阅资料，搭建硬件电路，设计软件流程图等一系列过程使自己得到了一次完全的锻炼，相信这对于即将走入工作岗位的我来说是一次十分有意义的经历。致谢本论文是在刘波峰老师的悉心指导下完成的。无论是论文的选题，框架的设计还是论文的修改，刘老师都倾注了大量的心血。刘老师渊博的知识和丰富的实践知识极大地丰富了我的视野，使我的科研能力有了很大的提升；老师的平易近人，求真务实，积极进取的人生态度也深深的影响了我。刘老师不仅帮助我圆满的完成了毕业设计，同时也让我找到了未来的人生方向。借此机会，向刘波峰老师表示衷心的感谢！同时也要感谢朱丽丽同学，杨亚茹同学，张艳同学以及王麒云学长。他们在平时的研讨会和论文的修改过程中，都给予了我极大的帮助。此外，我还得到了电气院各位领导和各位老师的热心帮助，在生活和学习上也得到了电气院各位同学的关心和帮助。在此，对他们表示感谢。我还要特别感谢我的家人，是他们的鼓励和支持才使我能够顺利的完成学业，我的每一份成长和进步都离不开他们的关心。学业即将完成，我将带着师长，同学，家人的鼓励和希望，迈入人生新的阶段！参考文献[1]GLIDDENR,BOCKORICKC.Designofultra-lowcostUHFRFIDtagsforsupplychainapplications[J].IEEEJ.CommunicationsMagazine,2004,