【正文】 圖 36中， 閱讀器 Rl和 R2 同時讀取標(biāo)簽 Tl，以至標(biāo)簽 Tl無法正確的傳送標(biāo)簽信息，導(dǎo)致對標(biāo)簽 Tl 讀取失敗。 圖 35 閱讀器與閱讀器之間的干擾 (2)多個 閱讀器 對識別標(biāo)簽的干擾 :指的是多個 閱讀器 同時讀取 1 個標(biāo)簽，標(biāo)簽受到頻率干擾，讀取數(shù)據(jù)失敗。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。其中，射頻識別標(biāo)簽碰撞是指多個頻率相同的識別標(biāo)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(shè)計(jì)來防止，現(xiàn)在各廠商所生產(chǎn)的射頻識別標(biāo)簽和 閱讀器 都具有標(biāo)簽防碰撞功能，一個 閱讀器 可以有效識別多個標(biāo)簽 。 區(qū)域定位就其通訊方式而言，其實(shí)就是多點(diǎn)對多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。 防沖突技術(shù)研究 鑒于多個 RFID 電子標(biāo)簽工作在同一頻率，當(dāng)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(jī)制的情況下，信息傳輸過程將產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致信 息讀取失敗。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。為此，閱讀器天線宜設(shè)計(jì)成圓極化天線。電子標(biāo)簽天線向空中輻射線極化波。通過分析計(jì)算電波在空間傳輸?shù)膿p耗，對天 線增益指標(biāo)提出了要求，這里我們再對天線的具體設(shè)計(jì)思路給出分析： 頻率的波長是 。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。天線結(jié)構(gòu)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電子標(biāo)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(shè)計(jì)提出嚴(yán)格的要求。 性能指標(biāo)： 型 號 DC8320B 標(biāo)簽類別 卡狀 工作頻率 感應(yīng)方式 主動感應(yīng)模式 識別距離 380 米 材質(zhì) PET,耐高溫 ,防水 外型尺寸 85*55* 重量 20g 電池 內(nèi)置紐扣鋰電 ,可連續(xù)使用 2 年 23 RFID 天線研究 標(biāo)簽天線和閱讀器天線分別承擔(dān)接受能量和發(fā)射能量的作用。這里，我選的是 DC8320B 有源電子標(biāo)簽 。 如 采用頻率為 一 這個頻段的頻率，可以在較遠(yuǎn)距離的識別出 RFID電子標(biāo)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?yàn)槊旱V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(shí)際需求，我采用了 的頻率設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。 從表 2一 1中我們能夠看出，低頻標(biāo)簽比超高頻便宜，節(jié)省能量，穿透廢金屬物體力強(qiáng)，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(biāo)簽的防沖撞功能不好。但是礦井巷道內(nèi)情況十分復(fù)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。()在美國 。 具體參數(shù)見如下表 31所示。主要應(yīng)用于需要較長的讀寫距離以及高讀寫速度的系統(tǒng)。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，適于長距離應(yīng)用。主要應(yīng)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。 低頻電子標(biāo)簽主要有 125kHz 和 。當(dāng)前 RFID 工作頻率跨越多個頻段，不同頻段具有各自優(yōu)缺點(diǎn)，它既影響標(biāo)簽的性能和尺寸，還影響標(biāo)簽與閱讀器的價格。 在進(jìn)行上述的調(diào)研和分析后，本系統(tǒng)使用的是對數(shù)據(jù)通信范圍較廣的有源電子標(biāo)簽。 5）超低功耗：更健康、更安全和更長的電池壽命。 3）高速度：每次讀卡僅需 120uS, 每 秒掃描全部視場內(nèi)的卡，在 50 米的讀卡距離內(nèi)可以 有效閱讀 50km/小時移動目標(biāo) 3 次以上。 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(shí)現(xiàn)多次閱讀，保證盲讀的可靠性。通常將卡集成在礦燈里，這對礦燈的使用是有疑問的，由于讀卡能力太弱，不能實(shí)現(xiàn)可靠的盲讀，市場反應(yīng)并不太好，只有少數(shù)的礦在試用。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(yuǎn)距離無源卡、半有源卡的缺點(diǎn)：需要大功率輻射的讀卡設(shè)備，不可能達(dá)到煤安要求，且高場強(qiáng)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(yīng)、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(yīng)用的案例。有源卡通過電池來提供電源，無源卡是通過無線頻射來獲得工作電源的 電子標(biāo)簽 ，它將接收到的無線射頻能量轉(zhuǎn)換成為 標(biāo)簽 工作電流。具體見圖 33所示。其中 射頻標(biāo)簽采用的微芯片僅僅 ， 而采用該芯片的標(biāo)簽也不過 。該公司宣稱，這一過程可以生產(chǎn)出成本在 510美分的標(biāo)簽，此時生產(chǎn)規(guī)模必須達(dá)到至少 10億個標(biāo)簽。目前一般電子標(biāo)簽的價格約為 50 美分，隨著應(yīng)用市場的進(jìn)一步擴(kuò)大，價格將逐步降為 25 美分甚至 5 美分。因此，制造低成本的標(biāo)簽，是解決問題的關(guān)鍵所在，許多大公司投入大量人力物力，進(jìn)行低成本標(biāo)簽的研究。 標(biāo)簽成本 標(biāo)簽成本標(biāo)簽價格一直是制約 RFID 推廣應(yīng)用的一個瓶頸。 ISO 標(biāo)準(zhǔn)則秉持標(biāo)準(zhǔn)的基本理念，少了一些商業(yè)利益，更側(cè)重標(biāo)準(zhǔn)的中立性，因此對于加速 RFID 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來說，似乎更具有彈性和發(fā)展前景。這些標(biāo)準(zhǔn)各自具有不同的特點(diǎn)。 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)國際上制定 RFID 標(biāo)準(zhǔn)的組織比較著名的有三個 ISO， EPcglobal 以及日本的 UbiquitousIDCenter，這三個組織對 RFID 技術(shù)應(yīng)用規(guī)范都有各自的目標(biāo)與發(fā)展規(guī)劃。類似于條形碼中存儲的信息，標(biāo)簽還可以連接到數(shù)據(jù)庫，存儲產(chǎn)品庫存編號，當(dāng)前位置，狀態(tài)，售價，批號的信息。標(biāo)簽中儲存的數(shù)據(jù)是由系統(tǒng)應(yīng)用和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)決定的。標(biāo)簽中一般保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，無線標(biāo)簽附著在待識別物體的表面。 電子標(biāo)簽 無線電子標(biāo)簽技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。對標(biāo)簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密 。信號的編碼與解碼 。閱讀器的控制單元擔(dān)負(fù)如下任務(wù)與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令 。對發(fā)射信號進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給標(biāo)簽 。 19 二 .硬件部分 RFID 系統(tǒng)的閱讀器均可以簡化為兩個基本的功能塊控制系統(tǒng)和由發(fā)送器及接收器組成的高頻接口。 ，然后執(zhí)行導(dǎo)入的程序。 一 軟件部分 這些軟件都是生產(chǎn)廠家在出廠時固化在模塊中的軟件，負(fù)責(zé)對閱讀器接收到的指令進(jìn)行響應(yīng)和對標(biāo)簽發(fā)出相應(yīng)的動作指令。 ，能夠標(biāo)識電池相關(guān)信息，如電量等。 。 RS232 等進(jìn)行通信。由于標(biāo)簽的非接觸性質(zhì)，因此，我們必須借助于位于應(yīng)用系統(tǒng)與標(biāo)簽之間的閱讀器來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫功能。 3． 4 閱讀器 閱讀器是 RFID 系統(tǒng)的主要部分之一。 在 RFID 的實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在被識別的物體上 (表面或內(nèi)部 )，當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的被識別物品通過其可識讀范圍時，閱讀器自動以無接觸的方式將電子標(biāo)簽中的預(yù)定識別信息取出來，從而實(shí)現(xiàn)自動識別物品或自動收集物品信息的功能。射頻卡由天線、功能模塊和存儲器等組成。如圖 32 所示 圖 32 RFID系統(tǒng)的組成 射頻識別系統(tǒng)是由射頻卡和閱讀器兩部分組成。所有的遠(yuǎn)距離系統(tǒng)均是利用標(biāo)簽與閱讀器天線輻射遠(yuǎn)場區(qū)之間的電磁藕合 (電磁波的發(fā)射與反射 )所構(gòu)成的無接觸空間信息傳輸通道工作的。其典型工作頻率為 ，也有一些其它頻率，如 ， 等。遙禍合系統(tǒng)又可細(xì)分為近藕合系統(tǒng) (典型作用距離為 15cln)與疏禍合系統(tǒng) (典型作用距離為 lm)兩類。由于密禍合系統(tǒng)方式的電磁泄漏很小，禍合獲得的能量較大，因而適合要求安全性較高，但不要求作用距離的應(yīng)用系統(tǒng)，例如電子門鎖。密禍合系統(tǒng)利用的是射頻標(biāo)簽與閱讀器天線的無功近場區(qū)之間的電感藕合 (閉合磁路 )構(gòu)成的無接觸的空間信息傳輸射頻通 道工作的。 :密禍合系統(tǒng)的典型作用距離范圍從 0c曠 ICm。通常情況下，這種作用距離定義為標(biāo)簽與閱讀器之間能夠可靠交換數(shù)據(jù)的距離。嚴(yán)格地講，只有離天線無窮遠(yuǎn)處才達(dá)到天線的遠(yuǎn)場區(qū)，但在某個距離上，輻射場的角度分布與無窮遠(yuǎn)時的角度分布誤差在允許的范圍以內(nèi)時，即把該點(diǎn)至無窮遠(yuǎn)的 區(qū)域稱為天線遠(yuǎn)場區(qū)。 三 .輻射遠(yuǎn)場區(qū) 輻射遠(yuǎn)場區(qū)即人們常說的遠(yuǎn)場區(qū)，又稱為夫朗荷費(fèi)區(qū)。在輻射近場區(qū)中，輻射場占優(yōu)勢，并且輻射場的角度分布與距天線口徑的距離有關(guān)，天線各單元對觀察點(diǎn)輻射場的貢獻(xiàn)，其相對相位和相對幅度是與天線距離的函數(shù)。在該區(qū)域中束縛于天線的電磁場未曾做功 (只是進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換 )，因而將該區(qū)域稱為無功近場區(qū) 。從物理概念上講，無功近場區(qū)是一個儲能場，其中的電場與磁場的轉(zhuǎn)換類似于變壓器中的電場、磁場的交換。 一無功近場區(qū) 無功近場區(qū)又稱為電抗近場區(qū)，它是天線輻射場中緊鄰天線口徑的一個近場區(qū)域。根據(jù)觀測點(diǎn)到天線距離的不同，天線周圍的場呈現(xiàn)出的性質(zhì)也不同。 RFID 的物理原理 要理解射頻識別 (RF 工 D)系統(tǒng)的工作原理，弄清閱讀器與標(biāo)簽之間的能量和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)質(zhì)，深入研究磁現(xiàn)象的物理本質(zhì)和波在遠(yuǎn)距離磁場中的傳播原理是非常必要的。 盡管 RFID 技術(shù)在很多領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景，并且已經(jīng)逐漸在一些領(lǐng)域開始廣泛應(yīng)用，但是還是有許多因素在制約著 RFID 技術(shù)的快速發(fā)展 。 總之，在未來的發(fā)展中，射頻技術(shù)將廣泛結(jié)合其它高新技術(shù) 1171，如 GPS、生物識別技術(shù)等，由單一識別向多功能識別方向發(fā)展 。目前，射頻識別技術(shù)在中國主要應(yīng)用于校園、公共交通、地鐵、社會保障等方面，大部分城市己廣泛采用了射頻公交卡來代替自動投幣。 射頻識別技術(shù)在國外發(fā)展非常迅速，其產(chǎn)品種類繁多。 由于射頻識別技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢 ，逐漸地被廣泛應(yīng)用于物流、交通、生產(chǎn)、運(yùn)輸、防偽、醫(yī)療、設(shè)備跟蹤、設(shè)備和資產(chǎn)管理等需要采集、處理數(shù)據(jù)和行蹤管理等應(yīng)用領(lǐng)域。在數(shù)據(jù)安全方面，除標(biāo)簽的密碼保護(hù)外，數(shù)據(jù)部分可用一些算法實(shí)現(xiàn)安全管理，識別標(biāo)簽和射頻 閱讀器 之間也可相互認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)安全通信和存儲 。 射頻識別技術(shù) 具有很多突出的優(yōu)點(diǎn) :不需要直接接觸、不需要人工干預(yù)、不需要光學(xué)可視即可完成信息輸入和處理，可在各種特殊環(huán)境下工作 。由于 RFID 標(biāo)簽的存儲容量是 2 的 96 次方以上，因此它可以彌補(bǔ)條形碼的存儲容量不足等種種限制，甚至可以為世界上的每一種物品配備一個獨(dú)一無二的電子識別標(biāo)簽。電子識別標(biāo)簽和 閱讀器 是射頻識別技術(shù)的主要核心部件。 另外，系統(tǒng)還給出了抗干擾技術(shù)等其他可擴(kuò)展性的內(nèi)容。 (4)應(yīng)用 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 在前面的理論研究和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本部分對實(shí)際的礦井目標(biāo)信息采集系統(tǒng)的PC 機(jī)操作界面和數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)中，按照二者的組成分別對其工作原理、控制單元以及所使用的各種芯片進(jìn)行研究，選用一種比較合適的接收和發(fā)射方案，并給出其具體的實(shí)現(xiàn)電路。然后對射頻識別技術(shù)中的防沖突算法進(jìn)行研究探討，并對這些算法進(jìn)行性能比較，最后提出一個性能更好的防沖突算法。這一部分上面已經(jīng)完成。作為實(shí)現(xiàn)礦井目標(biāo)的自動化識別與智能化管理的信息采集平臺，其功能是把礦工、車輛及設(shè)備的主要信息寫入電子識別標(biāo)簽中，實(shí)現(xiàn)礦用安全監(jiān)測。軟件設(shè)計(jì)借鑒面向?qū)ο蟮乃枷耄捎媚K化設(shè)計(jì)方法，將整個軟件按照功能劃分為初始化、射頻信號的發(fā)射與接收、數(shù)據(jù)采集和處理、實(shí)時時鐘和 RS232 通信等幾個相對 15 獨(dú)立的模塊，論文針對部分模塊，給出其詳細(xì)軟件設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)流程。數(shù)據(jù)采集分站由 CPU 處理模塊，外擴(kuò)SRAM 模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊和實(shí)時時鐘模塊組成，完成信息的采集、儲存、處理和雙向通訊的功能。電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)過程中，考慮了數(shù)據(jù)的碰撞問題以及如何用載波偵聽算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的防碰撞 。電子 標(biāo)簽 分為員工 電子標(biāo)簽 和車輛 電子標(biāo)簽 ， 標(biāo)簽 上分別裝有標(biāo)識員工和礦車身份的數(shù)據(jù)，按照一定的時間間隔向閱讀器發(fā)送自身的數(shù)據(jù)。本課題的數(shù)據(jù)通信是由 CAN 總線模塊來實(shí)現(xiàn)的，將閱讀器讀取到的射頻標(biāo)簽信息負(fù)責(zé)發(fā)送至地面 。系統(tǒng)客戶端向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器發(fā) SQL 請求，數(shù)據(jù)庫對發(fā)送的 SQL請求進(jìn)行處理后反饋數(shù)據(jù)及結(jié)果。本課題的系統(tǒng)客戶端使 VisualC++ 開發(fā)平臺，基于 windowsXP 操作系統(tǒng)，采用 C++語言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，開發(fā)軟件系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能。傳輸接口由 CAN總線驅(qū)動器、光隔離電路、信號自收抑制電路、 RS 一 232 接口電路和防爆電源組成，傳輸方式為異步時分半雙工通信，傳輸與主機(jī)通訊采用 RS232 信號制，與采集傳輸接口通信采用 CAN 總線實(shí)現(xiàn)通信，到中心站的最大傳輸距離為 10km。井下部分主要的作用是信息的采集，而井上部分則是對信息的處理。實(shí)現(xiàn)了下井作業(yè)人員和井下運(yùn)輸車輛礦井目標(biāo)定位、人員考勤、環(huán)境監(jiān)控等功能，保障了煤礦安全生產(chǎn)的能力，提高了 生產(chǎn)效率。兩系統(tǒng)之間通過 CAN總線連接。在井上由中心站主機(jī)、傳輸接口等組成 。提出了文章的不足并且指出存在的諸多問 題，有待以后進(jìn)一步的設(shè)計(jì)研究。 第 6 章對 整個系統(tǒng)可能存在的干擾問題系統(tǒng)的進(jìn)行了闡述，并提出了如何抗干擾的方法和論證。 然后還給出了 如何利用 CAN 總線實(shí)現(xiàn) 與 PC 機(jī)之間串口通信的方法。給出了它們的原理圖和程序流程圖，并詳細(xì)研究了電子標(biāo)簽的仿真。最后還對防沖突問題做