通信工程毕业设计(论文)-RFID防冲撞算法设计.doc
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1、1 南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计(论文) 学院(系):计算机与信息工程学院 专 业: 通信工程 学 生: 指导教师: 完成日期 2012 年 4 月 2 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计(论文)计(论文) RFID 防冲撞算法设计 学 院(系): 计算机与信息工程学院 专 业: 通信工程 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师(职称): 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 2012 年 4 月 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 3 RFID 树冲碰撞算法设计 【摘要】射频识别技术 RFID 是目前正快
2、速发展的一项新技术,它通过射频信 号进行非接触式的双向数据通信,从而达到自动识别的目的。 随着 RFID 技术的发展,如何实现同时与多个目标之间的正确的数据交换, 即解决 RFID 系统中多个读写器和应答器之间的数据碰撞,成为了限制 RFID 技 术发展的难题,采用合理的算法来有效的解决该问题,称为 RFID 系统的防碰撞 算法。在各种算法当中,二进制树算法因为它识别应答器的确定性,成为了应 用最广泛的一种,多个国际标准均对其进行了规定,这推动了防碰撞算法的发 展,全文针对 RFID 系统二进制树防碰撞算法,进行了理论与实践方面的探讨, 主要是二进制树算法的理论研究,将现有的二进制树算法进行了
3、归纳,汇总为 基本算法,动态算法,退避式算法三类,阐述了各个算法的思路,对其进行了 性能评价; 【关键词】:射频识别;防碰撞算法;读写器;应答器; Abstract RFID is anewly developed technology which communicates through the non-contact RF signal,so as to achieve objective automatic identification Along with the development of RFID technology,how to realize Data Exchange a
4、ccurately among Multiple Targets at the same time becomes the key problem of RFID technologyRFID anti-collision algorithm is the solution to the above mentioned problemsIn all the algorithms,binary algorithm is most widely used as an international standard fbr its exactness ofidentincationInternatio
5、nal standards have put forward manyregulations on binary algorithmIt promotes the development of anti-couision algorithm,this paperprobes into the RFID systembinary prevent collisionfrom the perspectives ofboth theory and practiceIt aspects:theoretical researchon binary algorithmIt sums up all thebi
6、nary algorithms in being and gather to three categorys suchas basic algorithm, dynamic algorithm and back off algorithmMoreoVer,it expounds the idea of the various algorithms and evalues their performance. Key Words:RFID;Anticollision;ReadWrite DeVices;Transponders 4 目 录 1 1 引言引言6 6 11 RFID 技术简介 6 1
7、2 RFID 系统 6 121 RFID 系统组成6 122 RFID 系统分类7 123 RFID 系统工作原理8 13 RFID 技术现状及其发展 8 131 RFID 技术应用 .8 132 RFID 标准统一化9 133 RFID 防碰撞算法9 14 课题提出的背景及其意义 .9 15 本文的主要工作 10 2 2 现有现有 RFIDRFID 二进制树防碰撞算法二进制树防碰撞算法1111 21 RFID 防碰撞算法概述 .11 22 RFID 二进制树防碰撞算法概述 .11 221 基本概念11 222 性能指标12 223 算法分类13 23 基本二进制树防碰撞算法 14 231 算
8、法思路14 232 实例演示15 233 性能评价17 24 动态二进制树防碰撞算法 19 241 算法思路19 242 实例演示21 243 性能评价22 25 退避式二进制树防碰撞算法 22 251 算法思路22 252 实例演示24 253 性能评价25 26 本章小结 25 3 3 改进型二进制树防碰撞算法改进型二进制树防碰撞算法2525 31 涉及二进制树算法的国际标准 25 311 IS0 15693 25 312 IS014443 .26 32 IS014443 标准二进制树防碰撞算法 .27 321 基本概念27 5 322 算法思路28 33 改进型二进制树防碰撞算法 32
9、331 改进方向32 332 基本概念32 334 实例演示37 34 本章小结 39 4 4 FPGAFPGA 实现改进型二进制树防碰撞算法实现改进型二进制树防碰撞算法 4040 41 FPGA 技术 .40 411 FPGA 简介.40 412 FPGA 设计流程.40 413 FPGA 设计工具.42 414 FPGA 设计语言.45 415 TestBench 验证平台45 42 RFID 系统中的防碰撞模块 .46 43 FPGA 实现算法流程 .46 44 曼彻斯特解码模块 47 45 命令处理模块 50 451 请求命令处理50 452 防碰撞命令处理51 453 选择命令处理5
10、3 454 去选择命令处理53 46 命令选择模块 53 47 数据存储模块 55 48 密勒编码模块 56 49 模块连接 57 410 本章小结.58 结论结论5858 致谢致谢6262 6 1 1 引言引言 1 11 1 RFIDRFID 技术简介技术简介 自动设备识别技术是目前国际上发展很快的一项新技术,英文名称为 Automatic Equipment Identif ication,简称 AEI,它通过一些先进的技术手 段,实现人们对各种设备在不同状态下的自动识别和管理【ll】 。 目前,RFID 的应用还停留在封闭市场(应用相对独立,对统一标准的要求 相对较低) ,诸如交通、车辆
11、管理、身份识别、生产线自动化控制,仓储管理及 物资跟踪等。 在高速公路收费及智能交通方面,香港“驾易通”和广东“粤港通”采用 的就是射频识别技术。装有射频标签的汽车能被自动识别,无须停车缴费,大 大提高了行车速度和效率。虽然我国很多地区告诉公路都采用了射频卡,但是 大部分还是应用人工停车收费的方式。利用射频识别技术的不停车高速公路自 动收费系统是将来的发展方向,人工收费包括 IC 卡的停车收费方式也将被淘汰。 在货物的跟踪,管理及监控方面,澳大利亚和英国的西思罗机场将射频识 别技术应用于旅客行李管理中,大大提高了分拣效率。在几年前,欧共体就要 求从 1997 年开始生产的新车型必须具有基于射频
12、识别技术的防盗系统。而我国 铁路行包自动追踪管理系统还只是在计划推广之中。 在射频卡应用方面,1996 年 1 月韩国就在汉城的 600 辆公共汽车上安装了 非现金结算,方便了市民的出行。而德国汉莎航空公司则开始试用射频卡作为 飞机票,改变了传统的机票购销方式,简化了机场人关的手续。在我国,射频 卡主要应用于公共交通、地铁、校园、社会保障等方面。上海、深圳、北京等 地陆续采用了射频公交卡。在未来的几年里,我国射频卡应用最大的项目将是 第二代公民身份证。 总体而言,我国射频识别技术应用状况还处于初级阶段,市场前景非常广 阔。不久的将来,我国射频识别技术应用将在生产线自动化,仓库管理,电子 物品监
13、视系统、货运集装箱的识别以及畜牧管理等方面有所突破。实现射频识 别技术在我国成熟,全面应用将是以个长期的过程。 自从上世纪九十年代以来,RFID 技术快速发展,得到了广泛的应用,进入 新世纪后,各个国家,组织还有企业都加大了对 RFID 技术的投入,生产了大批 相应的产品,在多个领域有了成功的应用案例。RFID 被誉为二十一世纪的十大 战略性产业之一,可以预想,未来 RFID 技术的发展空间是无限广阔的。 1 12 2 RFIDRFID 系统系统 1 12 21 1 RFIDRFID 系统组成系统组成 根据实际应用环境,RFID 系统结构有多种不同分法,一般来说,一个典型 RFID 系统包括三
14、个部分:前端信息载体,数据交换环节,后端应用环境【3】 。 7 在具体应用中,前端信息载体有多个名称,如标签(Tag),智能标签(Smart Labels),射频卡(RF Card)等,本文建议采用应答器(Transponder)这种更具普 遍意义的说法。在 RFID 系统中,应答器放置在待识别的物体上,它内部存储的 信息表征着该物品的独一性。通常来说,应答器由耦合元件和微电子芯片组成, 主要电气性能为工作频率,读写能力,数据传输率,信息数据存储量,防碰撞 能力,信息安全性能等,应答器的分类也是以这些性能为依据的,例如根据存 储器可将应答器分为 EEPROM,FROM(铁电存储器),SRAM(
15、静态随机存储器),根 据信息注入方式可分为集成电路固化,现场线改写,现场无线改写,根据电源 供给方式分为无源,半无源,有源。由于在 RFID 系统中,应答器是大规模生产 的。应答器的典型产品有 TI 公司的 6000 系列,Philips 公司的 ICODE 等。 数据交换环节即 RFID 系统中的读出写入设备,它是系统的核心部件,是后 端应用环境和前端信息载体的数据通道,在实际应用中,往往被称为查询器, 扫描器,阅读器,编程器等,本文建议采用读写器(ReadWrite Device)这种 更具普遍意义的说法,这样既包括了从应答器中读出信息,同时也包括了向应 答器中写入信息。根据天线与读写器模
16、块的分离与否,读写器可以分为分离式 和集成式,但无论哪种读写器,其基本结构都是类似的,从硬件部分来说,典 型的读写器由三块组成:射频通道模块,控制处理模块,天线。 后端应用环境主要完成数据信息的存储及处理,它实质上就是一个数据管 理系统,也是一个全局控制系统,一般由 PC 机或者工作站组成,同时也包括了 应用软件在内,整个后端应用环境负责接收来自读写器的数据,并进行存储以 及相应的处理,协同调节多个读写器的工作,该部分在应用中常称为中间件 (Savant),它扩展了 RFID 系统的应用范围和应用能力,是未来 RFID 系统智能 化,大型化发展的有力技术支撑,是 RFID 技术发展的重要方式。
17、微软公司近年 来也介入了 RFID 技术领域,所瞄准的就是 RFID 系统后端应用的相关软件和服 务。 综上所述,一个典型的 RFID 系统的组成如图所示: 图 1.1 RFID 系统组成 8 1 12 22 2 RFIDRFID 系统分类系统分类 RFID 系统依据不同的标准,可以分为很多类别,各个不同的 RFID 系统, 在工作方式和应用范围上,有着各自不同的特点,在应用时要根据实际需要来 选择。几种典型的分类方式如下所示: 根据作用距离的远近,RFID 系统可以分为如下三个方面: (1)密耦合:典型的作用范围为 0lcm。 (2)遥耦合:典型的作用范围为 lcm1m。 (3)远距离系统:
18、典型的作用范围为 l10m。 根据工作频率的大小,RFID 系统可以分为如下四个方面: (1)低频:30300KHz,典型应用为 134KHz。 (2)高频:330MHz,典型应用为 1356MHz (3)超高频:300MHz58GHz,典型应用为 24G。 (4)混频:多个频率的混合使用,典型应用为 134KHz+430MHz。 根据应答器供电方式,RFID 系统可以分为三个方面: (1)无源系统:由读写器负责给应答器供电。 (2)半无源系统:应答器内的电池仅做辅助作用。 (3)有源系统:应答器内置电池负责供给工作电压。 1 12 23 3 RFIDRFID 系统工作原理系统工作原理 RFI
19、D 是一门多学科综合技术,涉及到电磁场理论,数字电路,模拟电路, 无线电广播,通信原理等多方面知识 RFlD 系统中,读写器将要发送的信号调制 到载波上,经由射频通道,通过天线发送出去,应答器上的电压根据载波的变 化而变化,将该电压信号进行整流和滤波后,得到解调后的数据,这是下行链 路的过程,应答器传输的数据的变化控制应答器天线上负载电阻的通断,从而 促使读写器天线上电压的变化,从而实现了数据的上行链路传输。在数据的双 向传输过程中,是通过电磁场的相互感应来实现的,该过程也可以用变压器的 模型来予以参考。同时,根据 RFID 系统的不同,在供电方式上有无源或者有源, 调制方式上有幅度调制或者相
20、位调制,数据读取上有电感耦合或者反向散射等 区别【5】 。 1 13 3 RFIDRFID 技术现状及其发展技术现状及其发展 1 13 31 1 RFIDRFID 技术应用技术应用 做为一种新兴的自动识别技术,RFID 近年来发展很快,在国内国外都取得 了广泛的应用,主要体现在以下几个领域【6】 。 (1)物流管理 物流管理是 RFID 技术最具应用前景的领域,近年来提出了一个物联网的概 念,意在将全球所有的物品信息都用唯一的电子代码来表示,从而将这些物品 都联系在一起,可以随时随地的识别,追踪,管理这些物品,最终在产品,用 9 户,企业和政府之间建立但是该应用涉及到的方面太广,技术难度很大,
21、目前 还在研究当中。 (2)身份识别 利用 RFID 技术,将应答器嵌入到身份证,护照等各种证件当中,甚至植入 动物皮毛,用来跟踪和识别目标。这方面应用的典型例子是我国目前实行的二 代身份证,它基于 ISOIEC 14443 标准定义的 TYPE B 类型卡。RFID 在身份识 别方面的主要问题是频段的局限性,一般使用的是 l35KHz 和 1356MHz 的工作 频率,这是因为过高的频段容易带来对人体有害的电磁辐射。 (3)防伪应用 应答器在防伪应用中有识别快速,伪造难,成本低等优点,再加上安全认 证和加密功能,就可以大大提高伪造的难度和成本,同时,在识别的时刻,可 以通过读写器的快速阅读功
22、能,在瞬间得出所有物品的信息,并加以记录和处 理。目前在日本和欧洲已经有了类似的应用。 (4)交通管理 交通管理是 RFID 最先应用的领域,目前已经拥有了成熟的技术,它利用了 应答器便捷快速识别,可靠性高,安全性强的特点,目前主要应用范围是电子 车票,高速公路收费等方面,在我国深圳,基于 RFID 技术的高速公路收费系统 已经得到了成功的应用。RFID 技术的应用远不止以上提及的四个方面,它在诸 如生产线自动化管理,门禁系统,新生婴儿防错管理,地理信息标识等多个方 面都有着广泛应用,可以毫不夸张的说,RFID 技术有着良好的发展前景,它孕 育的经济效益将是超乎想像的。 1 13 32 2 R
23、FIDRFID 标准统一化标准统一化 RFID 最初是各个厂家在各自的独立标准下开发出来的,缺乏统一的规范, 因此制约了该项技术在大规模系统中的应用,随着 RFID 技术的发展,参与到其 中的国家,组织,企业也越来越多,目前形成了国际标准化组织 ISO,泛在 ID 中心 UID,全球电子产品代码管理中心 EPC 三大标准体系,这些标准涉及到 RFID 系统的物理结构,通信协议,防碰撞算法,应用系统接口协议等等多个方 面的内容,它们针对不同的频率,基于不同的工作原理,甚至在同样的应用背 景下也有着巨大的协议上的区别。而要建立一个全球互联的 RFID 产品网络,实 现 RFID 技术的飞跃发展,就
24、必须解决标准不统一的难题,近年来,随着 RFID 技术的应 用越发广泛,有识之士都意识到并着手解决这个问题,但是 RFID 本身的技术难 度,以及标准带来的经济利益的冲突,使得该目标实施起来非常困难。由此可 见,标准统一化问题的重要性与困难性是并存的,这将是一个任重而道远的过 程。 1 13 33 3 RFIDRFID 防碰撞算法防碰撞算法 随着 RFID 技术的发展,多目标识别成为了一个很重要的应用方向,特别在 目标跟踪,物品识别,访问控制等操作中,利用 RFID 技术,对附着在不同目标 上的应答器快速可靠的进行识别,从而大大提高了定位的精确度,管理的自动 10 化促进了整个产业链的发展。因
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