（电力电子与电力传动专业论文）井下人员定位系统的通信技术研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t l o c a t i o n t e c h n o l o g y o um o v i n go b j e c tu s e sw i r e l e s sm o v i n gc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kf o rm e a s u r i n gs o m ep a r a m e t e r so fr e c e i v e dw i r e l e s sw a v e t h e nm e a s u r et h e g e o g r a p h yl o c a t i o no fam o v i n gt e r m i n a lo ram a l la ts o m et i m e ，s ot h a tp r o v i d es o m e r e l e v a n ts e r v i c eo fl o c a t i o ni n f o r m a t i o nf o rt h eu s e r so fm o v i n gt e r m i n a l ，o rt a k e m o n i t o r i n ga n df o l l o w i n ga sn e c e s s a r y m o r eo v e r , t h er 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 t e c h n o l o g y i su s e dv e r yw i d e l y i tu s e st h ew a yo ff r e q u e n c yf o ru n t o u c h e d b i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o n , t h e nr e c o g n i z i n gt h eo b j e c ta u t o m a t i c a l l ya n dg e t t i n g r e l e v a n td a t a i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h 鸹h j i g hp r e c i s i o n , s t r o n ga d a p t a b i l i t y , s t r o n g a b i l i t ya g a i n s td i s t u r b a n c e ，q m c h yo p e r a t i n gm o d ea n de t c i ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to fl o c a t i o nt e c h n o l o g yf i r s t , d e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n t p r o c e s sa n dw o r k i n gt h e o r yo fl o c a t i o nt e c h n o l o g y , a n da l s oi n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c e f o rt h en l i n ep r o d u c t i o n i no t h e rw o r d s ，i ts h o w sm ym a i nr e s e a r c hw o r k ： c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g nf o re a c hp a r to ft h i ss y s t e ma n di n t e r f a c ec h i ps o f t w a r e d e s i g n ( i ti n c l u d e st h ec o m m u n i c a t o n sb e t w e e n i dc o d eo b j e c ta n dr e c e i v e r , i dc o d e r e c e i v e ra n du n d e rm i n ei dc o d em o n i t o rs t a t i o n ，u n d e rm i n ei dc o d em o n i t o rs t a t i o n a n dd a t ac o l l e c t i o n , d a t ac o l l e c t i o na n dp c1 t h e n , i ti n t r o d u c e st h ec a t e g o r i e so fl o c a f i o nt e c h n o l o g y g i v et h em o s ts u i t a b l e l o c a t i o nt e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h es p e c i a lr e q u e s to fm i l l es t a f fl o c a t i o ns y s t e m d e s c r i b et h ew h o l es t r u c t u r eo fl o c a t i o ns y s t e mo fm i n es t a f f ；a n dt h ef u n c t i o no fe a c h p a r t t 1 1 i r d , i ta n a l y s i st h em e c h a n i s mo fa g a i n s tt h ec o n f l i c lt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dc h e c k i n ga l g o r i t h mo ft r a n s i t i o np r o c e s sf o rw i r e dp a r ta n dw i r e l e s sp a r t , i nt e r m so fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds o f t w a r ed e s i g n i ta l s oi n t r o d u c e st h e f u n c t i o n a lc h i ps p 2 3 3 8a n di d t 7 1 3 2 a tl a s t , i ti n t r o d u c e st h ep r o c e s so fs o f t w a r ed e b u g g i n gb r i e f l y , a n dm a k e sa s u m m a r yf o rt h ed i s a d v a n t a g eo ft h el o c a t i o ns y s t e mo fm i l l es t a f fa n dg i v e ss o m e s u g g e s t i o n so fm y o w n k e y w o r d s ：l o c a t i o nt e c h n o l o g y , r f i d ，l o c a t i o ns y s t e m , c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l h 潮咖j 堂火謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彳暂确日期：妒1 年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：诵钥指导教师签名：砭删 日期：御年月砂日日期：妒叼年6 月甲日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第1 章引言 近年来，煤炭安全生产的形势十分严峻，几乎每年都要发生比较重大的煤矿 安全事故，给国家、社会带来了巨大的损失，增加了社会的不稳定因素。事实上 发生事故时，堵在矿井井下的工作人员大多并没有受到严重的伤害，这时如果能 够及时救出的话，人员的安全就有了保障。但是由于井上与并下的监控、通讯手 段受各种条件的限制，导致不能及时、准确的得到事故发生时井下人员的位置信 息，无法做出正确的决策，以致抢险工作不能顺利开展，造成难以挽回的巨大损 失。所以，井下人员定位系统的实现，对降低事故的损失具有极其重要的意义。 及时准确地掌握下井人员的位置信息，用以指挥生产、做出优化决策，提高 生产效率，是煤炭企业生产管理的一个重要环节。目前煤炭企业普遍采取矿灯考 勤、电话跟踪定位等方法来掌握工作人员的下井信息。这些方法不能确保有关领 导和相关单位准确及时的了解人员的下井情况，可能导致决策失误。因此，迫切 需要提供一种更为准确、及时的井下人员定位系统，做到井下信息快速传递，及 时发现并反映下井人员信息，同时实现基本数据的快速统计，为生产管理提供依 据。 随着国家对煤矿安全的日盏重视和监管力度的不断加强，我国大中型煤矿及 众多乡镇小煤矿均已大量装备了煤矿安全生产监控系统，极大地改善了我国煤矿 安全生产状况，有效遏制了重特大瓦斯煤尘爆炸事故的发生。但目前煤矿还普遍 存在下井人员管理困难，井上管理人员难以及时准确掌握井下人员的分布及作业 情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生后对矿井 人员的抢救缺乏可靠的位雹信息。同时对矿井的一些关键工种和岗位也不能有效 监督，时有瓦斯检测员不按规定时间、地点检测瓦斯，甚至人为填报瓦斯数据的 情况，给煤矿安全生产带来隐患。因此，煤矿现场利用相应的矿井人员跟踪定位 设备，全天候2 4 小时对煤矿下井人员进行实时自动跟踪定位和考勤，随时掌握 每个员工在井下的位置及活动轨迹、全矿井人员的位置分布情况等很有必要，国 家有关部门也对此给予较大关注。井下人员定位系统在煤矿投入使用后，可对全 部下井人员进行有效监测和考勤管理。一旦发生事故，就可立即从监控计算机上 调阅查询事故现场的人员位置分向情况、遇险人员撤退路线等信息，及时为事故 抢险提供准确信息。同时，该系统还具备矿井工作人员f 1 常考勤管理功能。 湖北工业大学硕士学位论文 井下人员定位系统，是煤矿井下安全管理向科学化、信息化、数字化方向发 展的需要，每个煤矿都有安装该系统的必要性。目前我国有1 0 0 0 多家矿井及其 它类型的矿井需要安装，市场潜力非常巨大系统的成功研制，必将对矿井的安 全生产产生深远的影响，该系统具有较大的社会效益和经济效益。 此外，该课题的研究成果也可以用于其他领域：监狱人员管理系统，养老院 人员查讯系统，车辆路桥收费系统及车辆调度管理系统等领域。 1 。2 国内外发展现状 对于井下定位技术的研究，最早的可以追溯到1 9 9 1 年南非德比尔公司的芬 什( f i n s c h ) 矿山使用的地下矿铲运机自动测位系统。该系统使用一种与装在顶板 上的一组红外线邻近效应探测器连接的标志环网络，这些探测器布置在该矿四周 的关键位置。当车辆通过某探测器下面时，装在车上的红外线发射器向该探测器 发射一个识别该机车的数码。这个数码被传到一个控制着调度过程的中央计算 机。红外线探测器之间需要设置识别环网络，这意味着基础设施费用提高，并且 系统的灵活性较差。1 9 9 4 年在南非普雷米尔( p r e m i e r ) 金刚石矿安装了一种微波 信标系统。它包括一个车上安装的监测器。该监测器连续探测设在矿山周围各关 键点的微波信标是否出现，该信标为圆柱形，用电池供电，发射超过3 m 范围的 统一调制识别信号。1 9 9 5 年澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种基于射频识 别( r f i d ) 技术的人员探测系统，用于监测矿工是否进入危险地带。这个系统使用 顶板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标，进面可以知道各 个天线所覆盖范围内的人员情况。 目前，精确定位技术是国内外研究的一个热点，主要有基于已经存在酌移动 蜂窝网及g p s 系统的定位技术。这在国内外已经有了广泛的研究。主要可分为空 基定位系统( g p s ) 、地基定位系统( 移动蜂窝网) 及混合定位系统( a - g p s ) 三种。g p s 系统以高精度、全天候等特点在全球被广泛应用，在车辆调度管理及全球位胃定 位中发挥重要作用。传统的广域无线电测向定位系统属于地基定位系统。a - g p s 系统是g p s 与蜂窝网络结合的产物，定位精度高，克服了g p s 在建筑物内和市区 存在盲区的缺点，是未来蜂窝定位技术标准最有力的竞争者。 我国的井下人员定位系统起步较晚，基本是本世纪才开始引入，但出于其在 安全生产和煤矿同常管理中优势明显，市场巨大，因此发展迅速。 1 3 课题的可行性 在广泛调研的基础上，根据现有的技术条件，我们制定了切实可行的方案。 2 湖北工业大学硕士学位论文 i il i d 整个井下人员自动定位系统由地面主机和并下若干身份码检测站及人员随身携 带的身份码发送器组成，身份码发送器采用超高频信号发送。采用无线检测，有 线传输方式构成二级集散式微机监测系统，对井下人员实现自动跟踪定位，实时 监测、显示人员的身份、位置及分布状况。平时用于生产管理，一旦遇到突发事 故，可根据系统主机提供的井下人员情况，做出难确快速的营救决策。 1 4 本文的主要研究工作 移动物体定位技术已被运用到生活、科技、生产等各行各业中，目前定位技 术的种类很多，本文先对定位技术进行整体介绍，然后着重介绍目前引用最为广 泛的f r i d 定位技术，并以“井下人员定位系统”作为模型，介绍移动物体定位 基站的软件部分。 本文共五章，具体安排如下： 第一章是绪论，对论文进行总的概括，并对移动物体定位技术进行整体介绍。 第二章介绍移动物体定位技术在“井下人员定位系统”中的应用，包括对 r f i d 技术的介绍，“井下人员定位系统”整体介绍以及该系统各部分的功能介绍。 第三章详细介绍该系统无线部分，重点介绍无线部分的结构、原理及防冲突 机制。 第四章详细介绍该系统的有线部分，重点介绍有线部分的通信协议、校验算 法以及实现功能的各个软件部分程序。 第五章为系统的调试结果及对下步工作的展望。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章定位技术在“井下人员定位系统 中的应用 2 1 定位技术概述 定位技术是利用无线移动通信网络，通过对接收到的无线电波的一些参数进 行测量，根据特定的算法对某一移动终端或个人在某一时间所处的地理位置进行 测定，以便为移动终端用户提供相关的位置信息服务，或进行实时的监测和跟踪。 2 2 定位技术的分类 根据定位的基本原理，移动定位大致可分为两类：基于移动网络的定位技术 和基于移动终端的定位技术，还有的把这两者的混合定位作为第三种定位技术。 2 2 1 基于移动网络的定位技术 基于c e l i - i d 的定位技术：该技术又称起源蜂窝小区( c e l lo fo r i g i n ) 定 位技术。每个小区都有自己特定的小区标识号( c e l i - i d ) ，当进入某一小区时， 移动终端要在当前小区进行注册，系统的数据中就会有相应的小区i d 标识。系 统根据采集到的移动终端所处小区的标识号来确定移动终端用户的位置。这种定 位技术在小区密集的地区精度较高且易于实现，得到广泛的应用。 到达时间t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) 定位技术：移动终端发射测量信号到达3 个以上的基站，通过测量到达所用的时间( 须保证时间同步) ，并施以特定算法的 计算，实现对移动终端的定位。在该算法中，移动终端位于以基站为圆心，移动 终端和基站之间的电波传输距离为半径的圆上，三个圆的交点即为移动终端所在 的位黄。 到达时间差t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 定位技术：移动终端对基 站进行监昕并测量出信号到达两个基站的时闯差，每两个基站得到一个测量值， 形成一个双曲线定位区，这样，三个基站得到2 个双曲线定位区，求解出它们的 交结点并施以附加条件就可以得到移动终端的确切位置。由于所测量为时间差而 非绝对时间，不必满足时间同步的要求，所以t d o a 备受关注。 增强型观测时间差e - o t d ( e n h a n c e d o b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e ) 定位技术： 在无线网络中放置若干位置接收器或参考点作为位置测量单元l m u ，参考点都有 一个精确的定时源，当具有e - o t d 功能的手机和l 删接收到3 个以上的基站信号 4 湖北工业大学硕士学位论文 时，每个基站信号到达两者的时间差将被算出来，从而估算出手机所处的位置。 这项定位技术定位精度较高但硬件实现也复杂。 角度达到a o a ( a r r i v a lo fa n g l e ) 定位技术：这种定位技术的首要条件是基 站需装设阵列智能天线。通过这种天线测出基站与发送信号的移动终端之间的角 度，进一步确定两者之间的连线，这样移动终端与两个基站可得到两条连线，其 交点即为待测移动终端的位置。该定位技术的缺点是所需智能天线要求较高，且 有定位盲点【2 l 。 2 2 。2 基于移动终端的定位技术 该定位技术的原理是：多个已知位置的基站发射信号，所发射信号携带有与 基站位置有关的特征信息，当移动终端接收到这些信号后，确定其与各基站之间 的几何位置关系，并根据相关算法对其自身位置进行定位估算，从而得到自身的 位置信息。具有较高的定位精度。 目前已提出的基于移动终端的定位技术主要包括：下行链路观测到达时间差 ( 0 t d o a ) 方法、基于g p s 的定位技术，如差分g p s ( d g p s ) 、辅助g p s ( a - g p s ) 等。 根据技术发展动态，我们把重点集中于d g p s 和a - g p s 上：( 1 ) g p s 定位技术经过 多年的发展，由于其定位精度高、覆盖范围广的优点，在军事用途中发挥着巨大 的作用，近几年开始向各个领域渗透并得到广泛的应用。差分g p s 技术可以提高 g p s 系统的定位精度。原理是；基准接收机对自己实施定位，得到的定位结果与 自己的确知的地理位置相比较得到差值，该差值被用作公共误差修正值，对与基 准接收处于同一区域且共用四颖卫星进行定位的移动接收机来说，它们显然具有 相同的公共误差。因此借助于公共误差修正值可以修正移动接收机的定位结果， 从而提高定位精度。( 2 ) 采用g p s 对移动台直接定位时，首次定位需要较长的时 间，这对于紧急救援的业务是不允许的。a g p s 可以有效地解决这个问题。利用 辅助g p s 进行定位时，g p s 参考网络可将辅助的定位信息通过无线通信网络传送 给移动台，可减小搜索时间，使定位时间降至几秒钟，而且辅助的定位信息也为 在信号严重衰落的市区或室内应用g p s 定位技术提供了可能。另外，由于在两次 定位间歇期间g p s 接收机可处于休眠状态，所以可以降低手机的能耗捌。 2 2 3 其他定位技术 综上所述，a g p s 弥补传统的g p s 定位技术的缺陷，使得g p s 突破定位界限 实现室内g p s 定位。尽管如此当需要定位的物体位于建筑物内部，如办公大楼 内，其定位精度就明显下降了。因此，必须研究新的室内定位技术以弥补g p s 湖北工业大学硕士学位论文 的不足。目前，常见的技术有红外技术、i e e e8 0 2 i i 为代表的无线局域网技术、 超声波技术和r f 功技术。 红外技术：o l i v e t t i 研究室( 现在为a t & tc a m b r i d g e 研究室) 研制的基于 红外技术的有源标签可以用于室内物体的定位，但是它要求物体必须和红外线阅 读器必须成一条直线，且定位距离太近，因而限制了其继续发展。 i e e e8 0 2 i i ：基于无线局域网的定位系统，在一定的区域内安装适量的无 线基站，根据这些基站获得的待定位物体发送的信息( 时间和强度) ，并结合基 站所组成的拓扑结构，综合分析，从而确定物体的具体位置。这类系统可以利用 现有的无线局域网设备，仅需要增加相应的信息分析服务器以完成定位信息的分 析。 超声波技术：c r i c k e tl o c a t i o ns u p p o r ts y s t e m 和a c t i v eb a tl o c a t i o n s y s t e m 是目前成功使用的两个系统，它们都利用了类似蝙蝠定位的原理，可以 实现最高精度到9 c m 的定位。但是这类系统的成本太高，无法大面积推广。 r f i d ：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 ) ，它是利用 射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有 精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。 除上述技术外，围绕微雷达技术和u w b 技术的研究也在进行中。但同时兼顾 定位精度商和系统价格低的室内定位方案只有r f i d ，所以目前室内定位技术的 研究都围绕着它展开。移动目标的定位技术主要可以划分为两大类：基于移动设 备的方法和基于网络的方法。前者主要是由移动设备根据当前和以前与它通信的 参考基站信息，计算出自身的位置，其最典型的应用是在g p s 系统中；而后者是 网络根据其参考基站和移动设备通信的信息( 时间和信号强度等) ，结合网络的 拓扑结构计算出移动设备的位置，实现定位。在r f i d 应用中，出于功耗方面的 考虑，电子标签不能成为定位的主动方，所以基本上都采用基于网络的方法。 2 3 “井下人员定位系统”需求 井下人员及设各定位系统需要及时、准确的将井下各个区域人员及设各的动 态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握并下人员、设备的分布 状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。当事故发生时， 救援人员也可根据井下人员及设备定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关 人员的位着情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。 2 4 “并下人员定位系统”对定位技术的选择 湖北工业大学硕士学位论文 井下人员及设备定位系统需要集并下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常 管理等一体的综合性运用系统，集合识别技术、传输技术、软件技术、煤矿现场 运用领域内最顶尖的产品和技术。 由于井下情况复杂，环境恶劣无法采用6 p s 这样的定位技术，无线射频识别 技术是最好的选择。 2 5 系统的整体设计 定位系统主要实现井下人员及设备安全监测工作。在井口、坑道、作业区及 作业面的交叉道口安装身份码监测站，入井工作人员按照要求佩戴安装身份码发 射器的腰带，或佩戴装有身份码发射器的安全帽。身份码发射器器通过固定频率 的射频载波不断的发出信号，当进入身份码接收器的接收范围内时，身份码接收 器将身份码发射器中的电子标签中的信息读取，经过身份码监测站处理后，提取 出个人信息，通过总线送至井上的数据集中器，数据集中器在将数据进行处理后 实时传送给p c 机，这样p c 机就可判断出具体信息( 如：是谁，在哪个位置，具 体时间) ，同时可把它显示在控制中心的大屏幕或电脑显示屏上，并做好各份。 管理者也可以根据大屏幕上或电脑上的分布示意图查看某一区域，计算机即会把 这一区域的人员情况统计并显示出来。中心站主机会根据一段时问的人员出入信 息整理出这一时期的每个下井人员的各种出勤报表。 系统的框图如图2 1 ： 湖北工业大学硕士学位论文 井上 井下 无线识别部分 圈2 1 系统框图 2 6 系统各部分功能的介绍 身份码发射器：井下人员随身携带，可放嚣在安全帽、皮带等物品上。该发射 器事先存有佩戴者的信息，如姓名、工种等。用来将个人信息发送出去，以便接 收器读取。 身份码接收器：用来接收身份码发射器发送的信息，同时传递给身份码监测 站。 身份码监测站：用束接收、存储、处理身份码接收器传送过来的数据，同时 通过r s 4 8 5 传递给数据集中器。可根据具体需要安装在需要进行监控的区域。安 装数量及密度也可根掘需要进行调整。 数据集中器：不| 日j 断的查询各个身份码监测站，一旦某个身份码监测站中有 存储的有效信息，立刻将其读取并进行处理后通过r s 2 3 2 传递给p c 机。 昌 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章无线部分的设计 3 1 无线识别技术概述 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 ) ，或称射频 识别技术，是从二十世纪9 0 年代兴起的一项非接触式自动识别技术。它是利用 射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象并获取相关数据，具有 精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点“1 。 3 1 1 无线识别技术的现状 目前常用的自动识别技术中，条码和磁卡的成本较低，但是都容易磨损，且 数据量很小；接触式i c 卡的价格稍高些，数据存储量较大，安全性好，但是也 容易磨损，寿命短；而射频卡实现了免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命 长，无需可见光源，穿透性好，抗污染能力和耐久性强，而且，可以在恶劣环境 下工作，对环境要求低。读取距离远，无需与目标接触就可以得到数据，支持写 入数据，无需重新制作新的标签，可重复使用，并且使用了防冲撞技术，能够识 别高速运动物体并可同时识别多个射频卡。 近年来，无线射频识别技术在国内外发展很快，r f i d 产品种类很多，像t i 、 m o t o r o l a 、p h i l i p s 、m i c r o c h i p 等世界著名厂家都生产r f i d 产品，并且各有特 点，自成系列。r f i d 已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制 管理等众多领域，例如汽车或火车等的交通监控系统、高速公路自动收费系统、 物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车 辆防盗等。随着成本的下降和标准化的实话，r f i d 技术的全面推广和普遍应用 将是不可逆转的趁势网。 3 1 2r f i d 系统的组成及其工作原理 r f i d 系统因应用不同其组成会有所不同，但基本都出电子标签( t a g ) 、阅 读器( r e a d e r ) 和数据交换与管理系统( p r o c e s s o r ) 三大部分组成。电子标签 ( 或称射频卡、应答器等) ，由祸合元件及芯片组成，其中饱含带加密逻辑、串 行e e p r o m ( 电可擦除及可编程式只读存储器) 、微处理器c p u 以及射频收发及相 关电路。电子标签具有智能读写和加密通信的功能，它是通过无线电波与读写设 湖北工业大学硕士学位论文 备进行数据交换，工作的能量是由阅读器发出的射频脉冲提供。阅读器，有时也 被称为查询器、读写器或读出装置，主要由无线收发模块、天线、控制模块及接 口电路等组成。阅读器可将主机的读写命令传送到电子标签，再把从主机发往电 子标签的数据加密，将电子标签返回的数据解密后送到主机。数据交换与管理系 统主要完成数据信息的存储及管理、对卡进行读写控制等。1 。 r f i d 系统的工作原理如下：阅读器将要发送的信息，经编码后加载在某一 频率的载波信号上经天线向外发送，进入阅读器工作区域的电子标签接收此脉冲 信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、 密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息， 经加密、编码、调制后通过卡内天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进 行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理；若为修改信息的写 命令，有关控制逻辑引起的内部电荷泵提升工作电压，提供擦写e e p r o m 中的内 容进行改写，若经判断其对应的密码和权限不符，则返回出错信息。r f i d 基本 原理框图如图3 1 所示”1 ： 阅读器 电子标签 接控读 接控读 口 制 写 囡园 口 制 写 模 模 模 模 模 模 块 块 块 块 块块 图3 1r f l d 系统基本原理框圈 3 1 3r f i d 技术的分类 r f i d 技术的分类方式常见的有下面四种： 根据电子标签工作频率的不同通常可分为低频( 3 0 k h z 3 0 0 k h z ) 、中频 ( 3 e 4 z 3 0 m h z ) 和高频系统( 3 0 0 m h z 3 g h z ) 。r f i d 系统的常见工作频率有低 频1 2 5 k h z 、1 3 4 2 k h z ，中频1 3 5 6 m h z ，高频8 6 0 删z 9 3 0 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 等。低频系统特点是电子标签内保存的数据量较少，阅读距离较短，电子标签外 形多样，阅读天线方向性不强等。主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的 门禁控制、校园卡、煤气表、水表等；中频系统则用于需传送大量数据的应用系 统；高频系统的特点是电子标签及阅读器成本均较高，标签内保存的数据量较大， 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 阅读距离较远( 可达十几米) ，适应物体高速运动，性能好。阅读天线及电子标 签天线均有较强的方向性，但其天线宽波束方向较窄且价格较高，主要用于需要 较长的读写距离和高读写速度的场合，多在火车监控、高速公路收费等系统中应 用旧。 根据电子标签的不同可分为可读写卡( r w ) 、一次写入多次读出卡( w o r m ) 和只读卡( r o ) 。r w 卡一般比哟r m 卡和r o 卡贵得多，如电话卡、信用卡等；w o r m 卡是用户可以一次性写入的卡，写入后数据不能改变，比r w 卡要便宜；r o 卡存 有一个唯一的号码，不能逐改，保证了安全性。 根据电子标签的有源和无源又可分为有源的和无源的。有源电子标签使用卡 内电流的能量、识别距离较长，可达十几米，但是它的寿命有限( 3 l o 年) ， 且价格较高；无源电子标签不含电池，它接收到阅读器( 读出装置) 发出的微波 信号后，利用阅读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 的发射功率大咖。 根据电子标签调制方式的不同还可分为主动式( a c t i v et a g ) 和被动式 ( p a s s i v et a g ) 。主动式的电子标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写 器，主要用于有障碍物的应用中，距离较远( 可达3 0 米) ；被动式的电子标签， 使用调制散射方式发射数据，它必须利用阅读器读写器的载波调制自己的信号， 适宜在门禁或交通的应用中使用“”。 3 1 4r f i o 技术标准 目前常用的r f i d 国际标准主要有用于对动物识别的i s 0 1 1 7 8 4 和1 8 0 1 1 7 8 5 ， 用于非接触智能卡的i s 0 1 0 5 3 6 ( c l o s ec o u p l e dc a r d s ) 、i s o1 5 6 9 3 ( v i c i n i t y c a r d s ) 、i s 0 1 4 4 4 3 ( p r o x i m i t yc a r d s ) ，用于集装箱识别的i s o1 0 3 7 4 等f l l 】。目 前国际上制定r i f d 标准的组织比较著名的有三个；i s o ，以美国为首的 e p cg l o b a l 以及日本的u b i q u i t o u si dc e n t e r ，而这三个组织对r f i d 技术应用 规范都有各自的目标与发展规划。下面对常见的几个标准加以简介。 3 1 4 i l s o1 1 7 8 4 和i s o1 1 7 8 5 技术标准： i s o1 1 7 8 4 和i s o1 1 7 8 5 “2 1 分别规定了动物识别的代码结构和技术准则，标 准中没有对应答器样式尺寸加以规定，因此可以设计成适合于所涉及的动物的各 种形式，如玻璃管状、卫标或项圈等。代码结构为6 4 位，其中的2 7 至6 4 位可 由各个国家自行定义。技术准则规定了应答器的数据传输方法和阅读器规范。工 作频率为1 3 4 2 k h z ，数据传输方式有全双工和半双工两种，阅读器数据以差分 湖北工业大学硕士学位论文 双相代码表示，应答器件采用f s k 调制，n r z 编码。由于存在较长的应答嚣充电 时间和工作频率的限制，通信速率较低。 3 1 4 2i s o1 0 5 3 6 、i s o1 5 6 9 3 和i s 0 1 4 4 4 3 技术标准“”： i s o1 0 5 3 6 标准发展于1 9 9 2 年1 9 9 5 年间，由于这种卡的成本高，与接触式 i c 卡相比优点很少，因此这种卡从未在市场上销售。i s o1 4 4 4 3 和i s o1 5 6 9 3 标准在1 9 9 5 年开始操作，其完成则是在2 0 0 0 年之后，二者皆以1 3 5 6 m h z 交变 信号为载波频率i s o1 5 6 9 3 读写距离较远，而i s o1 4 4 4 3 读写距离稍近，但应 用较广泛。目前的第二代电子身份证采用的标准是i s o1 4 4 4 3t y p eb 协议。 i s o1 4 4 4 3 定义了t y p ea 、t y p eb 两种类型协议，通信速率为1 0 6 k b i t s ，它们 的不同主要在于载波的调制深度及位的编码方式。t y p ea 采用开关键控 ( o n - o f fk e y i n g ) 的m a n c h e s t e r 编码，t y p eb 采用n r 争l 的b p s k 编码。t y p e b 与t y p ea 相比，具有传输能量不中断、速率更高、抗干扰能力列强的优点。 r f i d 的核心是防冲撞技术，这也是和接触式i c 卡的主要区别。i s o1 4 4 4 3 3 规 定了t y p ea 和t y p eb 的防冲撞机制。二者防冲撞机制的原理不同，前者是基于 位冲撞检测协议，而t y p eb 通信系列命令序列完成防冲撞。i s o1 5 6 9 3 采用轮 寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制。防冲撞机制使得同时处于读写区内的 多张卡的正确操作成为可能，既方便了操作，也提高了操作的速度。 3 1 4 3i s o1 8 0 0 0 技术标准“”； i s o1 8 0 0 0 是一系列标准，此标准是目前较新的标准，原因是它可用于商品 的供应链，其中的部分标准也正在形成之中。i s o1 8 0 0 0 6 基本上是整合了一些 现有r f i d 厂商的减速器规格和e a n - u c c 所提出的标签架构要求而订出的规范。 i s o1 8 0 0 0 只规定了空气接口协议，对数据内容和数据结构无限制，因此可用于 e p c 。 3 1 5 应用和发展趋势 通常r f i d 的产品按其使用功能可以分为身份识别i d 卡、消费i c 、物流标 记卡、远距离识别卡等。目前各家厂商的r f i d 产品在功能上各有侧重；瑞士e m 公司的i d 卡主要用于身份识别，荷兰p h i l i p s 公司的m i f a r eo n e 卡主要用于消 费，美国t i 公司的标签卡主要用于物流，瑞典t a g m a s t e r 公司的远距离卡主要 用于停车人员物资远距离识别等“”。 当前r f i d 应用和发展面临着几个关键问题是标准、成本、技术和安全。 3 1 5 i 标准 湖北工业大学硕士学位论文 目前行业标准以及相关产品标准还不统一，电子标准签迄今为止全球也还没有正 式形成一个统一的( 包括各个频段) 国际标准。标准( 特别是关于数据格式定义 的标准) 的不统一是制约r f i d 发展的重要因素，而数据格式的标准问题又涉及 到各个国家自身的利用和安全。标准的不统一也使当前各个厂家推出的r f i d 产 品互不兼容，这势必阻碍了未来r f i d 产品的互通和发展，因此，如何使这些标 准相互兼容，让个i l f i d 产品能顺利地在民办范围中流通是当前重要而紧迫的 问题。目前，很多国家都正在抓紧时间制定各自的标准，我国电子标签技术还正 处在研发阶段“”。 3 1 5 2 成本 目前美国一个电子标签最低的价格是2 0 美分左右，这样的价格是无法应用 于某些价值较低的单件商品，只有电子标签的单价下降到1 0 美分以下，才可能 大规模应用于整箱整包的商品。随着技术的不断提升和在各大行业的日益推广， r f i d 的各个组成部分，包括电子标签、阅读器和天线等，制造成本都有望大幅 度降低。 3 1 5 3 技术 虽然在r f i d 电子标签的单项技术上已经趋于成熟，但总体上产品技术还不 够成熟，还存在较高的差错率( r f i d 被误读的比率有时高达2 0 9 6 ) ，在集成应用 中也还需要攻克大量的技术难题。 3 1 5 4 安全 当前广泛使用的无源r f i d 系统还没有非常可靠的安全机制，无法对数据进 行很好的保密，r f i d 数据还容易受到攻击，主要是因为r f i d 芯片本身，以及芯 片在读或者写数据的过程中都很容易被黑客所利用。此外，还有识别率的问题， 由于液体和金属制日等对无线电信号的干扰很大，r f i d 标签的准确识别率目前 还只有8 0 左右，离大规模实际应用所要求的成熟程度也还有一定差距。 从总体上而方，r f i d 技术已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域， 它将大量来自完成不同专业领域的技术综合到一起：如高频技术、电磁兼容性、 半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业领域。r f i d 技术 所能应用和发挥效应的主要方面包括节省人工成本，提高作业精确性，加快处理 速度，有效跟踪物流动态等，目前r f i d 技术已被广泛应用于工业自动化、商业 自动化、交通运输控制管理等众多领域。2 0 0 4 年1 1 月初，美国 v a rv u s i n e s s 杂志完成的一项技术状况调查报告，评出了2 0 0 5 年“七大热门科技走向”，其 中把射频识别技术( r f i d ) 作为2 0 0 5 年科技业的突破性技术。美国沃尔玛及美 国国防部等证在推进全面导入r h d 的计划，许多高科技公司也正在丌发r f i d 湖北工业大学硕士学位论文 专用的软件和硬件，这些公司包括英特尔，微软，甲骨文和s u n 等。a b i 估计， 到2 0 0 8 年，r f i d 电子标签、阅读器和相关软件与服务的销售额可望增至3 0 亿 美元，r f i d 技术市场在未来五年内将有数万亿美元的市场空间“”。 3 2 “井下人员定位系统”的无线部分设计 无线部分的软件流程图如图3 2 所示“”： 幽3 2 无线部分软件流程图 3 3 无线识别技术中的防冲突机制 在射频识别系统工作时，可能会有一个以上的标签同时处在阅读器的作用范 围内，这样如果有两个或两个以上的标签同时发送数据，就会出现通信冲突，数 据相互干扰：同样有时也有可能多个标签处在多个阅读器的工作范围之内，他们 之间的数据通信也会引起数据干扰。为了防止这些冲突的产生，射频识别系统中 需要设置一定的相关命令，解决冲突问题，这些命令被称为防冲突命令或算法 ( a n t i c o l l i s i o na l g o r i t h m s ) 订田。射频识别系统中存在的不同通信形式般有 三种。第一种是无线“广播”式，即在一个阅读器的阅读范围内存在多个标签， 阅读器发出的数据流同时被多个标签接收。这可以同数百个无线电广播接收机同 时接收一个发送信息类似，而信息是由一个无线电广播发射机发射的。第二种是 在阅读器的作用范围有多个标签同时传输数据给阅读器，这种通信形式称为多路 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 存取通信。第三种是多个阅读器同时给多个标签发送数据。 通信中每个通信通路有受限的信道容量。这种信道容量是由这个通信通路的 最大数据率以及供给它使用的时间片确定的。分配给每个标签的信道容量必须满 足：当多个标签同时把数据传输给一个单独的阅读器时不能出现互相干扰“。因 此，在阅读器系统中需要加入防冲突机制才能使阅读器快速有效地识别标签。防 冲突技术设计的优劣很大程度上决定了r f i d 系统性能的优劣。 3 3 1 通信技术中的防冲突方法 在无线通信技术中，通信冲突的问题是长久以来存在的问题，但同时也研究 出许多相应的解决方法基本上有四种不同的方法：空分多路( s d m a ) 法，频分多路 ( f d m a ) 法，码分多路( c d m a ) 法和时分多路( t d m a ) 法嘲，下面分别介绍这四种方法 3 3 1 1 空分多路( s d 姒) 法 空分多路( s d m a ) 法是在分离的空间范围内重新使用确定的资源( 通信容址) 。 一种方法是使用单个阅读器的作用距离明显减少，而把大量的阅读器和天线的覆 盖面积并排地安置在一个阵列之中，当标签经过这个阵列时与之最近的阅读器就 可以与之进行通信，丽因为每个天线的覆盖面积小，所以在相邻的阅读器区域内 有其他标签时仍然可以相互交换信息而不受到相邻的干扰，这样许多标签在这个 阵列中，由于空间分布可以同时被识别而不会相互影响。第二种方法是在阅读器 上采用一个电子控制定向天线，该天线的方向直接对准某个标签( 自适应的 s