（信号与信息处理专业论文）基于rfid的物联网前端感知系统设计与实现.pdf

中文摘要 摘要 在近几年内，物联网的概念在重要的会议上屡次出现，这个信息表示，物联 网及其相关产业的发展和技术的研究是迫不及待的。物联网的感知层是物联网的 最底层，主要是负责采集目标信息。然而r f i d 技术在物联网感知层中起到重要的 技术支撑作用，因此对基于r f i d 的物联网前端感知系统的研究具有良好的发展前 景和现实意义。 通过对r f i d 系统原理的学习和深入的了解，对u h f 频段的i s o1 8 0 0 0 6 标 准的特点进行了比较分析，然后针对我国的u h f 频段r f i d 规定进行了阐述，并 推导出所需设计系统的最大发射功率。在此理论基础上，设计并实现了基于超高 频r f i d 的物联网前端感知系统。将智能终端和物联网前端感知系统通过u s b 相 连接，形成更为直接的数据信息传输和管理模式，为移动智能终端提供更为方便 的参考解决方案，也为物联网的感知层和网络层提供了无缝连接。 对系统的硬件电路和软件程序进行了设计。其中，系统硬件电路设计包括数 字控制模块部分和射频收发模块两部分。数字控制模块部分的主控制器采用美国 m i c r o s h i p 公司p i c 2 4 f j 2 5 6 g b l 0 6 款单片机实现；射频收发模块的射频前端电路是 以射频芯片a s 3 9 9 2 为核心，外加匹配电路、功放电路、滤波电路和隔离电路实现。 系统软件程序设计主要包括初始化程序、u s b 中断处理程序和a s 3 9 9 2 读写程序 等。该系统工作中心频率为9 2 2 m h z ，支持e p cg e n 2 和i s o i e c18 0 0 0 6 b 6 c 标 准，具有体积小，重量轻，集成度高和功耗低等特点。 设计了基于a n d r o i d4 0 操作系统的上位机智能终端界面、u s b 通信和通信命 令，搭建了系统测试平台，给出了测试结果。通过对系统测试结果分析，其工作 范围为0 5 m 2 9 m ，达到预期目标，能够满足实际应用的需要。 关键词：物联网，r f i d ，超高频，智能终端，a n d r o i d 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o n c e p to ft h ei n t e r n e to ft h i n g s ( 1 0 t ) h a sb e e nm e n t i o n e di n t h ei m p o r t a n tc o n f e r e n c ef o rs e v e r a lt i m e s t h a tm e a n sw ea r eb a d l yi nn e e do ft h e d e v e l o p m e n ta n dt e c h n o l o g ys t u d i e so fl o ta n dr e l a t i v ei n d u s t r i a l s t h eb o t t o ml a y e ro f l o ti st h ep e r c e p t i o n ，t h ea i mo fw h i c hi sr e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i n gt a r g e ti n f o r m a t i o n a n dt h et e c h n o l o g yo fr f i dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo ft e c h n i c a ls u p p o r ti np e r c e p t i o n l a y e r , s ot h er e s e a r c ho ft h ep e r c e p t u a ls y s t e mo ft h ef r o n t - e n do fi o tb a s e do nr f i d h a sag o o dd e v e l o p m e n tp r o s p e c ta n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c e t h r o u g ht h es t u d ya n dd e e pu n d e r s t a n d i n go nt h ep r i n c i p l eo fr f i ds y s t e m ，i c o m p a r ea n da n a n y s i st h ef e a t u r e so fi s o18 0 0 0 6s t a n d a r d so ft h eu h fb a n d ，a n d i n t u o d u c et h eu h fb a n dr f i dr e g u l a t i o n si no u rc o u n t r y , a n di n f e rt h em a x i m u m t r a n s m i s s i o np o w e ro ft h es y s t e mw h i c hi sn e e d e di nt h ed e s i g n b a s e no nt h e s et h e o r i e s ， t h ep e r c e p t u a ls y s t e mo ft h ef r o n t - e n do fl o tb a s e do nu h fr f i dh a sb e e nd e s i g n e d a n di m p l e m e n t a t i o n i fw el i n ka ni n t e l l i g e n tt e r m i n a lt ot h ep e r c e p t u a ls y s t e mo ft h e f r o n t - e n do fi o tt h r o u g ht h eu s b ，i tc a nb ef o r m e dam o r ed i r e c tt r a n s m i s s i o na n d m a n a g e m e n tp a t t e mo ft h ed a t ai n f o r m a t i o n t h ed e s i g no ft h es y s t e mn o to n l yp r o v i d e s am o r ec o n v e n i e n tr e f e r e n c es o l u t i o nf o rt h em o b i l ei n t e l l i g e n tt e r m i n a l s ，b u ta l s of o r t h ep e r c e p t i o na n dn e t w o r k l a y e ro fl o t as e a m l e s sc o n n e c t i o n t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r eo ft h es y s t e ma r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r a m o n g t h e m ，t h ed e s i g no ft h es y s t e m sh a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d e st w op a r t s ，o n eo fw h i c hi s d i g i t a l c o n t r o lm o d u l e p a r t a n da n o t h e ri sr ft r a n s c e i v e rm o d u l e p a r t p i c 2 4 f j 2 5 6 g b10 6i su s e da st h em c uo ft h ed i g i t a lc o n t r o lm o d u l ep a r t ，w h i c hi s p r o d u c e db ym i c r o s h i pi n c i nu s t h er f t r a n s c e i v e rm o d u l ei si m p l e m e n t e db yu s i n g r fc h i pa s 3 9 9 2a st h em a i np a r t ，w i t ht h em a t c h i n gc i r c u i t ，t h ep o w e ra m p l i f i e rc i r c u i t ， t h ef i l t e rc i r c u i ta n dt h ei s o l a t i n gc i r c u i t t h ed e s i g no ft h es y s t e ms o f t w a r ei n c l u d e st h e i n i t i a l i z a t i o np r o g r a m ，t h eu s b i n t e r r u p tr o u t i n ea n dt h ea s 3 9 9 2p r o g r a m t h es y s t e m i sw o r k e do nt h ec e n t e rf r e q u e n c yo f9 2 2m h z ，w h i c hs u p p o r t st h ep r o t o c o l so fe p c g e n 2a n di s o i e c18 0 0 0 - 6 b 6 c ，a n dw h i c hh a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l l v o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，h i g hi n t e g r a t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n ds oo n t h e d e s i g no ft h eu p p e ri n t e r f a c eo f t h ei n t e l l i g e n c et e r m i n a l ，u s bc o m m u n i c a t i o n a n dc o m m u n i c a t i o n sc o m m a n d si sb a s e do na n d r o i d4 0o s a n dt h et e s tp l a t f o r mo f t h es y s t e mi ss e tu p ，a n dt h e nt h et e s tr e s u l t sa r eg i v e n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et e s t i i i 重庆大学硕士学位论文 r e s u l t so ft h es y s t e m ，i ts h o w st h a tt h er a n g eo ft h ew o r k i n gd i s t a n c ei sb e t w e e no 5 m a n d2 9 m ，w h i c hf u l f i l si t sp r o m i s ea n dc a nb es a t i s f i e di nt h en e e d so fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：i n t e m e to ft h i n g s ，r f i d ，u h f , i n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，a n d r o i d i v 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 物联网 在近几年内，温家宝总理曾三次在重要会议中提到“物联网”这个概念，其 中，在第十一届全国人民代表大会第三次会议上提到：积极推进新能源汽车、“三 网”融合取得实质性进展，加快物联网的研发应用【l 】。 2 0 1 1 年1 0 月2 0 日，中国物联网研究发展中心主任叶甜春，在中国国际物联 网博览会上发表讲话，指出物联网将以复合增长率3 0 的速度增长。目前，物联 网在全球范围内的发展仍然处于概念、初步论证试验阶段，但相关关键技术和智 能标准规范研发也处于攻克和应用的初级阶段，然而具体到中国物联网未来的发 展，他介绍到，m 2 m 是物联网的重点发展领域之一，主要集中在交通、安全基础 设施、物流产业、制造业和能源等领域。发改委和工信部在2 0 1 0 年已经出台了一 系列支持物联网产业化的相关政策，到2 0 2 0 年，中国规划出支持物联网发展的资 金已经达到了3 8 6 亿，作为物联网前端感知系统的关键技术_ r f i d 技术依然在 持续升温，专家预计到2 0 1 2 年，r f i d 的市场规模将达到2 0 0 多亿 2 1 。 江苏运赢物联网集团董事长王文生表示，“物联网的产值将是互联网的几十 倍，物联网产业正处于应用的拐点，目前市场上还存在着重复投资建设的现象， 如何真正的解决刚性需求与商业模式，是核心中的核心” 3 1 。 众多信息表示，物联网及其相关产业和技术的发展是迫不及待的。 物联网具体的概念是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与 互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别，定位，跟踪，监控 和管理的一种网络【4 】。物联网的主要框架包括三大部分，如图1 1 所示，第一层： 感知层，承担信息采集；第二层：网络层，承担信息传输；第三层：应用层，承 担信息处理任务，根据信息处理结果实现物与物和人与物之间的感知识别，发挥 其智能作用。 物联网的感知前端则相当于是人的五官和皮肤等神经末梢，用来识别物体， 采集信息【5 】。主要的感知终端有：各种传感器、r f i d 标签和读写器、摄像头、g p s 等，相关的技术主要集中在r f i d ( 无线射频识别) 技术、无线传感器网络技术和 g p s 等；然而无线传感器网络技术只能采集如湿度、温度、二氧化碳浓度等环境 因素，g p s 只能获得物体的某一大概位置，两者都不能感知和识别物体，因此r f i d 技术在物联网感知前端中起到重要的技术支撑作用，其发展的快慢直接影响着物 联网发展的速度【6 j 。 重庆大学硕士学位论文 应 用 层 物联网应用支撑子层 公共中间件0 云计算平台 l | 财务支撑平台j j 信息) f 放平台i 网 络 层 感 知 层 移动通信网、互联网和其他专网 臣巫匪圆匝至圃 匪巫巫团匝巫匝巫因 传输层和感知层互通 传感器网络组网和协同信息处理 低速矧甲吊速短自组织组协同信息传感器中间 距离传输技术网技术处理技术件技术 图1 1 物联网的体系框架 f i 9 1 1b l o c ko f i o ts y s e m ， 1 1 2r f i d 技术的应用 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 ，r f i d ) 是自动识别技术的 一种，近年来发展十分迅速；它是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是 利用射频信号及其空间耦合和传输的特性，实现对静止或移动物体的自动识别； 该技术是在上世纪四十年代，由雷达理论演变而来，先后经历了探索、初步发展、 大发展、初步商业应用和广泛商业应用的阶段【7 1 。 近年来，低频( 1 2 5 k h z 、1 3 4 k h z ) 和高频( 1 3 5 6 m h z ) r f i d 技术的应用已经“平 民化”，几乎到达了社会的各个角落。由于受到美国国防部和欧美大企业的推动， 确立了自动识别国际标准，加之u h f 电子标签的价格逐年下降，大大降低了r f i d 技术的应用门槛【8 1 。再加上u h f 频段( 8 6 0 9 6 0 m h z ) r f i d 系统独有的特点，其应用 领域已逐步由单一的汽车应用，转为多样化的领域，如现代物流业、电子商务、 交通管理、工商制造业以及军事管理等国民经济的各个领域，详细的如高速公路 不停车计费管理、零售商品( 超市) 全过程管理、公交枢纽管理、铁路机车识别 管理、仓库储存和物流配送管理、航空行李包裹追踪管理、医疗器械管理、身份 2 1 绪论 识别管理、服装自动化生产及仓储管理、动物识别管理、食品保鲜度管理、制造 业生产实时监控及质量追踪管理、贵重物品及票证防伪管理、以及军事枪支弹药 车辆物资管理等【9 】。u h fr f i d 已开始进入高速发展期。 1 1 3 智能终端的发展 智能终端是指具有多媒体功能的智能设备，这些设备支持音频、视频、数据 处理和传输等方面的功能，如：可视电话、数字会议终端、平板电脑、智能手机 和家居智能终端等。 目前，在国内市场上智能终端产品主要是指平板电脑和智能手机，平板电脑 从2 0 1 1 年开始进入市场，产品不多，因此，智能手机是现在智能终端产品的主流。 2 0 1 1 年1 0 月，工信部电信研究院院长曹淑敏表示，“2 0 0 7 年以来，智能终端操作 系统市场进入全面竞争时期，国内从事智能终端研发制造领域工作的企业达1 2 0 家，含1 3 家平板电脑生产企业，其中，8 4 家涉及安卓操作系统，5 0 家涉及w p ， 1 7 家设计o m s 智能终端产品，6 家涉及s y m b i a n 终端；自2 0 0 9 年以来，智能终 端市场仍然呈现加速增长态势，特别是2 0 1 0 年下半年以来，出货量保持着同比超 过8 0 的高速增长”【l 引。从近几年的发展趋势来看，安卓( a n d r o i d ) 系统极大可 能会成为市场主流，被广大企业所青睐。 数据显示，2 0 1 0 年第四季度，智能终端的出货量超过个人电脑( p c ) ；2 0 1 1 年，智能终端在全年总销量上首次超过p c ；这个时候的移动互联网也正蓬勃发展。 2 0 1 0 年，全球移动软件应用已有超过8 0 亿的下载量，全球移动互联网流量是2 0 0 0 年全球互联网流量的3 倍；专家预计未来5 年内，全球移动数据流量将接近每年 翻一番；未来4 年内，全球移动互联网用户将超过固定互联网用户【l 。由此可见， 智能终端不仅具有良好的数据传输能力，还具有数据处理能力，为物联网的网络 层和应用层打下了坚固的基础。 a n d r o i d 操作系统受到市场广大的应用其主要的原因之一就是其源代码是开 放的，这也是它能在短短的4 年时间里，发展得如此迅速的秘诀之一。2 0 1 1 年5 月1 1 日，谷歌正式发布a n d r o i d3 1 系统，谷歌将把平板电脑特性与手机特性结合 在一起，该系统设备还可以用作主机，用u s bh o s t 线就可以让a n d r o i d3 1 手机 连接鼠标、键盘、u 盘、游戏手柄等u s b 设备，甚至可以直接从数码相机导入图 片【1 2 】。这个特性使智能终端更具备了外接附件的能力。 随着智能终端的快速发展，将其作为物联网的网络层或应用层，让u h fr f i d 读写器与智能终端相结合，这势必带动物联网的飞速发展，而且更能够将u h f r f i d 读写器小型化，低功耗，重量轻，支持多标准通信协议的特点发挥到更高层 次。 重庆大学硕士学位论文 1 2 基于i 江i d 的物联网前端感知系统的国内外研究现状 在实际环境应用中，1 3 5 6 m h z 、8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 和2 4 5 g h z 等频段是比较 常用的；其中，近距离r f i d 系统常用的低频和高频频率为1 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z ， 远距离r f i d 系统主要使用的频率为4 3 3 m h z 、8 6 0 m h z 9 6 0 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g 等频段。在近二十年内，低频段和高频段的技术发展特别快，已经比较成熟，被 广泛应用于各种社会环境和场合；而u h f 频段和微波频段的研究尚处于起步阶段， 各标准化组织都在不断地对这两个频段的r f i d 标准进行完善，国内组织也希望能 尽快给出自己的标准。 目前，关于u h fr f i d 的标准有i s 0 1 8 0 0 0 6 a b c ，e p cg l o b a lc l a s sg e n l ， g e n 2 等。e p c g l o b a lg e n 2 标准在2 0 0 6 年正式被纳入i s 0 1 8 0 0 0 6 c 国际标准，成 为u h f 频段r f i d 的第二代空中接口标准，它克服了以往的i s 0 1 8 0 0 0 6 a b 标准 的很多缺陷，能够在高密度读写器和标签的环境中工作，符合全球管制条例，标 签读取正确率更高，读取速度更快，安全性和隐私功能都有所加强【l 引。 随着标准的不断完善，近几年在u h f 频段，高集成度的r f i d 读写器芯片也 相继推出，为物联网前端感知系统的小型化提供了有利的条件。 2 0 0 7 年，i n t e l 推出了r 1 0 0 0 ，这款芯片是超高频频段r f i d 读写器单芯片， 该解决方案大大简化了开发超高频频段r f i d 读写器的设计流程，节省了开发时 间。世界著名半导体器件公司如：w j 、a d i 和l i n e a r 等，也先后发布了超高频频 段r f i d 读写器的单芯片解决方案，极大地推动了超高频频段r f i d 读写器市场的 。飞速发展【14 | 。 随后，i n t e l 又推出了r 2 0 0 0 ，该款芯片的推出是定位于复杂环境中的r f i d 应 用，具有更高的实际应用价值。r 2 0 0 0 相较于r 1 0 0 0 增加了协议的可配置性和高 级无线电接入功能；能更准确、更大范围的读取标签，其相位噪声更低，更加符 合全球监管的标准；相干的i q 解调提供较低r s s i 变化、最佳接收灵敏度以及载 波相位，还提高了接收灵敏度和改善了d r m 的操作( 15 1 。 同年，w j 通信公司发布的w j c 2 0 0r f i d 读写器单芯片能够支持1 8 0 0 0 6 b c 协议，其提供的可调发射功率范围为5 - 2 4 d b m ，芯片内部构建了两种省电模式可 以使芯片总功耗在0 5 w 以下，非常适用于移动和手持设备的r f i d 应用。 2 0 0 8 年，三星公司发布了o 1 8 u mc m o s 工艺的超高频频段的r f i d 读写器单 芯片s 3 c 4 r u i x ，它集成了处理器、存储器单元、数据转换器、无线收发机和功率 预放大器等所有功能模块，最大发射功率达到2 0 d b m 时的功耗仅为0 8 5 w ，标签 的读取速率可以达到2 5 0 k b p s ；缺点是它仅支持1 8 0 0 0 6 c 协议 1 6 】。 2 0 0 9 年，奥地利微电子与i e 技术公司共同推出读写距离为2 5 m 、固定式超 高频r f i d 读卡器i e tr u 2 1 0 u ，它带有u s b 和串口。该读卡器采用a s 3 9 9 0 9 1 4 1 绪论 单芯片的e p cc l a s s1g e n 2 超高频读卡器i c ，芯片内部含有e p cc l a s s1g e n 2 协 议引擎，并整合了可进一步削减物料成本的集成功率放大器( p a ) 。 同年，奥地利微电子又发布了单芯片读写器a s 3 9 9 2 ，它支持1 8 0 0 0 6 a b c 协议；内部主要由一个8 b i t 的m c u 与2 4 b r 的f i f o 共同完成数据处理；提供的 下行通信速率最高可达6 4 0 k b p s ；解调采用i q 两路可选正交下变频，提高了标签 信息读写效率；通过对内部v c o 的设置，超高频读写芯片的频率范围可覆盖 8 4 0 9 6 0 m h z ，满足世界范围内的各个超高频频段r f i d 标准；同样可通过对调制 模块的配置，使读写器工作于反相a s k 、单边带a s k 以及双边带a s k 调制模式； 相较于a s 3 9 9 0 9 1 ，其接收灵敏度也提高到了一8 6 d b m t l 7 l 。 2 0 1 1 年4 月，奥地利微电子宣布t l 】i n l 【j 母公司推出一款专门为办公应用而开 发设计的超高频r f i d 读写器，型号为t r - 2 0 0 ，如图1 2 所示，该读写器采用了奥 地利微电子超高频单芯片读写器a s 3 9 9 2 ，具有的高灵敏度在业内处于领先水平， 而且功耗也比传统读卡器小；它不仅操作简单灵活、尺寸小，还为外部提供了强 大的软件接口，并且可通过外部电源或u s b 充电，易于操作【l 引。 图1 2 t r - 2 0 0 读写器 f i 9 1 2t r - 2 0 0r f i dr e a d e r w r i t e r 以高集成度的r f i d 读写器芯片为核心，一体化u h f 频段的r f i d 读写器如 雨后春笋般的冒了出来，如图1 3 所示，为物联网前端感知系统的发展提供了良好 的条件，表1 1 为各读写手持机的关键指标。 重庆大学硕士学位论文 a h d t 3 0 0bh c 8 0 0 0cy c 2 0 0 0 图1 3u h f 频段r f i d 读写手持机 f i g1 3r f i dh a n d r e a d e ro fu h f b a n d 表1 1 各读写手持机的关键指标 t a b l e l 1 m a i ni n d e xo f e a c hh a n d r e a d e r 6 1 绪论 从表1 1 可以看出，不同型号的读写器手持机各具特点，但读写距离都不超过 2 m ，尤其是写距离更是有待提高；外形尺寸和重量相差不大，但是都有待改进。 因此，研究具有小型化和远距离特点的基于u h f 频段r f i d 的物联网前端感知系 统是非常有必要的。 1 3 研究的主要内容和文章结构安排 本课题研究的主要内容是以物联网、u h fr f i d 技术和智能终端为研究背景， 以小型化、低功耗、读写距离远、重量轻和稳定性高为特点的基于r f i d 的物联网 前端感知系统设计与实现。主要工作包括u h f 频段读写器系统的硬件平台的搭建 和测试，数字控制软件部分的程序设计和编写，以及智能终端的图形化界面设计。 本文一共分为六章，具体内容安排如下： 第一章绪论，主要介绍了基于r f i d 的物联网前端感知系统的研究背景、研 究意义，以及基于r f i d 的物联网前端感知系统的国内外研究现状，确定了本文的 主要研究内容和文章结构安排。 第二章r f i d 系统及其标准分析，介绍了r f i d 系统的基本原理和结构，比较 和分析了r f i d 现有标准，确定了本文所使用的通信协议i s o i e c l 8 0 0 0 6 协议和 最大发射功率。 第三章r f i d 物联网前端感知系统硬件设计，设计了系统射频收发前端和数 字控制部分的电路。 第四章r f i d 物联网前端感知系统软件设计，给出了主控制器系统软件设计 的总体方案，并详细介绍了各软件模块的实现。 第五章系统测试平台的搭建与测试结果，介绍了以a n d r o i d4 0 操作系统的智 能手机为代表的智能终端的测试平台搭建，接着给出了智能手机的图形化界面设 计和通信命令包格式设计，最后给出整个物联网前端感知系统的测试结果及分析。 第六章结论与展望，对本文所做的主要内容进行了归纳总结，并对该课题的 后续研究提出了建议和方向。 重庆大学硕士学位论文 8 2r f i d 系统及其标准分析 2r f i d 系统及其标准分析 r f i d ，即无线射频识别( 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 ) ，顾名思义，就是通 过无线电波进行识别。r f i d 技术是上世纪四十年代提出，九十年代兴起，二十一 世纪得到广泛应用的自动识别技术，其基本原理是电磁理论；与其他识别技术相 比，它是非接触式自动识别技术，可同时识别多个目标，必须遵守无线电频率使 用的各种规范，它涉及计算机、集成电路、电磁波和电磁场、无线数字通信等众 多学科，是物联网感知前端的关键技术之一【l9 1 。 2 1r f i d 系统 2 1 1r f i d 系统的组成及分类 r f i d 系统就是以r f i d 技术为核心，主要由读写器( 又称阅读器) 和应答器 ( 标签) 和天线组成，如图2 1 所示。 接 电源电路 、。 、能鼍，r射 u 频 模 数字控制 、，r 模 块 时钟 模块 一。块 、，r 数据 仁争 仁舻 仁护 图2 1r f i d 系统基本组成部分 f i 9 2 1b a s i cp a r t so ft h er f i ds y s t e m 读写器是获取数据的装置，它一般包含数字控制部分、射频发送和接收电路， 以及电源电路。另外，r f i d 系统为了和其他系统进行数据交流，还都配有外部接 口( 如u s b 、r s 2 3 2 和无线网络接口等) ，这些外部接口就能够使读写器接收并处 理来自应用层的命令，同时将采集到的应答器信息回传给应用层，最终构成从底 层采集信息到高层应用的完整的r f i d 系统。 应答器是r f i d 系统中真正的数据载体，其内部为集成电路芯片，由于应答器 通常处于无源状态，工作时则需读写器提供能量和时钟( 有源标签通过电源电路 为芯片提供能量) ，通过耦合或反向散射方式和读写器建立通信【2 。 读写器和应答器的天线负责发送和接收数据、时钟和能量。 2 1 2u h fr f i d 系统 u h f ，即特高频( u l t r ah i 曲f r e q u e n c y ) ，有时也被称为超高频，频率范围是 9 重庆大学硕士学位论文 3 0 0 3 0 0 0 m h z 。u h fr f i d 技术在目前r f i d 系统技术研究中，表现最为活跃、最 受关注、发展也最迅速，已经成为远距离无源识别的主流。u h fr f i d 系统具有能 同时响应多个应答器、可重复读写、穿透性强、信息存储容量大、抗干扰性强、 可靠性强、体积小、使用方便和寿命长的特点，还具有能在特殊情况下或恶劣环 境条件下工作的特点【2 。 u h fr f i d 系统同样分为读写器、应答器和天线三部分。其中： 读写器分为数字控制部分和射频收发部分。 数字控制部分主要由m c u 及其外围电路、外部接口电路和电源电路组成，主 要负责两个内容：一个是接收高层命令，并对射频收发部分进行相应的控制，然 后发送射频信号；另一个是通过射频收发部分接收应答器的信息，对信息进行必 要的处理，并将处理后的数据上传给高层。 射频收发部分包含了发射机、接收机、调制解调电路、本振、锁相环、隔离 器和天线等，其中，发射机一般还包括了驱动放大器和功率放大器，用来产生大 功率的信号；接收机由射频带通滤波器、功分器、移相器、混频器以及基带带通 滤波器组成【22 | 。可见，射频收发部分仍需要完成两个任务：一个是执行数字控制 部分的命令，经调制到载波信号之后，由天线发送给应答器；另一个是对应答器 反向散射回的信号进行解调，并传递给数字控制部分。 u h fr f i d 应答器是由芯片和天线组成。如图2 2 所示，应答器芯片一般包括 以下几部分电路：电源电路、反向散射调制解调电路、时钟电路、数字控制存储 一一单元和启动信号产生电路1 2 引。 f i 9 2 2r e s p o n s e ro f u h f r f i d 电源电路由电源恢复电路和电源稳压电路构成。首先由电源恢复电路将无源 应答器天线感应出的u h f 信号转换为芯片工作所需的直流电压，进而为芯片提供 所需的能量；再经过电源稳压电路，为芯片提供能承受的电源电压。因为应答器 所处的电磁环境十分复杂，输入信号的功率变化范围很大，可达几百甚至几千倍， 所以，为了避免电源电压超过芯片所能承受的最高电压，必须含有可靠性高的电 源稳压电路【2 4 i 。 调制与解调电路是应答器与读卡器进行通信的关键电路之一。调制是对载波 1 0 2r f i d 系统及其标准分析 信号的处理，即使振幅、频率或相位与调制的基带信号相关；解调的过程与调制 相反，目的是为了再次获得基带信号，为数字控制和存储提供数据；r f i d 系统基 本的调制方法是振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 【2 引。目 前u h fr f i d 应答器大多采用a s k 调制。反向散射的调制方法，是通过改变芯片 输入阻抗来改变芯片与天线问的反射系数，从而达到调制的目的；而解调大多采 用包络检波的方式【2 6 | 。 r f i d 应答器的数字控制单元和时钟电路是和读写器进行同步通信，并处理指 令、保存数据的数字电路。启动信号产生电路，是用来提供数字部分的复位信号， 当应答器在进入读卡器可识别范围内时，对数字控制电路进行正确复位，以响应 读卡器的指令。 2 2r f i d 系统标准 r f i d 系统读写器和应答器之间是通过电磁波进行无线通信的，双方通信则必 然存在着通信协议标准，然而由于系统工作在不同的频段会有不同的特点，就会 有不同的协议标准。低频段主要协议有：i s o1 1 7 8 4 、i s o1 1 7 8 5 和i s o1 4 2 2 3 ；高 频段主要协议有：i s o i e c1 0 5 3 6 、i s o i e c1 4 4 4 3 和i s o i e c1 5 6 9 3 ；微波频段主 要协议有：e p c g l o b a lc 1 g 2 和i s o1 0 3 7 4 等【2 1 7 1 。 目前，全球主要有三大标准体系，国际标准化组织i s o 、以美国为首的 e p c g l o b a l 和日本的u i d 2 引。 i s o 制定的通用标准是在r f i d 编码、空中接口协议、读写器协议等基础标准 之上，针对不同使用对象，确定了使用条件、标签尺寸、标签粘贴位置、数据内 容格式、使用频段等方面特定应用要求的具体规范，同时也包括数据的完整性、 安全性、人工识别等其他一些要求【29 1 。这一标准制订思想，既保证了r f i d 技术具 有互通与互操作性，又兼顾了应用领域的特点，能够很好地满足应用领域的具体 要求【3 0 1 。 e p c g l o b a l 标准体系是以“物联网”和e p c 概念为基础，目的是为每一物品赋 予唯一e p ci d ，能够和读写器之间进行通信的空中接口标准；该标准主要面向物 流供应链领域，能够清晰的知道供应链中每一件物品的相关信息，如位置、生产 日期等信息；该体系也制定了u h f8 6 0 9 6 0 m h z 的空中接口协议、读写器协议， 这些协议与i s o 标准体系类似【3 。2 0 0 6 年6 月，e p c g l o b a lc 1g 2 标准正式进入 i s o i e c18 0 0 0 6 标准，成为i s o i e cl8 0 0 0 6 c 。 日本u i d 标准体系的目标是从编码体系、空中接口协议到泛在网络体系结构， 为了制定具有自主知识产权的r f i d 标准，在编码方面制定了u c o d e 编码体系，代 码为1 2 8 位3 2 1 。 重庆大学硕士学位论文 这三个标准相互之间不完全兼容，主要差别在读写器和标签间的发送和接收 信号形式、防碰撞协议、通讯命令和数据安全这四个方面，在技术上差距不大3 3 1 。 2 2 1i s o i e c18 0 0 0 6 标准简介 i s o i e c18 0 0 0 6 标准是u h f 频段的协议标准，可分为a 、b 和c 三类标准， 他们的区别如表2 1 所示【3 4 1 。 表2 1a 、b 、c 类通讯方式的比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no fc o m m u n i c a t i o nm e t h o d so fc l a s sabc 防碰撞算法 前向链路编码 前向链路调制 前向数据速率 前向链路错误 检测 后向链路编码 后向链路调制 后向数据速率 后向链路错误 检测 冲突仲裁线性 a l o h a p i e 2 7 1 0 0 a s k 3 3 k b i t s ( 平均值) c r c 5 c r c 一16 f m 0 a s k 4 0 或1 6 0 k b i t s c i 地1 6 多达2 5 0 个卡 b t r e e m a n c h e s t e r 8 1 0 0 a s k 1 0 或4 0 k b i t s c r c 1 6 f m 0 a s k 16 0 k b i t s c r c 1 6 多达2 2 5 6 个 时隙a l o h a p i e 9 0 d s b a s k s s b ，a s k p 1 0 a s k 2 6 7 12 8 k b i t s c r c 一5 c r c 一16 f m o m i l l e r a s k p s k 4 0 6 4 0 k b i t s c r c 一1 6 达到2 ”个标签，超过2 ”个，对于 拥有e p c 的标签为n l o g n a 类：读写器向应答器的数据传输采用脉冲间隔编码( p i e ) 、2 7 1 0 0 a s k 调制，以帧的形式传送；应答器向读写器的数据传输采用f m 0 编码，数据传 输速率为4 0 或1 6 0 k b i t s ，以帧的形式传送；防碰撞算法基于不确定性a l o h a 算 法。该算法的防碰撞机制是：当多个标签同时发送数据给读写器时，每一个标签 都会有自己发送数据的时间，每一次发送数据给读写器之后，标签都要等待一段 相当长的时间后才会又一次发送数据给读写器；通过这种方式，直到所有标签都 完成发送数据给读写器后，整个重复周期才停止【35 1 。该算法的缺点是当标签数目 非常多的情况下，标签和读写器之间的通信就会有很大的时延，因此仅仅适用于 标签数量少，数据量小的情况。 b 类：读写器向应答器的数据传输采用曼切斯特编码( m a n c h e s t e r ) 、8 或1 0 0 a s k 调制( 对应数据传输速率为1 0 或4 0 k b i t s ) ，以帧的形式传送；应答 1 2 2r f i d 系统及其标准分析 器向读写器的数据传输同a 类一样；控制标签的指令十分简单。前向链路采用的 是曼切斯特码，在曼彻斯特码中，码值是由电平在一个比特时间内的变化决定的， 其中，由高电平变到低电平表示码值为1 ，由低电平变到高电平表示码值为0 p 6 | 。防碰撞算法基于确定性二进制树( b t r e e ) 算法。它的防碰撞机制是：读 写器通过不同的指令将查询信息发送出去，然后根据标签散射回来的信息，利用 曼切斯特码的特点，将发生碰撞的标签按每一碰撞位分为两个集合，直到把所有 的标签都分离开来，再一一识别出来。 c 类：读写器向应答器的数据传输采用p i e 编码、9 0 d s b a s k s s b a s k p r - a s k 调制，数据传输速率为2 6 7 1 2 8 k b i t s ；应答器向读写器的数据传输 采用f m 0 编码或m i l l e r 编码、调制方式为a s k 或p s k ，数据传输速率为4 0 6 4 0 k b i t s ，防碰撞算法基于不确定性时隙a l o h a 算法；有良好的安全性和隐私保护 性p 川。时隙a l o h a 是a l o h a 的一个改进算法，它和a l o h a 的防碰撞机制不 同的是：标签只能在设定的每个时隙的起始时间发送数据给读写器，而时隙的多 少和起始时间都由读写器进行控制；该算法的吞吐量是a l o h a 算法的两倍，因 此，当标签数量比较大的情况下，比a l o h a 算法效率更耐3 8 】。 a 类和c 类标准中前向链路采用的是脉冲间隔编码( p u l s ei n t e r v a le n c o d i n g ， p i e ) ，其原理是通过定义脉冲下降沿之间的不同时间宽度来表示不同数据。图2 3 和图2 4 分别为a 、c 类p i e 符号，前者定义了四个符号0 、1 、s o f 和e o f ， 后者只有两个符号0 和1 ，其中，t a r i 值是读写器到应答器发送信号时数值 为0 的基准时间间隔，p w 为脉冲宽度【3 9 1 。 符弓 t a r l 数 o 1 、l ， 一 s o f4 e o f4 ) 1 一一 l j 图2 3a 类p i e 符号 f i 9 2 3p i ec h a r a c t e ro f t h et y p ea 重庆大学硕士学位论文 d a t a 0 d a t a 1 1 5t a r i d a t a - 1 2 0t a r _ 一t a r i 一。 0 5 t a r i x t a n p wi w v 图2 4c 类p i e 符号 f i 醇4p i ec h a r a c t e ro ft h et y p ec