（通信与信息系统专业论文）rfid技术研究及其在仓储管理中的应用.pdf

摘要 射频识另l j ( 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 ) 技术是一种非接触的自动识别 技术，与早期的自动识别技术相比，r f i d 技术因其特有的非接触性以及可对多 个目标物体同时识别的特性，正被逐步广泛的应用在物流、交通和防伪等多个领 域。 本文首先简介了r f i d 技术在国内外的发展及现状，进而对r f i d 技术的概 念、分类、优势及典型应用进行了概述；接着详细叙述了r f i d 的系统组成及两 种典型的r f i d 系统电感耦合系统和电磁反向散射系统的工作原理；之后对 r f i d 系统中的数据编码方式与校验方式进行了系统的总结，并对r f i d 系统中的 防冲突关键技术进行了深入的研究。 最后，针对仓储管理的现状，提出了一种基于r f l d 技术的仓储管理系统优 化设计方案，并对所研发的该系统的核心部件手持电子标签条形码读写器的 硬件设计原理与工程实现分模块进行了详细描述，同时简要介绍了系统软件的设 计与实现，并给出了整个系统的仓储操作流程。该仓储管理系统将先进的r f i d 技术和条形码有机的整合在了一起，对仓储操作实行全方位的监控和管理，既提 高了仓储信息的精度，又实现了仓储管理的实时自动化，非常适合应用于中小型 仓库的仓储管理。 关键词：射频识别防冲突电子标签读写器仓储管理 a b s t r a c t 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 ) i sk n o w na sac o n t a c t l e s sa u t o m a t i c j d e n t i f i c a t i o n t e c h n i q u e f e a t u r e dw i t h t h eu n i q u ec o n t a o l e s sa n ds i m u l t a n e o u s m u l t i o b j e c ti d e n t i f i c a t i o n ，t h i st e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu s e di np u r c h a s i n ga n d d i s t r i b u t i o nl o g i s t i c s ，t r a n s p o r t a t i o na n da n t i c o u n t e r f e i t i n ga r e a s t h ef i r s tp a r to ft h et h e s i sa i m st oi n t r o d u c et h ea 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 i q u e a n dd e v e l o p m e n to ft h er f l dt e c h n i q u e t h ed e f i n i t i o no fr f i d ，i t sc l a s s i f i c a t i o n ， a d v a n t a g e sa n dt y p i c a la p p l i c a t i o na r es u m m a r i z e d t h ef u n c t i o na n dm e c h a n i s mo f t h em a i ns y s t e mc o m p o n e n t s ，w h i c hi n c l u d et h er e a d e lt h ee l e c t r o n i ct a g sa n dt h e m i d d l e w a r eb e t w e e nt h e s et w o p a r t s ，r r ed e s c r i b e di nd e t a i l s t w om e t h o d sd i s t i n g u i s h t h er f l ds y s t e m s ，o n eb a s e du p o ni n d u c t i v ec o u p l i n ga n do n eb a s e du p o nb a c k s c a t t e r c o u p l i n 昏w er e v i e w e dt h ed a t ac o d i n ga n dc h e c kt e c h n i q u ea n dd i di n - d e p t hr e s e a r c h o nt h ea n t i c o l l i s i o nt e c h n i q u e b a s e do nt h ea b o v ek n o w l e d g e ，a n o p t i m i z e dw a r e h o u s em a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do nt h er f i dt e c h n i q u ea l ed e v d o p e da n dd i s c u s s e d t h ep r o t o t y p eo fc o r e c o m p o n e n t ，h a n d h e l de l e c t r o n i ct a ga n db a r c o d er e a d w r i t es y s t e m ，a n ds y s t e m s o f t w a r ea r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h r o u 曲c o m b i n i n gt h er f i dt e c h n i q u ew i t ht h e b a r c o d ea n du t i l i z i n gt h eo m n i d i r e c t i o n a l m o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n to ft h e w a r e h o u s e ，t h er f i ds o l u t i o nf o rw a r e h o u s em a n a g e m e n ti m p r o v e dt h ep r e c i s i o no f t h es t o r a g ei n f o r m m i o na n dr e a l i z e dt h er e a lt i m ea u t o m a t i cw a r e h o u s em a n a g e m e n t t h i ss y s t e mj st h eb e s ts o l u t i o nf o rm e d i u ma n ds m a l lw a r e h o u s e k e y w o r d ：r f i d a n t i - c o l l i s i o ne l e c t r o n i ct a gr e a d e r w a r e h o u s em a n a g e m e n t 创新- 眭声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一些相关责任。 本人签名：r 娥：洲。| ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 钗斌 第一章绪论 第一章绪论 奉章首先简要介绍了自动识别技木，进而；l 出了本论文将要重点研究的r f d 技术。接 着对r f d 技术的基本概念、发展历史，研究情况以及进一步的研究方向做以论述。最后舟 绍了本论文的主要i - 作和章节安排， 1 1 自动识别技术简介 近年来，自动识别技术在全球范围内许多领域得到了快速的普及和推广。自 动识别技术是咀计算机技术和通信技术为基础的综合性科学技术，它是信息数据 自动识读、自动采集到计算机的重要方法和手段。在实际的应用中主要包括如图 i 1 1 所示的几种自动识别技术2 扪。 图1 , 1 自动识别技术币意闰 目前常用的自动识别技术中，条形码成本最低，适于需求量大且数据不必更 改的场合，例如商品包装上就很适宜，但是其较易磨损，且所携带数据量很小；i c 卡的价格稍高些，数据存储量很大，数据安全性好，但是由于它的触点暴露在外 面，有可能因静电或人为的原因损坏。一种理想的方式是，阅读器与一个数据载 体之间的数据传输与能量供应采用非接触式的技术。我们把这种非接触的自动识 别技术称为射频识别但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。它和传统意义 上的自动识别技术的本质区别在于：其能量供应和数据交换是运用无线电和雷达 技术实现的。 r f i d 技术作为一种自动识别技术，利用无线射频方式对目标物进行非接触式 r f i d 技术研究及其在仓储管理中的肫川 自动识剐，极大地加速了信息的收集和处理，具有精度商、适应环境能力强、抗 干扰能力强、操作帙捷等优点，因此，与其他的自动识别技术相比有更大的应用 范围。 1 2r f i d 技术的发展及现状 追溯历史，公元前中国先民即发现并开始利用天然磁右，并用磁石制成指南 车。到了近世，越来越多的人对电、磁、光进行了深入的脱察艘数学基础研究， 其中的佼佼者是美国人本杰明富兰克林。1 8 4 6 年英国科学缘米歇尔法拉弟发现 了光波与电波均属r 电碰能量。1 8 6 4 年苏格兰科学家詹姆十克拉克麦克斯韦尔 发表了他的电磁场理论。1 8 8 7 年，德国科学家亨瑞士鲁道夫赫兹证实了麦克斯 韦尔的电磁场理论并演示了电磁波以光速传播并可以被反射，具有类似光的极化 特性，赫兹的实验不久也被俄国科学家亚力山大波普重复。1 8 9 6 年马克尼成功地 实现了横越大西洋的越洋电报，由此开创了利用电磁能量为人类服务的先河。更 进一步，在1 9 2 2 年，诞生了雷达( r a d a r ) 。作为一种识别敌方空间飞行物( 飞机) 的有效兵器，雷达存第二次世界大战中发挥了重要的作用，同时雷达技术也得到 了极大的发展。 r f i d 技术是直接继承了雷达的概念，并由此发展出的一利咱动识别与数据 采集的新技术。但从老概念的角度来说，早在1 9 4 8 年】o 月哈里澌托克曼发表在 i r e 会议录上的篇题为“利用反射功率的通讯”的论文可毗看成是当今r f i d 理论确立的最早的里程碑1 2 】。 从历史上看，2 0 世纪3 0 4 0 年代，人们利用雷达技术对飞行器进行的敌我 识别器的研究开发即开创了远距离r f i d 实验研究的先河。2 0 世纪5 0 年代，d b 哈里斯发表的“可调制的无源应答器射频传输系统”正式启动了r f i d 技术研究 的车轮。2 0 世纪6 0 年代。开始出现最简单的1 比特电子标签用于电子防盗( e a s ) 。 2 0 世纪7 0 年代，开始出现应用于动物追踪识别的近距离r f i d 系统，以及应用 于机动车识别的电子车牌系统。2 0 世纪8 0 年代，开始出现应用于铁路的高速r f i d 系统以及应用于公路机动车通行的电子收费系统。2 0 世纪9 0 年代，机动车高速 公路电子收费应用获得了较太发展，r f i d 技术开始由西方发达国家向国外输出 产品。进入2 1 世纪，r f i d 技术开始向物流与供应链领域渗透，并逐渐成为一项 全球关注并处于月b 谜发展的新技术吼 r f i d 技术在国外的发展较早也较快，尤其是在美国、英围、德国、瑞典、 瑞士、日本、南非e | 阿均宙较为成熟且先进的r f i d 系统。其中，低频近距离r f i d 系统主要集中在1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z 频段；高频远距离r f t d 系统主要集中在u h f 频段9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。u h f 频段的远距离r f i d 系统在北美得到了 第一章绪论 很好的发展；欧洲的应用则以有源2 4 5 g h z 系统得到了较多的应用；5 8 g h z 系 统在日本和欧洲均有较为成熟的有源r f i d 系统。 在r f i d 技术发展的前1 0 年中，有关r f i d 技术的国际标准的研讨空前热烈， 国际标准化组织i s o i e c 联合技术委员会j t c l 下的s c 3 1 下级委员会成立了r f | d 标准化研究工作组w g 4 。尤其是在1 9 9 9 年1 0 月1 日正式成立的，由美国麻省理 工学院m i t 发起的a u t o i dc e n t e r 非盈利性组织在规范r f l d 应用方面所发挥的 作用非常明显。a u t o i dc e n t e r 在对r f i d 理论、技术及应用研究的基础上，所作 出的主要贡献如下： 提出产品电子代码( e l e c t r o n i cp r o d u c tc o d e ，e p c ) 概念及其格式规划。为减化 电子标签芯片功能设计，降低电子标签成本，扩大r f i d 应用领域奠定了基础。 提出了实物互联网的概念及构架，为e p c 进入互联网搭建了桥梁。 建立了开放性的国际自动识别技术应用公用技术研究平台，为推动低成本的 r f i d 标签和读写器的标准化研究开创了条件。 我国在r f i d 技术的研究方面也发展很快，市场培育已初步开花结果。在r f i d 技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波r f l d 电子 标签与读写器的技术能力及系统集成能力。与国外r f i d 先进技术之间的差距主 要体现在r f i d 芯片技术方面。尽管如此，在标签芯片设计及开发方面，国内已 有多个成功的低频r f i d 系统标签芯片面市。 1 3 1 主要工作 1 3 论文的主要工作及章节安排 本文对r f i d 技术的概念、分类、优势及典型应用进行了简要的介绍，给出 了r f i d 的系统组成及详细的工作原理；系统总结了r h d 系统中的数据编码与 数据校验方式，并对r f l d 系统中的防冲突关键技术进行了深入的研究。 在系统地介绍了r f i d 技术相关理论的基础上，提出了一种基于r f i d 技术 的仓储管理系统的优化设计方案，并详细描述了系统设计原理与工程实现。其中 对所研发的核心硬件设备手持电予标签条形码读写器的硬件设计与实现分模 块做了详细的介绍，同时简要介绍了系统软件的设计与实现，并给出了完整系统 的仓储操作流程。 1 3 2 章节安排 全文共分为五章，具体章节安排如下： 4 r f i d 技术研究及其在仓储管理中的应 第一章是绪论，首先对自动识别技术进行了简述，进而引出了本论文的核心 r f i d 技术，接着对r f i d 技术的发展及其现状进行了介绍，最后介绍了本文的主 要研究工作。 第二章对r f i d 技术进行了简要的介绍，并对r f i d 系统的各种分类方法及 优势做了系统的总结，最后介绍了r f i d 技术在各种领域的应用情况。 第三章从r f i d 系统的组成出发，详细介绍了r f i d 系统的各组成部分的功 能及工作原理；并对整体系统的两种基本工作原理进行了详细的阐述。 第四章对r f i d 系统中的数据编码方式与校验方式进行了系统的总结；提出 了r f l d 系统中的多标签冲突问题，并对系统中的标签冲突问题的解决进行了深 入的研究。 第五章基于r f l d 的核心技术，针对当前仓储管理的现状，提出了一种仓储 管理系统的优化设计方案，并分模块对系统软硬件的设计原理和工程实现进行了 详细的描述，最后给出了该系统的完整操作流程。 第二章r f i d 技术概述 第二章r f i d 技术概述 本章首先对r f i d 技术进行了简要的介绍，并对r f i d 系统的各种分类方法进行了总结； 接着通过与各种自动识别技术的对比，总结出了r f i d 技术所具有的优势；最后介绍了r f i d 技术在各种领域的应用情况。 2 1r f i d 技术简介 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 ，射频识剐) 技术是2 0 世纪9 0 年代开始兴 起的一种非接触的自动识别技术，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【2 】0 现今r f i d 技术已经成为一个很热门的话题。据业内人士预测，r f i d 技术市 场将在未来五年内在新的产品与服务上带来3 0 至1 0 0 亿美金的商机，随之而来的 还有服务器、资料储存系统、资料库程序、商业管理软件、顾问服务，以及其他 电脑基础建设的庞大需求。或许这些预测过于乐观，但r f i d 将会成为未来的一 个巨大市场是毫无疑问的。包括i n t e l 、i b m 、m i c r o s o f t 和s u n 在内的许多高科技 公司都在加紧从事r f i d 软硬件产品的开发。作为条形码的无线版本，r f i d 技术 具有读取速度快、存储空间大、穿透性强和安全性高等众多优点，由此可以预见 其能够广泛应用于生产、物流、交通、运输、医疗、防伪、跟踪、设备和资产管 理等众多领域。因此可以说r f i d 技术正在成为全球热门的新技术。 r f l d 技术的前身可以追溯到第二次世界大战( 约1 9 4 0 年) ，当时该技术被 英军用于识别敌我双方的飞机。其原理是在英方飞机上装有识别标签( 类似于今 天的主动式标签) ，当雷达发出微波查询信号时，装在英方飞机上的识别标签就会 做出相应的回执，使得发出微波查询信号的系统能够判别出飞机的身份，此系统 称为1 f f ( i d e n t i t yf r i e n do rf o e ，敌我识别) ，目前世界上的飞行管制系统仍是在此 基础上建立的。 现今的r f i d 技术是a e l ( a u t o m a t i ce q u i p m e n ti d e n t i f i c a t i o n ，自动识别) 在射 频技术方面的具体应用与发展。r f i d 技术利用射频信号的空间耦合，实现了无 接触式的信息双向通信，并且利用所接收到的信息完成了对目标物体的自动识别。 与早期的识别技术相比，r f i d 技术因其特有的非接触性以及可对多个目标物体 同时识别的特性，得到了众多行业的青睐。 r f i d 技术研究及其在仓储管理中的应 2 2r f i d 系统的分类 r f i d 系统可以从多种角度进行分娄，主要包括按频率划分、按电子标签供 电形式划分、按电子标签可读写性划分和按数据通信方式划分。 2 2 l 按频率划分 r f i d 系统的工作频率是其晶重要的特征之一。r f i d 系统的工作频率不仅决 定着射频识别系统工作原理( 电感耦合还是电磁耦合) 、识别距离，还决定着电了 标签及读写器实现的难易程度和备的成本。工作在不同频段或频点卜_ 的r f i d 系统具有不同的特点。r f i d 阅读器发送的频率基本上划分为三个范围；( 1 ) 低频 ( 3 0 k h z 一3 0 0 k h z ) ；( 2 ) 中高频( 3 m h z 一3 0 m h z ) ；( 3 ) 超高频( 3 0 0 m m 一3 g h z ) 或微 波( 3 g h z ) 。从应用概念看，电子标箍的工作频率也就是r f i d 系统的工作频牢【”。 低频段电子标签，简称为低频标签，其工作频率范围为3 0 k h z 3 0 0 k h z 。媳 型工作频率有：1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z 。低频标签一般为无源标签，其工作能最通过电 感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器2 问传送数 据时，标签必须位于阈读器天线辐射的近场区内，它的阅读距离一般情况卜小于 t 米。低频标签的典型应用有：动物t f 别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗 ( 带有内置电予标签的汽车钥匙) 等。 中高频段电子标签的工作频率般为3 m h z3 0 m h z 。典型工作频率为； 1 3 5 6 m h z 。该频段的电子标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频 标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所阻宜将其归为低频标签类中。另 方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为 高频标签。鉴于该频段的电子标签i u 能是实际应用中最大量的一种电子标签，凶 而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念，即不会在此造成理解上的混乱。 为了便于叙述，我们将其称为中频射频标签。中频标签一般也采用无源方式，其 工作能量同低频标签一样，也是通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场 中获得。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区 内，中频标签的阅读距离一般| 隋况下也小于1 米。中频标签由于可以方便地做成 卡片状，因而广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗( 电子遥控门锁 控制器) 、小区物业管理、大厦门禁系统等场台。 超高频与微波频段的电子标簦，简称为微波电子标签，其典型工作频率为： 4 3 3 9 2 m h z ，9 1 5 m h z ，2 。4 5 g h z ，5 8 g ! - ! z 。微波电子标签可分为有源标签与无源 标签两类。工作时，电子标签位于阅读器天线辐射场的远场区内，标签与阅读器 之间的耦合方式为电磁反向散射耦台方式。相应的射频识别系统阅读距离一般大 第一二章r f i d 技术概述 于1 米，典型情况为4 6 米，摄大可达1 0 米以上。阅读器天线般均为定向天 线，只有在阅读器天线定向波束范围内的电子标签可被读写。微波标签主要用于 铁路车辆自动识别、集装箱识别，同时还可用于公路车辆t 别与自动收费系统中。 为了解决r f i d 系统上作频率所造成的对特定物品( 如高温) 识别效果差的 问题，r f i d 技术研发者们新近又开发出了将低频和高频两个频市集成到一枚芯 片上的双频系统。 2 2 2 按电子标签供电形式划分 依据电子标签 ：作所需能量的供给方式的不同，r f l d 系统可分为无源、有 源阻及半有源系统。无源系统所使用的无源标签又称被动标签，标箍自身不需要 电源供电，而是通过阅读器发送的射频信号供电，它重量轻、体积小、寿命长、 成本低廉，在工程实现中得到了广泛的应用。有源系统的标箍使用标簦内的电池 来供电，系统识别距离较长，可达几十米，但其寿命有限并臣成本较高。另外， 由于标签内载电池，因此有源标签的体积较大，无法制成薄卡。半有源系统的标 签也带有电池，但是此电池其起到激活系统的作用，标签一旦被渊读糟激活，即 无需标签内的电池供电，进入无源标签工作模式。 2 2 ，3 按电子标签的可读写划分 根据电子标签内部使用的存储器类型的不同，电子标签口_ 分为三种：可读写 ( r w ) 标签、一次写 多次读出( w o r m ) 标签和只读( r o ) 标签。r w 标签一般 比w o r m 标签和r o 标箍成本高很多。 r o 标签内部只有只读存储器( r e a do n l ym e m o r y , r o m ) 和髓机存储器 ( r a n d o ma c c e s sm e m o r y , r a m ) 。r o m 用于存储发射器操作系统程序和安全性要 求较高的数据，它与内部的处理器或逻辑处理单元完成内部的操作控制功能，如 响应延迟时间控制、数据流控制阻及电源开关控制等。只读标签中的r a m 用于 存储标签反应和数据传输过程中临时产生的数据。另外，只读标签中除了r o m 和r a m 外，一般还有缓冲存储器，用于暂时存储调制后等待天线发送的信息。 r w 标签内部的存储器除了r o m 、r a m 和缓冲存储器之外，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，还具有存适当的条件下允许 多次写入数据的功能。非活动可编程记忆存储器有许多种，电可擦除可编程只读 存储器( e e p r o m ) 是比较常用的一种，这种存储器在加电的情况下，可以实现对 原有数据的擦除以及数据的重新写入。 w o r m 标签是用户可以一次性写入的标签，但写 后数据不能再改变。 r f i d 技术研究及其往仓储管理中的应州 2 2 4 按数据通信方式划分 按数据在r f i d 阅读器与电子标签之间的通信方式，r f i d 系统可以划分为三 种：半双工系统、全双工系统、时序系统。 在半双i ( h d x ) 系统中，从电子标签到阅读器的数据传输与阅读器到电子标 签的数据传输是交替进行的。当频率在3 0 0 m h z 以下时常常使用负载调制的半双 工法，有没有副载波都可以，电路也很简单。与此很相近的方式是来源于雷达技 术的调制反射截面的方法，工作频率在i o o m h z 以上。负载调制和调制反射截面 直接影响由阅读器产生的磁场或电磁场，因此被称作“谐波”处理法。 在全双工( f d x ) 系统中，数据在电子标签和阅读器之间的双向传输是同时进 行的。其中电子标签发送数据，所用频率为阅读器的几分之一，即采用“分谐波”， 或是用一静完全独立的“非谐波”频率。 在时序( s e q ) 系统中，从阅读器到电子标签的数据传输和能量供给与从电子 标签到阅读器的数据传输在时间上是交叉进行的，即脉冲系统。 半双工与全双工两种方式的共同点是，从阅读器到电子标签的能量供给是连 续的，与数据传输的方向无关，而与此相反，在使用时序系统的情况下，从阅读 器到电予标签的能量供给总是在限定的时间间隔内进行，从电子标签到阅读器的 数据传输是在电子标签的能量供给间歇时进行的。三种通信方式的时间过程说明 如下图2 1 所示，其中从阅读器到电子标签的数据传输定义为下传，而从电子标 签到阅读器的数据传输定义为上传。 半双i c h d x ) 能量供给 l 一。；。，一二= = 二：三孺上传 臣弋二气气赫 下传 通 仝双工( f d x ) 信能量供给 l 整嘲幽一一；二= = = = 稳 上传 晕童言主言 方 下传 式 时序( s e q ) 能量供给 巨二a 二函臣二a 匕i 上传 f 传 图2 1 三种通信方式的时间过程说明 第二章r f i d 技术概述 2 3r f i d 技术的优势 r f i d 技术是自动识别技术的一个分支，在自动识别技术的发胜历程中先后 出现了光学符号识别系统、生物识别系统( 例如语音识别和指纹识别等) 、条形码 系统、接触式i c 卡和r f i d 技术，这些技术各有特长，但r f i d 技术最具竞争优 势，且发展势头迅猛，射频说别系统产品市场已经成为无线电工_ k 增l 乇最快的市 场之一。 磊 光学字符接触式 参统条形码 语音识别指故识别射频识别 嚣 识别 1 c 目 数据最( 字节) 1 1 0 01 1 0 0】6 6 4 k1 6 6 4 k 读取方式激光束扫描光电转换机器识读 机器识读 电擦写无线通信 识别速度小于4 s 小丁3 s 大于5 s 5 1 0 s小。f4 s小于0 5 s 一 识别距离近根近很近直接接触赢接接触 压 机器识读性好 好 费时费时 好好 人工识读性受制约可能不可能 不可能不可能不可能 保密性无 无好好好好 潮湿影响根严重根严重 可能没有影响 光遮盖影响 全部戋敲垒弁l i 失效可能没有影响 方向位置影响 根小粗小一个方向投青影响 多目标同时识别 不能车能不能不能不能能 表2 1 各种自动谚 另技术性能比较 表2 1 对各类自动识别技术的一些主要特点进行了比较，可时看出同其它识 别技术相比较，r f i d 技术具有如f 的优势： n 1 非接触性，因此完成识别j f 作无需人工干预，能够实现自动化。 f 2 ) 数据量大，根据需要可传输除识别信息外的目标的身份信息、运行状态等； ( 3 ) 信息处理速度快，在某些应用场合可以达到几十个微秒； f 4 髁密性高，未经允许几乎不髓复制与修改数据； 岱1 识别距离远，数据载体与阐读器之问最远距离可以达到数_ i 米： f 具有很强的环境适应忡，抗千扰能力强，可在全天候下使用，几乎不受污 染与潮湿的影响，同时j 丕避免了机械上的磨损； f 7 卜种系统可以满足多用途的要求，可咀实现多目标识别、运动目杯识别。 侣) 系统可靠性高，操作方便快捷。 正因为r f l d 系统的这些优点，使它具有了美好的应用前景和更繁荣的发展。 l r f i d 拄术研究厦茸枉仓储管理中的应川 2 4r f i d 技术的应用 r f i d 技术以其独特的优势，逛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。随着大舰模集成电路技术的发展以及生产规模的卅i 断壮大，射频识别产品的成本将不断的降低，其应用也将越来越广泛。r f i d 技 术的主要应用领域有以下几个方面： ( 1 ) 电子物品监视( e l e c t r o n i c a r t i c l es u r v e i l l a n c e ，e a s ) ：是一种设置在需要控 制物品出入的门口的r f i d 技术。这种技术的典型应用场合是商店、图书馆、数 据中心等地方，当未被授权的人从这蚺地方非法取走装有e a s 标签的物品时， e a s 系统会发出警告。 ( 2 、物流控制系统：固定布置的r f i d 阅读器分散布置在给定的区域，并且阅 读器直接与数据管理信息系统相连，电子标签是移动的，一般安装在移动的物体、 人上。当物体、人经过阅读器时，阅读器会自动扫描标签上的信息并把数据信息 输入数据管理信息系统存储、分析、处理，达到控制物流的目的。 定位系统：用于对车辆、轮船等运行物进行运行定位支持。阅读器放置 在移动的车辆、轮船上，并通过无线的方式或者有线的方式连接到主机信息管理 系统。信号发射机嵌入到操作环境的地表下面，并存储有位置识别信息，阅读器 通过实时读取信号发射机发送来的位置识别信息达到定位的目的。 运动计时：在马拉松比赛中，山于参赛的运动员很多，有时第一个出发 的运动员同蛀后一个出技的运动员离丌起跑线的时间可能相差数十分钟。如果不 能精确的计时就会造成不公平的竞争。将r f i d 技术应用于马拉松比赛的精确计 时就可以很好的解决这个问题。参赛的每个运动员在自己的鞋带上系上电子标签， 在比赛的起点与终点放置两部r f i d 阅读器，当运动员越过起跑线与终点线时， 阅读器自动接收运动员所携带的电子标签发出的1 d 号，并记录当时的时间，这 样每个运动员都有了自己准确的起始与结束时间，避免了不公平的竞争。 ( 5 ) 身份证及护照：在未来的一、两年，我国电子标签应用最大的项目将是 基于r f i d 技术的第二代公民身份证：同时我国还正在规划基于r f i d 技术的电 了护照的发布。 ( 6 1 汽车防盗、动物管理、商品防伪等领域。 r f i d 技术的发展得益于多项挂术的综合发展，所涉及的关键技术大致包括： 舀片技术、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。r f i d 技术的发展已经走过5 0 余年，在过去的1 0 多年罩得到了更快的发展。随着技术 的不断进步，r f i d 产品的种类将越来越丰富，应用也越来越广泛。可以颓计， 证未来的几年中，r f i d 技术的应用将持续保持高速发展的势头a 第：章r f i d 技术概述 1 l 2 5 小结 本章介绍了r f i d 技术的概念及各种不同的讣娄方式，并通过与其它各种自 动识别技术的对比，系统总结了r f i d 技术所县有的优势。正囡为它所具有的各 种优势，使得它在许多领域得到了广泛的应用，本市的最后介绍了r f l d 技术在 几个典型领域的应用。 第二章r f i d 系统组成及r 作原理 第三章r f i d 系统组成及工作原理 本章主要介绍r f i d 系撬的组成厦工作原理。首先绔出了r f i d 系统的基毒构成，接着对 各组成部件的概念与工昨原理进行了详细的介绍，最后对两种典型的r f i d 系统的工作原理 进行了详细的阐述。 3 1r f i d 系统组成 典型的r f i d 系统主要出阅读器、电子标签、r f i d 中间件和应用系统软件网 部分构成，如下图3 1 所示。下面我们对系统的各个组成部分分别做以介绍。 、骖譬蔷。 应用幕统鞭拌 3 1 1 阅读器 图3 1 r f l d 系统组成嘲 、+ 7 一 。匕璺 标签 z 一一 最拽 阅读嚣：( r e a d e r ) 又称读头、读写嚣等，它在r f i d 系统中扮演着重耍的角色， 阅读器主要负责与电子标签的双向通信，同时接受来自于主机系统的控制指令l ”。 阅读器的频率决定了r f i d 系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距 离。阅读器根掘使用的结构和技术不同可以是读或读c q 装置，是r h d 系统的信 息控制和处理中心。阅读器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线j 部分组成， 其内部结构如图3 2 所示。 射鬃接口逻辑控制单元 ； 墨墓鐾l 讴控制器 9 l 羹篓篓墨 ，u 、 。黧! 黝s 一r l 一 i 时钟发生器b i ! 懋麓9 塞曼墨囊。曼 圈3 2 闯读器内部结构 r f i d 技术砷l ：究及h 和仓l i 管理i i 的膻川 射频接口模块其有以下t 要任务： ( i ) 产，l ! 高频发射能量，激活电了标筘并为其提供能量； 刈发射信号进行调制，用。j 二将教据传输给电了标筘； 接收并调制柬自电子标签的射频信号。 在射频接口中有两个分隔丌的信号通道，分别片j 于柬往于电于标笙与阅读器 两个方向的数据传输。传递往电子标签的数据通过发射器分支通道，而柬自于电 了标签的数据则通过接收器分支通道接收。 埋辑控制单元也称为读写模块，其具有阻下主要任务： 与应1 i _ | j 系统软件进行通信，井执行从应用系统软什发送来的指令； 控制与电子标箍的通信过程； 信号的编码与解码； 对阅堙器和标签之f f l l 传输的数掘进行加密和解密； 执行防冲突算法； 对阅馥器和标签2 m 的身份进行验证。 天线是一种能将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电 磁波的装置。在r f i d 系统巾阅读器必颁要通过天线来发射能量，彤成电磁场 通过电磁场来对电子标簦进行识别，所以l u 以说阅读器上的天线所形成的电磁场 范围就是阅读器的可读区域。 3 1 2 电子标签 电予标签( e l e c t r o n i ct a 【曲也称作智能标签( s m a r tl a b e l ) ，电于标签是指由i c 芯片和无线通信天线组成的超微型的小标筋，其内置的射频天线用于和阅读器进 j ：通信。系统【：作时，阅读器发出查询( 能量) 信号，电在标签( 无源) 收刽查 询( 能量) 信号后将其一部分整流为直流电源供电子标签山的电路：r 作，h 一部 分能量信号被电子标签内保1 竽的数据信息调制后反射回阅凄器【6 l 。电了标签屉射 频识别系统真正的数据载体，根据其的应用场台一i 同表现为不同的应用形态，如 在动物跟踪干丌追踪领域中称为动物标签或动物追踪标签、电子狗牌；在不停牟收 赞或车辆h 入管理等车辆自动识别领域中称为车辆远距离i c 卡、车辆远距离射频 卡或电于牌照：在访问控制领域中称为门禁仁或。卡通。电子标签的内部结构如 图3 3 所示。 第三章r f i d 系统纲成及一作原理 图3 3 电子标签内部结构 其内部各模块功能如下所述： 天线：用柬接收由阅读器送过来的信号，并把所要求的数据送回给阅读器； 电乐谓牟器t 把由标签阅读器送过来的射频讯号转换成d c 电源，并经大 电容储存能量，再经稳压电踌以提供稳定的电源； 调制器：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路调制后加载到天线送给闻 读器； 解调器：把载波去除以取出真正的调制信号； 逻辑控制单元：用来译码阅读器所送过来的信号，并依其要求回送数据给 阅读器； 存储单元：包括e e p r o m 与r o m ，做为系统运行及存放识别数据的位 詈。 3 1 3r 玎d 中问件 中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在 不同的技术之问菇享资源，中间件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算 资源和网络通信。 r f l d 中删件扮演电子标签和应用程序之间韵中舟角色( 如图3 4 ) ，从应用 程序端使用中间件所提供的一组通用的应用程序接口( a p l l ，即能连到r f i d 阅读器，读取电子标签数据。这样一来，即使存储电予标签信息的数据库软件或 后端应用程序增加或改由其他软件取代，或者r f i d 阅读器种类增加等情况发生 时，应用端不需修改也能处理，解决了多对多连接的维护复杂性问题。 r f i d 技术研究及其在仓储管理中的廊 1 图3 4r f i d 中间件在系统中的角色 r f l d 中间件主要包括以下四个功能【7 】： 阅读器协调控制：终端用户可以通过r f i d 中间件接口直接配置、监控以及 发送指令给阅读器。例如终端用户可以配置阅读器，使得当频率冲突发生时，阅 读器自动关闭。一些r f i d 中间件开发商还提供了支持阅读器即插即用的功能， 使得终端用户新添加不同类型的阅读器时不需要增加额外的程序代码。 数据过滤与处理：当标签信息传输发生错误或有冗余数据产生时，r f i d 中 间件可以通过一定的算法纠正错误并过滤掉冗余数据。r f l d 中间件可以避免不 同的阅读器读取同一电子标签的冲突，确保了高于阅读器水平的数据准确性。 数据路由与集成：r f i d 中问件能够决定采集到的数据传递给哪一个应用。 r f i d 中间件可以与企业现有的企业资源计划( e r p ) 、客户关系管t 望( c r m ) 、仓储 管理系统( w m s ) 等软件集成在一起，为它们提供数据的路由与集成，同时中间件 还可以保存数据分批的给各个应用提交数据。 进程管理：在进程管理中，r f i d 中间件根据客户定制的任务负责数据的监 控与事件的触发。例如在仓储管理中，设置中间件来监控货品库存的数量，当库 存量低于设置的标准时，r f l d 中问件会触发事件，通知相应的应用软件。 3 1 4r f i d 应用系统软件 r f i d 应用系统软件是针对不同行业的特定需求而开发的应用软件，它可以 有效的控制阅读器对电子标签信息进行读写，并且对收集到的目标信息进行集中 的统计与处理。r f i d 应用系统软件可以集成到现有的电子商务和电子政务平台 第三章r f i d 系统组成及工作原理 中，与e r p 、c r m 以及s c m 等系统结合起来提高各行业的生产效率。 3 2r f i d 系统工作原理 r f i d 系统的基本工作原理是：由阅读器通过发射天线发送特定频率的射频 信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量被激活，使 得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；阅读器的接收天线接收 到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到阅读器信号处理模块，经解调 和解码后将有效信息送至后台主机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识 别该标签的身份，针对不同的设定做出相应的处理和控制，最终发出指令信号控 制阅读器完成不同的读写操作。 从电子标签到阅读器之间的通信及能量感应方式来看，系统一般可以分成两 类：电感耦合( i n d u c t i v ec o u p l i n g ) 系统和电磁反向散射耦合( b a c k s c a t t e rc o u p l i n g ) 系统【”。电感耦合通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律；电 磁反向散射耦合，即雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携 带回目标的信息，依据的是电磁波的空间传播规律。 电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统，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 。利用电感耦合方式的识别系统作用距离 一般小于1 米，典型的作用距离为1 0 2 0 厘米。 电磁反向散射耦合方式一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统， 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 。识别作用距离大于 1 米，其典型的作用距离为4 6 米。 3 2 1 电感耦合系统工作原理 r f i d 的电感耦合工作方式对应于i s 0 l e c l 4 4 4 3 协议。电感耦合电子标签是 由一个电子数据作载体，通常是由单个微芯片以及用作天线用的大面积的线圈等 组成。系统工作原理如图3 5 所示，电感耦合方式的电子标签几乎都是无源工作 的，在标签中的微芯片工作所需的全部能量由阅读器发送的感应电磁能提供。高 频的强电磁场由阅读器的天线线圈产生，并穿越线圈横截面和线圈