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
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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