超高频射频识别技术研究与系统应用

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.97MB 82 页 15积分
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摘 要
射频识别(RFID)技术是上世纪九十年代兴起的一种自动识别技术。他利用无线
射频方式进行非接触双向通信，实现目标识别并交换数据。
论文通过研究超高频 RFID 系统在信号传输、信号干扰及信号识别方面面临的
一系列问题，提出了一种协调能量传递与信号调制的解决方案。通过对超高频 RFID
系统干扰信号特征的分析，提出了一种抑制和降低干扰影响的方法。在对现有防
碰撞算法分析的基础上，提出了一些改进方法。作为 UHFRFID 技术的应用针对门
禁识别系统提出了一整套硬件和软件的设计方案。在硬件设计中考虑了信号有效
作用范围，多卡同时进入读卡器信号范围以及现场和能存在干扰等实际情况。
UHFRFID 采用 nRF905 模块。在软件设计中，部分参照了 ISO/IEC18000-6 协议。
确保高效实现高频射频信号的无差错传输，建立完整的信号传输模型。在保障信
号良好传输的前提下，为解决多张电子标签的冲突问题，设计了适合门禁系统实
际需要的 RFID 防碰撞算法模型。最后兼顾信号的有效传输与防碰撞算法对系统做
整体的协调调整。在设计信号传输模型时，分别对信号的编解码与信号调制方式，
信号传输的校验与纠正作了分析研究；再参照一定射频信号协议的前提下，得出
了系统的实际模型与关键参数。在设计防碰撞模型时，系统分析了目前常见的几
种防碰撞解决方式，并在深入研究各种方式的优劣后，结合实际情况，提出了一
种新的确定性防碰撞技术，并进行了论证。最后，再对系统整体进行调整，达到
模型高效，简练，稳定的目的。在文章后半部分，详细介绍了应用已得系统模型
进行的软硬件设计，主要包括系统电源模块，控制模块，信号收发模块及周边电
路模块的电路设计；防碰撞模型、信号校验与纠错和控制模块工作的软件设计。
通过理论分析与实践设计，本课题为设计高效，稳定的超高频段 RFID 系统提
供了一套完整的思路与设计方法，并通过具体客观的设计实验加以验证。
关键词：超高频 RFID 信号调制 防碰撞算法 信号校验
ABSTRACT
Radio Frequency Identification (RFID) is an automatic identification technology
that has been developed since 1990s. For the identification and the data exchange, it
communicates by radio frequency with the host.
By studying a series of questions about signal transmission, signal interference and
signal recognition in the system of ultrahigh frequency RFID (UHF RFID), we designed
a solution about the coordination of energy transfer and signal modulation. Proposed a
method to interference suppression and reduce the impact, after the UHF RFID systems
analysis on the characteristics of interference signals. Based on the analysis of existing
anti-collision algorithm, and made some suggestions for improvement methods. As
technology UHF RFID, the topic proposed a set of hardware and software design in
response to the Identification System for Access Control. In hardware design to take
into account the actual situation in many. Such as the scope of an effective role in signal,
many cards into the reader signal range at the same time, and the possibility of
interference with the scene.UHF RFID used nRF905 module. In software design, the
topic reference to the protocol ISO/IEC18000-6. Ensure the efficient implementation of
high frequency RF signals error-free transmission, and establish a complete signal
transmission model. At the premise of guarantee good signal transmission, to resolve
the many e-tags conflicts problem, design a RFID anti-collision algorithm model to fit
the actual needs of access control system. Finally, take into account the effective signal
transmission and anti-collision algorithm to do the overall coordination of the system
adjust. In the design of signal transmission model, the topic separately made analysis of
signal codec and signal modulation, signal calibration and correction. Then at the
premise of RF signal with reference to some protocol, come to the actual model and key
parameters. In the design of anti-collision model, systematic analysis of the current
anti-collision several common solution, and in-depth study of the merits of a variety of
ways, combining the actual situation, made a new deterministic anti-collision
technology, and carried out a demonstration.Finally, re-adjust the overall system, model
to achieve efficient, concise and stable purpose. At the latter part of thesis, described in
detail the application of a system model has been carried out by software and hardware
design. This mainly includes the system power module, control module, signal
transceiver module and the surrounding circuit module design; the software design
about anti-collision model, signal calibration and error correction and control module.
Through theoretical analysis and practical design, the topics for the design of
efficient, stable, ultra-high frequency band RFID system provides a complete set of
ideas and design methods, objective through the design of specific experiments to
verify.
Key Word: UHF RFID, signal modulation, anti-collision algorithm,
signal calibration
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 超高频 RFID 技术简介 ........................................................................................ 1
§1.2 超高频 RFID 技术发展现状及研究意义 ........................................................... 3
§1.3 课题主要研究内容 .............................................................................................. 3
第二章 超高频 RFID 系统的信号传输研究 ................................................................. 6
§2.1 超高频 RFID 系统的基带编码与调制方式 ....................................................... 6
§2.1.1 基带编码 ........................................................................................................6
§2.1.2 数字调制方式 ................................................................................................8
§2.1.3 超高频 RFID 系统内能量传递与调制关系的解决 .................................. 12
§2.2 RFID 技术中的多址技术 ................................................................................... 14
§2.2.1 RFID 系统所需参照的协议标准 ................................................................ 15
§2.2.2 多址技术 ......................................................................................................17
§2.2 超高频 RFID 系统信号的干扰分析及抑制方法 ............................................. 19
§2.2.1 循环冗余校验码 ..........................................................................................19
§2.2.2 汉明码 ..........................................................................................................20
第三章 超高频 RFID 系统的防碰撞问题与解决 ....................................................... 22
§3.1 超高频 RFID 系统的常见防碰撞算法 ............................................................. 22
§3.1.1 ALOHA 算法分析 ........................................................................................22
§3.1.2 时隙 ALOHA 算法分析 ..............................................................................24
§3.1.3 两类二进制搜索算法分析 ..........................................................................24
§3.1.4 本课题对算法的改进 ..................................................................................29
§3.2 超高频 RFID 系统实际设计遇到的障碍与解决方法 ..................................... 33
第四章 超高频 RFID 门禁系统的硬件设计 ............................................................... 35
§4.1 门禁系统硬件结构 ............................................................................................ 35
§4.2 标签天线设计 .................................................................................................... 36
§4.3 读卡器设计 ........................................................................................................ 37
§4.3.1 系统电源部分设计 ......................................................................................37
§4.3.2 系统控制电路设计 ......................................................................................39
§4.3.3 信号收发模块设计 ......................................................................................41
§4.3.4 周边配套电路设计 ......................................................................................47
§4.3.5 硬件抗干扰方法分析与改进 ......................................................................49
第五章 超高频 RFID 门禁系统的软件设计 ............................................................... 50
§5.1 主程序设计 ........................................................................................................ 50
§5.2 系统初始化 ........................................................................................................ 51
§5.3 信号收发模块设计 ............................................................................................ 52
§5.3.1 配置 nRF905 应用模块 ...............................................................................52
§5.3.2 发送功能模块设计 ......................................................................................63
§5.3.3 接收功能模块设计 ......................................................................................65
§5.3.4 纠错及校验模块设计 ..................................................................................68
第六章 总结与展望 .......................................................................................................74
参考文献 .........................................................................................................................76
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................78
致 谢 .............................................................................................................................79
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 超高频 RFID 技术简介
在我们的日常生活中，存在着各种各样的数据。如何采集和分析这些数据，
会对我们的生产和生活决策产生重要的作用。数据采集是计算机信息处理系统的
第一步和基础部件。而在早期的信息系统中，数据采集的相当一部分数据都是由
手工录入的。而随着技术的进步，各种数据出现了爆炸式的增长，这样不仅造成
人工录入数据的劳动强度非常大，而且出错率也很高。为了解决这些问题，研究
和发展了各种各样使用计算机自动提取数据的技术，即自动识别技术[1]。
RFID（英文全拼是Radio Frequency Identification）技术，即射频识别技术，是
20世纪九十年代兴起的一种自动识别技术。它使用射频信号通过空间耦合（交变
磁场或电磁场）实现无线连接与信息传递，可以自动识别并获得目标内携带的有
用信息。识别过程无需人为干预，无用接触目标。可以在各种恶劣环境下使用，
并允许在使用过程中反复擦写信息，反应速度快，可应用于有高速转移目标的系
统中。
RFID技术是具体的将无线电技术应用于自动识别领域。在实际应用过程中，
在RFID系统内设定好一定的射频识别装置（即阅读器），射频识别装置拥有发射与
接收射频信号的功能。当被识别装置进入到射频识别装置信号的有效范围内时，
射频识别装置自动地获取被识别物品内部存有的的有效信息。获取信息后，射频
识别装置可以将信息提供给后台计算机处理系统来完成相关处理。由于RFID技术
有反映速度快、准确度高、应用领域广，且已形成规范的信息标准的特点，故被
列为二十一世纪十大重要技术之一。目前，RFID技术已经被广泛应用于自动高速
公路收费、资产跟踪、智能门禁系统、公共交通、航空行李处理等领域。随着技
术的不断成熟，RFID技术已成为企业降低成本，提高物流供应链管理水平，企业
管理信息化、增强企业核心竞争力、参与国际经济大循环不可缺少的技术工具和
手段。RFID技术的兴起并不仅仅因为它是一项新技术，而是因为这项技术已经逐
渐成熟并且具备了进入广泛实际应用的能力。
一个RFID系统的组成主要包括三部分：阅读器（Interrogator）、天线（Antenna）
和标签（Tag）[2]。在整个应用系统中，命令发送和接收的主体是阅读器。它通过
可靠的载波频率，将把需要发送的命令通过合适的数字调制技术加载于载波信号
上并发送到空间中，同时不断的检测返回信号，接收到符合载波频率的回波信号
后，再通过解调技术，得到有用的响应信息，完成一个通信周期；天线是无线电
超高频射频识别技术研究与系统应用
2
信号在空间中的发射和接收工具。而天线有增益、极化方向、半功率角度等参数。
因此要根据系统在不同环境中的应用，选择合适的天线；标签是RFID系统主要的
信息载体。由于技术的不断发展，每一个标签都有全球统一且唯一的ID号（称作
UID），而且对标签内存储的信息格式也逐渐标准化。
在实际应用中通常把电子标签作为被识别物品的电子标记，嵌在被识别物品
中。阅读器与电子标签之间使用相同的通信协议互传信息。在大多数RFID应用系
统中，是首先由阅读器向电子标签发送命令信号，然后电子标签根据接收到的命
令，将自己内存中符合协议标准的数据回传给阅读器。图1.1是一个简单射频识别
系统示意图。
图1.1 简单射频识别系统示意图
其中，电子标签拥有唯一标识物体的标识码（UID）。根据内部是否有电源供
应一般可以分为两类：无源标签（passive）和有源标签（active）。一个电子标签
通常由标签天线和标签芯片组成。其中标签芯片是具有接收和发送无线射频信号
功能并能存储一定信息的单片机系统（SoC）。阅读器是主要的控制装置，可以获
取电子标签内的信息并对电子标签发出操作命令。这些命令主要可以用来选择、
读或写标签信息、取消选择标签等。根据实际需要，我们可以对阅读器的设计使
用不同的结构或技术，以使阅读器变成只读装置或是同时具备读/写功能的装置。
与此同时，阅读器也可以利用内部丰富的资源和强大的处理功能，暂存有用数据，
甚至对数据进行一定的处理，再通过可靠的通信接口与计算机或数据库系统实现
连接。
RFID 系统
数据处理终端
射频模块
阅读器
电子标签
第一章 绪 论
3
§1.2 超高频 RFID 技术发展现状及研究意义
在自动识别技术发展过程中相继出现了：条形码技术、光学字符技术、语音
识别和生物识别技术、磁卡和IC卡技术，最后是射频识别技术。
随着RFID技术日趋成熟，它正在被广泛的普及应用。尤其是在物流、货运、
智能交通、邮政、智能建筑与小区物业管理、资产管理、工业流水线生产等领域
RFID技术有着巨大的应用优势[2]。现在在全球的主要经济区都得到了广泛的应用。
现在我们一般能经常见到的典型应用主要有，铁路车号自动识别系统（ATIS）、
大型现代化物流系统、公路不停车收费系统（ETC）、电子防盗系统、资产管理系
统、工业流水线和RFID卡（如公交卡、就餐卡等）。
一直以来射频识别技术在国外得到很快的发展。产品种类很多，许多世界著
名厂家如德州仪器、摩托罗拉、飞利浦、微芯等都在生产RFID产品。他们的产品
也都各有自己的特色，自成系列。许多知名企业在应用RFID技术时也有很多成功
的案例。如德国宝马公司将RFID系统应用于汽车生产流水线的过程控制中，澳大
利亚的飞机场将RFID产品应用于旅客行李管理中大幅提高效率并降低出错率；瑞
士的铁路部门将RFID系统布置于境内的列车上，调度人员可以随时了解火车运行，
大大降低了事故发生几率，并且提高了管理效率[3]。
RFID技术在我国起步较晚，至今没有形成完整统一的国家标准。这也是RFID
技术在国内应用领域不够广泛的主要原因。目前，我国已经开始着手研发具有自
主知识产权的应用于RFID系统的射频芯片。这是RFID系统中最核心的技术。目前
射频卡的应用有符合ISO/IEC4443标准（距离最大只有10cm）的城市公交收费系统、
城市地铁收费系统等等，但应用于门禁控制系统的ISO/IEC15693标准（距离1.5m
左右）的RFID系统的开发应用国外已经有系统集成产品，例如PHILIPS的系统集
成商开发出的符合15693标准的射频系统，此系统是基于飞利浦I CODE SL1射频芯
片的，但系统的灵敏度和误码率并不尽如人意。
据有关权威数据显示，射频识别产品在全世界的销量以每年25.3%的比例增
长。由此可见，射频识别技术具有广阔的市场前景。
§1.3 课题主要研究内容
目前，现有的超高频段 RFID 技术应用大多存在系统信号灵敏度低误码率高的
问题，在处理多张识别卡的冲突问题时，往往不能有效的解决整体系统的稳定性。
而作为未来物流系统中重要一环的自动收费、大型智能仓库、门禁控制等系统，
又在这些方面有严格而迫切的需求。因此本课题通过研究超高频 RFID 系统在信号
超高频射频识别技术研究与系统应用
4
传输、信号干扰及信号识别方面面临的一系列问题，提出了一种协调能量传递与
信号调制的解决方案。通过对超高频 RFID 系统干扰信号特征的分析，提出了一种
抑制和降低干扰影响的方法。在对现有防碰撞算法分析的基础上，提出了一些改
进方法。
在硬件设计中考虑了信号有效作用范围，多卡同时进入读卡器信号范围以及
现场和能存在干扰等实际情况。主要控制部件使用技术比较成熟的 TI 公司 MSP430
系列 MCU，超高频 RFID 信号收发模块采用 nRF905 芯片。在软件设计中，部分
参照了 ISO/IEC18000-6 协议[4]。确保高效的实现高频射频信号的无差错传输，建
立完整的信号传输模型。在保障信号良好传输的前提下，为解决多张识别卡的冲
突问题，设计了适合门禁系统实际需要的 RFID 防碰撞算法模型。最后兼顾信号的
有效传输与防碰撞算法对系统做整体的协调调整。在设计信号传输模型时，分别
对信号的编解码与信号调制方式，信号传输的校验与纠正作了分析研究；在参照
一定射频信号协议的前提下，得出了系统的实际模型与关键参数。在设计防碰撞
模型时，系统分析了目前常见的几种防碰撞解决方式，并在深入研究各种方式的
优劣后，结合实际情况，提出了一种新的确定性防碰撞技术，并进行了论证。最
后，再对系统整体进行调整，达到模型高效、简练、稳定的目的。在文章后半部
分，详细介绍了应用已得系统模型进行的软硬件设计，主要包括系统电源模块、
控制模块，信号收发模块及周边电路模块的电路设计；防碰撞模型、信号校验与
纠错和控制模块工作的软件设计。
通过理论分析与实践设计，本课题为设计高效，稳定的超高频段 RFID 系统提
供了一套完整的思路与设计方法，并通过在门禁控制系统的实际设计实验中加以
验证。系统可同时容许多名携带各自唯一标识电子标签的人员，快速通过门禁时，
快速识别人员身份的智能门禁系统。智能门禁系统组成结构见图 1.2。
摘要：

摘要射频识别(RFID)技术是上世纪九十年代兴起的一种自动识别技术。他利用无线射频方式进行非接触双向通信，实现目标识别并交换数据。论文通过研究超高频RFID系统在信号传输、信号干扰及信号识别方面面临的一系列问题，提出了一种协调能量传递与信号调制的解决方案。通过对超高频RFID系统干扰信号特征的分析，提出了一种抑制和降低干扰影响的方法。在对现有防碰撞算法分析的基础上，提出了一些改进方法。作为UHFRFID技术的应用针对门禁识别系统提出了一整套硬件和软件的设计方案。在硬件设计中考虑了信号有效作用范围，多卡同时进入读卡器信号范围以及现场和能存在干扰等实际情况。UHFRFID采用nRF905模块。在软...

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