（模式识别与智能系统专业论文）基于射频识别的煤矿人员考勤定位系统.pdf

哈尔滨一t _ - 大学硕士学位论文 摘要 为适应煤矿管理及安全生产的要求，结合煤矿生产实际，开发了一种基 于射频识别的人员考勤定位系统，该系统具有性能稳定，人员识别率高，误 码率小，使用方便，成本低等特点，对于煤矿安全生产和管理，具有很大的 现实意义。 整个考勤定位系统分为两个部分：考勤装置和定位装置。考勤装置用来 完成人员的出入井时间记录，并进行身份验证；定位装置则用来获取井下人 员的动态位置，方便管理者调度和安全管理。 文中首先介绍了射频识别的概念。通过比较各种自动识别技术，说明射 频识别技术的优势，并介绍了射频识别系统的组成及分类。 基于射频识别技术，论文中给出了人员考勤装置的设计。为了完成考勤 功能，选择p h i l i p s 公司的m i f a r e l 射频卡做为考勤卡，并设计出了相应的 读卡器，而且开发了考勤管理软件。同时，运用虹膜识别技术，在对人员考 勤的同时，完成了他们的身份确认。 为了了解人员的井下工作轨迹，设计出了井下人员定位装置。该装置由 定位卡、读卡器及监控中心三大部分组成。当井下人员经过安装在各个采区 口的读卡器时，随身携带的定位卡将卡片中的个人信息发送出去。读卡器保 存信息后，等待监控中心p c 机的问询，一旦收到命令，便将存储器中数据上 传给p c 机。为了不另设管道，文中采用了先进的电力载波技术来实现p c 机 和读卡器之间的数据交换。针对井下多人同时经过一个读卡器而发生的标签 冲突，论文中提出了采用a l o h a 算法来解决冲突的办法。 论文的最后对系统做了一系列性能测试，并针对实验结果进行了分析。 关键词：射频识别；考勤；井下定位；m i f a r e l 卡；读卡器；电力载波 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o ra d a p t i n gr e q u e s to fm a n a g e m e n ta n ds a f ep r o d u c t i o no fc o a lm i n e ，ak i n d o fm i n ep e r s o n n e la t t e n d a n c ea n dl o c a t i o ns y s t e mb a s e do nr a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) i sd e s i g n e db a s e do i lp r a c t i c a lp r o d u c t i o no fm i n e t h e s y s t e mh a sas e r i e so fa d v a n t a g e s ，s u c ha ss t a b l ec a p a b i l i t y , ah i 曲p e r s o n n e l i d e n t i f i c a t i o nr a t e ，al o we r r o rr a t e ，c o n v e n i e n tu s a g e ，l o wc o s t ，a n ds oo n i tt a k e s a ni m p o r t a n tr o l ei ns a f ep r o d u c t i o na n dm a n a g e m e n to fc o a lm i n e a t t e n d a n c ea n dl o c a t i o ns y s t e mi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：a t t e n d a n c ed e v i c e a n dl o c a t i o nd e v i c e a t t e n d a n c ed e v i c ei su s e dt o r e g i s t e r t i m e a n dv e r i f y i d e n t i f i c a t i o nw h e nm i n e r sc o m ei no ro u to fc o a lm i n e l o c a t i o nd e v i c ec a n l o c a t ep e r s o nt r a d e rc o a lm i n e ，a n di sc o n v e n i e n tf o rm a n a g e rt oc o n t r o la n d m a n a g e t h ec o n c e p t i o no fr f i di si n t r o d u c e df i r s t l y w i t hs e v e r a la u t o m a t i c r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g i e s ，a d v a n t a g e so fr f i d a r es h o w e d t h e nc o m p o s i t i o na n d c l a s s i f i c a t i o na r ed i s c u s s e d b a s e do nr f i dt e c h n o l o g y , t h ed e s i g no fp e r s o n n e la t t e n d a n c ed e v i c ei s g i v e n f o rf i n i s h i n ga t t e n d a n c e ，m i f a r e 1r a d i of r e q u e n c yc a r df r o mp h i l i p s c o m p a n yi s s e l e c t e dt ot i m e c a r d r e a d e rf o rm i f a r e lc a r di sd e s i g n e da n d a t t e n d a n c e m a n a g e m e n ts y s t e m i s d e v e l o p e d m o r e o v e r , i r i sr e c o g n i t i o n t e c h n o l o g yi su s e dt ov e r i f yi d e n t i f i c a t i o nw h e nc a r r y i n go u ta t t e n d a n c e i no r d e rt ok n o wm i n e r sd y n a m i cp o s i t i o nu n d e rc o a lm i n e ，m i n ep e r s o n n e l l o c a t i o nd e v i c ei sd e s i g n e d t h ed e v i c ei sc o m p o s e do fr a d i of r e q u e n c yc a r d ， r e a d e ra n dc o n t r o lc e n t e r w h e nam i n e r p a s s e st oar e a d e r , t h ep o r t a b l el o c a t i o n c a r dw i l ls e n dp e r s o n a li n f o r m a t i o no u t t h er e a d e rw a i t sf o rr e q u e s to fp ca f t e r s a v i n gi n f o r m a t i o n ，a n du p l o a d sd a t ai nm e m o r yt op co n c er e c e i v i n gc o m m a n d s i no r d e rt ol a yn op i p e s ，a d v a n c e dp o w e rl i n ec a r r i e r ( p l c ) t e c h n o l o g yi su s e dt o c a l t yo u td a t ae x c h a n g eb e t w e e np ca n dr e a d e r a st ot a gc o l l i s i o nh a p p e n e d w h e nm u l t i m i n e rp a s sr e a d e ra tt h es a l t l et i m e ，a l o h aa l g o r i t h mi sa p p l i e dt o 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 s o l v ec o l l i s i o n i nt h ee n d ，as e r i e so fc a p a b i l i t yt e s tf o rt h es y s t e mi sd o n e ，a n dt e s tr e s u l ti s a n a l y z e d k e yw o r d s ：r f i d ；a t t e n d a n c e ；l o c a t i o nu n d e rc o a lm i n e ；m i f a r e lc a r d ；r e a d e r ； p l c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：弋丝丛鼋i 一 日 期：一，年 ，月孑日 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 本课题源于黑龙江省科技厅攻关项目“虹膜自动识别技术的研究与系统 开发”，结合射频识别技术，应用到煤矿考勤定位中。 随着国民经济的飞速发展，对能源的需求越来越大，对作为我国主体能源 重要物质基础的煤炭资源的依赖也日趋严重。煤炭在我国一次能源生产和消 费结构中始终占7 0 左右。预计到2 0 1 0 年煤炭占6 0 左右，2 0 5 0 年将占5 0 左右，因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。2 0 0 3 年全国煤 炭总量为1 3 9 亿吨，2 0 0 4 年为1 6 亿吨，尽管3 0 0 年煤炭产量达到了1 9 6 亿吨，2 0 0 6 年达到了2 1 亿吨，仍不能完全满足要求。当前，我国经济的快 速增长，对煤炭工业发展提出了更高的要求。 要保证快速、安全的生产，我国煤炭业面临着很多方面的问题。近年来， 全国煤矿各类事故时有发生，特别是一些重大人身事故的发生，使国家煤矿 主管部门和我们奋战在煤矿生产一线的广大职工痛心不已。但由于我国煤矿 生产设备落后，管理不善，官煤勾结等诸多原因，使得煤矿安全生产形势不 容乐观。从总体上来看，我国虽然煤炭存储量大，但多数煤矿都是高瓦斯矿， 开采难度大，危险性高，加之我国井下工作人员整体素质不高，因此我国煤 矿事故频发，煤矿生产百万吨死亡率高居不下。如何加强安全生产的防范措 施，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速 履行煤矿安全监测职能，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，摆到了国家 各级主管部门和领导的面前。同时如何改变目前煤矿企业对井下人员落后的 管理模式，如何实现管理的现代化、信息化也成为所有煤矿企业关心的问题。 若能在事故发生后准确判断井下被困人员的具体位置，再结合矿井实际 采掘工程平面图制定出行之有效的营救路线，将大大提高灾后救援的成功率。 随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生产监测应用领域中 的不断发展，如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置是摆在我 们面前的一个急待解决的问题。对于这一点，国外发达国家在上世纪末就已 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 经意识到并开发出了部分井下人员考勤定位产品，本世纪初，我国也开始在 这方面进行探索研究并取得了很大的成果。利用现今先进的射频识别技术、 数据通信传输技术、计算机管理数据库，结合煤矿生产实际，开发出来的煤 矿人员考勤定位系统不但在发生事故时能救人救命，还有利于完善管理相对 落后的煤矿企业人员管理，加快企业信息化建设的步伐，为煤矿企业的安全 生产和经营管理上台阶、上水平带来了新的契机。 1 2 国内外煤矿人员考勤定位系统研究现状 国外煤矿井下无线通信领域起步较早，目前，在美国、澳大利亚、南非 等采矿业发达的国家，基于射频的人员考勤定位系统得到充分应用，南非 p r e t o r i a 的i p i c o 公司使用射频识别技术用于跟踪、照明、援救、瓦斯检测 和急救装备等。其中i p - x t m 双频射频识别系统采用低频辐射加上有高速数据 传输能力的高频射频识别系统，优点是可以在矿工拥挤的场合读取多个标签， 准确性好、读取速度快、读取距离更大。美国在矿井人员考勤定位方面，已 经实现了应用z i g b e e 技术对矿井人员的定位精确，为矿工的生命安全提供了 更可靠的保障体系心1 。 我国的煤矿人员考勤定位系统起步较晚，基本是本世纪才开始引入，但 由于其在安全生产和煤矿日常管理中优势明显，市场巨大，因此发展迅速， 已经经历了3 个阶段啼1 。 第一阶段：主要是从国外引进现成煤矿人员考勤定位产品，但由于其价格 昂贵，维护费用高，只在山西少数几个大型煤矿试用，基本没有推广。 第二阶段：我国自主开发的第一代煤矿人员考勤定位系统。我国自主开发 的第一代煤矿人员考勤定位系统主要以无源射频识别技术为主，给每个井下 工人配发一张无源卡，每次经过井下基站时需工人自己拿到井下阅读基站上 进行识别，或在井下巷道中做一个大型无线感应线圈，让井下人员从中钻过 去，实现井下数据交换。这种方式的优点是系统开发简单，成本低。但系 统使用不方便，且在人员进出矿井的高峰期容易造成堵塞，因此也只在少 数煤矿试运行后及被淘汰。 第三阶段：我国自主研发的新型有源煤矿人员考勤定位系统。随着我国射 频识别技术的日趋发展，我们在射频识别系统的应用领域己逐步跟上了国际 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i 水平，因此我国自主开发的新型有源煤矿人员考勤定位系统也已经达到国际 水平。我国现在研发的新型人员考勤定位系统主要以有源射频卡为基础，它 既可加大井下人员阅读基站数据交换的有效范围( 1 0 2 0 米) ，又可提高射频 卡的使用的方便性，解决多人同时经过并下同一射频阅读基站的人员堵塞和 数据冲突问题，大大提高了系统的可靠性和实用性。 目前，国内有多家企业按照国家提出的煤矿安全标准，已经成功开发了 一系列井下人员考勤定位系统设备，并且投入到很多国有大中型煤矿中进行 考核应用，其结果都运行良好。到目前为止，取得“安标准许其产品入井 的企业竟有3 0 多家1 。比较有代表性的有浙江嘉科电子有限公司开发 的k j l 5 3 型矿用人员管理系统。此系统是集计算机、信息采集处理、无线数 据传输、网络数据通讯、自动控制等多学科技术综合应用的信息自动识别技 术产品。该产品通过对巷道高速移动目标远距离非接触式信息采集、处理和 自动识别，实现入井人员的考勤，人员车辆等移动目标的跟踪、定位，井下 人员超时报警等自动化管理功能。该系统已应用于山西晋煤集团王台铺矿、 黑龙江鹤岗兴山煤矿、山东枣庄煤业集团付村矿等多家大型煤矿。此外，济 宁电真空器件厂的k j l 5 1 煤矿井下人员跟踪管理系统也已经推向了市场心1 。 还有，上海秀派电子科技有限公司开发的煤矿人员考勤定位系统也在国内也 得到了广泛的应用，其技术属于国内领先水平。 本文开发的矿用人员考勤定位系统就是结合现代先进的射频识别技术而 研制的第三代煤矿人员考勤定位系统。本系统与一般的考勤定位系统不同， 它是基于双频卡和双频读卡器的一种更新型的考勤定位系统，而且与技术成 熟的射频识别技术结合在一起。首先，为了完成人员的考勤登记，同时防止 非法人员进入矿井，提高煤矿的安全性能，本系统采用了射频识别技术和虹 膜身份识别技术相结合的人员身份验证及出入井考勤；其次，针对煤矿井下 复杂的现场环境，充分运用射频技术和电力载波通信技术，完成对人员目标 的井下跟踪定位。此系统的可靠性，灵活性，稳定性及射频数据冲突处理、 人员定位方向等方面均满足煤矿使用要求。 1 3 本文的研究内容 在借鉴国内外开发的矿用人员考勤定位系统基础上，开发了一套新型的 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 | 1i i 矿用人员考勤定位系统，本论文就是在研制此系统的基础上完成的。具体安 排如下： 第l 章介绍课题研究的目的及意义、煤矿人员考勤定位系统国内外研究 现状。最后介绍了本论文的主要内容和章节安排。 第2 章对射频识别技术进行了概述。首先介绍了射频识别技术的概念及 发展，对几中无线通信技术进行了比较，然后对射频识别系统的组成及分类 做了详细介绍。 第3 章介绍了人员考勤装置的设计。首先给出了装置的总体结构，然后 分别针对考勤卡、读卡器以及考勤管理软件的设计做了详细介绍。 第4 章主要阐述了人员定位装置的硬件设计。包括系统组成及工作原理、 系统硬件选型依据、人员定位卡设计、读卡器设计以及电力载波通信模块设 计等。 第5 章主要是定位装置软件部分的设计。首先说明装置实现的具体功能， 然后给出整个装置工作的通信协议。在通信协议的基础上，设计人员定位卡 的控制程序、读卡器的控制程序、读卡器与监控中心的电力载波数据传输设 计以及监控中心管理程序。针对井下多人同处一个读卡器而发生的标签冲突， 还给出了相应的防冲突算法。 第6 章对系统做了一系列性能测试，并针对实验结果进行了分析。 最后是论文总结。对本文所做的工作进行了总结，并对今后的工作进行 了展望。 4 哈尔滨t 程大学硕士学1 1 7 ：论文 第2 章射频识别技术概述 煤矿人员考勤定位系统是以射频识别技术为设计基础的。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 ) ，是从2 0 世纪8 0 年代兴起的一 项非接触式自动识别技术。近年来，无论是在国外或国内，射频识别技术在 许多服务领域、货物销售与后勤分配方面、生产企业和材料流通领域等都得 到了快速的普及和推广。由于射频识别技术的优越性，目前，该技术也逐渐 被广泛应用到煤矿考勤和定位中。本章将就射频识别技术的一些基础知识做 一些介绍，其中包括与其他识别技术的比较、射频识别系统组成和分类以及 射频识别的技术规范等。 2 1 几种自动识别技术的比较 自动识别技术睁7 1 近几十年来在全球范围内得到了迅猛的发展，初步形成 了一个包括条码技术、磁条磁卡技术、i c 卡技术、光学字符识别技术、射频 识别、声音识别及视觉识别等集计算机、光、磁、机电、通信技术为一体的 高新技术学科。下面就简单的对各种自动识别技术做一个比较。 各自动识别技术的比较如表2 1 所示。 表2 1 常用自动识别技术的属性比较 光学字符生物 系统参数条形码磁条卡 i c 卡 射频识别 识别统计法 信息载体纸、塑料物体表面 磁性物质e e p r o me e p r o m 信息量 小小大较小大大 读写性能 rrr洲i v wr w 读取方式激光束光电转换机器识别电磁转换点擦写无线通信 保密性无无好好好好 环境适应不好不好一般一般很好 光遮盖全部失效全部火效可能没有影响 方向位置 很小 很小单向单向没有影响 识别速度 低 低 很低低低很快 通信速度 低低较低快快 很快 ，一 读取距离近很近直接接触接触接触延 使用寿命一次性较远短长很长 国际标准无无无有有有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成本 最低 一般较高 低较高较高 多标签 不能不能不能不能不能能 同时识别 表中我们可以看出，射频识别技术与磁卡、i c 卡等接触式的自动识别技 术相比，r f i d 系统的电子标签和阅读器之间无须物理接触就可以完成识别， 属于非接触识别。射频识别技术具有一些独特的优点：读写操作方便、灵活， 实时完成，一次识别多个射频标签、精度高、适应环境能力强、抗干扰强等 许多优点。因此射频识别技术成为最有前景的一种自动识别技术，并且己经 占领了巨大的销售市场。因此对射频识别技术的研究和设计，自主开发射频 识别系统的核心技术就变得非常迫切。 2 2 射频识别技术及其发展 r f i d 技术是一种无接触自动识别技术，它的基本原理是利用射频信号及 其空间耦合、传输特性，实现对静止或移动的待识别物品的自动机器识别陋儿9 1 。 与传统的识别方式相比，r f i d 技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工 干预即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷。同条形码相比，射频识别 标签具有防水、防磁、读取距离大、标签数据可加密、存储数据容量大、便 于改写等优点，而且射频识别标签又克服了接触式i c 卡使用一段时间后容易 发生触点接触不良的缺点，因此被认为将是条形码标签和接触式i c 卡的未来 替代品。 射频识别直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的新技术 - r f i d 技术。最初，射频识别技术主要是用于军事上敌我双方的飞机识别， 到了7 0 年代，美国政府透过l o sa l a m o s 科学实验室将r f i d 技术转移到民间 用于畜牧业，到了8 0 年代，美国与欧洲的几家公司开始着手生产r f i d 卷标， 今天，r f i d 技术已经被广泛应用于各个领域。 我国政府在1 9 9 3 年制定的金卡工程实施计划，是一个旨在加速推动我国 国民经济信息化进程的重大国家级工程，由此各种自动识别技术的发展及应 用十分迅猛。现在，射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，在中国得 到了广泛的应用，如身份识别、防伪应用、公共交通管理应用、物流管理、 门禁控制等。 随着全球r f i d 产品大规模应用的开始，制定r f i d 统一标准己经得到业 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 界的广泛认同，但直到现在为止，由于现行各种标准分别代表不同国家和集 团的利益，因此没能形成全球统一的标准。在所有的标准n 叩中，e p cg l o b a l ( 电 子产品代码环球协会) 由于综合了美国和欧洲厂商，实力相对占上风。e p c g l o b a l 是由u c c 和e a n 联合发起的非盈利性机构，全球最大的零售商沃尔玛 连锁集团、英国t e s c o 等1 0 0 多家美国和欧洲的流通企业都是e p c 的成员， 同时由美国i b m 公司、微软、a u t o - i d l a b 等进行技术研究支持。此组织除发 布工业标准外，还负责e p cg l o b a l 号码注册管理。e p cg l o b a l 系统是一种 基于e a n u c c 编码的系统。作为产品与服务流通过程信息的代码化表示， e a n u c c 编码具有一整套涵盖了贸易流通过程各种有形或无形的产品所需的 全球唯一的标识代码，包括贸易项目、物流单元、位置、资产、服务关系等 标识代码。e a n u c c 标识代码随着产品或服务的产生在流通源头建立，并伴 随着该产品或服务的流动贯穿全过程。e a n u c c 标识代码是固定结构、无含 义、全球唯一的全数字型代码。在e p c 标签信息规范1 1 中采用6 4 - 9 6 位的 电子产品编码：在e p c 标签2 0 规范中采用9 6 2 5 6 位的电子产品编码。现在 国内的射频识别标准就是结合中国实际的改进型e p cg l o b a l 标准。 2 3 射频识别系统组成 典型的r f i d 系统n 由三部分组成：射频卡( t a g ) 、读卡器( r e a d e r ) 和 p c 机。如图2 1 所示。 命令。 命令 。 p c 机读卡器射频卡 应答 应答 图2 1 典型的r f i d 系统 r f i d 技术的基本工作原理并不复杂：标签在读卡器磁场范围之内，则发 送某一定频率的信号给读卡器，其中包含标签的数据信息。读卡器读取信息 并解码后，传送至p c 机进行有关数据处理。 下面主要介绍一下射频卡和读卡器。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 3 1 射频卡 射频标签也叫电子标签( t a g ) 。其核心是采用r f i d 射频识别技术、具有 一定存储容量的芯片。标签是由耦合元件及微芯片组成，其中包含串行 e e p r o m 、微处理器c p u 以及射频收发及相关电路。 根据标签内有无电池可将标签分为有源标签和无源标签。有源电子标签 使用卡内电池的能量，主动发送信息到读卡器。识别距离较长，可达十几米， 但是它的寿命有限( 3 - 1 0 年) ，且价格较高；无源电子标签不含电池，它接收 到读卡器发出的射频信号后，利用读卡器发射的电磁波提供能量，一般可做 到免维护、重量轻、体积小、寿命长、较便宜，但它的发射距离受限制，一 般是几十厘米，且需要阅读器的发射功率大。 2 3 2 读卡器 读卡器是由天线、通信模块、控制模块、接口电路等部分构成( 如图2 2 所示) 。天线是读卡器与射频标签通信的媒介。通信模块完成射频通信中一些 基本的调制、解调、放大等功能。而控制模块根据不同的性能要求，在不同 的应用场合可以有多种实现方式。系统中的接口电路根据需要可以包括：l c d 液晶显示驱动接口、键盘控制接口、和计算机相连的r s 2 3 2 接口、r s 4 8 5 接 口等。此外读卡器中还包括一些时钟产生电路等辅助电路。 r f i d 读卡器的任务是控制射频收发器发射射频信号，通过射频收发器接 收来自标签上的已编码射频信号，对标签的认证识别信息进行解码；将认证 识别的信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。读卡器中的硬件 部分控制着读卡器的工作。用户可以通过相关控制主机或本地终端发布命令 以改变或订制其工作模式适应具体应用的需求。 图2 2 读卡器结构图 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 4 射频识别系统分类 射频身份识别系统根据不同的电源获得方式、系统作用的距离以及占用 的射频频段可以划分为不同的类别。但各种分类的方式实质上是相互包含、 相互影响和相互统一的：低频段工作距离近，采用近场耦合被动式电源；高 频段作用距离远，采用电磁耦合主动式电池电源。 2 4 1 按标签电源供给方式分类 所有的射频身份识别系统都可以分为两类：被动式射频识别系统 ( p a s s i v er f i d ) 和主动式射频识别系统( a c t i v er f i d ) 。其最主要的不同在于 射频标签的电源供给方式不一样。被动式标签自身没有电源储备而是要靠外 部识读器通过电磁波能量辐射的方式提供：主动式标签自身带有电池，它的能 量提供不依赖外界设备n 刚。 被动式射频身份识别系统有以下特点n 副： 1 射频标签通过收集识读器辐射出的能量给自己的射频电路供电； 2 射频标签需要识读器辐射出的强度很高的信号； 3 射频标签只在识读器作用范围内有电源供给，才处于供电状态； 4 系统工作距离很有限； 5 识读器作用范围内多射频标签通信不可靠( 标签密度问题) ； 6 由于电源的限制，不适合用于传感数据的收集； 7 射频标签数据存储容量非常有限。 主动式射频身份识别系统有以下特点n 剔： 1 射频标签使用内部电池给自己的射频电路供电； 2 射频标签仅需要识读器辐射出较低强度的信号； 3 射频标签无论在不在识读器的作用范围内都处十供电状态； 4 系统可以实现高标签密度识别； 5 系统可以用于收集温度、湿度、震动等传感信息； 6 射频标签具有可扩展的存储空间。 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 4 2 按系统作用距离分类 射频识别系统中射频标签与识读器之间的作用距离是射频识别系统应用 中的一个重要问题，通常情况下这种作用即离定义为射频标签与识读器之间 能够可靠交换数据的即离。射频识别系统的作用距离是一项综合指标，与射 频标签及识读器的配合情况密切相关。 根据射频识别系统作用距离的远近情况，射频标签天线与识读器天线之 间的耦合可分为以下三类n 3 1 ：密耦合系统、遥耦合系统、远距离系统。 1 密耦合系统 密耦合系统的典型作用距离范围为o - l c m 。实际应用中，通常需要将射 频标签插入识读器中或将其放置到识读器的天线的表面。密耦合系统利用的 是射频标签与识读器天线无功近场区之间的电感耦合( 闭合磁路) 构成无接触 的空间信息传输射频通道工作的。密耦合系统的工作频率一般局限在3 0 m h z 以下的任意频率。由于密耦合方式的电磁泄露很小、耦合获得的能量较大， 因而可适合要求安全性较高，作用距离无要求的应用系统，如电子门锁等。 2 遥耦合系统 遥耦合系统的典型作用距离可以达到1 m 。遥耦合系统又可细分为近耦合 系统( 典型作用距离为1 5 c m ) 与疏耦合系统( 典型作用距离为1 m ) 两类。遥耦合 系统利用的是射频标签与识读器天线无功近场区之间的电感藕合( 闭合磁路) 构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。遥耦合系统的典型工作频率为 1 3 5 6 m h z ，也有一些其他频率，如6 7 5 m h z ，2 7 1 2 5 m h z 等。遥耦合系统目前 仍然是低成本射频识别系统的主流。 3 远距离系统 远距离系统的典型作用距离从l m 到l o m ，个别的系统具有更远的作用距 离。远距离系统大多是利用射频标签与识读器天线辐射远场区之间的电磁耦 合( 电磁波发射与反射) 构成无接触的空间信息传输射频通道工作的。远距离 系统的典型工作频率为：9 1 5 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z ，此外，还有一些其他频率， 如4 3 3 m h z 等。远距离系统的射频标签根据其中是否包含电池分为有无源射频 标签( 不含电池) 和半无源射频标签( 内含电池) 。一般情况下，包含有电池的 射频标签的作用距离较无电池的射频标鉴的作用距离要远一些。半无源射频 i o 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 标签中的电池并不是为射频标签和识读器之l 刨的数据传输提供能量，而是只 给射频标签芯片提供能量，为读写存贮数据服务。 2 4 3 按标签工作频率分类 毫无疑问，射频标签的工作频率是其最重要的特点之一。从应用概念来 说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率。射频标签的工作 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， 还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。工作在不同频段 或频点上的射频标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国 际上有公认的划分，即位于i s m 波段之中。典型的工作频率有：1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z ， 1 3 5 6 m h z ，2 7 1 2 m h z ，4 3 3 m h z ，9 0 2 m h z ，9 2 8 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z 等。频 率从高到低主要分为三类u 4 j 。 1 低频段射频标签 低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为3 0 k h z 一3 0 0 k h z 。 典型工作频率有：1 2 5 k h z ，1 3 3 k h z 。低频标签一般为无源标签，其上作能量通 过电感耦合方式从识读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与识读器之 间传送数据时，低频标签必须位于识读器天线辐射的近场区内。由于识读器 辐射强度的限制，低频标签的阅读距离一般情况下小于1 米。低频标签的典 型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗( 带有内置应答器 的汽车钥匙) 等。与低频标签相关的国际标准有：i s 0 1 1 7 8 4 1 1 7 8 5 ( 用于动物识 别) 、i s 0 1 8 0 0 0 2 ( 1 2 5 1 3 5 k h z ) 。 低频标签的主要优势体现在：标签芯片一般采用普通的c m o s 工艺，具有 省电、廉价的特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机 组织、木材等；非常适合近距离的、低速度的、数据量要求较少的识别应用( 例 如：动物识别) 等。 低频标签的劣势主要体现在：标签存贮数据量较少；只能适合低速、近 距离识别应用；与高频标签相l k - 标签天线匝数更多，成本更高一些。 2 中高频段射频标签 中高频段射频标签的工作频率一般为3 m h z - 3 0 m h z 。典型工作频率 为：1 3 5 6 m h z 。该频段的射频标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理 哈尔滨丁程大学硕十学佗论文 与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以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。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的 一种射频标签，而高、低只是一个相对的概念，所以将其称为中频射频标签。 中频标签一般也采用无源被动的形式，其工作能量同低频标签一样，也 是通过电感( 磁) 耦合方式从识读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与识读 器进行数据交换时，标签必须位于识读器天线辐射的近场区内。中频标签的 阅读距离般情况下也小于1 米。 中频标准的基本特点与低频标准相似，由于其工作频率的提高，可以选 用较高的数据传输速率。射频标签天线设计相对简单，标签一般制成标准卡 片形状。典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗( 电子遥控门 锁控制器) 等。相关的国际标准有：i s 0 1 4 4 4 3 、i s 0 1 5 6 9 3 、i s 0 1 8 0 0 0 - 3 ( 1 3 5 6 m h z ) 等。 3 超高频与微波标签 超高频与微波频段的射频标签，简称为微波射频标签，其典型工作频率 为：4 3 3 9 2 m h z ，2 4 5 g h z ，5 8 g h z 。微波射频标签可分为有源标签与无源标签 两类。工作时，射频标签位于识读器天线辐射场的远场区内，标签与识读器 之间的耦合方式为电磁耦合方式。识读器天线辐射场为无源标签提供射频能 量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1 m ，典型情况 为4 6 m ，最大可达l o m 以上。识读器天线一般均为定向天线，只有在识读器 天线定向波束范围内的射频标签可被读写。 由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标 签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求，进而这种需求发展成为一种 潮流。目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要 特征。 微波射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支 持多标签读写、是否适合高速识别应用，读写器的发射功率容限，射频标签 及读写器的价格等方面。典型的微波射频标签的识读距离为3 5 m ，个别有达 l o m 或l o m 以上的产品。对于可无线写的射频标签而言，通常情况下，写入 距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。 1 2 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章对射频识别技术做了一个概述。首先通过和各种自动识别技术比较， 得出了射频识别技术有读写操作方便、灵活，实时完成，一次识别多个射频 标签、精度高、适应环境能力强、抗干扰强等许多优点。然后介绍了射频识 别系统的组成及分类。 哈尔滨t 稃大学硕士学位论文 第3 章人员考勤装置设计 煤矿人员考勤定位系统既能完成出入井人员的每日考勤，又能对井下人 员位置进行实时跟踪，了解人员动态信息。它与常见的人员考勤定位系统不 同，此系统是采用双频卡和双频读卡器设计而成，而且结合了先进的虹膜身 份验证技术。整个系统分为考勤装置和定位装置。考勤装置以无源射频卡 m i f a r e l 卡及其读卡器为基础，为了防止不明身份人员或者冒名顶替人员进 入井下，考勤装置中还添加了虹膜身份识别单元，解除了一般考勤系统存在 的隐患，提高了煤矿安全水平。而定位装置则是基于有源射频卡及其读卡器 设计而成，同时利用电力载波传输技术，将井下人员位置信息实时传送到监 控中心，完成人员定位的目的。 定位装置的硬件及软件设计将在下两章中详细讨论。本章将讨论考勤装 置的硬件及软件设计，重点阐述无源射频卡m i f a r e l 卡及其读卡器设计。 3 1 装置总体设计及工作原理 整个考勤装置由m i f a r e l 卡，读卡器，摄像头，图像采集卡及p c 机等构 成，其结构示意图如图3 1 所示。 摄像头选用维视电子生产的摄像机模板，型号为d f 2 0 0 9 h ( 1 2 a m 镜头) ， 基本参数为1 3 英寸l g 黑白c c d ，4 2 0 线，自带2 列3 行红外灯。图像采集 卡选用大恒公司的d h - v t l 2 1 采集卡，d h - v t l 2 1 是基于p c i 0 4p l u s 总线开发 的可双路同时操作的视频采集卡，它具有高品质的图像质量和稳定性。主要 应用于以嵌入式操作系统为基础的小型视频图像处理、控制设备。 摄像头和图像采集卡主要是完成对虹膜图像的采集，用来进行个人身份 识别；读卡器用来读取代表个人的m i f a r e l 卡卡号，完成人员考勤。 装置的工作原理如下：每位矿工身上都有一张代表自己身份的m i f a r e l 卡。首先将矿工卡号及个人信息存入p c 机中数据库。当矿工入井或者出井时， 都必须在读卡器上刷卡，此时，读卡器将读取卡号，通过串口发送给p c 机， p c 机从数据库中查找读到的卡号及其对应的虹膜信息。如果查找不到卡号， 则说明此人为不明身份人员，需要重新登记入库。如果找到卡号，则取出库 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的虹膜图象编码，与此时采集到的虹膜图像信息相比较，如果匹配成功则说 明此人身份无误，记录下时间，作为考勤记录。如果不匹配，则说明此人为 冒名顶替者。这样既可以完成考勤，同时还能有效验证矿工身份，减小安全 隐患，提高煤矿管理水平。 图3 1 考勤装置结构框图 在对人员的身份验证中，涉及到虹膜图像的采集、处理及编码、识别等 过程，所以，先来简单介绍一下虹膜识别技术。 3 2 虹膜识别技术 虹膜识别技术n 1 9 1 是一种近年来发展起来的一种新的生物特征识别技 术，它具有更高的准确性、唯一性、稳定性、可采集性、非侵犯性，而且同 时还具有其他生物特征所具有的一些优点，市场更是为这项技术的发展提供 了广阔的舞台。 虹膜位于眼球的前方，是黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状部分，其总 体上呈现一种从里到外放射状结构，包含许多相互交错的类似于斑点、细丝、 冠状、条纹、隐窝等形状的细微特征。每一个虹膜都包含一个独一无二的基 于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特征的结 构，如图3 2 所示。据宣称，没有任何两个虹膜是一样的。 虹膜识别技术的基本原理是通过特制的光学成像系统、电子控制单元以 及适当的计算机软件算法来提取虹膜的图像，通过图像分割技术实现虹膜的 定位、归一化和去噪声；使用活体虹膜检测，就是要可靠的鉴别出采集到的 图像是否来自有生命的个体，使虹膜用特征提取器对虹膜进行有效的特征的 提取，最后使用分类器完成基于虹膜特征向量的分类任务。 堕垒堡三堡奎耋堡占兰堡丝圣 图3 2 采集到的虹膜图像 尽管这个过程说起来非常简单，但真正实现起来却必须首先解决大量的 技术问题，这些问题主要集中在虹膜图像的获取和设备的小型化方面。在聚 集虹膜图像步骤中，摄像头要求能够准确聚焦。如果采集对象是固定的设备， 那么精确聚焦毫无难度可言，可问题在于虹膜采集对象是活动的人物，而每 个检测者的位置都不可能固定，因此一套智能型的摄像设备是必须的。在这 一领域，国内外的虹膜识别厂商有着不同的实现解决方案，但它们都有体积 较大的弊端；其次，要采集深色眼球的虹膜图案极为困难，尤其是黑眼睛的 东方人来说，普通摄像设各根本无法胜任，为解决这个问题，许多虹膜厂商 都开发出专用的红外摄像设备一在采集虹膜图像时，红外摄像机首先将一道 不可见的红外光束准确聚焦在虹膜表面，虹膜图案被红外光“照亮”，摄像 机同时拍下虹膜图像。也许你会担心红外光直射会对检测者的眼球造成损伤， 这种担心并不必要，因为红外光的强度比电视遥控器还小，而且人眼在此过 程中完全不会有任何异常的感觉。 当虹膜图像采集下来之后，系统会根据既定的数学方法将图像转化成灰 度图像，识别软件会自动判别反射光、色调的细微差异以及被遮掩的部分， 并将这些噪声完全除去。接下来，虹膜图案会被转成矩形的条纹。由于虹膜 图案非常对称，即便在转换或拍摄干扰因素造成的变形现象都可以通过数学 方法进行有效修正。这样在经过多次数学处理之后，虹膜图案就变成一个带 有独特生物特征的二进制数字记录这个数字记录也被称为“模板”。 哈尔滨工挥大学硕十学位论文 一个完整的虹膜识别系统由虹膜图像获取、虹膜图像预处理( 包括活体 虹膜检测、虹膜区域定位、归一化、图像增强) 、特征表达和提取、模式匹配 与分类器设计等各个环节所构成雎0 1 。虹膜识别流程如图3 3 所示。 ? 一一王莅玩镇翥筷疾+ + 一- i i lll l 1 ，l 垆、刀q l 天5 k 3 3mif a r e l 射频卡 3 3 1mif a r e l 卡特点 图3 3 虹膜识别流程图 m i f a r e i 卡是p h i l i p s 公司生产的非接触式i c 智能射频卡。卡片上除了i c 微晶片及一副高效率天线外，无任何其他元件幢驯。卡片上无源( 无任何电池) ， 工作时的电源能量由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上天线 而产生电能，一般可达2 v 以上，供卡片上i c i 作。工作频率为1 3 5 6 m h z 。 m i f a r e l 卡标准操作距离为l o c m 。卡上具有先进的数据通信加密并双向 验证密码系统且具有防重叠功能，能在同一时间处理重叠在卡片读写器天线 的有效工作距离内的多张重叠的卡片乜引。 m if a r e l 卡与读写器通信使用握手式半双工通信协议，通信速率为 1 0 6 k