【《铁路车次号追踪系统关键技术综述》4500字】

铁路车次号追踪系统关键技术综述目录TOC\o"1-3"\h\u20314铁路车次号追踪系统关键技术综述 168251.1RFID技术 1199441.1.1电子标签 1314471.1.2阅读器 3198281.1.3天线 42711.2RFID与上位机的通信 61.1RFID技术RFID是一种自动识别技术，主要通过无线射频技术在非接触的情况下就可以实现数据的交换[6]。数据交换主要由标签与阅读器发出的射频信号来进行，它可以在自动识别目标对象的同时获取目标数据信息。RFID技术可适应于各种复杂的环境，同时因为其本身传播方式，相对收到的外界干扰比较小，因此在识别方面比视频图像处理技术准确率要高[7-8]。RFID技术有着广泛的应用，如门禁系统，公交卡，动物的管理等[9]。甚至在北美、亚太地区及非洲南部的商业自动化以及流水线生产自动也都应用了RFID技术[10]。RFID技术在本课题中也起着重要的作用，它负责车次号信息的识别读取。没有射频识别技术，就无法获取车次号信息，因此射频识别技术在铁路车次号系统中起着关键性的作用。RFID主要由携带信息的电子标签和读写信息的阅读器和以及天线组成。1.1.1电子标签电子标签是铁路车次号追踪系统中不可缺少的一项，因为它存储着车次号的信息，同时负责将信息传递给阅读器。标签本身结构很简单，主要有天线和芯片组成，一般封装到标准PVC卡片中，其尺寸为85.6x54x0.8,当然除了这种标准卡片外还有异形卡片，有钥匙环状的也有其他形状的，读写距离一般在1.5cm到10cm。标签根据能量供应的方式，一般被分为被动式标签、半主动式标签和主动式标签三种类型，其中被动式标签内部不含电源，当阅读器发出电磁波时，天线通过接收一定强度的电磁波启动电路，发送UID号和存储内容。因为被动式标签价格便宜，也不用担心电源消耗，很适合远程复杂、多变的环境。半主动式标签主要是在其内部安置微型电池，这样在读卡器向其发送写入或读出的电磁波信号时，在电池的带动下，IC内部电路能更快的进入工作状态，传递效率也更高，不过价格昂贵。主动式标签内部含有电源，可以主动供应IC电路，向外界发送电磁波信号，存储量大，而且它与读卡器之间的距离可以更长，但是它的价格更加昂贵，同时需要定期更换[11]。在实际的铁路中，列车数量很多，标签也容易损坏，需要更换，这就使标签的需求量很大，所以标签的成本很重要，其次，列车行驶一趟需要很长时间，这就需要保证标签能够在行驶过程中能正常工作，而有源标签由天线、芯片、存储器等组成，不仅需要电池，还要时常检查和更换，这既让列车在行驶中存在标签电源耗尽无法正常工作的潜在危险，有大大增加了铁路工作人员的工作量，所以通常铁路采用无源标签[12]。结合实际铁路，本课题从成本的角度、无源的方式考虑，采用被动式的标签存储车次号并传送。标签由于频率的不同，被划分为低频和高频等标签，低频标签的频率在30KHZ到300KHZ之间，通常多使用125KHZ、225KHZ频率的低频标签。高频标签在3MHZ到30MHZ之间，通常电子标签以及身份证等都使用的是这个频率。低频标签使用寿命长，但是要求读卡器与标签之间的距离要近，最好在一米以内，而且它的储存数据量很小。高频标签储存数据量稍大，而且穿透性强，标签与读卡器之间的距离在1.5米以内。本课题考虑到标签是贴在列车底部与读卡器之间有一定距离，同时标签需要存储车次号信息，所以采用高频标签，频率为13.56MHZ。电子标签主要通过天线发送接受信息，标签天线因为受到封装形式、它本身性能以及载波频率的影响，主要有以下两种形式，一是通过线绕电感天线然后在介质基板上压印，二是直接通过印刷刻腐的盘旋状天线，一般低频率时使用线绕电感制作，高频率时则用介质基板上的刻腐天线[13]。图1.1电子标签的构成框图标签天线在收到电磁波后，通过线圈耦合转化为电感式电压，当达到一定电压时，标签开始工作，将存储的信息进行编码后通过天线发送出去。在标签与阅读器进行数据交换时有很多的影响因素，最明显的就是标签与阅读器之间的距离，当它们之间的距离稍微超出范围，就会发生交换缓慢或者不交换数据，另外标签的移动速度和空间分布也会影响标签与阅读器之间的数据传输。本课题采用无源电子标签，它本身没有电源，但是可以通过电磁场耦合产生电压，在通过稳压整流，就可以提高给标签内部能量。此时芯片会被唤醒，找到存储器内的数据，然后通过编码器按位进行编码，最后发送出去。电子标签中含有天线和集成电路，集成电路包括反射调制电路、控制和通信接口部分。当标签接近阅读器时，阅读器发射出载波信号，标签天线会接收和通过能量耦合电路转化为自身工作电压，同时调制信息到载波信号上然后发送出去，阅读器接收到已调信号后，通过接收电路进行检波、解码等处理，完成数据的交换[14-15]。1.1.2阅读器阅读器负责控制和处理RFID信息，与电子标签交换数据，同时对数据进行传输[16]。目前市场上常见的有小型读卡器、手持式读卡器、平板式读卡器和隧道式读卡器。同时与标签的频率分类方式相对应，读卡器也相应的有低频读卡器、中高频读卡器、超高频读卡器[17]。阅读器和标签之间采用半双工的通讯形式传输数据，当接通RFID-RC522的3.3V电源后，随着电流进入天线线圈，阅读器天线线圈的电流I会产生磁通量，其部分会穿过标签天线线圈感应出电压，电压经过整流达到工作电压时，标签的芯片被激活，开始工作。感应电压会随着阅读器与标签之间的距离远近而变化，所以标签距离阅读器越远，标签越难正常工作，阅读器对标签不易进行读写操作，反之，距离越近，阅读器越容易对标签进行读写操作。阅读器主要由封装好的射频收发模块、基带处理模块、控制模块，以及阅读器天线和接口电路组成[18]。其中射频收发模块、基带处理模块负责对信号进行解调、调制，控制模块则将从上位机接收到的信息处理后传给射频模块，最后通过天线进行信号的发送和接收[19]。当标签靠近阅读器时，就会接收到阅读器天线所发出的信号，标签经过处理会返回一个信号，阅读器在收到标签返回的信号后，对信号进行调制解调等处理，将标签中的数据恢复，然后发送到阅读器平行的控制器接口，该接口自动检测连接的8位并行接口，最后通过并行接口可以将信息发送到外部。1.1.3天线天线在标签与阅读器信息传输时起着重要的作用，主要负责接收阅读器发出的信号和无源标签返回的RF信号[20]。天线一般采用全双工模式进行工作，在RFID中天线有两种传播方式，分别是电感和反向散射耦合，通过这两种传播方式来完成标签与阅读器之间数据的交换[21]。图1.2电感耦合方式的电路结构图1.2所示是电感耦合方式的电路结构图，其中Vs表示阅读器的射频源，而Rs是其内阻，L1、C1是谐振回路，R2则是L1损耗内阻，另外，当Vs处于高频电流时，谐振时电流最大。在上图中，L1和L2就相当于是一个变压器模型中的初级和次级线圈，但由于线圈的圈数以及直径都比较小，且它本身介质、形状、间隙等造成的干扰，会对它的效率造成影响。图1.3反向散射耦合原理图1.3所示是反向散射耦合原理的电路结构图，阅读器通过天线将功率P1向四周发射出去，标签天线接收到后，再通过P2反射功率将数据信号传回到阅读器中，最终被阅读区接收。反向散射耦合方式主要依据的是电磁波原理，发射出去的电磁波在接触到目标对象后反射回来，同时将信息返回。由于电磁波发射距离的远近与发射回来的强度都与频率成正比，所以通常采用超高频发射，也正因为发射频率高，使得标签与阅读器距离比在电感耦合方式下远，一般在1米到10米之间。在电感耦合这种方式下，标签不需要自身提供能源，它可以由电感耦合提供能量，但是发射的电磁波强弱是有限制的，这种情况下就要求阅读器与标签的距离要相对较近，一般在1m以内，因此一般用中低频的近距离阅读器进行识别[22]。而反向散射耦合依据的是电磁波原理，由于电磁波发射距离的远近与发射回来的强度都与频率成正比，所以通常采用超高频发射，也正因为发射频率高，使得其距离比在电感耦合方式下远，一般在1米到10米之间，但是标签内部需要电源电路模块。本课题因为标签是无源标签，所以采用电感耦合方式进行数据信息的交换，将车次号信息传递至阅读器中。天线有近场和远场两种工作模式，在近场工作中，首先标签的启动需要用到天线，读卡器的天线发送一定强度电磁波到标签时，标签的天线会接受电磁波，（通过线圈与线圈之间的电感耦合），并唤醒睡眠状态的芯片。接着芯片内部的信号通过对电流的控制，来改变来自读卡器天线发出的电磁波大小，最后读卡器感应到发出电磁波的改变，通过对电磁波进行处理，从而得到标签发送的内容。标签天线谐振频率：（1.1）其中C是寄生电容与并联电容的并联等效电容，而L是线圈电感。远场天线与近场天线不同，其主要使用反向散射的工作方式。当读卡器发出的电磁波被标签天线接收时，标签天线收到信号后并未直接激活睡眠状态芯片，而是产生感应电压。标签内集合电路会对感应电压进行处理从而唤醒芯片，唤醒后的标签芯片内部信号并未向耦合电路中对电流进行控制，而是通过变换阻抗来反射不同的信号。通过调节天线和标签内部的阻抗，如果相同，标签天线只能反射微弱忽略不计的信号，如果不同，则会反射所有信号，通过这种反射信号的变化，从而改变振幅，与此同时，阅读器天线接收到幅度发生变化的信号，通过解调解码就可得到其中的信息。1.2RFID与上位机的通信阅读器在与标签进行通信的时候，需要进行防冲突检测、验证标签卡的卡型以及三次相互认证，在这之后就可以读取标签中存储的信息。在进行阅读器与标签的底层函数通信中，可以先对上述操作进行统一格式的命令格式封装，通过函数来完成上述的通信过程，图1.4就是通信的具体过程[23]。图1.4标签与阅读器通讯图复位阅读器同时置位寄存器后，阅读器就可以与标签开始进行通讯。标签开启天线发送8位字节的数据长度，阅读器接收8位字节的数据长度，从而完成一次通讯。阅读器在读取到标签的数据后通过单片机上传到上位机中显示，而在进行阅读器到单片机的函数通信中，依然可以通过函数来完成上述的通信过程，具体如下：GPIO_config（）//对IO口进行配置Timer_config（） //定时器配置UART_config（）//串口配置System_init（）//上电系统初始化uart_init()//串口初始化uart1_send(u8dat)//串口1发送uart1()interrupt//串口1发送阅读器到上位机之间的通讯采用主从单片机来实现，主从单片机主要负责数据的传输，主要由STC15库函数实现，主频为11.0592MHz，串口1和2采用全双工中断方式。8位字节的数据一位一位地按顺序进行传送，由于发送的字符之间时间间隔并没有固定是自由的，因此接收端一直处于接收状态。发送端需要在每一个字符加上开始和停止位，方便接收端识别和接收。进行收发通讯程序，在进行数据的传输时，先要对串口初始化，具体如下：SCON=0x50; //8位数据,可变波特率 AUXR|=0x01; //设置定时器2波特率发生器作用于串口1 AUXR|=0x04; //设置定时器2时钟为1T T2L=0xE0; //设定定时初值 T2H=0xFE; //设定定时初值 AUXR|=0x10; //启动定时器2ES=1; //使能串口1中断阅读器通过主从单片机的传输，将信息传到主控单片机之后，主控还需要串口将数据上传到上位机的人机界面中。。串口波特率默认为115200，