【正文】 簽根據(jù)商家種類的不同能儲存從512字節(jié)到4兆不等的數(shù)據(jù)。相應的，射頻標簽在讀取數(shù)據(jù)時不用參照數(shù)據(jù)庫可以直接確定代碼的含義。目前，EPC標準在案例方面和企業(yè)支持力度方面具有一定的領先優(yōu)勢，已經(jīng)成功地實現(xiàn)了從GENI到GENZ的演進，許多符合GENZ的產(chǎn)品已經(jīng)面世。與廉價的條形碼相比，RFID標簽昂貴的價格，讓眾多廠商望而卻步。Smartcode公司宣布他們擁有一項專利的生產(chǎn)過程可以降低射頻標簽的生產(chǎn)成本。具體見圖33所示。這些產(chǎn)品都有其固有缺陷而難以在煤礦普及使用，其缺陷主要表現(xiàn)在以下幾個方面：遠距離無源卡、半有源卡的缺點：需要大功率輻射的讀卡設備，不可能達到煤安要求，且高場強的讀取電波輻射也是難以滿足煤安要求的，且可能對人體造成傷害；其次無源卡對人體感應、卡與讀取天線的相對方向、金屬物接近等十分敏感，造成讀卡不可靠，不可能做到盲讀，所以沒有真正在井下成功應用的案例。1）有效工作距離長：有效增加識別距離，在一次通過閱讀器的視場時實現(xiàn)多次閱讀，保證盲讀的可靠性。5）超低功耗：更健康、更安全和更長的電池壽命。當前RFID工作頻率跨越多個頻段，不同頻段具有各自優(yōu)缺點，它既影響標簽的性能和尺寸，還影響標簽與閱讀器的價格。主要應用于距離較短和成本較低的系統(tǒng)中，比如門禁控制、校園卡、貨物跟蹤等。主要應用于需要較長的讀寫距離以及高讀寫速度的系統(tǒng)。()在美國。從表2一1中我們能夠看出，低頻標簽比超高頻便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強，工作頻率不受無線電頻率管制約束，最適合用于含水分較高的物體，但是識別距離小于lm，雖然具有良好的個體定位功能，如果要做到整個礦井的良好定位，需要在井下布置大量的基站，投資大，同時標簽的防沖撞功能不好。這里，我選的是DC8320B有源電子標簽。用戶可自定義讀寫標準數(shù)據(jù)，使專門的應用系統(tǒng)效率更加快捷；(與讀寫器和天線有關).超寬工作頻段設計，既符合相關行業(yè)規(guī)定，又能進行靈活的開發(fā)應用；5. 可同時讀寫多個標簽（多達50 個/秒以上），而不受工作區(qū)內(nèi)標簽數(shù)量的限制和影響；6. RFID電子標簽在要求低成本的同時，還要求有高的可靠性，這些因素對天線的設計提出嚴格的要求。如金屬物體對電磁信號有衰減作用，金屬表面對信號有反射作用，以及金屬和寬頻信號源產(chǎn)生的電磁屏蔽和電磁干擾等影響。電子標簽天線向空中輻射線極化波。然而，一個圓極化天線在接收一個線極化波時，其有效增益要比同增益線極化天線低 3dB。區(qū)域定位就其通訊方式而言，其實就是多點對多點的無線通訊，如何防止井下人員定位系統(tǒng)中的通訊沖突成了方案實現(xiàn)的關鍵。這種情形往往發(fā)生在閱讀器工作范圍不重疊的區(qū)域，如圖35所示。圖36中，閱讀器Rl和R2同時讀取標簽Tl，以至標簽Tl無法正確的傳送標簽信息，導致對標簽Tl讀取失敗。該法通過空間來分割巷道，將井下的多點對多點的通訊問題轉(zhuǎn)化為井下多個監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的點對多點的通訊問題，達到了防止閱讀器碰撞的目的。解決安全性的途徑是設計更復雜的微處理器以及更大容量的內(nèi)存，這樣就可以進行更復雜的加密算法以防止數(shù)據(jù)的非法竊取。電子標簽的設計是本次設計中的重點設計和研究的對象。盡管采用了有源發(fā)射技術，標簽更換一次紐扣式鋰電池可以連續(xù)使用 2 年，基本達到了無源標簽的使用要求。電池工作壽命：2 年由上述目標導出下列產(chǎn)品技術標準：：由于 頻段較高，我們選擇通訊速率為 1Mbps，GFSK 調(diào)制，在此頻段再降低通訊速率對提高信噪比并不明顯，反而會增加通訊時間導致功耗增加電池壽命縮短，我們僅需讀取卡號（4 byte）、工作狀態(tài)（1 byte）、電池電壓（1 byte）、校驗碼（1 byte）、幀結構和管理（起始 地址 幀長 CRC 2，6 byte）共 13 byte，射頻發(fā)送時間約為 120uS 。：由上述確定的指標，在同時讀取64張卡的時候一次碰空中撞率為64/((120*106))=,連續(xù) 2 碰撞的概率為：，連續(xù) 3 碰撞的概率為：106，所以盲讀的可靠性是有保障的。電子標簽是指佩戴在員工身上的的射頻信號收發(fā)器，它由天線和專用芯片及外圍電路組成，又叫做射頻卡、射頻標簽、數(shù)據(jù)載體。標簽上電后，標簽電路中的MCU首先通過邏輯接口將EEPROM中的程序及數(shù)據(jù)讀入自身的RAM(隨機存儲器)中，然后調(diào)入MCU中的程序開始運行標簽通信協(xié)議，通過MCU控制RF，將信息從天線發(fā)射或接收。AT89C2051(在標簽的控制單元中使用)，是一種帶ZK字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。主要特點是采用Flash存儲器技術，降低了制造成本，其軟件、硬件與MCS51完全兼容。AT89C2051共有20個引腳，它只繼承了8031最重要的引腳，體積小巧。1000寫嚓循環(huán)。32可編程I/O線。低功耗的閑置和掉電模式。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。它是 NordicvLsl推出的系統(tǒng)級射頻芯片，主要特性如下:。待機電流可低至2uA，同時器件還帶有喚醒定時器。 CMOS工藝、6mm6mm的36引腳QFN封裝，以 NRF240lRF芯片結構為基礎，將發(fā)射頻率、8051MCU、9輸入10位ADC、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中，是目前世界首推的全球通用的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。nRF24EI芯片可以在世界公用的ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學)。加上多種低功率工作模式，使得節(jié)能設計更方便。NRF24EI的CPU集成了2個數(shù)據(jù)指針，以便于和外部RAM進行數(shù)據(jù)傳遞。用戶程序通常是在引導區(qū)的引導下，從外部串口EEPROM加載到1個4KB的RAM中，這個4KB的RAM也可作存儲數(shù)據(jù)用。其P0和P1也和標準8051有所不同，其它大部分的SFRs均與標準8051相同。P0口有8個引腳，除了用作GPIO口外還可以作為復用口。其中，復位后，將被引導程序激活并連接到啟動閃存的硯上。內(nèi)部有9通道10位ADC，線性轉(zhuǎn)換時間為每10位48個CPU指令周期。A/D轉(zhuǎn)換器默認配置為10位，為滿足需要，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。由于射頻收發(fā)器是片內(nèi)置的，并不是雙向工作。程序運行后，保持默認值，直到程序通過RADIO寄存器改變各位的值。PwR_UP=l，CE=0，CS=0時為空閑方式。②接收節(jié)點地址和有效數(shù)據(jù)按時序被送到NRF24E1子系統(tǒng)，可通過應用協(xié)議或CPU設置，使這個速度小于1Mbps。*完成RF包處理(加前綴，CRC校驗)。②將CE置高，激活RX。⑥CPU將CE置低，把RF前端設為低功耗方式。CE為低，重新開始新的接收。nRF24E1的DuoCeiver技術提供了兩個獨立、專用于接收的數(shù)據(jù)頻道，而不是采用兩個相互獨立的接收器。同時，也降低了對CPU性能的要求。RTC喚醒定時器和WTD(看門狗)是2個16位的可編程定時器，它們的工作時鐘為RC振蕩器的 LP_OSC。nRF24E1必須用高精度的晶振，為了支持1Mbit/s的傳輸速率，設計時還必須采用16MHz以上的晶振。由于NRF24E1片內(nèi)集成了RADIO模塊，在使用中，只需要一片nRF24E1和少量的外圍元件就能完成射頻收發(fā)功能，因此，節(jié)省了印制板的空間，大大減少了系統(tǒng)的體積，可廣泛應用于無線水表、煤氣、電表、無線智能傳感器、無線數(shù)據(jù)采集裝置、無線身份識別智能卡、無線鼠標、無線耳機、遙控玩具、PDA手持終端等短距離無線通信場所。. 3 電子標簽軟件設計電子標簽原理圖大體如下圖43所示圖43電子標簽模塊原理圖其中控制單元為AT89C2051，上面已經(jīng)對它做了詳盡的介紹。為了提高電池的使用壽命，可以采用兩種措施。因此利用NRF24E1內(nèi)部的定時喚醒功能，采用定時喚醒、間隔發(fā)送的方式發(fā)送射頻信號，即:電子標簽每發(fā)射完一次射頻信號，就會進入掉電模式，等待設定時間后被喚醒，再發(fā)射一次射頻信號，然后再進入掉電模式，依次循環(huán)。第二:降低NRF24E1的功耗。電子標簽軟件設計要考慮兩大方面的問題:降低功耗和防碰撞問題。正是基于以上各種因素的考慮，我們采用nRF24E1作為射頻收發(fā)芯片，采用外部紐扣電池作為電源。其中XC1和XC2為外部晶振引腳，IREF用于連接外部偏置參考電阻。喚醒定時器由用戶軟件控制啟動和停止。nRF24E1內(nèi)有一個低功耗的RC振蕩器。使用ShockBurst技術，CPU先取出其中一個數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)，另一數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)等待CPU處理完。這意味著:①nRF24E1通過一個天線，能夠接收兩個頻率相差8MHz(8個頻率通道)的 1Mbps發(fā)射器(如nRF24EnRF2401或nRF2402)發(fā)送的數(shù)據(jù)。⑧當所有的有效數(shù)據(jù)都取完，nRF24EI子系統(tǒng)再次把DR1置低。④當收到一個有效的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC)，nRF24EI子系統(tǒng)移去前綴、地址和CRC位。*發(fā)送完成，nRF2401返回空閑信號。④ShockBurst。NRF24EI收發(fā)子系統(tǒng)采用了shockBurst技術，這種技術使用了片內(nèi)的FIFO(先入先出)堆棧，雖然數(shù)據(jù)低速進入，但能高速發(fā)送，使能耗減到最低限度。 PWR_UP=1，CE=1，CS=O時為收發(fā)方式。收發(fā)器由特殊功能寄存器中的RADIO和 SPI_CTRL控制。nRF24EI收發(fā)器的收發(fā)任務由RADIO口控制，通過天線接口進行收/發(fā)操作。轉(zhuǎn)換器的9個輸入可由軟件進行選擇。當SPI_CTRL設定為01時Pl口可作為SPI口使用，此時只能作為主機。其中PO_ALT的控制優(yōu)先級高于 PO_DIR。采用16MHz的晶振可同時CPU和收發(fā)單元內(nèi)部頻率合成器提供參考時鐘。這時，默認的啟動引導區(qū)使用SPI接口的“通用25AA320”EEPROM。NRF24EI的微控制器中有256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和512字節(jié)的ROM。NRF24EI擁有3個與8052一樣的定時器。在發(fā)送模式下，以5dBm的功率發(fā)射時。另外還嵌有電壓調(diào)整器和vDD電壓監(jiān)視器。所需外圍器件很少。射頻收發(fā)電路射頻收發(fā)單元是是井下數(shù)據(jù)采集交換的主要方式，是射頻識別技術在礦井定位系統(tǒng)中的應用。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。5個中斷源。三級程序存儲器鎖定。其引腳如下圖42所示:圖42 AT89C51引腳圖AT89C51主要特性與MCS一51兼容。允許工作的時鐘為0—24MHz。該器件采用周限正L高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS一51指令集和輸出管腳相兼容?？刂茊卧娐房刂茊卧x用Atmel公司生產(chǎn)的AT89c5l，由其實現(xiàn)對射頻收發(fā)單元、語音、A/D轉(zhuǎn)換等模塊的控制以及電源、.時鐘管理，并約定收發(fā)雙方的通信協(xié)議。MCU通過SPI總線接收信息。：由于卡的體積涉及到礦工的使用方便性，所以盡可能選用小型化的電池是有益的，考慮到體積、成本和可靠性，我選擇最常用的小型鈕扣電池 CR2032(Ф20mm*),標稱容量為 210mAH,實際可用容量約為 150mAH，2 年＝17500小時，所以要求卡的平均功耗小于 150/17500==，在一個工作周期中其中 120uS 內(nèi)的發(fā)射電流為 ,此電流平均到 ，其余待機時間的最大電流為 ＝,考慮到電池的自放電和電池容量的不一致性，確定卡的待機電流為 3uA。所以確定讀卡周期＝ 秒，讀卡時間＝120uS：讀卡距離取決與發(fā)射功率和接受靈敏度，按開闊地電磁波衰減公式：［Lfs］(dB)=+20lgd(km)+20lgf(MHz)如果發(fā)射功率為 0dbm，F(xiàn)=2400MHZ，接受靈敏度為90dbm，卡天線增益為3db，閱讀器天線增益為 0db，通訊距離為 d，大氣隨機衰落為 30db，20log(d)＝(2400)330=43d==71m，滿足讀卡距離 50 米的要求，如果讀卡天線增益為 3db，則讀卡距離達 100 米，如果讀卡天線增益為 10db，則讀卡距離達 224 米。遠距離無遺漏識讀：讀卡距離可達 50m。標簽計劃采用突發(fā)跳時擴頻工作模式，瞬時通訊速率為：1Mbps，由于采用了跳時制擴頻通訊機制，在一個閱讀器子站的有效作用范圍內(nèi)可以同時容納 256 個甚至更多的標簽，以 50KM/H 的移動速度通過時保證 100％的識讀率，漏讀率為 0。第四章 井下部分設計井下部分設計主要是閱讀器與電子標簽的設計閱讀器與電子標簽的設計分為硬件設計和控制程序兩個模塊來完成。當前廣泛使用的無源郡ID系統(tǒng)并沒有可靠安全機制，無法對數(shù)據(jù)進行很好的保密。為此，采取的措施為:通過合理的分布射頻閱讀器來解決閱讀器碰撞問題。圖35 閱讀器與閱讀器之間的干擾(2)多個閱讀器對識別標簽的干擾:指的是多個閱讀器同時讀取1個標簽，標簽受到頻率干擾，讀取數(shù)據(jù)失敗。其中，射頻識別標簽碰撞是指多個頻率相同的識別標簽通過同一閱讀器時的碰撞問題，這種碰撞通常需要硬件設計來防止，現(xiàn)在各廠商所生產(chǎn)的射頻識別標簽和閱讀器都具有標簽防碰撞功能，一個閱讀器可以有效識別多個標簽。鑒于多個RFID電子標簽工作在同一頻率，當它們處于同一個閱讀器的作用范圍內(nèi)時，在沒有防沖突機制的情況下，信息傳輸過程將產(chǎn)生沖突，導致信息讀取失敗。為此，閱讀器天線宜設計成圓極化天線。通過分析計算電波在空間傳輸?shù)膿p耗，對天線增益指標提出了要求，這里我們再對天線的具體設計思路給出分析： 頻率的波長是 。天線結構決定天線的方向圖、極化方向、阻抗特性、駐波比、天線增益和工作頻段等特性。 RFID天線研究標簽天線和閱讀器天線分別承擔接受能量和發(fā)射能量的作用。性能指標：型DC8320B有源電子標簽是DC8310B的升級版，在此基礎之上增加了定位、防水等功能；2.，可以在較遠距離的識別出RFID電子標簽，而且其讀卡數(shù)度很快，這種情況比較適合于煤礦井下，因為煤礦井下通常人員與巷道壁的距離一般為十米左右，而且人員與礦車是有一定的移動速度的，為了提高系統(tǒng)的識別率，滿足煤礦井下實際需求。但是礦井巷道內(nèi)情況十分復雜，巷道中有鋼軌、支架、照明線和動力電纜等，巷道壁凹凸不平，巷道縱橫交錯、拐彎抹角。具體參數(shù)見如下表31所示。高頻頻段能量相對較高，數(shù)據(jù)傳輸率大，且通訊質(zhì)量較好，適