无源射频卡在公交车自动报站系统中的应用

长安大学毕业设计报告（）内芯用纸格式 摘 要 现有的公交车语音文字报站系统是为公交车内的乘客服务，而没有想到公交站台上的乘客也需要了解到站车辆信息的需求。虽然公交站台有站牌提示，但对于某些人群仍然不是很方便，而且，当同时到达站台的公交车较多时，也很容易引起乘客的混乱。虽然基于GPS定位的自动报站系统现在已经得到一些应用，但成本较昂贵，难以实现普及。为了解决这一问，因而设计了一款低成本、高性能的公交车到站自动提示系统：基于RFID设计公交车自动报站系统。通过在站台增加语音播报以及动态文字显示，可以较大程度地为人们乘车转车提供便利，有效提高公交运营服务质量。本作品图示和声音想结合，易识别，可提前预告来车情况，很大程度上减少了城市交通安全事故，尤其在视线和天气状况不好的情况不好时，为待车的乘客提供极大的便利。 关键词：RFID，自动报站，语音播报 ABSTRACT The existing bus stops speech text for bus system is within the passenger service, and didn't think bus station also need to understand the passenger vehicle information needs station. Although bus station there's a stop hint, but for some people are still not very convenient and, while the bus arrived on the platform is for long time, is also very easy to cause the passengers confusion. Although based on GPS positioning automatic wretch system has now been get some applications, but costs are more expensive and difficult to achieve popularity. In order to solve this problem, and design a new low cost and high performance bus station an automated system: automatic microcontroller bus stops system. Through the platform increase speech broadcast and dynamic characters that can be greatly provide convenience for people to ride the REINS, effectively improve transit operation service quality. This work here and sound to combine, is easy to distinguish, the c-d-c warns cars, largely reduce the urban traffic safety accidents, especially in the view and weather bad situation is bad, for the passengers to car provide great convenience. KEYWORDS: RFID，automatic Broadcasting，voice broadcast 目录 TOC \o "1-3" \h \z \u 第1章 绪论 1 1.1论文的研究背景 1 1.2 射频识别技术的优势 2 1.3 发展状况 4 1.4 研究内容 5 1.5 论文组织结构 5 第2章 自动报站系统 6 2.1 选择 6 2.2 系统预期实现的功能 8 2.3 系统工作原理 9 2.4 系统的工作模式 10 第3章 RFID技术原理简述 12 3.1 RFID系统基本组成及原理 12 3.2 RFID技术分类 13 3.3 RFID系统的频率划分 14 3.4 RFID器件的选择 15 第4章 UHF无源电子标签 19 4.1 UHF无源电子标签内部电路 19 4.2 UHF 频段 RFID 系统原理 23 4.3 无源电子标签的主要应用 25 第5章 结论 31 5．1 论文工作总结 31 5．2 进一步的研究工作 31 致谢 32 主要参考文献 33 第1章 绪论 1.1论文的研究背景 从1831年英国人沃尔特﹒汉考克为他的国家制造出了世界上第一辆装有发动机的公共汽车起，到今天，公交车已经经历了将近200年的发展过程。与出租车和私家车相比，公交车人均占道面积少、成本低、运载能力高，同时它的通行线路覆盖面广，在缓解交通拥堵，节能减排方面都有较好的作用，因此在未来的发展中将得到更多的应用。也可以肯定地说，城市公共交通在今后的发展中将得到迅速的发展。 然而，现有的城市公交车运输方面存在一些不良问题： 1．报站不准确：由于司机在操作报站系统时有时会按错键或忘记按键，而且在调整系统时会连续报出几个站点，让不熟悉路线站点的乘客不知所措。 2．存在安全隐患：每次报站时都需要由驾驶员对报站器进行操作，而在车辆起动与进站时，往往是路面情况最复杂的时候，驾驶员既要对行驶中的汽车进行起动或制动等操作，同时还要兼顾报站系统的操作，这对驾驶员的各项操作技能要求较高，给行驶中的车辆带来一定的安全隐患。 3．大部分公交车上只有报站的语音信息，没有文字信息。对有听力障碍的乘客来说，这种方式是没有效果的。 4. 目前公交车报站系统的设计只为了公交车内的乘客服务，因而没有考虑到在站台等车乘客的需求：在天气恶劣或是视线不好的时候，乘客往往无法清楚地分辨到达的车辆路线，出现众多乘车不利的现象：有的乘客下到机动车道伸头观望，更多的是常常一拥而上，前后跑动、追赶，找寻自己要上的车辆，很容易造成盲目拥挤，秩序混乱的场面，还经常会出现乘客坐不到车，耽误坐车时间，还会出现一些不安全事故。 5. 在现行的公交车到站电子预报系统中，通常采用的是“GPS+GSM”模式的设计方案，这种预报系统虽说功能强大，但却是一项很庞大的工程，而且该系统的安装和运营费用很贵，中小城市的公交公司很难负担起这项费用，因此，它很难在短时间内在全国范围大面积推广使用。 基于以上使用公交不便的情况以及引起的交通秩序问题和安全隐患，特设计出了一种基于RFID技术的公交车自动报站系统。当公交车驶入站台附近一定的有效距离时，站台系统就可以接收到车载系统发送的具有该路车的标识信息代码，经过GSM卡传输给下一站，下一站的语音播报系统播报该路车的信息，提醒乘客提前做好上车准备，并在LCD显示屏上显示出来，这种图文声并茂的自动报站方式使乘车方便快捷，同时提高公交运营公司的服务质量。使公交管理部门对公交车辆的监控工作变得简单且可靠，提升公交系统在人们心目中的印象，真正实现“公交优先”、“和谐交通”“大公交”等发展战略模式。 1.2 射频识别技术的优势 射频识别（Radio Frequency Identification 简称RFID）技术是一项利用射频信号通过空间耦合实现无接触信息传递，并以此信息来达到识别目的的技术。射频识别技术起源于80年代中期，与条形码、磁条等同期或早期识别技术相比，射频识别技术具有无接触、识别工作无须人工干扰、工作距离大、精度高、信息收集处理快捷、全天候工作及较好的环境适应性等一系列优点，极大地加速了有关信息的收集和处理，在近年来获得了极为迅速的发展。 RFID系统在具体的应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，系统的组成会有所不同，但从RFID系统的工作原理来看，系统一般都由PC机、读写器、天线和电子标签四部分组成，如图1.1所示。 图1.1 射频识别系统的原理图 （1）PC机：PC机是后台控制单元，用于发送用户命令，接收和处理电子标签数据等。 （2）读写器:读写器是一种读写设备，是连接电子标签与应用系统的桥梁，可发送和接收电子标签命令，并与主机进行通信，执行主机命令。所有射频识别系统的读写器均可以简化为两个基本功能模块：控制单元和高频接口。 （3）天线：天线主要起到在读写器和电子标签之间传递射频信号的作用，天线的尺寸和性能直接影响到读写器的作用距离以及识别率。 （4）电子标签：电子标签即射频识别卡，是射频识别系统中最关键的组成部分之一，它的内部预先存有被识别目标的信息，与读写器之间进行数据和信息的交换。 天线用于发射射频波束，射频识别卡安装在被识别的目标上，当载有射频识别卡的被识别目标进入读写器的读取范围时，射频识别卡的天线接收射频波束，并将自身的信息调制到射频波束上并反射回去，读写器将反射回的信号进行接收处理后，经接口传给计算机，便可达到对目标的识别。而读写式射频识别卡还可以接收主机发来的指令对卡上的内容进行改写。这一信息的收集处理过程是以无线方式自动进行的。 射频识别卡具有信息存储、处理功能，能在低电压下工作，可发射信号，外围部件少，价格低廉。射频识别卡的芯片可以按不同的应用要求来封装，可以抵抗恶劣环境。 射频识别技术是一种非接触的自动识别技术，完成自动识别可以采用多种技术，例如：条形码、光学符号识别、语音识别、生物识别法、IC卡及射频识别技术等，他们主要性能比较如表1.1。 表1.1 各种识别技术的主要性能比较 参数 条形码 光学符号识别 语音识别 IC卡 射频识别 数据量（bytes） 1-100 1-100 ------------- 16-64k 16-64k 机器阅读可读性 好 好 费时 好 好 个人阅读可读性 受制约 容易 容易 不可能 不可能 灰尘/潮湿影响 很严重 很严重 ------------ 可能 无影响 遮盖的影响 完全失效 完全失效 ------------ ----------- 无影响 方向和位置影响 很小 很小 ------------ 定向 无影响 退化和磨损 有限 有限 ------------ 有（接触式） 无影响 非法复制/修改 容易 容易 可能 不可能 不可能 阅读速度 低 ~4s 低 ~3s 很低 ＞5s 低 ~4s 很快 ~0.5s 最大阅读距离 50cm 小于1cm 50cm 直接接触 5m RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术，识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下：短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。其所具备的独特优越性是其它识别技术无法企及的。主要有以下几个方面特点： 1．读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上； 2．识别速度快：标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别； 3．数据容量大：数据容量最大的二维条形码(如QR码)，实际也最多只能存储2K字节的数据；RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数十K； 4．使用寿命长，应用范围广：其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码； 5．标签数据可动态更改：利用编程器可以向写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更少； 6．更好的安全性：不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性； 7．动态实时通信：标签以与每秒50----100次的频率与解读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。 1.3 发展状况 由于射频识别技术具有无接触、识别工作无须人工干扰、工作距离大、精度高、信息收集处理快捷、全天候工作及较好的环境适应性等一系列优点，在国外RFID技术已被广泛应用于诸如工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。火车运行监控、高速公路自动收费系统、物品管理、流水线生产自动化、门禁系统、金融交易、仓储管理、畜牧管理、车辆防盗等都是其具体应用实例。如澳大利亚将RFID产品用于机场旅客行李管理当中，比发挥了出色的作用；瑞士国家铁路局在瑞士全部旅客列车上安装RFID自动识别系统，调度员可以实时地掌握火车运行情况，不仅利于管理，还大大减少发生事故的可能性；1996年1月韩国在汉城的600辆公交车上安装RFID系统用于电子月票，还将这套系统推广到铁路系统和其他城市；德国汉莎航空公司使用非接触的电子标签作为飞机票，改变了传统的机票购销方式等等。 我国政府在1993年指定的金卡工程实施计划及全国范围内的金融卡网络系统的10年规划，是一个旨在加速推动我国国民经济信息化进程的重大国家级工程。由此各种自动识别技术的发展及应用十分迅猛。现在，射频识别技术作为一种新型的自动识别技术，也即将在中国很快普及。 近年来我国的城市公共交通系统发展非常迅速，为城市居民的出行及缓解交通压力带来了极大便利。而随着现代交通事业的飞速发展，落后的人工报站方式已经远不能满足交通管理现代化的需要。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，大大制约了其适用范围。而本文设计了一种利用RFID技术实现公交车站自动识别与自动报站的方案。将RFID系统应用于公交车自动报站系统，能够在携带电子标签的公交车辆通过公交车站的读写器时完成自动报站，可以有效解决人工报站所存在的种种问题。 除此之外，RFID技术在门禁保安、RFID金融卡、生产线自动化、仓储管理、车辆防盗、铁路运输监控等应用中在我国也比较有发展前景。新兴的射频识别技术将在我国快速普及，技术本身的优越性使它具有广阔的应用前景及巨大的市场潜能。 1.4 研究内容 本文在充分调研现有公交报站系统和车辆调度管理方式的基础上，提出了基于RFID技术的公交多功能自动报站系统，不仅能实现传统自动报站系统的基本功能，而且对自动报站系统报站的及时性和准确性做了极大改善，并在此基础上实现对站台候车乘客提前播报公交车辆信息以及公交车辆在各站点的考勤情况。 该系统应用RFID技术、电子线路、数据库以及软件工程等技术，旨在实现公交车辆的完全自动报站、各站点考勤、公交车辆的位置定位等功能。本文通过系统的需求分析、相关技术研究，并结合各个城市公交公司的实际需要，对这套系统进行优化设计，保证自动报站、各站点考勤和车辆定位等功能顺利实现。本文还对该RFID系统在实际应用中遇到的问题进行描述，提出自己的解决思路与方法。 1.5 论文组织结构 本文针对基于RFID技术的公交自动报站系统的设计和实现，共分为五章进行讨论，内容安排如下： 第一章是绪论。主要介绍了论文的背景和研究内容，以及所运用的RFID技术的优势和发展状况，说明了论文的研究意义和内容安排。 第二章是自动报站系统的总体设计框架。针对公交自动报站系统、车辆调度管理方式和公交车辆的定位问题，确定系统的预期实现目标，归纳总结了公交车自动报站系统的工作流程，设计相关的系统图例，完成系统的需求分析和功能设计。 第三章是RFID技术相关理论。深入学习和研究了系统相关的理论及技术知识，对RFID技术进行了全面深入的介绍和研究，并结合公交车自动报站系统的发展现状作深入探讨。 第四章是UHF无源电子标签。详细介绍UHF无源电子标签的组成、内部电路、工作原理及其应用。 第五章是总结与展望。总结了本文所论述系统的实现过程及主要工作，并就当前系统，指出存在的不足与进一步改进的方向。 第2章 自动报站系统 2.1 方案选择 公交车自动报站系统的设计主要是进站、出站自动播报站名及服务用语，站台提前播报公交车信息，准确、及时，并且完全不需要人工介入。下面介绍了两种不同的方案，并将其进行对比。 方案一 将存储有站台信息的电子标签固定在站台上作为站台系统；而读写器安装在公交车上与单片机和语音播报部分构成车载系统，如图2.1所示。公交车上读写器的天线在一定空间范围内发射射频信号，当汽车靠近站台进入读写器的接收范围后，车载读写器接收到站台电子标签的反馈信息，语音播报系统播报本站信息，车门打开，下车乘客瞎扯，站台上的候车乘客上车，公交车驶离本站时，播报下一站信息。 这个方案结构简单，技术成熟，运行成本较低，可以基本满足对公交车辆自动报站的需求；但这个方案也有其固有的缺点：这套自动报站系统只能给车上的乘客播报站台信息，而不能对站台上候车的乘客进行播报，乘客在站台上拥挤、追逐公交车辆的混乱现象仍然没有得到有效解决，另外按照这个方案也不能对公交车进行有效管理，不能对公交车辆进行定位。 图2.1 方案一原理图 方案二 把电子标签贴到公交车上，与单片机、车载LCD和语音播报部分构成车载系统；读写器固定到站台上，与站台语音播报系统、LCD和GSM卡组成站台系统，站台系统通过GSM卡进行组网，构成一个公交控制管理网络，对公交车辆和站台进行综合管理，如图2.2所示。站台上读写器的天线在一定空间范围内发射射频信号，当汽车靠近站台进入读写器的接收范围后，车载电子标签接收到站台读写器发出的站台信息，将站台信息传输给单片机，由单片机控制语音播报系统播报本站信息，同时在LCD上进行显示，公交车门打开，乘客上下车，车门关上后，语音播报系统播报下一站信息；站台系统接收到车载电子标签反馈的车辆信息，通过GSM卡传输给下一站，下一站的站台语音播报系统通知候车乘客车辆马上到达，提醒乘客提前做好上车准备，同时站台LCD上显示车辆的信息。 这个方案较方案一结构更加复杂，功能更加完善，因为站台通过GSM卡进行了组网，公交调度部门可以随时监控每辆公交车的运行，对每辆公交车进行较为精确的定位，同时由于站台可以提前播报公交车信息，乘客能够更加方便地乘车，站台上乘客拥挤、追逐公交车的混乱现象能够得到明显改善，提高公交车运行效率。 图2.2 方案二原理图 经过综合分析，两种方案的主要区别是车载部分和站台部分完全相反。通过对比，方案一技术较为成熟，其方案设计简单，成本较低，性能可靠，基本可以达到公交车自动报站系统的要求，但其功能太过单一，不能满足给站台上候车的乘客的播报，乘客在站台上拥挤、追逐公交车辆的混乱现象仍然没有得到有效解决，另外按照这个方案也不能对公交车进行有效管理，不能对公交车辆进行定位；方案二虽然设计较为复杂，设备运行成本较高，但其理念先进，功能更加齐全，因为站台通过GSM卡进行了组网，公交调度部门可以随时监控每辆公交车的运行，对每辆公交车进行较为精确的定位，同时由于站台可以提前播报公交车信息，乘客能够更加方便地乘车，站台上乘客拥挤、追逐公交车的混乱现象能够得到明显改善，提高了公交车的运行效率，因此选用方案二设计基于RFID原理的公交车自动报站系统。 2.2 系统预期实现的功能 本设计综合利用RFID技术和单片机控制技术，为候车者提供一种可以预报到站公交车的信息的智能交通系统。具有如下功能： （1）准确报站。 （2）普通话报站。 （3）自动识别路线，可识别上下行车辆，准确度高。 （4）可实现在公交车到站之前自动报站。 （5）系统提供语音、文字双重提示，更好地提醒乘客到车情况。 （6）全程自动化，无需人工操作，减轻公交司机的负担。 （7）站台进行组网，随时给调度部门传递公交车信息，精确定位公交车辆。 （8）公交调度部门对公交车进行全程监控。 2.3 系统工作原理 图2.3 系统整体架构 本系统主要由车载系统和站台系统组成。整体系统架构如图2.3所示。 公交车靠近站台，进入读写器的接收范围后，电子标签与读写器进行数据交换，贴在公交车上的无源超高频电子标签被读写器天线发出的无线信号激活，将接收到的读写器发出的站台信息传输给单片机，由单片机进行处理，单片机控制语音系统进行播报，车载LCD显示站台信息，公交车停车后车门开关打开，下车的乘客可以下车，站台上候车的乘客上车，乘客上车完毕，公交车启动，车门开关关闭，语音播报系统播报下一站信息；站台上的读写器接收到电子标签的反馈信息，将这些信息通过GSM卡传输给下一站，下一站的站台LCD显示出此辆公交车的信息，同时站台语音播报系统提醒乘客公交车马上到达，提前准备上车。 2.4 系统的工作模式 本系统采用两种工作模式，分别为自动模式和手动模式。当自动模式出现问题时，可以切换到手动模式进行应急操作，保证系统的正常运行。本次设计采用一个AT89C51单片机作为接收端的控制器。在每个站台上安装无线射频发射装置，信号由读写器天线不断向一定半径范围内发射无线信号；而公交车上则安装主体器件，包括LCD液晶显示模块、无线射频接收识别模块和语音播报模块等。单片机对无线射频接收模块端口进行扫描，当公交车即将到站进入信号范围时，电子标签将接收到的读写器发出的射频信号进行解码，然后送给单片机，单片机识别到后，先调用语音芯片对站台信息进行播报；同时改变LCD显示屏的显示内容，将下一站的站名进行更新；接着车门开关打开，通知到站乘客下车；公交车驶离站台后，信号消失，车门开关关闭。 以下是系统两种工作模式的框图。 图2.4 手动模式的系统框图 图2.5 自动模式的系统框图 第3章 RFID技术原理简述 3.1 RFID系统基本组成及原理 射频识别系统通常由电子标签、读写器、计算机通信网络三部分组成，如图3.1所示。 图3.1 RFID系统基本组成图 1.电子标签(即射频识别卡)：电子标签存储着需要被识别物品的相关信息，通常被放置在需要识别的物品上，它所存储的信息通常可被读写器通过非接触方式读写。它由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。电子标签可分为有源电子标签和无源电子标签。无源电子标签在读写器的响应范围之外是处于无源状态，没有自己的供电电源，只是在读写器的响应范围之内，这类电子标签才会从读写器的射频场中获取能量供数字电路部分使用，电子标签工作所需要的能量是通过电磁耦合单元或天线以非接触的方式传送给电子标签的。有源电子标签具有自己的供电电源，其它电路与无源电子标签基本相同。有源电子标签通常有部分电路处于工作状态，有时被称为处于“睡眠”状态。当耦合的能量超过某一值时，有源电子标签才真正开始工作，这一过程又被称为“唤醒”。在睡眠状态有源电子标签的功耗一般很小，故一个拇指大小的钮扣电池可以保持很长的工作时间。 2．读写器：读写器是无线射频识别系统的主要组成部分之一。读写器也称为阅读器，是可以利用射频技术读写电子标签信息的设备。它读出的标签信息通过计算机及网络系统进行管理和信息传输，也可以把处理完的数据写入标签，因此在无线射频识别系统中有举足轻重的作用。首先，读写器的功率直接影响射频识别的距离，其次，读写器的频率决定了射频识别系统的工作频段。读写器支持的电子标签类型不同与完成的功能不同，读写的复杂程度也是显著不同的。总的来说，读写器主要由控制模块，射频模块和外围电路组成。控制单元协调读写器各功能模块的工作；射频模块和天线实现了和电子标签之间的通信；外围电路由电源电路、时钟产生电路、EEPROM、时间电路、LCD显示、RS232接口、SAM卡接口等功能模块组成。EEPROM作为MCU的扩展存储器，用于存放指令和数据，电源电路、时钟产生电路供给系统正常工作所需的电压和时钟信号：时间电路向系统提供时间信息；LCD是系统的可视接口；RS232实现系统和PC机之间的通信：SAM卡接口使系统可以在对安全性要求高的应用中使用SAM卡。RF模块是RFID系统的核心单元，主要由射频电路和射频芯片构成，可完成与电子标签各种交互功能，包括调制／解调、加密解密、读写、鉴权、加／减等，并具有同MCU的接口。天线的主要参数有：工作频率、方向性增益、频带宽度、波瓣宽、极化方式等。 3．计算机通信网络：常用于对数据进行管理，完成通信传输功能，读写器可以通过接口与计算机通信网络连接，以便实现通信和数据传输功能。一般可通过读写器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接，进行数据交换。 RFID系统的基本工作流程是： 1．读写器通过发射天线发送一定频率的无线电载波信号； 2．当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，电子标签获得能量被激活，并把自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去； 3．系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然后通过计算机通信网络送到后台主系统进行相关处理； 4．主系统根据逻辑运算判断该电子标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，并发出指令信号控制执行机构动作； 5．执行机构按照电脑的指令动作； 6．通过计算机通信网络将各个监控点连接起来，构成总控信息平台，根据不同的项目可以设计不同的软件来完成要达到的功能。 3.2 RFID技术分类 目前国际上还没有统一的RFID标准，RFID厂商都采用自己的标准。可供射频识别卡使用的标准有ISO10536、ISO14443、ISO15693和ISO18000，其中应用最多的是ISO14443和ISO15693，这两项标准都是由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。 按照不同的方式，RFID射频识别卡有以下几种分类： （1）按供电方式分为无源卡和有源卡。无源卡是指卡内无电池，电源主要是利用射频供电技术将接收到的射频能量转化为直流电，其特点是工作距离相对较短，但寿命长，对工作环境要求不高。有源卡是指卡内本身有电源供电，其特点是体积较大、作用距离远，但成本较高、寿命有限，且不适合在恶劣环境下工作。 （2）按载波频率分为低频、中频和高频射频卡。低频射频卡频率主要包括125kHz和134kHz两种，主要用于短距离、低成本的应用当中，如多数的门禁控制、校园卡、货物跟踪等。中频射频卡频率主要为13.56MHz，主要用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。高频射频卡频率主要包括433 MHz、860~960 MHz、2.45GHz、5.8GHz等，可应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，在火车监控、高速公路不停车收费等系统当中有着广泛的应用，其特点是天线波束方向较窄，但价格相对较高。 （3）按调制方式可分为主动式和被动式。主动式射频识别卡用自身的射频能量主动将数据发送给读写器。被动式射频识别卡利用读写器的载波来调制自己的信号，通过散射方式发送给读写器，使用于门禁或交通应用，因为读写器可以确保只激活一定范围内的射频识别卡。但是在有障碍物的情况下，采用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次；而主动式射频识别卡发射的信号仅需穿过障碍物一次，因此主动式射频识别卡主要用于有障碍物的应用当中，它的传送距离更远，有的可达30m左右。 （4）按作用距离可分为四类：a密耦合卡，作用距离最小，一般小于1cm ；b近耦合卡，作用距离一般小于15cm ；c疏耦合卡，作用距离约为1m左右；d远距离卡，作用距离可从1m-10m，甚至更远。 （5）按芯片类别可分为只读卡、读写卡和CPU卡。 3.3 RFID系统的频率划分 鉴于上述的应用需求，国际标准ISO/IEC18000标准推荐的RFID应用频率包括低频（LF）125-134kHz、高频（HF）13.56MHz、超高频（UHF）860~960MHz、微波（MW）2.45GHz和5.8GHz。应用频率范围见表2.1。每种频率都有它的应用特点，分别用于不同领域。 表2.1 ISO/IEC18000标准系列推荐的RFID系统频率范围 标准号 频率范围 频点数 18000-2 135kHz以下 多频点 18000-3 13.56MHz 单频点 18000-4 2.45GHz 多频点 18000-6 860~960MHz 多频点 18000-7 433MHz 单频点 对于HF频段的125kHz、13.56MHz以及UHF频段的2.45GHz的RFID设备，由于频段属于国际上通用的工业、科研、医疗频段，所以这些设备在世界大部分国家和地区的应用频段基本一致。 而对于在零售、供应链管理等行业应用广泛的UHF频段，由于这一频段在世界各国的频率规划各不相同，所以目前应用于这一频段的RFID设备的应用频率存在一定差异。目前世界主要国家或地区在这一频段对RFID业务所做的频段规划见表2.2。 表2.2 900MHz频段RFID业务的频率规划表 国家 RFID业务频率范围（MHz） 美国及加拿大 902~928 欧洲 865~868 澳大利亚 918~926 日本 950~960 韩国 908.5~914 新加坡 866~869,923~925 香港 865~868,920~925 在国内，除了低频段外，信息产业部无线电管理局于2007年4月23日发布了《关于发布800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用试行规定的通知》，规定800/900MHz频段RFID技术的具体使用频率为840~845MHz和920~925MHz，技术规定见表2.3。 表2.3 800/900MHz频段RFID技术规定 频率范围（MHz） 发射功率（e.r.p） 840.50~844.50 920.50~924.50 2 W 840~845 920~925 100 m W 3.4 RFID器件的选择 本方案设计思想是：在公交车上安装电子标签，在站台上安装读写器。当公交车到达站台时，读写器天线发出射频信号射到电子标签上，标签获得读写器内的站台信息，由语音播报系统进行播报，完成读取过程之后，标签内公交车的信息传回读写器，并经GSM卡发送到下一站台，播报本次公交车信息。 因此在本文中，需要综合考虑系统的运行环境：公交车在站台处没有固定的运行路线，而且经常需要躲避其他车辆，所以有时车载标签会与站台上的读卡器有较大距离，因此需要选用一种有效识别距离较大的射频识别卡，超高频和微波频段的射频识别卡都可以满足此要求；另外，射频识别卡需要固定在站台上，需要长期经受水、灰尘等的污染，工作环境较恶劣，并且射频一经安装，不能经常进行维护。 所以对RFID系统的要求是：无源标签，低功耗，远距离作用（1-10m），标签一次写入多次读出，读出速率较快，可抵御水、噪声、震动等干扰。 器件选择具体要求如下： 1. 选用智能读写器 智能读写器可以读取不同频率的标签，同时还具有过滤数据和执行指令的功能。 2.频率 由于UHF超高频电子标签（工作频率是900MHz），有效识别距离远，工作性能好，水、油和金属等对它影响很小，因而在公交车行驶中有较好的性能。 3.固定读写器 公交车站和公交车上人流量大，采用固定读写器，安装在金属盒子里，可以防止受损，免受各种损害和灰尘的污染。 4.天线 在固定读写器上安装内部天线，因为具有内部天线的固定读写器的优点是容易安装，信号从读写器到天线的传输中衰减也较小。 5.电子标签的选择 （1）无源式：无缘标签内部不需要电池提供电源，作用距离较近，但是寿命较长，并且对工作环境要求不高； （2）被动式：在读写器发出查询信号触发后进入通信状态，它使用调制散射方式发射数据，利用读写器的载波来调制自己的信号，主要应用在门禁和交通应用中，符合设计要求。 6.标签天线的选择 根据射频识别系统的要求，电子标签的天线必须具有以下的性能： （1）体积足够小，可以嵌入到本来就很小的电子标签上； （2）有全向或半球覆盖的方向性； （3）无论电子标签处于什么方向上，天线的极化都能与读写器的查询信号相匹配； （4）给标签提供能量，并能够提供最大可能的信号给电子标签； （5）作为损耗部件的一部分，天线的价格必须非常便宜。 考虑到天线的阻抗、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响，为了以最大的功率传输，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗相匹配，因此在电子表情中不应该使用全向天线，而应该使用方向性天线。方向性天线具有更少的辐射模式和更少的返回损耗干扰。综合以上电子标签对天线的要求，可以选择微带面天线，其模式类型为方向性，自由空间带宽为2%~3%，尺寸为0.5*0.5波长，阻抗为30~100Ω。 由于射频识别系统中电子标签的方向性是不可控的，多以读写器的天线必须是圆极化的。 鉴于以上考虑，UHF频段的无源射频识别卡能够满足本系统的需求，它的读取距离可达10m以上，工作稳定可靠，能够抵抗恶劣环境，而且本身不需要电源，可长时间工作而不需要维护。目前国内外生产UHF无源电子标签的公司很多，其中摩托罗拉公司生产的一种900MHz的电子标签性能比较突出。下面介绍一下这一种电子标签的相关技术参数： 采用跳频工作模式，具有超强抗干扰能力，用户可自定义读写标准数据，使专门的应用系统效率更加快捷，识读距离可达10米以上。1024Bits内存容量，全球唯一64Bits ID号，超宽工作频段设计，既符合相关行业规定，又能进行灵活的开发应用，可同时读写多个标签（多达50个/秒以上），而不受工作区内标签数量的限制和影响，928Bits存储区供用户进行加密读、写、擦除再写操作，还开辟指定用户专用的永久专用字区。无源卡设计，无需电池，内存可反复擦写100,000次以上，有效使用寿命达十年以上，性价比更高。 技术参数表 工作频率 国标（920~925MHz），美标（902~928MHz）或定制其他频段跳频或定频工作 支持协议 ISO18000-6C（EPC GEN2） 读写距离 8m 卡内存容量 EEPROM总共1024Bits，其中96 Bits用作系统参数，在出厂时作为ID号及分销流通管理数据，已锁闭无法更改，可编程内存容量928 Bits为用户应用开发区，可根据需要进行分字节格式化功能和锁闭读写操作 标签基层材料 ABS封装 标签读写 读取单个标签内存EEPROM数据 平均每32 Bits读取最小耗时约1.4ms；写入时平均每32 Bits最小耗时30ms 标签抗干扰性能 采用防冲突通讯协议；有效的二进制树形防冲突机制，不受工作区内标签数量的限制和影响，每秒可有效识读50个以上标签 工作环境 工作温度：-40℃~65℃ 存储温度: -55℃~100℃ 超过FCC Part15环境下的安全操作距离在50cm以上 重量 150g 产品尺寸 86（H）*55（W）*2（T）mm ST-1标签的相关参数 外形 产品特性 标签轻薄、安装方便。非接触数据传输、无需电池、读取距离远。适用于人员管理、物流管理、车辆管理。 卡内存容量 64位（8字节）标签ID号，216字节用户数据存储器 尺寸 85.6mmx54.0mmx1.0mm 温度 工作温度：-10℃~50℃ 存储温度：-20℃~60℃ 湿度 95%结露 频率范围 902~928MHz 最大读取距离 使用合适的天线，读取距离可达7m以上 写入距离 写入距离约为有效读取距离的70% 极化 线性、水平 防碰撞协议 高效、二进制树形防碰撞算法 存储单元 64位（8字节）标签ID号：只读特性，全球唯一，内部地址为0~7；216字节用户数据：用户可按字节随意读、写和锁定（锁定之后将不可改写），内部地址为8~223 读写速率 1. 10ms内读取8个字节标签数据 2. 10ms内锁定1个字节标签数据 3. 25ms内写入1个字节数据到标签 使用寿命 无限次读取标签数据，10万次以上写入标签数据 标准 完全符合ANSI/INCITS 256-2001 标准 完全符合ISO18000-6B标准 可使用符合ANSI/INCITS 256-2001 标准或符合ISO18000-6B标准的阅读器对标签进行操作 第4章 UHF无源电子标签 有源RFID系统由于标签需要电池来进行供电，体积较大，寿命有限，而且成本十分昂贵，这就大大限制了RFID系统的应用范围，但有源RFID系统识别距离较远，可达30米。无源RFID系统无需电池供电，因而标签体积非常小，也可以按照用户的要求进行个性化封装，无源RFID标签理论寿命无限，价格低廉，但是识别距离比有源系统要短。因此，我们可以预言，随着超高频RFID技术的发展，无源RFID将会得到更加广泛的应用。 4.1 UHF无源电子标签内部电路 无源电子标签本身无电源模块，而是由阅读器天线发射出的电磁场激发出能量供给电子标签内部电路工作的。其基本结构如图4.1所示： 图4.1 UHF无源RFID标签的结构 1 倍压整流电路 倍压整流电路将RFID标签天线接收到的超高频交流信号经过整流、升压稳压等操作后转变成直流电压为标签的工作提供能量。倍压整流电路决定了标签的读取距离和感应灵敏度，是整个电子标签的重要组成电路。常用的倍压整流电路的结构如图： 图4.2 倍压整流电路 设输入电压为Um，后端电路上部为正，下部为负。当交流输出电压为正半周时，D1导通，D2截止，电源对C1充电，充至最大值Um，并基本保持不变。当交流电输出电压为负半周时，D1截止，D2导通，Um与C1上半个周期储满的电压值Um同极叠加，形成电压串联同时对C2充电。很明显，C1不会将自身储存的电压Um一次性转移给C2，而只会在每个周期一点一点的放电给C2，经过无限长的时间后，C2上的电压才会达到2Um。 经过2n个半周期之后，由基尔霍夫定律和电荷守恒定理推导出负载R上的电压值的表达式如下： UR(t2n+0)=2[1-( )n]Um （4.1） 如上面的计算分析，经过若干周期之后，C2的电压基本上就是2 Um。C1越大，C1向C2转移的电荷越多；当C1》C2时， ≈0，UR(t2n+0)≈2 Um ，负载电阻R的输出电压就会瞬间倍压到2 Um ，所以我们选用的C1应尽可能地大，C2尽可能的小。 由此可以推导，N级倍压整流电路的能量是由前逐级向后传递，每经过半个周期就像后级传递一步。经过足够长的时间，最后一级的电容上的电压才为理论上的最终输出电压Uout=N Um。 2 电源稳压电路 由于RFID标签所处的电磁环境很复杂，输入信号的功率会在短时间内变化几百上千倍。所以，在输入信号幅度较高时，电源稳压电路必须能够保证输出地直流电源电压不超过芯片能够承受的最高电压；同时，在输入信号较小时，稳压电路所消耗的功率要尽量小，以减少芯片的总功耗。 图4.3 电源稳压电路 图4.3中所示的是一种并联型稳压电路，三个串联的二极管D1、D2、D3与电阻R1组成电压感应器，控制泄流管M1的栅极电压。当电源电压超过三个二极管开启电压之和后，M1栅极电压升高，M1导通，开始对储能电容C1放电。 3 调制电路 无源UHF 电子标签一般采用无源反射的调制方法，通过改变芯片输入阻抗来改变芯片与天线间的反射系数，从而达到调制的目的。一般设计天线阻抗与芯片输入阻抗使其在未调制时接近功率匹配，而在调制时，使其反射系数增加。从原理上讲，无源反射调制技术就是将一入射的连续波射频信号进行调制，然后再将这个已调制的射频信号反射出去，从而完成信息传递功能。其原理图如图 4.4所示，射频询问器的天线将 RF 源产生的连续波辐射出去，射频识别卡天线接收到这一连续波，经调制器调制后，再将这一调制波辐射出去，射频询问器天线接收到这一调制波后，经解调译码，就得到了识别卡的信息或数据。 图4.4 无源反射技术原理图 4 解调电路 出于减少新品面积和功耗的考虑，目前大部分无源RFID标签均采用幅移键控法ASK调制。当读写器向射频识别卡写入数据时，读写器的发射调制为ASK信号， 射频识别卡天线接收到此信号后，经解调电路解调得到所要写入的数据，并把它存入识别卡的存储器中，从而完成了信息的写入。信息的写入过程实质上是信息的解调过程。对于标签芯片的ASK解调电路，常用的解调方式是包络检波的方式，如图4.5所示。 图4.5 ASK包络检波解调电路 检波器件的内部有两个肖特二极管，图4.5虚线部分，一个二极管的正极与另一个二极管的负极连接在一起作为检波电路的输入端。来自天线的高频能量经过微带传输线至检波电路，在A点接二极管D1正极和D2负极，正半周信号经D1在B点电容器C1上充电， 负半周信号经D2在C1上反向充电，只要高频输入电压超过电容器C1上的电压，电容器就处于充电状态，而当高频电压由最大值下降到小于电容器C1上的电压时，电容器处于放电状态。这样通过电容器的充放电过程，从而实现了信号的解调。 4.2 UHF 频段 RFID 系统原理 UHF 频段 RFID 系统工作频率为 840~930MHz，与其他频段的 RFID 系统相比，系统的组成、基本原理和协议都有很多独特的地方。 一个射频识别系统主要由以下三个部分组成：标签、读写器和控制装置。如图4.1所示，标签包括天线、收发机和存储器三部分；读写器包括数字电路、射频电路和天线三部分；控制装置一般为计算机。 图4.1 射频识别系统的组成框图 标签是射频识别系统真正的数据载体，由耦合元件以及微电子芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。依据标签供电方式的不同，可以分为有源标签(Active Tag)和无源标签(Passive Tag)，有源标签内装有电池，无源标签内部没有电池。UHF频段的RFID系统中，一般采用无源标签，且标签的耦合元件是印刷的振子式天线。无源标签只有在阅读器的响应范围之内，标签中的微电子芯片才被激活。标签工作所需的能量，如同时钟脉冲和数据一样，是通过读写器上的天线以非接触的方式传输给标签的。 图4.2 无源电子标签 一台典型的读写器包含有射频电路(发送器和接收器)、数字电路以及与标签连接的耦合组件(天线或线圈)。读写器的作用是，在数字电路的控制下，通过耦合组件发射和接收来自电子标签的无线电信号，经处理后获取标签数据信息，具有写入功能的还可以修改标签内的信息。UHF 频段 RFID 系统中，由于工作频率较高，射频电路和数字电路的设计和其他中低频系统是不同的；另外，耦合组件只能采用天线形式。读写器还都有附加的接口 (RS232、USB 等)，以便将所获得的数据进一步传输给控制系统或数据网络，如图4.3。 图4.3 RFID 读写器示例 RFID 的控制装置根据应用场合的不同而不同，比如：计算机(网络)、数字按键面板等。控制装置属于系统的最高通信层，是人机交互的接口。 下面根据图 4.1，以本课题研究的900MHz RFID 系统为例，简要介绍一下基本工作过程。 当装有标签的物体进入读写器的有效范围之内时，读写器受控发出的查询信号就会被标签的天线所接收，并将其能量转化为标签内芯片的电源电压，标签内的芯片由此被激发为工作状态；芯片中的收发机对查询信号进行识别，并根据读写器的指令对存储器进行读写动作；然后，收发机将查询信号与标签内已存储的数据信息合成一体，通过天线，反射回读写器。反射回来的微波合成信号，已携带有电子标签数据信息。读写器通过天线接收到电子标签反射回的微波合成信号后，经读写器内部射频电路解调，再经过数字电路的处理后即可将电子标签贮存的识别代码或操作反馈等信息读取出来，并传输给控制装置。控制装置再根据已读取的信息控制读写器对标签进行读写。 4.3 无源电子标签的主要应用 无源电子标签的主要技术优势有无需电源、可抵抗恶劣环境、使用寿命长、读取方便快捷、识别速度快、数据容量大、标签数据可动态更改、具有更好的安全性、可动态实时通信等，目前已经广泛应用于商业自动化、交通运输控制管理、工业自动化、物流等诸多领域。 图4.4 RFID在各个领域的应用 （1）航空行李分拣 对于航空工业，每天要处理上百万个乘客和托运行李，并将他们安全准时地运送到目的地。将电子标签运用到航空包裹的追踪和管理，确保航空公司对乘客和托运行李都能够进行追踪管理和确认，使乘客和托运行李安全准时地到达目的地得到了保证。RFID系统可以简单地整合到现有的行李标签、办理登机手续的打印机和行李分类设备中去。该系统能够自动地扫描行李，而不管行李的摆放方向和是否叠放。 通过现场的试验证明，RFID系统比现有的条形码系统更安全可靠。RFID智能标签更适合航空业的原因包括： ​ 可以方便的接入到现有的启程控制系统(DCS)和 行李包裹管理系统 (BRS), 并可以和现有的条码系统结合在一起 ​ 在没有增加现有标签的尺寸的情况下增加了数据存储容量 ​ 可以携带一些包裹原始资料信息（BSM）中的一些关键信息，以便于不需通过中心数据库就可对包裹进行相关的操作 ​ 可以简单的整合到现有的包裹标签打印机中，而无需增加额外的设备 ​ 运用电子标签可以在运送过程中节省一些额外配备的花费 在这一方面，英国航空公司全面采用行李标签后取得了很好的效果。 在1999年，英国航空公司全面采用Tag-it智能标签在希斯罗（Heathrow）机场到曼彻斯特机场和德国慕尼黑机场的航线上对75000个包裹进行了测试。同时和TI配合的厂商包括: Ultra Electronics、 IER、 Genicom 和 Sihl。 该试验充分的证明了采用Tag-it智能标签系统在包裹分类系统中对包裹的识别 和追踪管理的效能。英国航空公司为了推广该项技术，公开了全部试验数据给其他的航空公司和国际标准组织。 通过该项试验，国际空中运输协会（IATA）投票正式通过了13.56 MHz RFID ISO/IEC 15693 标准，并将该标准推荐作为旅客行李包裹电子识别的标准。 （2）停车场智能化管理 停车场管理系统采用射频读卡技术，用户持特定的感应卡进出停车场，使用感应卡读卡器来分辨停车场的用户，停车场收费，月租卡的发售及临时卡的授权均由收费电脑完成，可自动调用每一车辆的进场时存入的数据及出场时存入的数据，并自动计算出收费金额，实现真正的智能化管理。而且系统用视窗操作，中文菜单显示，使用者能轻易掌握可用此系统的操作。驾驶员无需停车，系统自动识别车辆，完成放行（禁止）、纪录等管理功能。节约进出场的时间、提高工作效率，杜绝管理费的流失。 （3）生产线的自动化管理 应用RFID技术可以实现工业生产流水线的自动控制和质量监管，从而大幅提高生产线的效率，保障产品质量，改进生产方式，节约成本。例如，德国宝马汽车公司在装配流水线上采用射频标签，实现了用户定制汽车的大量生产。宝马汽车的生产是基于用户提出的要求式样而生产的：用户可以从上万种内部和外部选项中选定自己所需车的颜色、引擎型号还有轮胎式样等要求，这样一来，汽车装配流水线上就得装配上百种式样的宝马汽车、如果没有一个高度组织的、复杂的控制系统是很难完成这样复杂的任务的。宝马公司就在其装配流水线上配有RFID系统，他们使用可重复使用的射频卡，该射频卡上可带有详细的汽车所需的所有要求，在每个工作点处都有读写器，这样可以保证汽车在各个流水线位置处能毫不出错地完成装配任务 （4）货物储存管理 利用以RFID为基础的电子标签可以大大提高货物运输、入库、库存清点的效率，同时，还能起到货物防盗的作用。由于电子标签不是必须“看到”才能读取商品信息，这大大节省了商品处理的效率和准确性，商品通过配送中心的门口时即由安装在门上的RFID解读器自动完成盘点，并由网络将数据传输到供应链管理系统中。即使在货物运输当中，通过RFID解读器也能够得到实时货物的信息，判断货物是否遗失。同时，电子标签的使用可以使企业能够快速、准确地了解自身的库存水平，防止由于货物的耗损和统计差错而可能招致的缺货。 （5）商品零售 RFID技术使得合理的产品库存控制和智能物流技术成为可能。电子标签可以准确地提供商品的品名、产地、型号、规格、价格、供应商、销售商、采购日期、运输、仓储、配送、上架、保质期等数据信息。安装了RFID读取器的智能货架会扫描货架上摆放的商品，若是存货数量降到偏低的程度，就会通过计算