RFID技术发展与应用分析.docx
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RFID技术发展与应用分析.docx
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RFID技术发展与应用分析
RFID技术发展与应用分析
资料整理:
中国安防行业网
目录
1、多样RFID支付技术的比较与分析1
2、基于有源RFID的自动报站系统研究1
3、RFID技术在产品防伪追溯管理中的应用3
4、基于RFID技术的地震灾害报警系统设计5
5、RFID技术的发展与标准化情况5
6、RFID中间件软件在RFID系统中的功能和作用10
7、有源RFID定位系统的设计与实现15
8、RFID应用集成中间件技术研究与开发17
9、有源RFID系统中可靠通信的研究19
10、基于阻抗匹配的种类及其在RFID系统中的应用研究22
内容
1、多样RFID支付技术的比较与分析
RFID支付技术本身已经比较成熟,但如何与手机结合开展应用还处于探索阶段。
目前存在多种RFID支付技术方案,主要有贴片卡、NFC、eNFC、SD卡、SIMpass、RFSIM等。
技术本身没有优劣势,但电信运营商在开展具体业务时,需要考虑如成本、与电信运营商的关联度、安全性、技术成熟度、用户使用习惯等诸多因素,下面我们就一些重要的方面对几种技术进行简单的比较,
贴片卡方式是最容易、成本最低的将手机结合RFID应用的方式,但也是生命力最弱的一种方式。
主要是因为贴片卡方式对电信运营商来说关联性太弱,也很难起到黏着用户的目的,同时由于无法建立起与SIM/UIM卡的关联,无法提供空中充值、远程应用管理等功能。
NFC方式目前是发展最成熟的方案,特别是在日本,NTTDoCoMo采用的Felica技术就是NFC方式的一种改进技术。
技术成熟、功能全面、有商用案例是其最大的优势,但由于NFC方式需要定制手机终端,SIM/UIM卡不能控制业务逻辑,对于电信运营商控制产业链十分不利,另外还存在技术壁垒。
eNFC方式是NFC方式的一个演进技术。
eNFC方案中产业链利益偏向电信运营商,由SIM/UIM卡控制业务逻辑,但缺陷也很明显,手机终端和UIM卡都需要定制或改造,并且尚无任何商用或试点案例。
SD卡方式实现原理有些类似贴片卡方式,与电信运营商关联较弱,且需要进行终端定制或改造。
ass方案将应用信息和RFID模块都集成到SIM/UIM卡中,对电信运营商十分有利,用户也无需更换手机终端。
但是,由于天线是从SIM/UIM中引出的,而不同手机终端SIM/UIM卡的放置位置不同,因此需要进行适配,同时天线比较容易折断、并不能适配所有手机也是问题。
RFSIM是一种新型的RFID产品,采用了2.4GHz的通信频率。
它将RFID模块、天线和应用信息都集成在SIM卡中,用户只需要更换SIM卡即可使用,从手机成本、业务控制角度来说是电信运营商的最佳选择。
但由于原先的RFID行业应用较少用到2.4GHz,银行、公交等主要行业的POS机都不支持,POS终端需要改造成本。
另外,2.4GHz的通信范围比较大,用户对RFID的安全担忧也是一个需要考虑的问题。
多样的技术给了我们多样的选择,电信运营商需要进行综合考虑,选择最适合的技术方案。
2、基于有源RFID的自动报站系统研究
引言
近年来,随着科学技术的快速发展,城市公交车的管理方式也有了很大的改观,逐渐由原来的人工售票、人工报站的方式向无人售票和语音报站的方向发展。
虽然使用手动报站器替代人工报站有了很大的进步,但是需要驾驶员在行车中人工操作,所以经常出现错报、漏报的现象。
而且这种驾驶员边驾驶边操作的行为,也给安全驾驶埋下隐患。
自动报站系统的出现大大减轻驾驶员的工作量,加快了公交系统的现代化进程。
目前少数发达国家(如美国、日本等)的部分城市公交系统已逐步使用GPS卫星定位系统进行定位报站,虽然这种系统功能强大,定位准确度高,系统稳定可靠,但其投资运行成本相对较为昂贵,公交企业难以承担其费用,尤其是一些中小城市更是无法承受,大大制约了其使用范围。
本文设计了一种利用RFID技术、MP3语音播放和单片机控制技术相结合,实现公交车站的自动识别与自动报站的方案。
射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)技术是近年迅速发展起来的一项新技术,是利用感应、电磁场或电磁波为传输手段,完成非接触式通信,由此获取相关数据的一种自动识别技术,即利用无线射频方式来进行非接触式的物体自动识别。
相对于无源RFID,有源RFID具有作用距离远、发射功率可控制、发射频率可调、接收灵敏度高等特点,本系统的有源RFID部分由CC1100模块完成。
在非特别需要的情况下,本系统无需驾驶员参与,避免因为驾驶员的疏忽而造成漏报、误报的现象发生,有利于提高行车的安全性。
1系统的组成与主要实现功能
本系统由车载设备和站台设备两个部分组成,其中车载部分主要包括单片机控制单元、RF无线射频接收单元、语音播放单元、显示单元、键盘输入单元和电源供应单元等,站台设备包括单片机编码单元和RF发射单元。
每一个公交站台设置一个具有唯一ID的RF发射器,采用间歇工作方式发射RFID信号,当公交车即将到达车站时,车载系统接收到站台信号并解码出该站台的ID号,由单片机控制自动播放对应本站台编号的报站语音;报站语音为MP3格式,并用SD存储卡作为存储载体,方便更新和修改。
2系统硬件结构
为简化系统结构,方便系统的设计、调试和扩展其他功能,本系统采用模块化的设计方式。
站台发射端的硬件结构框图如图1所示,主要包括RF发射模块(CC1100)、车站ID编码生成模块(STC89C58)。
车载接收端的硬件结构框图如图2所示,主要包括RF接收模块(CC1100)、车站ID解码与控制模块(STC89C52)、语音播放模块(VS1003)、语音功率放大模块(TDA7297)、显示模块、电源模块等。
2.1单片机控制模块
发射与接收端的控制模块分别由单片机STC89C51和STC89C58构成,STC89C51系列单片机具有片内FLASH程序存储器、EEPROM存储器,且可以通过RS232接口下载软件,方便系统软件的存储与更新。
站台ID的编码生成由单片机STC89C51完成,使用STC89C51的P1.0~P1.7端口作为站台ID编码输入,分别连接在拨码开关上,共有256(28)种不重复的编码。
在需要更多的编码时,可用STC89C51的其他空闲端口进行扩充;使用单片机直接对车站进行ID编码,比使用一些专用编码芯片更加灵活方便,扩展性更好。
车载设备的控制由单片机STC89C58组成,分别完成CC1100接收模块的初始化、VS1003语音模块的初始化、站台ID的解码及显示系统的控制等功能。
本方案中,因为STC89C51系列单片机不带SPI接口,所以通过普通I/O口模拟SPI接口实现与CC1100,VS1003的通信。
2.2RF发射与接收模块
本系统的有源RFID由站台发射端与车载接收端两部分组成,射频发射与接收分别由两块CC1100模块完成。
CC1100是美国德州仪器(TexasInstruments,简称TI)公司生产的一种高性能无线射频通信芯片,它是一种专为无线射频通信应用而设计的低功耗、低成本的单芯片UHF收发芯片。
支持ASK,OOK,2-FSK,GF-SK和MSK等调制模式,工作频率可以通过软件设定为315MHz,433MHz,868MHz和915MHz的ISM(工业,科学和医学)和SRD(短距离设备)等频率波段,其数据传输率可软件编程控制,最高可达500Kb/s。
CC1100具有灵敏度高、链接性能好的特点,所需的外部组件少,电路结构简单,工作稳定,可广泛应用于各种短距离无线通信领域。
2.3语音播放模块VS1003
VS1003是由荷兰VLSI公司出品的一款单芯片的MP3/WMA/MIDI音频解码和ADPCM编码芯片,其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核心VS_DSP,5KB的指令RAM,0.5KB的数据RAM。
VS1003的所有数据和控制命令均通过SPI总线接口实现,因此和单片机的接口连接比较简单,只需4根信号线,分别是:
设备选择线、时钟信号线(SCLK)、串行数据输出线(MISO)、串行数据输入线(MOSI)。
音频数据通过串行数据接口(SDI)传送,控制数据则通过串行控制接口(SCI)来传送。
控制数据是通过读写不同的寄存器来实现对VS1003的控制。
在本方案中,VS1003作为一个微处理器的一个从机,通过串行SPI接口接收输入的比特流,输入的比特流被解码后,再经过数字音量控制器到达一个18位过采样∑-△A/D转换器。
这样利用一块VS1003芯片与单片机STC89C58相配合,由STC89C58读取SD卡中的MP3音频文件,再通过SPI接口送至VS1003芯片播放。
2.4音频功率放大模块
报站语音放大由音频功率放大集成块TDA7297完成,其工作电压范围为6~18V,双通道输出功率可达(15+15)W,即使在嘈杂的环境中也能有足够大的输出功率。
此外还有电源模块和显示模块,电源模块负责系统的电源能量供应,分别为单片机、CC1100、VS1003等模块提供3.3V的工作电压,为功放模块提供12V的工作电压;显示模块作为人机对话的一个窗口,用以显示和标识车辆到站的提示信息。
3系统软件设计
本自动报站系统的软件也采用模块化设计,主要包括主程序、CC1100初始化程序、VS1003初始化程序、站台ID编码程序、MP3语音读取与播放程序、显示处理程序等。
3.1站台发射端
系统上电后,单片机STC89C51首先对CC1100初始化,接着扫描P1端口的ID编码状态值,并在该值的前面加上前置识别码,后面加上结束标识码,然后通过CC1100调制并发射。
3.2车载接收端
系统上电后,单片机STC89C58分别对CC1100,VS1003和显示单元进行初始化。
当汽车即将到达车站(距离站台发射器约50m)时,接收到站台发射的RF信号,系统分两次接收解码出该站台的ID编码号,通过比较两次的ID编码值,可有效排除外来干扰,提高系统抗干扰性能。
只有两个值相等才判断确定为该站台的正确ID编码号,并与上次存储的ID号进行比较,如若相同,判为同一站台,返回重新检测与识别,不再重复报站;如果不同,则存储本次ID编码值并搜索与读取SD存储卡中相对应的MP3语音文件,然后输送到VS1003进行语音播放报站。
4结语
本文针对当前我国各城市公交车报站方式上的不足,利用无线射频识别技术,设计了一种基于RFID技术的公交车自动识别车站、自动报站的技术方案。
这种基于RFID技术的公交车自动报站系统,实现了公交车的自动报站功能。
在识别车站、自动报站的过程中,完全不需要驾驶员进行操作,减轻了驾驶员的负担,增加了车辆行驶的安全性。
本系统具有报站准确率高、价格低廉、运行成本低、维护方便的优点,不失为一种实用的公交车智能装置,具有一定的推广应用价值。
3、RFID技术在产品防伪追溯管理中的应用
随着物联网技术的发展,基于RFID的物流防伪追溯应用崭露头角。
传统的防伪主要采用激光全息、激光打标、特殊油墨、特制纸张以及电码防伪等技术,然而,这些技术或产品一出现很快就被复制,不能真正起到防伪的作用,一旦出现质量问题,也很难进行问题追溯。
而RFID防伪追溯技术具有难以伪造、易于识别、信息反馈、密码唯一、密码保密、使用一次性等特点。
RFID技术在物流防伪追溯的应用中,除了在防伪方面有先天的优势之外,还可以大幅提升企业的物流管理效率。
现在仍有相当一部分企业的信息统计数据依赖于手工作业,客观上造成了物流供应链诸环节数据统计时间的滞后,造成统计数据在时序上的混乱,无法进行实时的整体的数据分析,从而无法给管理决策提供真实、可靠的依据。
而RFID可以实时记录商品在生产、存储、运输、销售全生命周期中的各种信息,从而可以优化企业的物流管理,进而实现商品质量追溯等功能。
利用RFID技术防伪追溯,与传统防伪技术相比,其优点在于:
●每个标签具有全球唯一的ID号码,号码直接写入芯片,无法修改、难以仿造;
●无机械磨损,防污损;
●阅读器具有不直接对最终用户开放的物理接口,保证其自身的安全性;
●除具有电子标签的密码保护外,数据部分可采用多种安全算法实现安全管理;
●阅读器与电子标签之间的通信需经过相互认证过程;
●实时记录商品全生命周期的各种信息。
RFID应用于商品防伪追溯时,不仅可以记录产品的编码,还可以记录各种与产品相关的信息,如品种信息、生产信息、库存位置信息、配送信息、销售信息、销售区域等,为商品添加了一个唯一、完整、保密、可追溯的身份和属性标示符。
由于RFID可以贯穿产品生命周期的多个环节,系统除了具备防伪追溯能力之外,还可以为企业提供物流可视化管理功能,有效提高企业的物流管理水平,为授权供应商、最终客户提供良好的服务,提升企业的服务水平。
中兴通讯RFID研发中心经过对行业的深入分析研究,推出了“RFID产品防伪追踪管理系统”,采用先进的RFID自动识别技术,以RFID电子标签作为防伪追溯信息载体,是集成RFID技术、计算机网络技术、现代通信技术、数据库技术、软件工程技术于一体的大型信息系统。
该系统可应用于高档酒类、烟草、药品、茶叶等商品的防伪追溯,也可用于高附加值的贵重物品,如珠宝等的防伪追溯。
中兴通讯RFID物流防伪追溯系统构成如图1所示,系统由核心数据库、防伪追溯信息平台、生产管理系统、销售管理系统、决策支持系统构成。
●核心数据库:
企业核心数据库内存储着企业内部生产、物流、销售的全部信息,是企业IT系统的数据中心。
系统核心数据库采用磁盘冗余和双机热备技术,并提供定期数据备份、灾难恢复等功能,保证数据安全。
●防伪追溯信息平台:
防伪追溯信息平台实现包括国家各级商品监管部门、海关、进口商、生产厂商、各级经销商、零售商、各类仓库和运输商等的全供应链的商品监管调度,以及商品全生命周期的追踪和溯源管理。
考虑到平台实施的可操作性和运行管理的便利性,按职能和责任将平台划分为综合业务子平台、指挥决策子平台、辅助保障子平台和一个核心数据处理中心。
三个子平台通过核心数据处理中心进行数据共享和交换,实现数据流的全程实时追踪和溯源。
●生产管理系统:
生产管理系统主要对商品原料的采购、加工、包装、质检等商品生产过程所需的信息进行采集、查询,对商品的生产全过程进行监控和管理。
这些信息作为产品追溯信息被存储在防伪追溯信息平台中,同时也可写入电子标签作为防伪追溯信息。
生产管理系统还负责电子标签加密密钥的生成和发放,标签写入信息的设置,标签写入设备的配置、管理、故障检测等。
●销售管理系统:
销售管理系统主要提供企业销售部门和经销商间的订单管理功能,包括网上提交订单、订单状态查询、订单内容修改、订单撤销等。
经销商通过标签专用识读设备读取电子标签内防伪追溯信息内容,并与销售系统中的订单信息进行比对从而确认订单。
●决策支持系统:
决策支持系统通过对企业核心数据库内存储的企业生产、销售、防伪追溯等相关信息进行分析和处理,为企业管理者提供决策数据支持,提高企业经营决策的科学性。
物流防伪是物联网众多解决方案中的一项重要应用,中兴通讯推出的RFID物流防伪追溯系统对整个产品的生产、流通、销售等各个环节进行优化:
一方面,可以即时获得准确的信息流,完善物流过程中的监控,减少物流过程中不必要的环节及损失,降低在供应链各个环节上的安全存货量和运营资本;另一方面,通过对最终销售实现监控,及时了解消费者的消费偏好,以帮助商家调整优化商品结构,进而获得更高的顾客满意度和忠诚度。
4、基于RFID技术的地震灾害报警系统设计
近年来,地震灾害频频发生,灾难面前,搜救遇难者是第一要务,而救灾现场的智能化管理更显得重要。
蓬勃发展的物联网技术,面对地震,面对灾难又能做些什么?
RFID可以预警地震
物联网最主要的本质就是RFID标签技术,目前有英国科学家正在研究使用RFID和传感器来监控地震中的房屋。
他们把已建成在希腊的原型称为"自治愈"房屋。
这种房屋在墙中专门设计了缝隙空间,并且墙体中加入了可在强压下变为流体的材料。
如果受到地震引起的压力,流体回流到缝隙中,不会对固体墙面产生影响。
其结果是,房屋依旧存在,但可能会移动位置。
如果建筑没有坍塌,通过RFID和传感器收集的数据会用来判别位置偏移量。
此外,建筑中的RFID标签和传感器可以共同构建一套警报系统,来预警即将到来的地震。
从东汉时期张衡发明的地动仪到现在英国科学家研究RFID和传感器,人类预测地震的手段和技术实力都在不断的进步中。
相信在不久将来,人类将会准确预警地震的到来,避免地震带来的人员伤亡与损失。
地震灾害报警为乘客预留18秒逃生
地震预警技术:
地震波包括纵波(P波)和横波(S波),纵波通过空气传播,速度快且破坏性小;横波在地下传播,速度慢但破坏力大。
从纵波到横波,中间间隔几秒至几十秒,平均值为18秒。
地震预警系统即通过检测纵波预警,在横波来临前的18秒里,争取时间逃生、应急。
轨道交通作为城市交通系统中的重要一员,如何预防地震和减少地震伤害成为了一个崭新的课题。
目前,已经有厂家为轨道交通安装了地震灾害报警系统,并投入实际应用。
通过物联网,将地震预警技术与轻轨相关系统结合,进行地震信息采集、汇总、分析,加以研判和应对。
它自动实现轨道交通地震灾害的实时检测,及时准确告警,为轨道交通运输部门应对地震灾害提供准确数据和各种决策。
地震来临时,地震监测仪上放置的传感器,一旦检测到地震波纵波,传感器立即向控制中心输送信息,进行快速的信息过滤、分析、确认后,如地震强度达到预先设定的级别,报警系统立即启动。
这时,行驶中的列车紧急刹车,避免在地震中侧翻;控制中心发出警报,通知乘客和列车指挥员;舱门自动打开,供乘客紧急疏散,寻找庇护场地;车舱电源自动切断,防止发生火灾等次生灾害……18秒内可以做不少事,它预留了应急逃生时间,能避免更多伤亡和损失。
除了地震,轨道交通灾害还包括塌方、火灾、水灾、异物等。
随着技术的逐步成熟,物联网将会在轨道交通灾害预防中扮演着无可替代的角色。
5、RFID技术的发展与标准化情况
无线射频识别(RFID)技术是一种识别技术,与之对应的识别技术还有一维条码、二维条码、光学识别技术等。
一套典型的RFID系统由电子标签、读写器和信息处理系统如图1所示。
当带有射频识别标签(以下简称标签)的物品经过特定的信息读取装置(以下简称读写器)时,标签被读写器激活并通过无线电波开始将标签中携带的信息传送到读写器以及计算机系统完成信息的自动采集工作。
电子标签可以如身份证大小,由人携带并当作信用卡使用,也可以像商品包装上的条型码似地贴附在商品等物品上。
RFID计算机系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。
1RFID的技术发展
RFID技术并不是全新的技术,其应用最早可以追溯到第二次世界大战时期英国空军基地的军事设施上。
近年来随着微电子、计算机和网络技术的发展,RFID技术的应用范围和深度都得到了迅速地发展。
美国在伊拉克战争中对RFID技术的成功应用,以及全球有影响的大企业计划未来几年里在零售商店和货栈开始使用RFID系统,使得该技术现在迅速成为全球瞩目的焦点,并被列为21世纪最有前途的重要产业和应用技术之一。
表1给出了RFID技术发展情况一览。
值得注意的是目前RFID已经发展到一个非常关键的阶段,就是形成全球统一标准的阶段,大规模应用虽然还未形成,很多相关系统也还是试验或带有验证性质的,但是RFID走向大规模应用的发展趋势已经明朗。
从技术上看,RFID最本质的特性就是无线通信技术和识别技术,有很多种技术实现方法,也有很多种应用形态。
但从技术发展趋势来看,目前所采用的RFID技术主要从两个技术领域演变而来:
自动识别技术和非接触型智能卡技术。
以RFID技术为基础,添加不同的技术特征,会出现多种不同名称的扩展应用领域,如图2所示。
图2中的智能化程度主要包含:
芯片的可重复读写技术、芯片和识读器之间的安全技术、高速率数据传输技术、在无源或低功耗情况下传输其他动态信息的技术等。
而价格低主要取决于芯片的大小尺寸、天线封装成本等因素。
可以看到,价格低廉的标签是RFID广泛应用于物流管理关键,而用于电子支付的RFID技术则需要考虑鉴权和重复记录存储,对价格则不是很敏感;标签的识别和无线传输同时也是传输环境参数的较好载体,这也是RFID延伸到是未来传感网络的技术基础;此外,RFID技术也可以应用于短距离无线通信领域,与蓝牙等技术一样成为家庭网络的候选技术。
就现阶段而言,价格低廉、传输距离适当、可广泛应用于物流管理的RFID技术是目前标准化组织和产业联盟的研究重点,也是国际标准化组织和产业联盟互相竞争的焦点。
2RFID标准化情况
与RFID技术和应用相关的国际标准化机构主要有:
国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)、国际电信联盟(ITU)、世界邮联(UPU)。
此外还有其他的区域性标准化机构,如CEN;国家标准化机构,如BSI、ANSI、DIN;产业联盟,如ATA、AIAG、EIA等;这些机构均在制订与RFID相关的区域、国家或产业联盟标准,并希望通过不同的渠道提升为国际标准。
与RFID技术有关的产业联盟主要是EPCglobal和泛在ID中心(UbiquitousIDCenter)。
其中EPCglobal是由美国统一代码委员会(UCC)和欧洲物品编码(EAN)组织联合发起成立的一个独立的非盈利性机构,UCC和EAN分别是推广北美和欧洲条形编码的组织。
EPCglobal目前以推广RFID电子标签的网络化应用为宗旨,继承了AutoIDcenter组织的统一行业内企业的技术标准制订工作,并成立公司(即EPCglobalInc)统一研究标准并推动商业应用,此外还负责EPCgobal号码注册管理组织。
RFID系统主要由数据采集和后台数据库网络应用系统两大部分组成。
目前已经发布或者是正在制订中的标准主要是与数据采集相关的,主要有电子标签与读写器之间的空中接口、读写器与计算机之间的数据交换协议、RFID电子标签与读写器的性能和一致性测试规范以及RFID电子标签的数据内容编码标准等。
国际标准化组织ISO和EPCglobal在RFID的空中接口方面形成了多个标准,如图3所示。
现有的RFID技术工作在多个无线频率范围内,常见的工作频率有:
低频125kHz与134.2kHz;高频13.56MHz;超高频433MHz、860MHz~930MHz、2.45GHz等。
在相同的频率下也有多种RFID技术标准共存,比如13.56MHz就有ISO14443TypeA、TypeB、ISO15693、ISO18000-3等标准存在,不同的标准采用的无线调制方式、基带编码格式、传输协议和传输距离各有差异,不同标准的RFID电子标签和识读器无法互通。
3.1ISO/IECRFID国际标准化状况
在ISO/IECJTC31组的工作范围内,在ISO18000系列标准的范畴下,对RFID技术及应用的研究相对比较完整[1-6]。
目前很多RFID技术及应用标准仍在制订之中,尚未发布。
此外,ISO/IECSC17、TC122等工作组也已经发布了一些标准,这些标准相对比较成熟,在部分行业内已经开始使用。
根据ISO/IECJTC31RFID技术的标准化工作计划,ISO将RFID的国际标准分为空中接口标准、数据结
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