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1、 天津电子信息职业技术学院课 程 设 计课题名称 无源RFID人员检测系统设计姓 名 张义凯 学 号 21 班 级 电信S10-1 专 业 电子信息工程技术 成 绩 完成日期 2012-5-20 无源RFID人员检测系统设计摘要射频识别技术(RFID)，是从20世纪80年代发展起来的一项自动识别技术，是无线电技术在自动识别领域中的具体运用。近年来，RFID技术的研究和应用在世界范围内得到了快速发展。RFID系统按照工作频率可分为低频、高频、超高频和微波等系统，其中，低频和高频RFID技术在当前应用已经比较成熟，而超高频和微波RFID技术具有识别距离远、识别速度快、识别准确率高、抗干扰能力强、使
2、用寿命长、可穿透非金属材料等特点，在高速公路车辆自动识别、自动收费系统、城市交通管理、铁路车辆识别、物流、仓库管理等广阔的场合有着巨大的市场和应用前景。目前，UHF频段RFID技术正成为各国研究的重点和热点，可以预计，在未来的几年中，UHF频段射频识别技术将持续保持高速发展的势头。我国在UHF射频识别技术上尚处于起步阶段，特别是在UHF频段的读写器技术上还没有形成真正有竞争力的自主产权的核心技术，而在无源RFID在物联网中的研究和应用，更是和国外的差距很大。关键词：射频识别，UHF，无源RFID，读写器目录一、绪论41.射频识别技术简介42.内外RFID技术的研究与发展43.RFID技术标准概
3、述54.课题的研究意义65. 论文内容和结构7二、UHF频段总体设计方案71. 本项目开发流程72 UHF频段无源RFID读写器系统结构框图83. RFID射频收发模块芯片的选型84.射频收发芯片选择85.微控制器芯片选择9三、结论与展望10一、绪论1.射频识别技术简介 识别技术，英文全称是Radio Frequency Identification，简称RFID技术。RFID技术是利用无线射频方式进行非接触双向通信，自动识别目标对象并获取相关信息数据的无线通信技术。 RFID技术可实现对运动目标的快速识别和多目标识别，识别的距离可达几十厘米至几十米；根据读写的方式，可以输入数千字节的自定义信
4、息到电子标签，间接管理附带有电子标签的产品的信息：RFID技术具有非接触性，识别工作无须人工干预，具有极高的保密性；RFID电子标签不同于磁卡或IC卡，无暴露的触点，且不易损坏，因此使用寿命长，可工作于各种恶劣环境。正是因为以上的特点，RFID技术在世界各地得到了广泛的应用，主要有商品防伪、交通运输、自动控制、_业生产、身份识别、仓库管理、安全管理、医疗、卫生、备牧业管理、图书档案管理和国防军事等诸多应州领域。射频识别系统一般由读写器、电子标签、天线和主机四部分组成，。（1）读写器(Reader):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
5、，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。(2)电子标签(Tag)：电子标签是一种非接触式IC卡，由藕合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和读写器射频天线间进行通信。(3)天线(Antenna)：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)主机(Host)：主机是后台控制单元，用于发送用户命令，接收和处理电子标签数据等作用。射频识别系统的工作流程并不复杂：主机通过与读写器的数据传输通道发送用户命令；读写器接收命令，对信号进行编码和调制后，通过发射天线在一定的区域内发送出去；
6、标签进入磁场后，接收到读写器发出的射频信号，感应电流获得能量，完成数据的存储、发送或其他操作：读写器通过接收天线接收到电子标签返回的数据，进行解码和解调，必要时将处理后的数据送至主机；主机接收到读写器送回的数据，进行相关的处理。RFID系统根据工作频率的不同可分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)及微波(Mw)系统，不同频率的RFID系统的工作原理、特性、应用场合有所不同2.内外RFID技术的研究与发展 频识别技术最早的应用可追溯到20世纪40年代第二次世界大战中的敌我飞机目标识别系统，1948年哈里斯托克曼发表了“利用反射功率的通信奠定了射频识别技术的理论基础；80年代射频识别技术
7、的理论发展迅速，产品进入商业应用，最早的商业应用出现在畜牧业中；90年代射频识别技术标准化日趋受到重视；进入2l世纪后，射频识别技术的发展进入了爆发式增长的阶段，各种产品和应用如雨后春笋般不断出现，行业的应用领域越来越广，射频识别技术标准化更加得到重视。射频识别技术在欧美国家研究的最早，目前的应用也很广，RFID产品种类很多。在硬件设备供应上，摩托罗拉(Motorola)、Alien、飞利浦(Philips)、德州仪器(TI)、英特尔(Intel)、IBM等主流厂商已针对读写器芯片和设备以及电子标签芯片投入了大量的资源进行研发，并推出了成熟的商业化产品；在中间件开发上，有微软(Microsof
8、t)、甲骨文(Oracle)、Sun等国际化软件公司宣布进军RFID的软件开发；在技术标准方面，各国都在积极推进RFD技术标准的制定，寻求占据主导地位，但是目前还没有形成统一的国际标准，当前主要的标准有欧美的EPC Global规范，日本的UID(Ubiquitous ID)规范和ISO标准，形成了三足鼎立的局面；在市场应用方面，世界上最顶尖的零售业巨头美国沃尔玛(Wal-Mart)、德国麦德龙(Metro)、英国塔斯科(Tesco)集团都要求其供应商提供的商品必须有RFID标签，越来越多的国际化大公司也因为多种原因，采用了RFID技术，RFID产业的市场需求呈稳定的快速增长态势。中国对RFI
9、D技术的发展非常重视，出台了一系列的政策和措施扶持RFID产业的研究和推广。2004年1月，我国国家标准委员会宣布正式成立“电子标签”国家标准工作组，负责起草我国有关“电子标签”的多项国际标准。2006年6月，国家科技部联合十五部委共同编写的中国射频识别(RFID)技术政策白皮书正式发布，这是中国第一次针对单一技术发表政策白皮书，而且也是第一次联合15个部委制定一份技术白皮书。2006年10月1日，科技部863计划先进制造技术领域办公室正式发布国家高技术研究发展计划(863计划)先进制造技术领域“射频识别(RFID)技术与应用”重大项目2006年度课题申请指南，包含了超高频RFID多标签防冲突
10、和多读写器防冲撞技术的研究，天线设计技术，以及超高频RFID读写器产品研发与产业化等共20项课题。目前，中国的RFID产业链已经基本建立起来，主要集中在上海、深圳、北京等地，其中上海以芯片设计为主，深圳则以封装和应用占优势，北京在系统集成方案等方面得到快速发展。在实际的应用方面，预付费电子车票系统、电子门禁系统、校园一卡通系统、自动考勤系统等利用低频或高频RFID技术的系统已经在非常多的城市普及，基于RFID技术的第二代身份证已经开始应用。超高频RFID技术应用方面，深圳先施科技公司推出众多UHF频段RFID读写器产品，其主力产品一体化读写器在国内停车场占有率居第一位；深圳远望谷瞄准中国铁道部
11、的铁路车号自动识别系统(ATIS系统)，开发的产品已经在我国铁路系统上成熟应用。虽然中国的RFID技术在这几年来取得了长足的进步，但是，我国的RFID技术仍然处于一个刚刚起步的阶段，还有很长的路要走，离发达国家的差距还很大。在信息社会里，对于各种信息的获取及处理要求快速而准确，相信RFID技术在不久的将来就将同其它识别技术一样深入我们生活的各个方面。3.RFID技术标准概述 RFID技术标准的制定是RFID技术应用中很重要的一环，目前，RFID还没有形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面，但随着全球物流行业RFID技术大规模的应用，RFID标准的统一已经得到业界的广泛认同。RFID标准
12、争夺的核心主要是在RFID标签的数据内容编码标准这一领域。目前，形成了五大标准组织，分别是EPC Global、AIM、ISOIEC、UID、IP-X，代表了国际上不同国家或团体的利益。比较而言，EPC、ISO、UID三大标准的实力相对占上风，形成了三足鼎立的局面。EPC Global(全球产品电子代码管理中心)是目前全球实力最强的RFID标准组织，是由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准组织联合成立的非盈利性机构。EPC Global系统是一种基于EAN UCC编码的系统，作为产品与服务流通过程信息的代码化表示。EPC Global的第二代(Gen2)RFID标签标准是由加入EPC
13、 G10bal组织的全球60多家主要公司于2004年12月16日合作开发完成的。2004年底，ISO与EPC Global达成协议，共同推动EPC Global的第二代(Gen2)RFID标签标准的规范并将其纳入ISO 18000-6 Part C标准中，2005年1月，EPC Gen2被提交至ISO，2006年7月，ISO发布了最新的UHF RFID标准ISO 18000-6C。ISOIEC(国际标准化组织国际电工委员会)是一个信息技术领域的国际标准化委员会，目前是世界最大的、最有权威性的非政府性国际化标准化组织。已出台的ISO RFID标准主要关注基本的模块构建，空中接口，涉及到的数据结构
14、以及其实施问题。具体可以分为技术标准、数据内容标准、一致性标准及应用。其中，ISOl8000系列包括了有源和无源RFID技术标准，规定了从低频到微波波段一系列基于物品管理的RFID空中接口参数。ISO 17363至17365是一系列物流容器识别的规范，它们还未被认定为标准。该系列内的每种规范都用于不同的包装等级，比如货运集装箱、货盘、纸盒与个别物品。UID是日本提出的标准，主导日本RFID标准研究与应用的组织是T-引擎论坛(T-Engine- Forum)，该论坛已经拥有了400多家成员，成员绝大多数都是日本的厂商。泛在识别中心(Ubiquitous ID Center，UID)成立于2002
15、年12月，是T-引擎论坛下属的研究机构，具体负责研究和推广自动识别的核心技术。AIM和IP-X的势力相对弱小，AIM组织是1999年由AIDC(自动识别与数据采集组织)成立的。IP-X是由南美地区部分国家、非洲部分国家、澳大利亚等建立的标准组织。4.课题的研究意义本课题的研究意义如下：（1）RFID系统按照工作频率可分为低频、高频、超高频和微波系统，其中，低频和高频RFID技术在当前应用已经比较成熟，超高频和微波RFID技术具有识别距离远、识别速度快、识别准确率高、抗干扰能力强、使用寿命长、可穿透非金属材料等特点，在高速公路车辆自动识别、自动收费系统、城市交通管理、铁路车辆识别、集装箱识别、物
16、流、仓库管理等广阔的场合有着巨大的市场和应用前景。目前，UHF频段RFID技术正成为各国研究的重点和热点。（2）随着单片机技术、互联网技术、物联网技术和芯片制造技术的快速发展，产品朝着网络化、小型化、多功能化的方向发展，便携性强、体积小、多功能的无源RFID读写器必然是今后RFID技术研究的重点和热点。伴随着物联网技术的不断成熟和发展，无源RFID人员检测在物联网中的应用会有一个更好的前景并不断得到体现。（3）我国目前也正在大力发展UHF频段RFID技术，但是，和国外发达国家还有很大的差距，正处于起步阶段，特别在芯片研制、电子标签、读写器系统上面还没有形成真正具有竞争力的自主产权的核心技术。本
17、课题通过对UHF频段无源RFID读写器的深入研究，寻求研制出性能和价格上都比较好的产品。并可以很方便的和物联网相融合。5. 论文内容和结构本课题研究的主要内容总结为如下几个方面：（1）对射频识别(RFID)技术进行了分析，分析了各频段RFID技术的应用现状和背景，指出了UHF频段射频识别技术发展的巨大潜力，重点突出了UHF频段无源RFID读写器的在物联网中应用的优势和广阔的市场前景。（2）研究了本项目用到的相关技术，包括无源RFID技术、单片机技术、天线技术等。（3）详细研究和开发了基于STC12C5A60S2单片机和nRF905射频芯片的超高频射频模块，完成了模块的原理图设计和PCB设计。本
18、文的论文结构为：第一章首先对射频识别(RFID)技术的定义、RFID系统结构、RFID工作流程、RFID工作频率、国内外RFID技术的研究和发展、RFID技术标准、课题的研究意义等内容进行了说明。第二章详细介绍了本项目的设计流程和总体设计方案。根据详细设计方案和模块化设计理念给出了本项目的系统结构框图，并根据项目的实际应用和需要，选择出开发本项目所需要的硬件资源和开发环境。第三章在总体设计方案的基础上，对无源RFID读写器的射频收发模块部分和STC12C5A60S2单片机外围电路进行了详细的研究和硬件设计。第四章对本项目的实施做了总结，针对项目进行过程中的收获和不足之处做了反思，并对未来的研究
19、做出了展望。二、UHF频段总体设计方案1. 本项目开发流程本项目的目的是设计一款UHF频段无源RFID读写器，该读写器的硬件控制基于STC12C5A60S2单片机。产品设计一般流程主要包括五个阶段，分别是系统需求分析、系统体系结构设计、软硬件设计、系统集成、系统调试，最后得到最终产品。如下图2-1所示：在此基础上，根据本设计的实际情况，对该设计的开发流程进行了细化，得到本设计的开发流程如下图22所示：2 UHF频段无源RFID读写器系统结构框图本设计按照模块化的思想进行设计，方便开发、管理、系统升级和维护。总体来说，无源RFID读写器主要由三大部分构成：射频收发模块、MCU主控模块和外围电路。
20、射频收发模块处理读写器与电子标签的数据通信。该模块的设计目标是设计出一款通用的应用于915MHz的射频收发模块，与控制部分通过自定义的IO接口和函数联系。外围电路中，根据设计和实际应用的需要，又细分为：MCU控制模块、无源RFID射频模块、复位电路模块、电源管理模块、RS232接口、扩展IO口等。3. RFID射频收发模块芯片的选型在整个读写器系统中，RFID射频收发模块的功能是接收上位机的命令，根据命令对信息进行编码和调制，通过天线发送出去以控制电子标签进行相关的读写操作，并接收来自电子标签的信号，对该信号进行解调和解码，确定是佩戴该电子标签的人员信息。4.射频收发芯片选择随着科学技术的快速
21、发展和进步，近年来，无线射频收发部分朝着模块化、智能化、小体积、低功耗的方向发展，高度集成化、高性能、价格低廉的无线射频收发芯片不断的出现。目前，无线微功率射频收发芯片在中国电子领域的应用非常广泛，几乎涉及了所有的自动控制和智能仪器仪表行业。在RFID技术领域，世界级的芯片设计和制造企业的射频收发芯片也得到了大量的应用。就目前供应中国市场的射频芯片来说，主要有如下几家：（1）美国TI公司主流芯片为：CCl020，CCll00和CClll0（2）挪威的Nordic公司主流芯片为：nRF401，nRF905和nRF9E5（3）瑞士的XEMIC公司主流芯片为：XEl201和XEl202（4）美国AD
22、I公司主流芯片为：ADF7020和ADF7021 （5）美国INTEL公司主流芯片为：R1000其中，TI公司的CCll00，Nordic公司的nRF905和ADI公司的ADF7020应用较为广泛，市场占有率高。而INTEL公司开发的R1000芯片是最近开发的，技术和性能上来说最为先进，但是价格也很高，进货渠道和应用还很少。在选择射频芯片时，主要参考以下原则：（1）芯片发射功率发射功率决定了射频芯片的信号覆盖范围，发射功率越高，信号覆盖范围也越广，因此，在同等条件下为保证有效通信，应该选择发射功率较高、功率调节范围更大的产品。（2）芯片抗干扰能力无线通信易受干扰，因此，为保证数据通信的可靠性，
23、应该选择抗干扰能力强的芯片。（3）芯片功耗在保证数据有效通信的前提下，应该选用芯片功耗较小的产品。（4）芯片外围元器件数目芯片外围元器件数目一方面影响产品成本，一方面对元器件的焊接和调试有影响，因此应该选用外围元器件较少的芯片。（5）使用方便性应该选用使用和编程都方便的芯片，降低产品开发的难度和周期。根据以上原则，同时，根据设计的实际需要、价格、性能参数等多方面的考虑，nRF905在扩展功能、外围元器件和使用方便性等方面有比较好的优势，因此，设计采用了nRF905作为本设计射频收发模块采用的主芯片。nRF905单片无线收发器工作在433868915 MHz的ISM频段，由一个完全集成的频率调制
24、器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成；nRF905可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码解码，不用用户编写编码解码程序；具有SPI接口，可以很容易通过该接口与具有SPI接口的微控制器通讯，编程配置非常方便；电流消耗很低。5.微控制器芯片选择在单片机应用领域，从8位单片机诞生至今，经过了多年的发展，从8位机，到16位机，再过渡到32位、64位机，单片机的性能越来越高，然而，8位机始终是嵌入式低端应用的主要机型，而且在未来的相当长的一段时间里，仍然会保持这个势头。MCS51系列单片机及其衍生产品在我国乃至全世界范围内都获得了非常广泛的应用，市场占有率很高。很多半导体公
25、司在8051内核的基础上，对其进行改进，以期大幅度提高单片机的整体性能。本设计采用的是宏晶科技的STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2单片机具有以下几个特点：（1）STC12C5A60S2单片机与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；（2）片内有8k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；（3） 全静态工作,工作范围:0Hz24MHz；（4） 三级程序存储器加密；（5）512字节内部RAM；（6） 32位双向输入输出线；（7）两个十六位定时器/计数器（8） 五个中断源,两级中断优先级；（9） 一个全双工的异步串行口；（10） 间歇和掉电两种工作方式。采用该款单片机足
26、以满足设计需要，故该设计采用了该型号单片机。三、结论与展望作为近年来逐渐兴起的一种智能识别技术，RFID的标准正在日趋完善，其在各领域的应用也越来越广泛。RFID技术正处于快速的上升期，作为RFID系统中最重要的部分读写器的发展也非常迅速。然而，中国在UHF频段上的研究实力还和国外发达国家相比还有相当的差距，应用也还不成熟。在查阅了大量的资料，深入了解RFID技术原理及应用，深入了解国内外RFID技术发展的现状的基础上，本设计给出了一种工作在UHF频段的无源RFID读写器。本设计主要目的有两个，一个是设计出能稳定工作在UHF频段的无源RFID读写器，并尽可能提高其读写距离；二是使该无源RFID
27、读写模块能够跟建筑设备物联网很好的融合，实现对建筑设备内的人员检测、定位，给建筑用电设备节能提供人员信息。本人主要针对UHF射频模块进行了深入的研究和设计开发，主要设计了NRF905射频模块硬件电路、RFID主控制模块硬件电路以及其他辅助、扩展部分的硬件电路。在设计开发的过程中，取得了一定的成果，顺利完成了射频模块部分的资料收集和设计工作。本项目的设计仍有不足之处，例如射频模块部分的硬件部分还可以再小型化，软件部分还没有设计，射频模块的识别距离还可以通过增加功放等方式加大，展望未来，RFID技术的研究和发展还会处于一种很火热的程度，我们对RFID核心技术的研究和掌握会继续深入下去，在后面的学习
28、过程中继续就这一课题深入的研究下去，争取早日开发出具有自主知识产权的RFID射频模块和读写器出来。参考文献1邹国红手持式射频读写器的设计：硕士学位论文大连：大连理工大学，2005122游战清，李苏剑无线射频识别技术(RFID)理论与应用北京：电子工业出版社，20043赵庆RFID技术应用领域分析及展望金卡工程，200509(09)：45-484李进东，范琴秀射频识别技术的发展与应用科技信息(学术版)，200601(01)：46-475冯欢渡，郭永琦，陆航RFID在中国的应用商场现代化，200511(27)：2666中华人民共和国科学技术部等十五部委中国射频识别(RFD)技术政策白皮书，2006
29、06097国家高技术研究发展计划(863计划)先进制造技术领域“射频识别(RFD)技术与应用”重大项目2006年度课题申请指南863计划先进制造技术领域办公室，200610018王东RFID产业链基本形成中国电子报，200412 兰9贺琼华RFID加速部署成本问题亟待解决中国RFID市场起飞在即电子测试，200610(10)：36-38Do赵庆RFID技术应用领域分析及展望金卡工程，200509(09)：45-4811李进东，范琴秀射频识别技术的发展与应用科技信息(学术版)，200601(01)：464712郎为民射频识别(RFID)技术原理与应用北京：机械工业出版社，2006613王爱玲，盛
30、小宝RFID技术及应用北京：中国物资出版社，2007514张纲，杨庆森，程君侠，等ISOIEC 180006(CD)研究综述信息技术与标准化，20044(04)：23215郭艳丽RFID相关标准总览RFID射频快报，2005113016Texas Instruments(TI)Single-Chip Low Cost Low Power RF-Transceiver ccl 100 Data Sheet.17Analog Devices(ADDADF7020 Data Sheet.18Nordic Semiconductor.NF905 Data Sheet19 张浩博UHF频段射频识别手持式读写器的设计：硕士学位论文 成都：电子科技大学，200905
