基于RFID的智能水卡计费系统.docx

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基于RFID的智能水卡计费系统

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实践教学

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xxxxxxxx大学

xxxxxxxxx学院

xxxx年x季学期

RFID技术课程设计

题目：

基于RFID的智能水卡计费系统

专业班级：

xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

姓名：

xxxxxx

学号：

xxxxxxxxxx

指导教师：

xxxxxxxx

成绩：

目录

摘要1

前言2

一案例描述3

二RFID技术简介5

2.1RFID定义5

2.2RFID的发展历史6

2.3RFID系统的组成7

2.4RFID技术的基本工作原理8

2.5RFID的电子标签及应用10

2.6RFID相关协议标准12

三OURS‐RFID‐RP实验平台系统概述14

3.1系统硬件介绍14

3.2系统软件介绍15

四需求分析17

4.1设计模块的选择17

4.2开发语言的选择18

4.3存储系统设计19

五整体设计21

5.1硬件系统21

5.2软件系统22

5.3数据存储24

5.4PC端的开发24

5.5系统操作流程26

六总结28

致谢29

参考文献30

摘要

本设计在OURS‐RFID‐RP实验平台的基础之上，利用无线射频识别技术RFID，在OURS‐RFID‐RP实验平台的HF读写器模块、OMAP3530嵌入式网关模块的工作原理之上，利用串口连接在PC机，实现PC端或网关端对ISO15693卡的读写，了解射频识别中高频的工作原理，基于这个原理，实现一个智能化的水卡计费系统。

将每一个阅读器所能识别的所有电子标签，建立在数据库中，保存在PC端。

在系统处于工作状态时，阅读器一直处于读卡状态，寻找合适的电子标签。

当有合适的电子标签，靠近读写器时，读写器识别电子标签，读出电子标签的信息，当满足要求时（余额大于零），将开关命令传给单片机430F2370，控制继电器打开开关，开始打水，同时，阅读器根据时间，修改电子标签的余额信息。

电子标签离开读写器时，关闭继电器，阅读器又处于待机状态。

关键词：

RFID、电子标签、智能水卡、高频

前言

近年来,计算机、通信以及网络技术蓬勃发展，我们进入了信息化的时代，因此也对计算机通信技术的有了更进一步的要求，其中无线射频识别技术要求我们对其有熟练的应用能力。

无线射频识别即RFID（RadioFrequencyIDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种非接触的自动识别技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

RFID射频识别是一种世界上较为领先的技术：

第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；

第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；

第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。

此外，储存的信息量也非常大。

数年前，RFID应用基本上都是低频（LF）和高频（HF）的被动式RFID技术。

LF和HF系统都具有优先的数据传输速度和有效距离。

因此，有效距离限制了可部署性。

数据传输速度则限制了其可伸缩性。

因此，90年代后期，开始出现超高频（UHF）的主动式标签技术，提供更远的传输距离，更快的传输速度。

基于此，重载的企业应用才开始使用这种技术，比如供应链管理中的托盘和包装跟踪、存货和仓库管理、集装箱管理、物流管理等等。

并且逐渐试图成为合成的企业应用（包括ERP、SCM、CRM、EAM、B2B等等）的数据和语义基础。

利用无线射频技术RFID,实现智能化的水卡计费管理系统，代替了以前水票、现金，管理难、效率低、速度慢的缺点，实现了无人化的自动化管理，提高了打水的效率，节约了人们的时间。

在实际应用中有着重大的意义，节约了水资源，并且智能统一化的管理，减少了人力资源，体现了当今科技发展的必然趋势。

一案例描述

本设计中基于无线射频识别技术RFID实现打水计费的智能化管理，系统具有实用性、先进性、可靠性、可伸缩性、可管理性等特性。

1）实用性：

我们的生活中，离不开水，为了节约水资源，实现智能化的理，减轻人们的负担，节约时间，便于管理，开发了智能化的水卡管理系统。

该系统在实际生活中有着重大的意义，在学校，公司，甚至在个人家庭，也可以应用，实现智能自动计费的目的。

2）先进性：

该系统克服了以前人工收费的缺点。

智能化的管理，节约了人力资源，方便了管理员的管理和用户的操作，用户不需要每天在特定的时间，在一个集中地场合，等待好久打水，只需要，拿着一张小小的卡片，在任何时间，去打水；对管理员来说，也没有必要每天去收费，只需要在特定的时间给卡充值。

该设利用先进的无线射频识别技术RFID，具有较强先进性。

3）可靠性：

该系统应用无线射频识别技术RFID，该技术以是一门成熟的技术，具有较高的安全性和可靠性。

他通过数据库安全，保护数据的完整性约束，通过射频识别，避免了用户对数据的操作，防止数据的错误，减低了系统出错的概率；并且，通过对电子标签和阅读器的的加锁，实现数据的加密管理，也可以通过数据库的权限管理和视图，提高数据库大量数据的安全性，提高了系统的可靠性。

4）可伸缩性：

基于RFID的智能化水卡收费系统，支持多种开发环境，可与是C开发，也可以是汇编开发，只要是与数据库和下位机，能连接的软件开发环境，都可也应用与该系统，可以是VisualBasic也可以是VisualC++。

本设计中采用VisualC++。

5）可管理性：

智能化的水卡计费系统，通过用户自动化的管理和操作，不需要太多的人工干预，便于自动化的管理，也便于操作，便捷了用户。

对管理员来说，只是管理好数据库中的数据，防止数据的丢失和破坏，而不用去操心，用户的操作，方便了管理。

对于用户来说，只是关心自己的消费，自动化的管理，使用户不用担心自己的信息的错误，和计费的失误。

这样的，其管理性时不言而喻的。

智能水卡计费系统，不仅仅应用与每天开水的供应，其应用在各个领域都有着广泛的应用

1）在学校，每天要供应，大量的白开水，而在同一的时间，同一地点，该同学们供应开水，这会导致大都数同学排队等待，并且，供水的地点较远，浪费了学生的大量时间；同时，这样的管理，其安全性也得不到可靠地保证，也不方便管理，在同一时间里提供大量的热水，这也对供水有着很高的要求，或许会导致，热水供应不足和供应过求的问题；传统水龙头的供应，浪费是显然的，这样对水资源的供应，也是巨大的挑战。

而智能化的水卡计费系统，克服了上述缺点，实现了易于管理，节约水资源和人力资源的优点，通过自动的控制，实现安全、环保、智能的管理。

2）在个人公共澡堂，大家洗澡时间的不同，但却有着一样的收费，这对用户是不公平的，我们应该根据每一个人所用时间或用水量的不同合理的收费。

智能水卡计费系统，就克服了这个缺点，它给每一个人配一张卡片，在这张电子标签中，用户可以先充值再使用，用户也可以，先使用，再根据使用量来缴费；洗澡时，阅读器通过对电子标签的识别，将命令由单片机处理，控制继电器的开关，开始供应水，并且，阅读器记录读卡的时间，将这个时间通过程序的处理，送到管理员的PC终端，实现不同用户的不同计费，这样就实现自动的管理。

智能水卡在生活中有着很大的用处，不仅仅在学校和澡堂，在个人家庭，及火车站等公共场合也可以应用。

二RFID技术简介

2.1RFID定义

无线射频识别即RFID（RadioFrequencyIDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种非接触的自动识别技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

它基本由三部分组成：

标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）。

1.RFID电子标签（Tag，或称射频标签）：

由芯片及内置天线组成。

芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统真正的数据载体。

内置天线用于和射频天线间进行通信。

2.阅读器：

读取或读/写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。

3.天线：

标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。

RFID射频识别是英文RadioFreqencyIdentification的缩写，它是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。

RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个识别卡，操作快捷方便。

RFID射频识别是一种世界上较为领先的技术：

第一：

可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；

第二：

其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；

第三：

可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。

此外，储存的信息量也非常大。

2.2RFID的发展历史

RFID的出现可追溯至上世纪30年代，当然其基本技术无线电射频技术还可以追溯至1897年GuglielmoMarconi发明无线电的时候。

RFID采用与无线电广播相同的物理原理来发射和接收数据。

RFID技术很早就和军事联系在一起。

在上世纪30年代，美国陆军和海军都面临着在陆地、海上和空中对目标的识别的问题。

1937年，美国海军研究试验室（U.S.NavalResearchLaboratory（NRL））开发了敌我识别系统（IdentificationFriend-or-Foe（IFF）system），来将盟军的飞机和敌方的飞机区别开来。

这种技术后来在50年代成为现代空中交通管制的基础，且是早期RFID技术的萌芽，而优先地应用在军事、实验室等。

早期系统组件昂贵而庞大，但随着集成电路、可编程存储器、微处理器、以及软件技术和编程语言的发展，创造了RFID技术推广和部署的基础。

60年代后期和70年代早期，有些公司（如Sensormatic和CheckpointSystems）开始推广稍微不那么复杂的RFID系统的商用，主要用于电子物品监控（electronicarticleurveillance（EAS）），即保证仓库、图书馆等等的物品安全和监视。

这种早期的商业RFID系统，称为1-bit标签系统，相对容易构建、部署和维护。

但是这种1比特系统只能检测被表示的目标是否在场，不能有更大的数据容量，甚至不能区分被标识目标之间的差别。

从检测到唯一性识别因此早期的1bit系统只能作为简单的检测用途。

在70年代，制造、运输、仓储等行业都试图研究和开发基于IC的RFID系统的应用。

比如、工业自动化、动物识别、车辆跟踪等等。

在此期间，基于IC的标签体现出了可读写存储器、更快的速度、更远的距离等优点。

但这些早期的系统仍然是专有的设计、没有相关标准、也没有功率和频率的管理。

在80年代早期，更加完善的RFID技术和应用出现，比如铁路车辆的识别、农场动物和农产品的跟踪。

90年代，道路电子收费系统在大西洋沿岸得到广泛应用，从意大利、法国、西班牙、葡萄牙、挪威，到美国的达拉斯、纽约和新泽西。

这些系统提供了更完善的访问控制特征，因为它们集成了支付功能，也成为综合性的集成RFID应用的开始。

从90年代开始，多个区域和公司开始注意这些系统之间的互操作性，即运行频率和通信协议的标准化问题。

只有标准化，才能将RFID的自动识别技术得到更广泛的应用。

比如，这时期美国出现的E-ZPass系统。

同时，作为访问控制和物理安全的手段，RFID卡钥匙开始流行起来，试图取代传统的访问控制机制。

这种称为非接触式的IC智能卡具有较强的数据存储和处理能力，能够针对持有人进行个性化处理，也能够更灵活地实现访问控制策略。

在美国，TexasInstruments则是这方面的推动先锋。

TI从1991年开始建立德州仪器注册和识别系统（TexasInstrumentsRegistrationandIdentificationSystems（TIRIS））。

该系统如今叫TI-RFid（TexasInstrumentsRadioFrequencyIdentificationSystem），已经是一个主要的RFID应用开发平台。

在上世纪末期，大量的RFID应用指数般地试图扩展到全球范围。

从90年代末期到现在，零售巨头如Wal-Mart，Target，MetroGroup以及一些政府机构，如美国国防部（DoD），都开始推进RFID应用，并要求他们的供应商也采用此技术。

同时，标准化的纷争出现了多个全球性的RFID标准和技术联盟，主要有EPCglobal、AIMGlobal、ISO/IEC、UID、IP-X等。

这些组织主要在标签技术、频率、数据标准、传输和接口协议、网络运营和管理、行业应用等方面试图达成全球统一的平台。

2.3RFID系统的组成

一个RFID系统通常有两个组件组成，如图1所示：

图1RFID系统基本模型图

收发器（transponder）或者标签（Tag）：

位于或者通过某种物理手段附加于被识别的对象之上；

讯问器（interrogator）或者阅读器（reader）：

取决于设计和所采用的技术，可以是阅读或者读写设备。

读器通常包含一个射频模块（发射器和接收器），一个控制单元和一个与收发器的耦合单元。

另外，某些阅读器还包含其他数据接口系统（RS232,RS485,TCP/IP等），以便将数据转发到其他系统。

标签：

表示RFID系统的实际数据载体，通常有一个耦合单元和一个电子芯片组成。

标签通常不具备自身电源供应，当它不在质询器的质询范围时，整体呈被动状态。

它只有在质询器的质询范围之内才被激活。

激活雷达收发器的电力通过耦合单元传输给收发器，所需的数据和时钟脉冲也是如此，如图2所示。

图2RFID电子标签

2.4RFID技术的基本工作原理

RFID技术的基本工作原理：

电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。

当标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，标签凭借感应电流所获得的能量为自身供电并发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签），读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理，如图3所示。

图3RFID工作原理图

RFID标签和读写器之间采用无线通信方式传递信息。

其基本的通信方式有两种，第一种基于电磁耦合或者电感耦合，第二种基于电磁波的反向散射耦合。

1）电感耦合：

变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。

电感耦合方式一般适合于高、中、低频工作的近距离射频识别系统。

典型的工作频率有：

125kHz、225kHz和13．56MHz。

识别作用距离小于1m，典型作用距离为10～20cm。

2）电磁反向散射耦合：

雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。

电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作的远距离射频识别系统。

典型的工作频率有：

433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。

识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m。

RFID标签与读写器之间的耦合通过天线完成，天线通常可以理解为电波传播的天线，也指电感耦合的天线。

数据在读写器和标签之间用无线方式传递，噪声、干扰以及失真与数据本身一样传递。

与其他通信系统相似，技术上必须保证数据被正确传递和恢复。

数据传递有同步和异步之分，在RFID系统中，码流结构也要适应信道特性的要求，码流结构化过程称为信道编码。

对于RFID系统，信道编码必须对用户透明，现在有各种不同的信道编码方法，其特点也不尽相同。

为了通过空间有效传递数据，要求将数据调制在载波上，这一过程称为调制。

常用的调制方法有ASK、FSK和PSK。

2.5RFID的电子标签及应用

一、RFID标签分为被动，半被动（也称作半主动），主动三类。

1）被动式:

被动式标签没有内部供电电源。

其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些电磁波是由RFID读取器发出的。

当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读取器发出数据。

这些数据不仅包括ID号（全球唯一标示ID），还可以包括预先存在于标签内EEPROM中的数据。

由于被动式标签具有价格低廉，体积小巧，无需电源的优点。

目前市场的RFID标签主要是被动式的。

2）半主动式:

一般而言，被动式标签的天线有两个任务，第一：

接收读取器所发出的电磁波，藉以驱动标签IC；第二：

标签回传信号时，需要靠天线的阻抗作切换，才能产生0与1的变化。

问题是，想要有最好的回传效率的话，天线阻抗必须设计在“开路与短路”，这样又会使信号完全反射，无法被标签IC接收，半主动式标签就是为了解决这样的问题。

半主动式类似于被动式，不过它多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签IC，使得IC处于工作的状态。

这样的好处在于，天线可以不用管接收电磁波的任务，充分作为回传信号之用。

比起被动式，半主动式有更快的反应速度，更好的效率。

3）主动式：

与被动式和半被动式不同的是，主动式标签本身具有内部电源供应器，用以供应内部IC所需电源以产生对外的讯号。

一般来说，主动式标签拥有较长的读取距离和较大的记忆体容量可以用来储存读取器所传送来的一些附加消息。

以下按有源式和无源式两种情况叙述RFID工作过程：

a.有源RFID识别卡：

内有电池提供电源，其作用距离较远，且识别动目标能力强。

有源识别卡又分主动式和被动式，有源主动式是主动发送某一频率的信号，读写器读取信息，解码后送至中央信息系统进行有关数据处理。

有源被动式是当识别卡进入读写器的电磁场范围时才被“唤醒”后发送出某一频率的信号。

b.无源RFID识别卡：

无源RFID识别卡，本身不带电池，依靠读卡器发送的电磁能量工作。

当识别卡进入读写器天线磁场后，接收到读写器发出的射频信号，便获得感生电流，这时识别卡把存储在芯片中的产品信息发送出去。

二、按照工作频率的不同，RFID标签可以分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波等不同种类。

不同频段的RFID工作原理不同，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。

目前国际上广泛采用的频率分布于4种波段，低频（125KHz）、高频（13.56MHz）、超高频（860MHz～960MFz）和微波（2.45GHz）。

每一种频率都有它的特点，被用在不同的领域，因此要正确使用就要先选择合适的频率。

低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz～300kHz。

典型工作频率有125KHz和133KHz。

低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。

低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。

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。

中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz～30MHz。

典型工作频率为13.56MHz。

该频段的射频标签，因其工作原理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。

另一方面，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，因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念，即不会造成理解上的混乱。

为了便于叙述，我们将其称为中频射频标签。

中频标签一般也采用无源设主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。

标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。

中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。

中频标签由于可方便地做成卡状，广泛应用于电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）、小区物业管理、大厦门禁系统等。

超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有433.92MHz、862（902）MHz～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。

微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。

工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。

阅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1m，典型情况为4m～6m，最大可达10m以上。

阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅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。

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。

超高频标签主要用于铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统中。

2.6RFID相关协议标准

RFID标准涉及的主要内容包括

1）技术（接口和通信技术，如空中接口、防碰撞方法、中间件技术、通信协议）

2）一致性（数据结构、编码格式及内存分配）

3）电池辅助及与传感器的融合

4）应用（如不停车收费系统、身份识别、动物识别、物流、追踪、门禁等）

ISO/IEC已经出台的RFID标准主要关注基本模块的构建，空中接口，数据结构以及实施问题。

具体可以分为技术标准、数据内容标准、移植性标准及应用标准四个方面。

一、RFID低频相关国际标准

该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。

通过读写器交变场的作用在感应器天线中感应的电压被整流，可作供电电压使用.磁场区域能够很好的被定义，但是场强下降的太快。

相应的国际标准：

（1）ISO11784RFID畜牧业的应用－编码结构。

（2）ISO11785RFID畜牧业的应用－技术理论。

（3）ISO14223-1RFID畜牧业的应用－空气接口。

（4）ISO14223-2RFID畜牧业的应用－协议定义。

（5）ISO18000-2定义低频的物理层、防冲撞和通讯协议。

（6）DIN30745主要是欧洲对垃圾管理应用定义的标准。

二、RFID高频相关的国际标准

该频率的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。

感应器一般通过负载调制的方式进行工作。

也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。

如果人们通过数据控制负载电压的接通和断开，那么这些数据就能够从感应器传输到读写器。

高频段射频标签目前具有全球统一13.56MHz的工作频率。

该频段的射频标签称为高频标签。

是目前实际应用最多且技术最成熟的射频标签技术。

相应的国际标准：

（1）ISO/IEC14443A/B近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm

（2）ISO/IEC15693（兼容于ISO/IEC18000-3）疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m；

（3）ISO/IEC18000-3该标准定义了13.56MHz系统的物理层，防冲撞算法和通讯协议。

；

（4）EPC