题目：基于RFID的井下人员定位系统研究
课 题 类 型： 设计√ 实验研究□ 论文□
开 题 时 间： 2011年3月15日·
2011 年 3 月 18 日
摘要
安全生产、保障矿工的生命安全是煤炭行业永恒的主题，研制新型的煤矿井下人员定位系统是保证井下工作人员安全、实现快速救援的重要手段。现有的矿井安全监测监控系统是灾前预警系统，监测对象主要是环境安全参数、生产过程及生产工艺监测，不能实现井下工作人员的定位。矿井下员工的具体位置与分布情况等重要数据不能及时传到井上监制中心，这些都是矿难事故频发而营救效率十分低下的症结所在。因此，建立一套完善的煤矿井下人员定位系统具有重大现实意义。
论文首先分析了目前我国矿井生产中的安全管理现状，根据矿井特殊的生产环境结合射频识别技术原理提出了系统的功能要求、技术参数和整体结构，确定了本设计的总体方案:然后重点论述了系统中数据采集站与标签的硬件设计，给出了系统的管理软件和应用程序的流程图;最后讨论了系统的调试及抗干扰措施。另外，论文还对频识别技术的工作原理、防冲突策略以及其在井下人员定位系统中的可靠应用展开深入的研究，并与其他多项自动识别技术(如条码、磁卡、IC卡)进行了对比分析。RFID技术具有无接触、距离远、同时可识别多个电子标签、抗恶劣环境工作能力强等特点，符合矿井下工作环境的要求。
针对人员定位系统通信网络的选择上，论文对现有工业现场常见技术，包括RS-485总线、工业以太网、CAN现场总线、基金会现场总线(FF，FUNDATIONFIELDBUS)和PROFIBUS现场总线进行了对比，认为CAN现场总线在性能、协议、抗干扰以及成本上都具有一定的优势。根据该系统实时性、可靠性等要求，并且数据量较小的特点，提出应用CAN总线技术构建人员定位系统的数据传输网络。在以上基础上，论文提出了一套基于RFID与CAN总线技术的煤矿井人员定位系统解决方案，对方案的系统构架、设计框图、硬件原理以及软件实现进行了详尽的描述。最终并完成了监控节点硬件、电子标签软件、监控节点软件等设计。
本文主要完成井下网络部分的硬件设计，主要包括井下主要传输途径的选择，井下监测分站的硬件设计，井下网络与地面网络的通信接口的设计，经实验测试证明，本系统完全可以应用到煤矿满足井下人员跟踪定位的要求。
这套系统的创新在于综合应用了射频识别技术、计算机通信以及CAN总线技术等多项先进的技术，来实现对矿井的自动监控与定位。而且系统可扩展性强，使用灵活。例如根据实际需要对处理器中的程序做不同的修改;也可以添加更多的功能模块对系统做不同的扩充，实现语音、短信等功能。可以说在该系统的基础上设计其它RFID系统完全没有问题。例如高速公路收费的车载RFID系统，电子门锁防盗装置等需要信息识别的场合。
关键词：RFID 阅读器 电子标签 CAN总线 防冲突
引言
我国矿井地质情况复杂，危险性事故频频发生，直接威胁着矿工的人身安全，因此煤矿安全生产管理是一个迫在眉睫急需解决的重大问题。用什么方法、什么手段来实现煤矿安全生产管理，一直是煤炭生产领域中技术人员和管理者追寻的目标，特别是矿工在井下的动态情况更是关注的重点。在正常的日常生产活动中，有效的管理系统能够带来较高的劳动效率，在灾害发生时，管理系统所记录的人员最后的位置，将对及时的营救起到至关重要的作用。人们希望能有一种更新，更完善的技术来解决煤矿安全生产管理中人员定位的难题。射频识别技术 (RadioFrequencyID，简称RFID)通过射频信号自动识别目标，并获取相关数据，己在煤矿安全管理中崭露头角。RFID技术不仅可以识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，实现对下井人员进行考勤记录、定位记录、追踪记录，实时掌握井下每个工作人员的动态信息及工作人员在井下的位置分布情况，并可对历史记录进行统计打印等。那就能在事故救援时，及时准确地了解井下的人员分布情况和比较准确的位置，使救援工作做到目标定位准确、速度快、针对性强。
目前，射频识别技术在国内外发展很快，各种RFID产品也趋于成熟，已被广泛应用于工业自动化，商业自动化，交通运输控制管理等众多领域。然而该技术在煤炭行业中的应用才刚刚开始，应用前景广阔。基于此，本文研究了RFID技术及其在井下人员定位中的应用。
第一章 绪论
1.1课题的提出
目前我国的煤炭产量居世界第一位。煤矿的生产分为露天开采和地下开采，我国95%的煤矿开采是地下开采作业，而地下开采的危险性较之露天开采要大的多。我国煤层自然赋存条件复杂多变，影响煤矿安全生产的因素众多，水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害时刻都在威胁矿井工作人员的生命安全，都可能是造成事故的客观因素，矿井重大灾害及伤亡事故随时都有可能发生。据调查煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的 72.8%至.6%(2002一2005年)。近几年，随着国民经济对能源的需求增大，煤炭行业的开始复苏，我国煤炭开采在规模和产量上都逐年扩大，但是通过以上触目惊心的数据我们却看到煤矿行业安全生产的形势非常严峻，造成的损失是极其惨重的。特别是煤矿重大及特大瓦
斯(煤尘)灾害事故的频发，不但造成国家财产和公民生命的巨大损失，增加了社会的不稳定团素，而且严重影响了我国的国际声誉。
实际上，这些事故的发生不是偶然的，它是煤矿生产过程中存在问题的集中暴露，涉及许多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足，也有人为因素以及国家的、煤矿企业管理不善等因素。更让人担忧的是，煤矿井下普遍存在入井人员管理困难，难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，一旦事故发生，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全救护的效率低。
自2000年以来，国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备矿井监测监控系统。系统的装备大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。但是，现有的矿井监测监控系统监测对象主要有两种，一是环境安全监测:监测各种有害气体及工作面的作业条件，如瓦斯浓度、一氧化碳、氧气浓度、风速、空气温度、压力、粉尘浓度等等;二是生产过程、生产工艺监测:监测主要生产环节的各种生产参数和重要设备的运行状态，如煤仓料位、水仓水位、水泵、提升机、扇风机、压风机、胶带输送机、采煤机等运行状态和参数等运行状态和参数。可以看出，井下矿工并不是现有监控系统的监控对象，他们在井下的位置和运行轨迹仍然是不得而知的，一旦发生突发性灾难营救工作将无从下手。
矿难事故发生后，对遇难的井下工作人员生命的抢救成为首要任务，决策指挥人员必须全面分析灾情及其灾变趋势，迅速组织侦察工作，准确探明事故性质、原因、影响范围、遇险人员数量和所在位置，以最快的速度、最短的路线进入灾区，营救灾区遇险人员。然而，目前国内煤矿正在使用的该类监控系统，并不能实时提供井下工作人员的具体位置与分布情况等重要数据，加之井下地形复杂，国内大部分矿井救护技术装备落后，人员素质较低，这些都给侦察工作带来了极大的困难。特别是在搜寻井下遇险人员的过程中，救护队员只能依靠反映矿井现实情况的有关图纸以及事故现场侦察得来的各种信息展开抢救工作。在缺乏准确数据的情况下，无法迅速制定出合理、有效的营救方案与措施，结果错失最佳的
营救时机，甚至是盲目营救。面对我国煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进实用技术改造传统产业，增加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效益，是走新型煤炭工业化道路的必然选择。基于上述原因，我们在广泛调研了国内的科研院所及现代化矿井后，提出了一种以RFID与CAN技术为基础的煤矿井下人员定位系统的设计，该系统具有考勤管理功能、安全保障功能功能、生产调度功能、信息联网功能以及禁区报警功能，满足现代化矿井的安全监控要求，对煤炭的安全生产必将起到重大的推动作用。
1.2选题的意义
煤矿的现代化管理和煤矿的安全生产是煤炭行业举足轻重的大事。在煤炭行业管理和安全方面，人的管理是一个十分关键的问题。长期以来，大部分矿井，尤其是现代化的矿井，井下都是连续生产，然而煤矿井下的员工状况如何，一直是较难查清的问题。到目前为止，即使是我国的现代化矿井的管理，也只能是依据传统矿灯管理、领取工作牌等考勤方式来了解下井人员的数量和情况。
随着无线通信、自动识别和计算机网络技术在煤矿安全生产监测应用领域中的不断发展，如何确定灾害事故中遇险人员的具体情况和分布位置得到进一步地解决。特别是在国频识别技术的引进和发展，使得对下井人员进行实时跟踪变得可行。利用射频识别技术对井下人员进行跟踪定位不仅能方便决策人员快速准确了解井下遇险人员的具体分布位置、赢得抢救的宝贵时间，还可以用于煤矿的日常考勤、生产调度等方面。不仅加强了煤炭行业的生产与安全管理，使生产调度及时、准确，更得使煤矿的安全生产保障系统大大提高。
本文设计的定位系统是需要深入到环境十分复杂的煤矿井下工作，在设计方案时，除了考虑其功能外，在稳定性、可靠性、抗干扰能力、容错能力及异常保护等方面也进行了充分考虑。项目方案确定利用射频识别(RFID)技术，开发相应的井下人员定位监控节点，在需要定位区域内，以以N总线作为主传输途径，建立一个由地面控制中心和井下具有固定位置的各监控节点之间的通信网络，通过井下监控节点的无线监测与有线传输，把数据上传地面控制调度中心主机。于是在地面也能及时的了解到井下各个区域的人员状况。若井下发生突发事，可立即通过主机实时查出井下各位置的人员状况，这样就能够做出及时的抢救决策，使事故损失降到最低。平时用来指挥生产做出优化决策，使生产指挥高效。因此，基于RFID与CAN的煤矿井下人员定位系统的研究具有非常重要的现实意义。
随着数字化时代的深入，基于远程信息化网络管理技术的社会需求，RFID技术在煤矿井下人员定位系统中将发挥越来越重要的作用，在矿井的防灾、减灾以及提高生产效率方面发挥着重大的作用，而高性能的计算机矿井监测系统的应用前景尤为的广阔。目前RFID技术正在成为一个新的经济增长点在全球范围内蔓延开来，研究开发RFID技术有着巨大的经济效益和社会意义。
此外，以美国、日本和欧洲等发达国家对RFID技术的研究和应用已达到相当高的水平，并且产生了相当的经济效益，而我国起步较晚，大多采用引进的技术成果，需要对RFID技术的研究和应用增加投入。RFID技术是一个复杂的应用技术，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还涉及通信原理及半导体集成电路技术，是一项多学科融合的新兴应用技术。因此，对RF功技术的深入研究具有深远的理论意义。
1.3国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，为保证煤矿安全生产，世界主要产煤国(如美国、英国、德国、波兰、前苏联等)从50年代开始，陆续地把监测、监控技术应用到安全生产管理上。随着射频识别技术的兴起，国外也加快了这一领域的发展，并成功地将其应用到了井下人员定位监控系统中。
英国的Davis Derby Limited该公司采用最新的无线射频技术开发了专门用于煤矿井下应用的多标签读取系统;戴维斯德比公司在地面和井下RFID系统的开发、生产、销售服务等方面，已拥有十几年的丰富经验;澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种人员探测系统，用于监测矿工进入危险地带;在南非的德里方月 (Driefontayne)矿，安装了一种人员跟踪系统，它使用由澳大利亚ISD公司制造的一种射频识别系统源信标;这个系统使用顶板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标(Bendon.1995)。1990年8月，美菲斯公司利用超低频信号的穿透力研制开发的世界唯一一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统(PED，即Personal Emergeney Device系统)在悉尼附近的一所煤矿投入使用。PED系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领导的致肯定。该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息，这些信息在紧急情况出现时自动生成。该系统可以直接连接现有的监控设备，可以监控多种输入。这些警告信息由矿井工作人员预先指定，在紧急情况发生时，可以在最短的时间内，将替告发送给井下全部或相应的工作人员。
1.3.2 国内研究现状
我国监测监控技术起步较晚，自1974年以来，仅有几种单一的瓦斯监测仪器投入使用，如AYJ-1，AWBY- 1.2，MJC-100等，实现了对瓦斯的连续监测。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从波、法、德、英、美等国批量引进了安全监控系统并装备了部分煤矿，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF2OO系统、法国的CTT63/40/u系统、加拿大森透里昂系统，这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。国内曾由中国煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手与安菲斯公司确定合作关系，决定三方共同在中国煤炭领域推广PED系统。 1998年，人同矿务局在人同煤峪口矿安装了中国第一套PED系统。结果证明PED系统信号司以穿透岩层传播并覆盖到全部生产区，发出和收到信号准确率为 100%，最远穿透距离达2.8公里。
80年代后期，在引进外国设备的同时，消化、吸收了制造技术，并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出自己的监控系统，如KJ1，KJ2，KJ4，A-1，KJ10，
KJll，KJ22，KT，KJ95及焦作工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等，并在我国煤矿大批使用，有的系统已达到国际先进水平。这些系统主要也是侧重于安全参数的检测，而没有对下井人员进行实时监控。
随着自动识别技术在国内各行各业的发展和应用，国内一些煤炭科研机构不断推出新一代的人员自动识别系统，并成功应用于下井人员的管理。到门前为止国内部分矿井，尤其是现代化矿一井都安装了识别系统，用以取代以前依据矿灯管理来对下井人员进行管理。人员识别系统从最初的条形码、光电孔卡式到现在的指纹、红外线式考勤形式各不相同，这些技术装备利用不同的识别原理对下井人员进行监控、记录。
深圳世纪潮智能科技有限公司与煤炭科学研究总院重庆分院一起，于2003年8月开始研究“矿井人员跟踪定位及考勤管理系统”，经过资料收集、调研、方案论证、设计、试验室试验、样机加工、性能测试、防爆送检及井下工业性试验等阶段，历时近一年半，完成了全部研究内容。矿井人员跟踪定位及考勤管理系统在完成了全部开发设计、样机生产加工、实验室性能测试和防爆检测检验后，成套产品于2004年10月在重庆松藻煤电集团公司二矿、西山焦煤集团屯兰矿、山西离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿第二坑口等地进行了现场安装和工业性试验。上海秀派电子科技公司(ShangHai Super Ele&Tec Co.Ltd)为专业致力于RFID产品战略研究的高科技公司。该公司已经研制成功了井下人员定位系统。
1.4发展趋势
RFID射频识别技术已经逐步发展成为跨学科的专业领域。RFID射频识别技术将大量的来自完全不同的专业领域的技术（例如，高频技术、电磁兼容技术、半导体技术、数据保护和密码学技术、电信技术、制造技术等）综合起来。过去的十多年，RFID射频识别技术得到了快速发展，逐步被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多的溯源和防伪应用领域。而随着技术进步，基于RFID射频识别技术产品的种类将越来越丰富，应用也将越来越广泛，可预计，在今后的几年中，RFID射频识别技术将持续保持高速发展的势头。
总体而言，RFID射频识别技术当前发展趋于标准化、低成本、低差错率、高安全性、低功耗。具体表现在，基于RFID射频识别技术的电子标签产品将达到：芯片所需的功耗更低，无源标签、半有源标签技术更趋成熟；作用距离更远；无线可读写性能更加完善；适合高速移动物品识别；快速多标签读／写功能；一致性更好；强场强下的自保护功能更完善；智能性更强；成本更低。读写器性能将达到：多功能（与条码识读集成、无线数据传输、脱机工作等）；智能多天线端口；多种数据接口（RS232，RS422／485，USB，红外，以太网口）；多制式兼容（兼容读写多种标签类型）；小型化、便携式和嵌入式，以及模块化；多频段兼容；成本更低。管理系统将达到：高频近距离系统具有更高智能、安全特性；超高频远距离系统性能更完备，系统更完善。标准化将达到：标准化基础性研究更深入，也更成熟；标准化为更多企业所接受。系统和模块将达到：可替换性更好，也更普及。自2007年起，RFID射频识别技术单品级应用是全球最大的RFID射频识别技术应用市场。
据预测，到2009年，全球的RFID射频识别技术的应用市场的规模将由2004年3亿美元增至28亿美元。如果目前有关RFID电子标签的单个条款能得到广泛接纳，RFID射频识别技术单品级的应用市场份额有可能远远超过这个数字——1年中将有超过万亿的邮件使用RFID电子标签。这将是继零售供应链RFID电子标签产品的应用之后，全球使用RFID射频识别技术产品的第2大行业。国际邮联目前已经做出决议，并且正在积极推进高效、低成本的RFID射频识别技术解决方案在世界各国邮政监管中的应用。
就技术来讲目前有两大发展内容：发展智能安全技术，增强通讯安全性，即RFID电子标签芯片增加各种加密解密算法，将在原接触卡中才能使用的各种加密解密算法移植到非接触电子标签芯片上，或者开发适合于非接触RFID电子标签芯片应用的加密解密算法，这目前主要集中在13.56MHz频段，适合取代原接触加密卡领域；发展超高频低成本单品级技术，超高频频段RFID射频识别系统具有识别距离远、识别速度快、多标签识别效率高和标签成本低等优点，尤其是低成本和单品级产品适合物流控制与管理领域。
1.5 存在的主要问题
近几年，国外己经成功地将无线通讯和遥测监测技术应用到事故抢险中人员搜寻、定位和急救上，但在国内因地质条件和技术方面的不成熟，成功开发的实例并不多。国内也曾引进国外的先进设备，像 PED 系统。在引进吸收国外先进技术的基础上，国产的 KT-6 等多种泄漏通信设备也相继问世，但是它们大都存在不足:
（1）成本高、推广程度低
国内曾先后引进国外先进的人员监测设备，收效尚好。但这种引进方式成本非常高，很难得到推广。像美菲斯公司与煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手在大同矿务局的大同煤峪口矿安装了中国第一套 PED 系统后就很少在其它煤矿企业得到应用。
（2）不符合国内煤炭行业的实际情况
我国人口众多，现有煤矿职土超过百万，职工素质普遍较低，国外设备的引进无法满足各个煤矿的实际需要。国内自行研制的通讯设备针对各个煤矿的具体情况，通用性不够。
（3）技术力量不成熟
国内对井下无线通讯、遥测监测技术的研究尚处于起步阶段，目前还只是相关理论的研究，开发研制自主产品还需时间。
目前国内大部分矿井还只能通过传统矿灯管理等考勤方式来了解下井人员的数量和情况。从自动识别技术发展起来之后，包括科研、院校、设计院等单位自行开发研制针对各个煤矿企业的考勤系统。通过查阅资料和现场调研，我发现存在以下主要问题:
（1）无法实现对作业人员的情况进行实时监测井下人员跟踪定位系统要求地面监测人员能够了解井下任一区域、任一时刻人员分布的具体情况。而现有条形码、光电孔卡以及方式只能对下井人员进行考勤，无法了解井下情况。
（2）考勤时间长、效率低
国内一些煤炭科研机构曾利用红外线编码识别技术自行研制了井下人员识别装置，弥补井下人员监测的不足。但包括条形码、光电孔卡以及指纹在内的这些识别方式在人员集中的时段和地点考勤时间长，效率低，无法解决排队考勤的现状。
（3）维护量大，成本高
像红外线编码识别技术需要系统对矿灯进行改造和维护，工作量均比较大。包括其它一些考勤方式在内，系统使用寿命短，投入成本高。
(4)利用RS485总线进行井下通信不够灵活
现有煤矿井下人员定位系统通信方式大都采用RS485总线，而恰恰是这种半双工通信的方式决定了该系统仅仅能够实现位置信息的上传，不能实时修改井下某监控接点信息，不够灵活。
（5）故障率高、可靠性不够
井下环境恶劣，设备容易受损，故障时有发生，人员识别信息容易丢失。
1.6 论文的研究任务和工作
本研究的目的是利用射频识别技术来设计一个井下人员定位系统，实现人员自动化管理，并为灾难发生时提供可靠的人员位置信息。具体来说就是把人员的主要信息写入电子标签，阅读器自动从标签中读取数据，并送往后台处理。基于此目的，本文把整个课题的研究任务分为以下三个部分来完成:
1、RFID技术研究
这个部分重点介绍了射频识别系统的原理组成、工作方式以及射频识别技术的物理基础;然后对射频识别技术中的防冲突算法进行研究探讨，并对这些算法进行性能比较，最后提出一个性能更好的防冲突算法。
2、阅读器研究
阅读器是整个应用系统的核心，没有它，根本不能谈应用。阅读器设计分为硬件设计和软件设计两个模块。在硬件模块中，按照阅读器的组成对阅读器的高频接口、控制单元以及所使用的天线类型分别进行研究。在对高频接口的研究中，根据本系统的要求，选用一种比较合适的接收机和发射机方案;控制单元设计主要完成单片机与外围通信接口的研究;天线分析设计的主要任务是对天线性能进行比较以选择一种适合本系统使用的天线，并由仿真软件ADS完成天线与射频模块的匹配工作。阅读器软件设计主要完成阅读器与电子标签的通信流程设计。
3、应用系统设计
在前面的理论研究和硬件设计的基础上，本部分对实际的井下人员定位系统的PC机操作界面和数据库进行设计。首先，制定了应用程序的整体框架并使用MFC中的MSC0MM控件完成PC机与阅读器的通信;接着设计数据库，最后对系统中所要完成的各个操作流程进行程序设计。
1.7 论文的结构安排
第1章简要介绍了RFID的发展历史和当前国内外的研究现状，同时对我国煤矿安全生产的现状进行了分析。指出安全生产中的重要一环是人员的管理与识别。将RFID射频识别技术应用于矿井人员定位，对提高煤矿的信息化管理水平，和灾害发生时对井下人员的准确定位以便实施有效的救援具有理论和实际意义。
第2章介绍了井下RFID系统的总体设计方案，并详细阐述了系统的工作流程，另外还对本次设计的研究任务做了详细的安排。
第3章对RFID的技术研究做了详细的介绍，然后分别对电子标签和阅读器展开了阐述，并且详细的探讨了电子标签的选型，工作频率的选取，以及标签的成本等。最后还对防冲突问题做了初步的研究。
第4章是对井下系统的设计，主要是电子标签和阅读器的软硬件设计。给出了它们的原理图和程序流程图，并详细研究了电子标签的仿真。
第5章是RFID系统井上部分的设计，在系统分析部分给出了算法流程图和仿真结果，标签分析，阅读器与标签通信模型，系统组网分析，以及操作可行性分析。然后还给出了如何利用CAN总线实现与PC机之间串口通信的方法。在数据库部分介绍了数据库访问技术，针对井下人员定位的需要进行了数据库需求分析和逻辑设计。
第6章对整个系统可能存在的干扰问题系统的进行了阐述，并提出了如何抗干扰的方法和论证。
最后对论文进行了总结和展望。提出了文章的不足并且指出存在的诸多问题，有待以后进一步的设计研究。
第二章 总体方案设计
2.1确定总体结构方案
整个矿井目标监控与定位系统由两大部分组成，分为井上控制系统和井下数据采集系统。在井上由中心站主机、传输接口等组成;井下主要由采集站、阅读器、电子标签、防爆电源等组成。两系统之间通过CAN总线连接。系统组成框图见图2-1
图2-1矿井监控与定位系统结构图
2.2工作流程
大体工作过程为：在井下入口、巷道、作业面的交叉道口等需要监控的主要位置安装一定数量的检测站点,安装在矿灯上的员工标签（即电子标签），定时向采集站发出具有代表身份特征的射频信号，同时在程序的控制下，阅读器也不断的将采集的瓦斯浓度及当前的温度等环境数据，通过CAN总线将处理后的数据发送到地面中心站，中心站接收到来自采集分站上的时间、位置和动目标特征的数据编码信号后，作进一步地分析处理，形成各种文件和图表，并发布到网上，使管理人员能及时准确地查询各种信息。实现了下井作业人员和井下运输车辆矿井目标定位、人员考勤、环境监控等功能，保障了煤矿安全生产的能力，提高了生产效率。
整个系统又可分为井上部分和井下部分两个部分来介绍。井下部分主要的作用是信息的采集，而井上部分则是对信息的处理。
井上部分
由中心站主机与传输接口组成的井上部分，主要是软件操作平台，按照功能划分为实时监控子系统与信息管理子系统，具体将在下面的软件设计中介绍。传输接口由CAN总线驱动器、光隔离电路、信号自收抑制电路、RS一232接口电路和防爆电源组成，传输方式为异步时分半双工通信，传输与主机通讯采用RS232信号制，与采集传输接口通信采用CAN总线实现通信，到中心站的最大传输距离为10km。
(1)系统客户端
系统客户端是整个井下人员定位系统的软件系统操作平台，客户端从数据库中提取有效 信息，在操作界面上显示井下人员信息，包括实时定位信息、各类查询信息和统计信息，并对一些基本信息进行有效操作。本课题的系统客户端使VisualC++6.0开发平台，基于windowsXP操作系统，采用C++语言进行系统开发，开发软件系统所需实现的功能。
(2)数据库服务器
后台数据库使SQL Server2000 ，这是一种关系数据库管理系统，数据库服务器中存储着系统所需要的各种有效信息，包括人员及阅读器基本信息、人员井下实时定位信息、井下标签的信息等。系统客户端向数据库服务器发SQL请求，数据库对发送的SQL请求进行处理后反馈数据及结果。
(3)数据通信服务器
数据通信服务器负责收集与发送井下信息，它是整个井下人员定位系统数据的来源。本课题的数据通信是由CAN总线模块来实现的，将阅读器读取到的射频标签信息负责发送至地面 。
井下部分
井下部分是整个系统的核心，主要由阅读器和电子标签组成，阅读器固定安装在巷道的进出口、交叉道口、工作面、重要酮室、危险场合(如盲巷)、地面主要出入口等位置，不断地进行数据巡检和信号采集;电子标签分为员工电子标签和车辆电子标签，标签上分别装有标识员工和矿车身份的数据，按照一定的时间间隔向阅读器发送自身的数据。电子标签采用
无线射频NRF24EI芯片，负责对员工编号的发送。电子标签设计过程中，考虑了数据的碰撞问题以及如何用载波侦听算法实现数据的防碰撞;阅读器由无线射频接收模块，CPU处理模块，外扩SRAM模块，显示模块和数据传输模块组成，负责实时监测电子标签的存在，并将检测到的电子标签的编号和时间数据存储到外扩SRAM中，然后将数据通过RS232总线上传给数据采集分站，同时显示电子标签编号:在阅读器器的设计过程中，考虑了如何判别电子标签的移动方向问题;数据采集分站由CPU处理模块，外扩SRAM模块，数据传输模块和实时时钟模块组成，完成信息的采集、储存、处理和双向通讯的功能。数据采集分站的设计主要考虑了它与各个阅读器的传输距离和通信方式问题。软件设计借鉴面向对象的思想，采用模块化设计方法，将整个软件按照功能划分为初始化、射频信号的发射与接收、数据采集和处理、实时时钟和RS232通信等几个相对的模块，论文针对部分模块，给出其详细软件设计思想及设计流程。
2.3主要研究任务
这篇论文的目的就是利用射频识别技术来设计一个矿井信息采集与定位系统。作为实现矿井目标的自动化识别与智能化管理的信息采集平台，其功能是把矿工、车辆及设备的主要信息写入电子识别标签中，实现矿用安全监测。基于此目的，文中把整个课题的研究任务分为以下四个部分来完成:
(l)总体方案设计
这个部分首先介绍射频识别系统的原理、工作方式以及射频识别技术的物理基础及相关技术，然后对射频识别系统中的读写器与应答器进行简单的介绍，最后确定整个系统的总体方案。这一部分上面已经完成。
（2）RFID技术的研究
这个部分集中研究了RFID技术的技术标准、标签成本、标签选取、工作频率的技术研究和应用等几方面;然后对射频识别技术中的防冲突算法进行研究探讨，并对这些算法进行性能比较，最后提出一个性能更好的防冲突算法。
(3)数据采集站(阅读器)与标签(电子标签)的设计
阅读器与电子标签的设计分为硬件设计和控制程序两个模块来完成。在硬件设计中，按照二者的组成分别对其工作原理、控制单元以及所使用的各种芯片进行研究，选用一种比较合适的接收和发射方案，并给出其具体的实现电路。因本项目规模较大，在该项目的进行中，便携式电子标签卡的相关设计将是本人研究的重点。
(4)应用系统软件设计
在前面的理论研究和硬件设计的基础上，本部分对实际的矿井目标信息采集系统的PC机操作界面和数据库进行设计。首先，制定了应用程序的整体框架完成PC机与阅读器的通信，然后对系统中所要完成的各个操作流程进行设计，给出流程图。
另外，系统还给出了抗干扰技术等其他可扩展性的内容。
第三章 RFID技术研究
3．1 概述
射频识别技术(RFID即 RadiorrequeneyIdentification的缩写)，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，对目标加以识别并获取相关数据。电子识别标签和阅读器是射频识别技术的主要核心部件。通过相距几米到几百米距离内阅读器发射的无线电波，可以读取识别标签内储存的信息，识别电子标签代表人、物品或者器具的身份。由于RFID标签的存储容量是2的96次方以上，因此它可以弥补条形码的存储容量不足等种种，甚至可以为世界上的每一种物品配备一个独一无二的电子识别标签。当某个商品贴上一个电子识别标签后，从它在工厂的流水线上开始，到被摆上商场的货架，再到消费者购买后结账，甚至到标签最后被回收的整个生产、运输和销售过程都能够被追踪管理。
射频识别技术具有很多突出的优点:不需要直接接触、不需要人工干预、不需要光学可视即可完成信息输入和处理，可在各种特殊环境下工作;射频阅读器可以同时识别多个标签甚至可识别高速运动物体，操作快捷方便，实现了无源和免接触操作，应用便利，无机械磨损，寿命长;在数据安全方面，除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理，识别标签和射频阅读器之间也可相互认证，实现安全通信和存储;另外，射频识别技术总体成本一直处于下降之中，可以预计在未来的几年之频识别技术将取代条形码扫描技术以及IC卡识别技术。
由于射频识别技术的独特优势，逐渐地被广泛应用于物流、交通、生产、运输、防伪、医疗、设备跟踪、设备和资产管理等需要采集、处理数据和行踪管理等应用领域。随着迅速发展的大规模集成电路技术和不断扩大的生产规模，射频识别设备的成本将不断降低，其应用领域将越来越广泛。
射频识别技术在国外发展非常迅速，其产品种类繁多。在欧洲、北美、大洋洲、非洲南部及亚太地区，射频识别技术被广泛应用于很多行业，如汽车、火车等交通监控系统，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，流水线生产自动化系统，物品追踪识别管理，人员及行李安全出入境检查，仓储管理，车辆防盗，动物管理等。目前，射频识别技术在中国主要应用于校园、公共交通、地铁、社会保障等方面，大部分城市己广泛采用了射频公交卡来代替自动投币。其中，我国的第二代公民身份证是射频识别技术应用最大的一个项目。
总之，在未来的发展中，射频技术将广泛结合其它高新技术1171，如GPS、生物识别技术等，由单一识别向多功能识别方向发展;同时，与现代通信及计算机技术相结合，可以实现跨行业、跨地区的应用。
尽管RFID技术在很多领域都具有良好的应用前景，并且已经逐渐在一些领域开始广泛应用，但是还是有许多因素在制约着RFID技术的快速发展。当前，RFID系统在各项应用中的研究热点主要集中在技术标准、标签成本、技术研究和应用等几方面。
3.2 RFID的物理原理
要理解射频识别(RF工D)系统的工作原理，弄清阅读器与标签之间的能量和数据传输实质，深入研究磁现象的物理本质和波在远距离磁场中的传播原理是非常必要的。
电子标签和阅读器通过各自的天线构建起二者之间非接触的信息传输通道，这种空间传输通道的性能完全由天线的周围场区特性所决定。根据观测点到天线距离的不同，天线周围的场呈现出的性质也不同。通常可以根据观测点到天线的距离将天线周围的场划分为三个区域。
一无功近场区
无功近场区又称为电抗近场区，它是天线辐射场中紧邻天线口径的一个近场区域。在该区域中电抗性储能场占支配地位，通常，该区域的界限取为距天线口径表面兄/2处。从物理概念上讲，无功近场区是一个储能场，其中的电场与磁场的转换类似于变压器中的电场、磁场的交换。如果在其附近还有其他金属物体，这些物体会以类似电容、电感藕合的方式影响储能场，因而也可以将这些金属物看作组合天线(原天线与这些金属物组成的新的天线)的一部分。在该区域中束缚于天线的电磁场未曾做功(只是进行相互转换)，因而将该区域称为无功近场区。
二.辐射近场区
辐射场区的电磁场已经脱离了天线的束缚，并作为电磁场进入空间。在辐射近场区中，辐射场占优势，并且辐射场的角度分布与距天线口径的距离有关，天线各单元对观察点辐射场的贡献，其相对相位和相对幅度是与天线距离的函数。对于通常的天线，此区域也称为菲涅尔区。
三.辐射远场区
辐射远场区即人们常说的远场区，又称为夫朗荷费区。在该区域中，辐射场的角度分布与距离无关。严格地讲，只有离天线无穷远处才达到天线的远场区，但在某个距离上，辐射场的角度分布与无穷远时的角度分布误差在允许的范围以内时，即把该点至无穷远的区域称为天线远场区。射频识别系统中的标签与阅读器之间的作用距离是射频识别系统的一个重要指标。通常情况下，这种作用距离定义为标签与阅读器之间能够可靠交换数据的距离。根据射频识别系统作用距离，标签天线与阅读器天线之间的藕合可以分为三类:密藕合系统、遥祸合系统和远距离系统。
1.密祸合系统:密祸合系统的典型作用距离范围从0c旷ICm。在实际应用中，通常需要将标签插入到阅读器中或者将其放置到阅读器天线的表面。密祸合系统利用的是射频标签与阅读器天线的无功近场区之间的电感藕合(闭合磁路)构成的无接触的空间信息传输射频通道工作的。密藕合系统的工作频率一般局限在30MHz以下。由于密祸合系统方式的电磁泄漏很小，祸合获得的能量较大，因而适合要求安全性较高，但不要求作用距离的应用系统，例如电子门锁。
2.遥藕合系统:遥祸合系统的典型作用距离可以达到lm。遥祸合系统又可细分为近藕合系统(典型作用距离为15cln)与疏祸合系统(典型作用距离为lm)两类。和密藕合系统一样，遥祸合系统利用的也是射频标签与阅读器天线的无功近场区之间的电感祸合(闭合磁路)构成的无接触的空间信息传输射频通道，但相对于密藕合系统来说，遥藕合系统由于识别距离的增大，导致电磁泄漏量增大，祸合获得的能量就比较小。其典型工作频率为13.56MHz，也有一些其它频率，如 6.75Hz，27.175Hz等。
3.远距离系统:远距离系统的典型作用距离为1-1Om，个别系统具有更远的作用距离。所有的远距离系统均是利用标签与阅读器天线辐射远场区之间的电磁藕合(电磁波的发射与反射)所构成的无接触空间信息传输通道工作的。
3.3 RFID系统的组成
一般的RFID系统由以下几个主要部分组成。如图3-2所示
图3-2 RFID系统的组成
射频识别系统是由射频卡和阅读器两部分组成。阅读器一般由天线、通信模块、控制模块和接口电路组成。射频卡由天线、功能模块和存储器等组成。不同的射频卡能量来源不同，有源标签自带有电源模块，而无源标签则靠阅读器天线发射的能量信号获得能量驱动后端电路工作。
在RFID的实际应用中，电子标签附着在被识别的物体上(表面或内部)，当带有电子标签的被识别物品通过其可识读范围时，阅读器自动以无接触的方式将电子标签中的预定识别信息取出来，从而实现自动识别物品或自动收集物品信息的功能。
在射频识别系统中，除了具有两个基本的构成部分外，为了能更好地完成无线射频识别技术的识读功能，还需要用到中间件、外部计算机(上位机主系统)等附属设备。
3．4 阅读器
阅读器是RFID系统的主要部分之一。我们通过计算机应用软件来对射频标签写入或读取其所携带的数据信息;由于标签的非接触性质，因此，我们必须借助于位于应用系统与标签之间的阅读器来实现数据读写功能。一般阅读器主要有以下功能
1.在规定的技术条件下，标签与阅读器之间可以进行通信;
2.阅读器与计算机之间可以通过标准接口如RS232等进行通信。
3.能够在读写区内实现多标签同时识读，具有防冲突能力;
4.适用于固定和移动标签的识读;
5.能够校验读写过程中的错误信息;
6.对有源标签，能够标识电池相关信息，如电量等。
阅读器的基本构成分为两个部分硬件部分和软件部分。
一 软件部分
这些软件都是生产厂家在出厂时固化在模块中的软件，负责对阅读器接收到的指令进行响应和对标签发出相应的动作指令。主要包括以下软件
1.控制软件负责系统的控制和通信，控制天线发射的开、关，控制阅读器的工作模式，完成与主机之间的数据传输和命令交换等功能。
2.导入软件主要负责系统启动时导入相应的程序到指定的存储空间，然后执行导入的程序。
3.解码器负责将指令系统翻译成机器可以识别的命令，进而控制发送的信息，或者将接收到的模拟信号解码成数字信号，进行数据解码、防碰撞等。
二.硬件部分
RFID系统的阅读器均可以简化为两个基本的功能块控制系统和由发送器及接收器组成的高频接口。阅读器的高频接口主要完成如下任务产生高频的发射功率，以启动标签并为其提供能量;对发射信号进行调制，用于将数据传送给标签;接收并调制来自标签的高频信号。阅读器的控制单元担负如下任务与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令;控制与标签的通信过程;信号的编码与解码;对于复杂系统，控制单元还可能具有以下功能执行防冲突算法;对标签与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密;进行标签与阅读器之间的身份验证等。
3.5 电子标签
无线电子标签技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。电子标签是由IC芯片和无线通信天线组成的小标签。标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，无线标签附着在待识别物体的表面。
射频标签根据商家种类的不同能储存从512字节到4兆不等的数据。标签中储存的数据是由系统应用和相应的标准决定的。例如，标签能够提供产品生产，运输，存储情况，也可以辨别机器，动物和个体身份。类似于条形码中存储的信息，标签还可以连接到数据库，存储产品库存编号，当前位置，状态，售价，批号的信息。相应的，射频标签在读取数据时不用参照数据库可以直接确定代码的含义。
3.5.1技术标准
技术标准国际上制定RFID标准的组织比较著名的有三个ISO， EPcglobal以及日本的 UbiquitousIDCenter，这三个组织对RFID技术应用规范都有各自的目标与发展规划。也有人说是EPC和UID两大系列。这些标准各自具有不同的特点。目前，EPC标准在案例方面和企业支持力度方面具有一定的领先优势，已经成功地实现了从GENI到GENZ的演进，许多符合GENZ的产品已经面世。ISO标准则秉持标准的基本理念，少了一些商业利益，更侧重标准的中立性，因此对于加速RFID产业的发展来说，似乎更具有弹性和发展前景。目前常用的RFID国际标准主要有 ISO/IEC18000标准，ISO18000只规定了空气接口协议，对数据内容和数据结构无，因此可用于EPC。
3.5.2标签成本
标签成本标签价格一直是制约RFID推广应用的一个瓶颈。与廉价的条形码相比，RFID标签昂贵的价格，让众多厂商望而却步。因此，制造低成本的标签，是解决问题的关键所在，许多大公司投入大量人力物力，进行低成本标签的研究。由于集成电路的飞速发展，工艺水平地不断提高，制造低成本标签己经指日可待。目前一般电子标签的价格约为50美分，随着应用市场的进一步扩大，价格将逐步降为25美分甚至5美分。Smartcode公司宣布他们拥有一项专利的生产过程可以降低射频标签的生产成本。该公司宣称，这一过程可以生产出成本在5-10美分的标签，此时生产规模必须达到至少10亿个标签。这一标签会支持电子产品码标准。其中射频标签采用的微芯片仅仅0.25mm2，而采用该芯片的标签也不过0.25mm2。迄今为止，该射频标签是成本最低的硅芯片标签。具体见图3-3所示。
图 3-3 Smartcode公司推出的世界最小的标签芯片
3.5.3有源与无源标签的选取
电子标签内加装电池称为有源卡，不加装电池称为无源卡。有源卡通过电池来提供电源，无源卡是通过无线频射来获得工作电源的电子标签，它将接收到的无线射频能量转换成为标签工作电流。如何实现对移动中人员的有效管理是各个煤矿迫切需要解决的问题，目前国内用于煤矿井下人员定位的产品只有少数取得了煤安合格证，主要采用的技术有：远距离无源卡、半有源卡和基于 433M ISM 波段的无线通讯有源卡。这些产品都有其固有缺陷而难以在煤矿普及使用，其缺陷主要表现在以下几个方面：
1、远距离无源卡、半有源卡的缺点：需要大功率辐射的读卡设备，不可能达到煤安要求，且高场强的读取电波辐射也是难以满足煤安要求的，且可能对人体造成伤害；其次无源卡对人体感应、卡与读取天线的相对方向、金属物接近等十分敏感，造成读卡不可靠，不可能做到盲读，所以没有真正在井下成功应用的案例。
2、基于433MISM 波段的无线通讯有源卡的主要缺点有：无线通讯数据率很低（<9.6Kbps）,从而引起读卡速度慢，实际同时读卡数量少（<4 卡），读卡模块和卡的功耗很高。通常将卡集成在矿灯里，这对矿灯的使用是有疑问的，由于读卡能力太弱，不能实现可靠的盲读，市场反应并不太好，只有少数的矿在试用。
因此，考虑利用有源RFID 电子标签有以下优点，来有效解决有源射频识别中的几个主要难题：盲读、超低功耗和多卡冲突。
1）有效工作距离长：有效增加识别距离，在一次通过阅读器的视场时实现多次阅读，保证盲读的可靠性。
2）防冲突：先进的防碰撞算法技术，在 0.7秒的读卡周期内可同时识别多达 5800 个标识。
3）高速度：每次读卡仅需 120uS, 每 0.7 秒扫描全部视场内的卡，在 50米的读卡距离内可以
有效阅读 50km/小时移动目标 3 次以上。
4）可定义的方向性：可实现有方向性和无方向性的识别。
5）超低功耗：更健康、更安全和更长的电池寿命。
6）高抗干扰性: 采用扩频技术，对现场各种干扰源无特殊要求。
在进行上述的调研和分析后，本系统使用的是对数据通信范围较广的有源电子标签。
3.5.4工作频率的选择
工作频率的选择既要适应各种不同应用的需求，还需要考虑各国对无线电频段使用和发射功率的规定。当前RFID工作频率跨越多个频段，不同频段具有各自优缺点，它既影响标签的性能和尺寸，还影响标签与阅读器的价格。RFID系统工作频率可分为低频 (125KHZ)、高频(13.56MHz)、超高频(868一954MHz)以及微波(2.45GHz)4种频率。低频电子标签主要有 125kHz和134.2kHz两种; 低频频段能量相对较低，数据传输率较小，无线覆盖范围受限，但是，低频段标签的成本相对较低，信号穿透力强。主要应用于距离较短和成本较低的系统中，比如门禁控制、校园卡、货物跟踪等。中频电子标签主要为13.56MHz，用于门禁控制以及需要传输大量数据的系统中。高频频段能量相对较高，数据传输率大，且通讯质量较好，适于长距离应用。其缺点是容易被障碍物阻挡，易受反射和人体扰动等因素影响，不易实现无线作用范围的全区覆盖。主要应用于需要较长的读写距离以及高读写速度的系统。因此，我们应该根据实际应用的场合，合理地选择标签工作频率，以达到最佳工作效率。具体参数见如下表3-1所示。
表3-1 RFID技术主要参数
| 参数 | 低频率 | 高频率 | UHF | 微波 | ||
频率 | 125-134 KHz | 13.56 MHz | 13.56 MHz | PJM 13.56 MHz (#) | 868-915 MHz | 2.45-5.8 GHz |
| 读取 距离 | 达1.2米 | 0.7-1.2 米 | 达1.2米 | 达1.2米 | 达4米（##） | 达15米 （###） |
| 速度 | 不快 | 小于5秒（5kb为5秒） | 中 （0.5米/秒） | 非常快 （4米/秒） | 快 | 非常快 |
| 注:(#)相位抖动;(##)在美国;(###)带电池的有源收发器 | ||||||
如采用频率为2.45GHZ一5.8GHz这个频段的频率，可以在较远距离的识别出RFID电子标签，而且其读卡数度很快，这种情况比较适合于煤矿井下，因为煤矿井下通常人员与巷道壁的距离一般为十米左右，而且人员与矿车是有一定的移动速度的，为了提高系统的识别率，满足煤矿井下实际需求，我采用了2.45GHz的频率设计本系统。
3.5．5电子标签的选型
鉴于上面对RFID技术在井下定位的应用的研究，对电子标签的选型就有了一个初步的确定。这里，我选的是DC8320B有源电子标签。如图3-4所示
图3-4 DC8320B有源电子标签
产品描述：
1. DC8320B有源电子标签是DC8310B的升级版，在此基础之上增加了定位、防水等功能；
2. 适合采用跳频工作模式，具有超强抗干扰能力；
3. 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；
4.有效识读距离可达80米以上(与读写器和天线有关).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；
5. 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和影响；
6. 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。
性能指标：
| 型 号 | DC8320B |
| 标签类别 | 卡状 |
| 工作频率 | 2.45GHz |
| 感应方式 | 主动感应模式 |
| 识别距离 | 3-80米 |
| 材质 | PET,耐高温,防水 |
| 外型尺寸 | 85*55*5.5mm |
| 重量 | 20g |
| 电池 | 内置纽扣锂电,可连续使用2年 |
标签天线和阅读器天线分别承担接受能量和发射能量的作用。在不同的应用场合，RFID标签通常需要贴于不同类型、形状的物体表面，甚至需要嵌入到物体内部。RFID电子标签在要求低成本的同时，还要求有高的可靠性，这些因素对天线的设计提出严格的要求。目前，有关RFID天线的研究主要集中在研究天线结构和环境因素对天线性能的影响上。天线结构决定天线的方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作频段等特性。而天线的特性不仅受所标识物体的形状及物理特性影响，还受天线周围物体和环境的影响。如金属物体对电磁信号有衰减作用，金属表面对信号有反射作用，以及金属和宽频信号源产生的电磁屏蔽和电磁干扰等影响。
对于本课题涉及到天线设计包括两方面：一是电子标签天线的设计问题，一是阅读器天线的设计问题。通过分析计算电波在空间传输的损耗，对天线增益指标提出了要求，这里我们再对天线的具体设计思路给出分析：
2.45GHz 频率的波长是 12.25cm。考虑到电子标签要求携带方便，体积很小，天线采用 1/4波长单极天线原理与电子标签印制板电路共形设计，并采用实验方法调整天线与电路的阻抗匹配使其达到最佳能量转换效果，保证天线辐射有效增益不低于-3dB。电子标签天线向空中辐射线极化波。
根据前面分析，在考虑天线极化匹配的理想情况下，阅读器接收天线的增益不低于 0dB，但是在煤矿井下，由于巷道狭长窄小、还布满各种线缆的传输媒介，电子标签的状态随机变化，电磁波在这样的环境空间传播时，极化方向势必发生变化，致使接收信号质量变差，系统不可靠。为此，阅读器天线宜设计成圆极化天线。我们知道任意一个圆极化波可以分解成两个正交的线极化波。然而，一个圆极化天线在接收一个线极化波时，其有效增益要比同增益线极化天线低 3dB。所以阅读器天线在按圆极化形式设计时，其圆极化增益应大于 3dB，考虑余量，应大于 5dB 设计。
3.7防冲突技术研究
鉴于多个RFID电子标签工作在同一频率，当它们处于同一个阅读器的作用范围内时，在没有防冲突机制的情况下，信息传输过程将产生冲突，导致信息读取失败。同时多个阅读器之间工作范围重叠也将造成冲突。
区域定位就其通讯方式而言，其实就是多点对多点的无线通讯，如何防止井下人员定位系统中的通讯冲突成了方案实现的关键。在井下人员区域定位中存在着射频阅读器碰撞和射频识别标签碰撞。其中，射频识别标签碰撞是指多个频率相同的识别标签通过同一阅读器时的碰撞问题，这种碰撞通常需要硬件设计来防止，现在各厂商所生产的射频识别标签和阅读器都具有标签防碰撞功能，一个阅读器可以有效识别多个标签;而射频阅读器碰撞稍微复杂些，井下阅读器碰撞大致有如下两种情形:
(l)阅读器和阅读器间的干扰:指的是射频识别标签向阅读器发出的信号受到别的阅读器信号的干扰，以至标签信号不能正常传送，读取数据失败。这种情形往往发生在阅读器工作范围不重叠的区域，如图3-5所示。图3-5中，标签Tl向阅读器Rl传送标签信息时，受到阅读器R2的干扰，以至Rl读卡失败。
图3-5 阅读器与阅读器之间的干扰
(2)多个阅读器对识别标签的干扰:指的是多个阅读器同时读取1个标签，标签受到频率干扰，读取数据失败。这种现象往往发生在阅读器工作范围重叠的时候，如图3-6所示。图3-6中，阅读器Rl和R2同时读取标签Tl，以至标签Tl无法正确的传送标签信息，导致对标签Tl读取失败。
图3-6 多个阅读器对标签的干扰
解决井下的射频识别碰撞问题是实现井下人员区域定位的关键。为此，采取的措施为:通过合理的分布射频阅读器来解决阅读器碰撞问题。结合实际的矿山井下人员定位需求划分井下监控区域，将阅读器布置在井下各监控区域中的合理位置(阅读器间的距离应大于2倍的射频信号识别距离)。该法通过空间来分割巷道，将井下的多点对多点的通讯问题转化为井下多个监控区域内的点对多点的通讯问题，达到了防止阅读器碰撞的目的。
3.8安全与隐私问题
RFID安全问题集中在对个人用户的隐私保护、对企业用户的商业秘密保护、防范对RFID系统的攻击以及利用RFID技术进行安全防范等多个方面。当前广泛使用的无源郡ID系统并没有可靠安全机制，无法对数据进行很好的保密。如果电子标签中的信息被窃取，复制并被非法使用的话，将会带来无法估量的损失。解决安全性的途径是设计更复杂的微处理器以及更大容量的内存，这样就可以进行更复杂的加密算法以防止数据的非法窃取。如何在
不增加太多成本的同时提高电子标签的安全性是一个有待进一步研究问题。
第四章 井下部分设计
井下部分设计主要是阅读器与电子标签的设计
阅读器与电子标签的设计分为硬件设计和控制程序两个模块来完成。在硬件设计中，按照二者的组成分别对其工作原理、控制单元以及所使用的各种芯片进行研究，选用一种比较合适的接收和发射方案，并给出其具体的实现电路。
4.1电子标签的设计
4.1.1电子标签基本参数的确定
电子标签的设计是本次设计中的重点设计和研究的对象。在设计时，初步对定位卡有以下构想：标签由一个 2.45GHz 的无线发信机和 MCU 组成。标签计划采用突发跳时扩频工作模式，瞬时通讯速率为：1Mbps，由于采用了跳时制扩频通讯机制，在一个阅读器子站的有效作用范围内可以同时容纳 256 个甚至更多的标签，以 50KM/H 的移动速度通过时保证 100％的识读率，漏读率为 0。本系统将有效地克服市场同类产品的缺点，期望实现了
长距离（10～100 米可调），标签的阅读实现了高可靠的 100％识读率，不存在多个标签互相干扰的问题，至少可以同时读取 个标签。尽管采用了有源发射技术，标签更换一次纽扣式锂电池可以连续使用 2 年，基本达到了无源标签的使用要求。
根据国家煤安总局相关标准要求和已有技术条件，本课题系统期望达到下述技术指标：
1、读卡能力：无遗漏同时读取多（）张卡，实现高可靠的读卡。
2、远距离无遗漏识读：读卡距离可达 50m。
3、高速度读卡：实现 50km/小时速度下正常识读。
4、电池工作寿命：2 年
由上述目标导出下列产品技术标准：
1.读卡周期和空中接口速率：
由于 2.4GHZ 频段较高，我们选择通讯速率为 1Mbps，GFSK 调制，在此频段再降低通讯速率对提高信噪比并不明显，反而会增加通讯时间导致功耗增加电池寿命缩短，我们仅需读取卡号（4 byte）、工作状态（1 byte）、电池电压（1 byte）、校验码（1 byte）、帧结构和管理（起始 1、地址 2、帧长 1、CRC 2，6 byte）共 13 byte，射频发送时间约为 120uS 。为了尽可能的延长电池寿命，我们期望期工作周期越长越好，但在快速通过阅读器时要确保至少读到 3 次以上，按 50Km/小时速度通过 50M 的读卡距离，选取 0.7 秒的工作周期则可以至少读取 5 次，可以保证盲读的可靠性。所以确定读卡周期＝0.7 秒，读卡时间＝120uS
2.读卡距离：
读卡距离取决与发射功率和接受灵敏度，按开阔地电磁波衰减公式：
［Lfs］(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)
如果发射功率为 0dbm，F=2400MHZ，接受灵敏度为-90dbm，卡天线增益为-3db，阅读器天线增益为 0db，通讯距离为 d，大气随机衰落为 30db，
20log(d)＝90-32.44-20log(2400)-3-30=-43
d=0.0071km=71m，满足读卡距离 50 米的要求，如果读卡天线增益为 3db，则读卡距离达 100 米，如果读卡天线增益为 10db，则读卡距离达 224 米。所以确定卡的发射功率＝0dbm，天线增益＝-3db，阅读器接受灵敏度＝-90dbm，阅读器天线增益为 0db 以上。
3.同时读取多卡：
由上述确定的指标，在同时读取张卡的时候一次碰空中撞率为/(0.7/(120*10-6))=0.011,
连续 2 碰撞的概率为：0.00012，连续 3 碰撞的概率为：1.3×10-6，所以盲读的可靠性是有保障的。
4．高速阅读：
按 50Km/小时速度通过 50M 的读卡距离，选取 0.7 秒的工作周期则可以至少读取 5 次，可以保证盲读的可靠性。
5.电池寿命：
由于卡的体积涉及到矿工的使用方便性，所以尽可能选用小型化的电池是有益的，考虑到体积、成本和可靠性，我选择最常用的小型钮扣电池 CR2032(Ф20mm*3.2mm),标称容量为 210mAH,实际可用容量约为 150mAH，2 年＝17500小时，所以要求卡的平均功耗小于 150/17500=0.00856mA=8.56uA，在一个工作周期中其中 120uS 内的发射电流为 11.5mA,此电流平均到 0.7 秒的工作周期中为1.97uA，其余待机时间的最大电流为 8.56-1.97-2.14＝4.45uA,考虑到电池的自放电和电池容量的不一致性，确定卡的待机电流为 3uA。卡的发射电流：11.5mA, 待机电流为 3uA。
4.1.2标签的硬件设计
电子标签是指佩戴在员工身上的的射频信号收发器，它由天线和专用芯片及外围电路组成，又叫做射频卡、射频标签、数据载体。电子标签的硬件设计原理图如下图4-1所示
图4-1电子标签原理图
电子标签控制电路的组成部分包括MCU和RC振荡器，而电子标签的射频收发电路的组成部分包括2.45GHz射频收发集成电路、晶体振荡器和天线组成的。MCU通过SPI总线接收信息。
标签的整体电路结构为：RC模块和MCU模块集成在芯片 NRF24E1内，成为整个标签的核心。标签上电后，标签电路中的MCU首先通过逻辑接口将EEPROM中的程序及数据读入自身的RAM(随机存储器)中，然后调入MCU中的程序开始运行标签通信协议，通过MCU控制RF，将信息从天线发射或接收。外部晶振选择16MHz。
控制单元电路
控制单元选用Atmel公司生产的ATc5l，由其实现对射频收发单元、语音、A/D转换等模块的控制以及电源、.时钟管理，并约定收发双方的通信协议。ATC51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储(FPEROM--Flash Programmable and Erasable Read only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。ATC2051(在标签的控制单元中使用)，是一种带ZK字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用周限正L高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS一51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的ATC51是一种高效微控制器，ATC2051是它的一种精简版本。主要特点是采用Flash存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容。ATC2051片内含有2K字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM。允许工作的时钟为0—24MHz。ATC2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它不需要ALE、PSEN、RA、WR一类的引脚。ATC2051共有20个引脚，它只继承了8031最重要的引脚，体积小巧。ATC系列单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚如下图4-2所示:
图4-2 ATC51引脚图
ATC51主要特性
与MCS一51兼容;
4K字节可编程闪烁存储器;
1000写嚓循环;
数据保留10年的时间;
三级程序存储器锁定;
128*8位内部RAM;
32可编程I/O线;
两个16位定时器/计数器;
5个中断源;
可编程串行通道;
低功耗的闲置和掉电模式;
片内振荡器和时钟电路。
此外，ATC51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
射频收发电路
射频收发单元是是井下数据采集交换的主要方式，是射频识别技术在矿井定位系统中的应用。电子标签的设计，采用无线射频nRF24EI芯片。它是 NordicvLsl推出的系统级射频芯片，主要特性如下:
带有2.4GHz无线收发器;
内含增强型8051控制器;
可工作在低电压1.9V一3.6V下;
内有电压调节器;
待机电流可低至2uA，同时器件还带有唤醒定时器;
采用0.18um的CMOS技术制造;
所需外围器件很少;
设计简单。
它采用先进的0.18um CMOS工艺、6mm×6mm的36引脚QFN封装，以 NRF240lRF芯片结构为基础，将发射频率、8051MCU、9输入10位ADC、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中，是目前世界首推的全球通用的低成本射频系统级芯片。该芯片的通道运算时间小于200us，数据速率为1MbPs，不需要外接滤波器，内部嵌有与8051兼容的微处理器和10位9输入的模/数转换器，可以在1.9V一3.6V之间的电压下稳定工
作;另外还嵌有电压调整器和vDD电压监视器。无线收发部分功能由内部并行口和内部SPI启动，每一个待发信号对于处理器来讲都可以作为中断进行编程，或者通过GPIO端口传送给微处理器。nRF24EI芯片可以在世界公用的ISM(工业、科学和医学)频段2.4一2.5GHz内实现无线通讯。
NRF24EI收发部分包含有分频器、放大器、调节器和两个收发单元，输出能量、频段和其它射频参数可通过射频寄存器方便地编程调节。在发送模式下，以-5dBm的功率发射时，电流消耗只有10.5mA;在接收模式下，电流消耗也只有18mA，当芯片处于POWER DOWN模式时CPU处理中止、时钟和电源整流电路关闭，RF收/发单元停止工作，整个芯片内部只有RC振荡器、看门狗和RTC定时器处于工作状态，系统电流损耗只有2uA，功耗非常低。加上多种低功率工作模式，使得节能设计更方便。
NRF24EI的中断控制器支持ADC、SPI、RF接收器1、RF接收器2、唤醒定时器、5个中断源。NRF24EI拥有3个与8052一样的定时器。在传统的异步通信方式下，与8051兼容的UART可用定时器1和定时器2作为波特率发生器。NRF24EI的CPU集成了2个数据指针，以便于和外部RAM进行数据传递。晶振直接为NRF24EI的微控制器提供了时钟来源。NRF24EI的微控制器中有256字节的数据RAM和512字节的ROM。上电复位或经软件初始化后，处理器自动加载ROM引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从外部串口EEPROM加载到1个4KB的RAM中，这个4KB的RAM也可作存储数据用。如果不使用内部的ROM，程序代码必须从外部非易失性存储器中加载。这时，默认的启动引导区使用SPI接口的“通用25AA320”EEPROM。NRF24EI还增加了一些标准8051没有的特殊功能寄存器，如RADIO(P2)、ADCCON、ADCDATAH，PWMCON、PWMDUTY、RSTREAS等。其P0和P1也和标准8051有所不同，其它大部分的SFRs均与标准8051相同。
NRF24EI可以满足低功耗和小型化的要求，内嵌兼容8051的微处理器，指令周期从标准的12-48个时钟周期缩短到4-20个时钟周期，XRAM数据存取采用双指针，提高了CPU的处理和运算速度。采用16MHz的晶振可同时CPU和收发单元内部频率合成器提供参考时钟。
NRF24EI有11个数字I/O引脚，由P0口(DIO2一DIO9)和P1口(DIO0、DIO1、DIN0)组成，除了DIN0只能用于输入外，其余都是双向引脚，而且大部分数字I/O有复用功能。
P0口有8个引脚，除了用作GPIO口外还可以作为复用口。各个引脚的复用功能如表4-1所示
表4-1 P0口引脚的复用功能
| 引脚 | P0.7 (DIO9) | P0.6 | P0.5 | P0.4 | P0.3 | P0.2 | P0.71 | P0.0 (DIO2) |
| 复用功能 | WMP | T1 | T0 | INT1 | INT0 | TXD | RXD | GPIO |
表4-2 P1口引脚的复用功能
| 引脚 | P1.2(DIN0) | P1.1(DIO1) | P1.0(DIO0) |
| 复用功能 | SPI DI | SPI DO | SPI SCK |
表4-3 SPI口控制字及功能
| 地址 | 位数 | 名称 | 功能 |
| B2 | 8 | SPI_DATA | SPI数据输入/输出 |
| B3 | 2 | SPI_CTRL | 00：空闲，无时钟输入 01:SPI连接到PI口，另 一个通用口作为片选 10:SPI连接到RADIO的 发送/接收端口1 11:SPI连接到RADIO的 发送/接收端口2 |
| B4 | 2 | SPI_CLK | 00:1/8 CPU时钟频率 01:1/16 CPU时钟频率 10:1/32 CPU时钟频率 11:1/ CPU时钟频率 |
此外，该器件还有2个天线接口引脚ANT1和ANT2。nRF24EI收发器的收发任务由RADIO口控制，通过天线接口进行收/发操作。RADIO口使用标准8051中的P2口地址。由于射频收发器是片内置的，并不是双向工作。为了满足射频收发子系统的需要，RADIO口的默认值与标准8051的P2默认值也不一样。收发器由特殊功能寄存器中的RADIO和 SPI_CTRL控制。当复位引脚为高电平时(无论是时钟是否有效)，控制nRF2401收发子系统的RADIO输出位默认为RADIO.3(CS)=0，RADIO.6(CE)=0，RADIO.7(PWR_Up)=1。程序运行后，保持默认值，直到程序通过RADIO寄存器改变各位的值。通过 PWR_UP、CE和CS三个控制引脚，可以设置nRF24EI的发送/接收工作方式。 PWR_UP=1，CE=1，CS=O时为收发方式; PWR_Up=l，CE=0，CS=l时为配置方式 ;PwR_UP=l，CE=0，CS=0时为空闲方式;PWPWR_UP=0时关机。
NRF24EI收发子系统采用了shockBurst技术，这种技术使用了片内的FIFO(先入先出)堆栈，虽然数据低速进入，但能高速发送，使能耗减到最低限度。ShockBurst有两种工作方式，分别为发送和接收，功能由配置字决定，工作流程如下所示:
(l)ShoekBurst发送
CPU接口引脚为CE、CLK1、DATA，工作流程:
①CPU有数据要发送时，先将CE置高，NRF24E1开始工作。
②接收节点地址和有效数据按时序被送到NRF24E1子系统，可通过应用协议或CPU设置，使这个速度小于1Mbps。
③CPU将CE置低，激活ShockBurst发送。
④ShockBurst。
*给RF前端供电;
*完成RF包处理(加前缀，CRC校验);
*数据高速发送(250kbPs或1Mbps，可由用户配置决定);
*发送完成，nRF2401返回空闲信号。
(2)ShoekBurst接收
CPU的接口引脚为CE、DRI、CLK1、DATA，工作流程:
①校验接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效数据的长度。
②将CE置高，激活RX。
③经过200us处理，nRF24E1子系统监视启动并等待信号的到来。
④当收到一个有效的数据包(正确的地址和CRC)，nRF24EI子系统移去前缀、地址和CRC位。
⑤nRF24E1子系统通过把DRI置高来通知CPU。
⑥CPU将CE置低，把RF前端设为低功耗方式。
⑦CPU按时序以适当的速度(如 1Okbps)把有效数据取出。
⑧当所有的有效数据都取完，nRF24EI子系统再次把DR1置低。如果CE保持为高，准备接收下一个数据包;CE为低，重新开始新的接收。shockBurst收/发方式使nRF24EI能够方便地同时接收两个不同频率的频道发送的数据，并且能够使接收速度达到最大值。这意味着:
①nRF24E1通过一个天线，能够接收两个频率相差8MHz(8个频率通道)的 1Mbps发射器(如nRF24E1、nRF2401或nRF2402)发送的数据。
②这两个不同数据频道的数据被分别送到两套不同的接口—数据频道1为CLK1、DATA和DR1，数据频道2为CLK2、DOUT2和DR2。
nRF24E1的DuoCeiver技术提供了两个、专用于接收的数据频道，而不是采用两个相互的接收器。使用第二个数据频道必须满足要求:第二数据频道的工作频率至少比第一个频道的工作频率高8MHz。使用ShockBurst技术，CPU先取出其中一个数据频道中的数据，另一数据频道中的数据等待CPU处理完。这样不至于丢失数据;同时，也降低了对CPU性能的要求。Du0Ceiver接收器输出的数据准备信号，可通过程序使其作为微处理器的中断或通过GPIO口传给CPU。nRF24E1内有一个低功耗的RC振荡器。该振荡器在VDD≥1.8V时，会持续工作。RTC唤醒定时器和WTD(看门狗)是2个16位的可编程定时器，它们的工作时钟为RC振荡器的 LP_OSC。唤醒定时器和看门狗的定时时间约为30Ous一8OmS，其默认值为10ms。唤醒定时器由用户软件控制启动和停止。看门狗在复位后被禁止，再次复位后才能被激活。
nRF24E1必须用高精度的晶振，为了支持1Mbit/s的传输速率，设计时还必须采用16MHz以上的晶振。nRF24E1的其它引脚还有14个。其中XC1和XC2为外部晶振引脚，IREF用于连接外部偏置参考电阻。其余为电源和接地脚。由于NRF24E1片内集成了RADIO模块，在使用中，只需要一片nRF24E1和少量的外围元件就能完成射频收发功能，因此，节省了印制板的空间，大大减少了系统的体积，可广泛应用于无线水表、煤气、电表、无线智能传感器、无线数据采集装置、无线身份识别智能卡、无线鼠标、无线耳机、遥控玩具、PDA手持终端等短距离无线通信场所。电子标签的设计不但要求体积小、重量轻、便于携带，而且要求功耗要非常低、电池寿命足够长。正是基于以上各种因素的考虑，我们采用nRF24E1作为射频收发芯片，采用外部纽扣电池作为电源。加上合理的软件节能设计，电池寿命能够达到三年时间，完全能够满足实际生产的需求。
4.1. 3 电子标签软件设计
电子标签原理图大体如下图4-3所示
图4-3电子标签模块原理图
其中控制单元为ATC2051，上面已经对它做了详尽的介绍。在此不再累赘述。
电子标签软件设计要考虑两大方面的问题:降低功耗和防碰撞问题。
由于采用外部电池供电，必然会产生电池的使用寿命问题。为了提高电池的使用寿命，可以采用两种措施。第一:采用大容量的纽扣电池，因此采用cR2450(标称容量570mAh)。第二:降低NRF24E1的功耗。由于NRF24E1处于正常工作模式时电流为3mA，发射信号时的工作电流为10.5mA，而掉电模式时工作电流仅为2uA。因此利用NRF24E1内部的定时唤醒功能，采用定时唤醒、间隔发送的方式发送射频信号，即:电子标签每发射完一次射频信号，就会进入掉电模式，等待设定时间后被唤醒，再发射一次射频信号，然后再进入掉电模式，依次循环。这样可以有效降低电子标签的功耗，提高电池使用寿命。结合实际应用过程中井下人员的行走速度和阅读器的漏检率等工程因素，我们用程序将时间间隔设定为1s。
电子标签防碰撞是RFID系统中一个关键问题。在射频识别系统中，当阅读器作用范围内有多个标签同时向阅读器发送数据时，此时信号会互相干扰从而会产生冲突，这个冲突就称为碰撞，其结果将会造成阅读器和电子标签之间的通信失败。因此，必须采用一种有效的防碰撞算法解决这种冲突，从而能够识别进入工作区域的所有射频卡，确保系统正常稳定的工作。
目前广泛使用的防冲突算法大都是TDMA，主要有两大类:基于树的算法和基于AlOHA的算法。树形分解法有可能会使某些标签的识别延迟时间比较长，所以在实际应用中较少采用这种算法。ALOHA算法因具有简单、易实现等优点而成为应用最广的算法之一。本文所阐述的算法是在ALOHA思想的基础上，根据RFID系统的特点和技术要求不断改进形成的算法体系，结合井下人员定位系统漏检率等因素所设计的一种新颖的算法。它的本质是分离电子标签的发射时间，使电子标签在不同的时隙内发送信号。具体的防碰撞算法如下:电子标签在发送编号信息前，首先设定为接收状态，‘侦听’有没有其它的电子标签处于发送状态，一旦‘侦听’到任何一个其它的电子标签信号，说明有其它电子标签处于发送状态，即发生碰撞，则采取退避原则，退避一个时间片后再检测，直到没有检测到其它的电子标签，再将本标签的编号信息发送给阅读器。经实践证明，该算法能有效解决系统中多目标识别的防碰撞问题。
电子标签的proteus仿真。
待研究........
4.1. 4 电子标签软件程序调试
电子标签的程序设计流程图如图4-4所示
图4-4 电子标签程序流程图
4.2阅读器的设计
阅读器在射频识别系统中起着举足轻重的作用，它是负责读取或写入标签信息的设备。阅读器可以是单独的整体，它可以嵌入到其它系统中，也可以作为单独的具有读写、显示、处理数据等功能的系统，还可以与计算机或其它系统进行联合，完成对射频标签信息的处理。射频识别系统的工作频段由阅读器频率决定，同时，识别距离受阅读器功率的直接影响。
4.2.1 阅读器的硬件设计
阅读器的硬件电路可以划分成电源模块，无线射频接收模块，CPU处理模块，外扩SRAM模块，显示模块和数据传输模块等六个模块。其具体框图如下：
图4-5阅读器结构框图
控制单元选用Atlnel公司生产的ATC5l，由其实现对射频收发单元、语音、A/D转换等模块的控制以及电源、.时钟管理，并约定收发双方的通信协议。
射频收发单元是井下数据采集交换的主要方式，是射频识别技术在矿井定位系统中的应用。为便于实现，我们依然采用芯片nRF401来实现。
芯片与控制单元的连接电路。nRF401芯片必须外加简单的外围器件构成收发模块方可工作。
液晶显示电路可以实现当前数据采集站的工作内容。用金鹏科技有限公司OCM4XSC液晶模块。该液晶显示模块是128、点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库 (l6X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及研X256点阵显示RAM(GDRAM)。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机:8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能:光标显示、画面移位、睡眠模式等。
4.2.2 阅读器的软件设计
阅读器的单片机软件设计是使用Csl和汇编混合编程，包括复位模块，防冲突模块，读写模块，通信模块，其流程图如图4-6所示。
图4-6 阅读器的软件流程图
控制单元上电就开始对nRF401射频模块、LCD显示、报警电路及ADC电路进行初始化配置，并启动定时器T0复位应答。使得系统中nRF401射频模块工作在2.45GHz，并处于接收状态。当ATC51接收到来自标签的数据后，则根据数据的前导帧不同判断信息类型，然后分别进行处理:当遇到多个卡同时向阅读器发送信息时，要在进行防碰撞处理。经过处理后，选择合法标签并开始读取该标签内的的信息，比如人员信息，人员位置，时间等。再经过数据传输总线上传到电脑中。
第五章 井上部分设计
井上部分的设计主要是软件的设计，是整套系统设计的灵魂，在本章将重点给出该套煤矿安全监控与目标定位系统的软件设计思路。同井下部分的设计一样，该套软件也可分为两大部分，一是井上控制中心的监控定位及考勤管理系统软件，采用面向对象的VC集成开发工具进行开发设计;另一部分是单片机控制的井下信息采集程序，由汇编语言完成。
5.1管理系统软件的设计
管理系统是在Windows xp环境下以 SQLserver2000数据库为核心并采用Client/Server模式开发而成的具有操作员登录、人员数据库信息录入、远程通讯、实时显示、数据统计存储、数据查询打印、图形绘制编辑、网络发布等7个模块系统管理软件，其结构如图5-1所示，程序数据流程如图5-2所示。
图5-1 系统管理结构
应用软件的开发主要包括以下几个方面:
(l)串口的设定与处理;
(2)通信协议(包括命令和数据帧的组帧和拆帧);
(3)目标定位系统数据管理(包括巡检计划、允差时间设定、接收数据处
理、考勤报表的生成、打印等);
(4)数据采集站的管理(包括设定当前时间、清除纪录、设定ID号等)。
可以实现的主要功能有:
(l)动目标监测查询功能
a可查询当前井下人员、机车的数量及区域分布情况;
b可查询任一指定井下人员、机车的当天或指定日期的活动踪迹;
c选定某一区域可以获得当前该区域的人员信息;
d选定某一分站接收探头可以获得经过该分站探头所有的时间信息;
e可对特定的人员、机车进行实时跟踪(其精度与监测分站的多少有关);
(2)超时报警功能通过设定下井时间闸，对下井超过一定时间的人员提示报警，并给出相关人员的名单等信息。
(3)统计考勤功能
可具体显示每个下井人员切确的下井时间和上井时间。并根据工种(规定足班时间)，判断不同类别的人员是否足班，从而确定其该次下井是否有效。在月统计报表中对下井时间、下井次数(有效次数)等分类统计，便于考核。还可打印月考勤报表、任意时间段下井统计等有关报表下井统计。
第四章系统的软件设计
(4)信息联网功能
作为局、矿信息管理系统(Mls)网的信息源，可向Mls网提供有关人员的实时和统计信息。在有互联网(或局域网)的情况下，通过建立场吧WEB服务器，可以以浏览网页的方式实现信息共享，在客户端无须另加任何软件
图5-2 程序数据流程图
5.2通信协议
CAN总线是德国Bosch公司于1983年为汽车应用而开发的一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信协议，属于现场总线任的范畴。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。最大通讯距离可达 1OKm，最大通讯波特率可达IM。总线仲裁采用n位标识和非破坏性位仲裁总线结构机制，可以确定数据块的优先级，保证在网络节点冲突时最高优先级节点不需要冲突等待。采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片己经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项工作。
因此采用CAN总线建立井下各采集站分布控制系统，可以满足矿井信息采集与通信的需求，及时将采集到的目标信息，送至监控室。
井上监控主机与井下各采集站的通信采用轮询的方式通过传输接口中转实现。传输接口与主机使用RS232信号制，与各采集站之间的通信通过CAN总线连接，接收各采集站发送的数据信息，掌握巷道内当前的环境参一又数及人员与车辆的信息，实现对矿井的监控与定位功能。
第六章 系统的抗干扰
煤矿安全生产监控与定位系统是由PC机、单片机构成的采集站、射频识别卡及CAN总线组成的。由于其工作环境复杂，信号的采集、传输等系统运行的每一个环节都会引入各种各样的干扰。特别是在矿井下有强电设备的生产环境下，电磁干扰非常严重，容易造成误码，影响系统的准确度，出现漏检情况。因此在煤矿监控系统中要采取各种抗干扰措施以保证监控系统的正常运行。在系统中需要从硬件和软件两个方面采取抗干扰措施。
6.1干扰源
6.1.1应用系统自身干扰源
应用系统自身干扰源是因在设计系统时对某些问题考虑不全面，如元器件布局不合理、电路工作不可靠、元器件质量差等，形成诸如电阻热噪声干扰、半导体散粒噪声干扰、接触噪声干扰、过程通道干抗、公共电阻形成的干抗、地线干扰、信号引入干扰等。这些干扰现象随元器件电流增大越加明显，噪声电流通过系统自身电路和通道而影响系统，其结果是使系统识别距离下降。
6.1.2电磁干扰源
矿井的生产现场有很多电磁干扰源，如动力变压器断弧过程中的多次复燃、电磁线圈电感和分布电容的谐振、大电流电弧的电磁辐射、大电流整流系统的换相、高频输电线附近所存在的强大交变电场和磁场等。电磁干扰信号通过导线或回路之间的互感祸合、电容祸合进入控制系统。电磁干扰造成的后果轻者使监控系统产生误差，重者使监控系统不能正常工作。
6.1.3供电系统干扰源
由于工业现场运行的大功率设备众多，特别是大功率感性负载设备的启停，使得电网电压大幅度浪涌与下陷，有时会出现长时间的过压、欠压和短时间的尖峰电压，它们十分方便地以线路传输形式经电源线进入系统，其中过压干扰是单片机控制系统最为恶劣的干扰，往往使系统程序“跑飞”，造成“死机，。
煤矿安全生产监控系统除了易受以上干扰外，由于系统工作环境较差，还易受到机械干扰、热干扰及化学干扰等。
6.2抗干扰的硬件措施
干扰对监控系统产生影响必须同时具备三个条件:干扰源、干扰途径和接收干扰信号的敏感器件，若这三个条件中其中一条不存在，干扰就不会产生影响，抗干扰的硬件设计方法就是针对这些条件采取不同的措施。因此硬件抗干扰总的原则是消除干扰源、切断干扰侵入途径和设计低噪声电路。
6.2.1电磁干扰的抑制措施
工业微机系统比一般计算机更多地受着各种电磁场干扰的影响，电磁场干扰可能来自系统外部，也可能来自系统内部，抑制电磁干扰的主要手段就是采取屏蔽。方式有两种:一是将易干扰的电路或设备等屏蔽起来，以防接收辐射干扰:另一种是将辐射源屏蔽起来，防止辐射出干扰影响其他电路。
另外，系统可以浮置(如信号地不接机壳或大地)来阻断干扰电流的通路，’设备内部具有辐射能力的电路要远置，以减少对其他电路的影响。
6.2.2过程通道干扰的抑制
(l)光电藕合隔离，光祸具有很强的抗干扰能力采用隔离技术，利用光电祸合器件实现输入输出通道的“电一光一电”的隔离，这样既可以防止外界干扰信号从输入输出通道串入单片机系统，又能防止外界高压将系统损坏，并且能防止不同电路共地而引起的干扰。(2)使用双绞线作为信号线，可以排除平行互感。因为双绞线具有阻抗高、抗共模干扰能力强的特点，另外，它能使各个小环路的磁感应干扰相互抵消，其分布电容为几十皮法，距离信号源近，可起到积分作用，故双绞线对电磁场干扰、共模噪声也有一定的抑制效果。
(3)对长线传输进行适当地阻抗匹配，即要求信号源的输出阻抗、传输线的特性阻抗与接收端的输入阻抗相等。否则，信号在传输线上会产生反射，造成失真。
(4)将信号接收电路设计成差动输入方式，可以有效地消除伴随有用信号进入系统的共模干扰信号。
(5)主信号传输线采用屏蔽电缆，将屏蔽层接地，以提高抗电磁干扰的能力。
6.2.3印制电路板的抗干扰
电路板是微机系统中器件、信号线、电源线高密度集合体，对抗干扰性能影响很大，电路板设计、布线及接地不妥可能使整个系统无法正常运行。故设计分站和通讯接口卡的印刷电路板时考虑了如下抗干扰的设计原则:
(l)印制电路板:大小要适中，过大时，印刷线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也高;过小，散热不好，同时易受干扰。
(2)器件选择:选择质量合格的器件，合理布置电路元件。
(3)器件布置:把相关的器件就近放置，‘易产生噪声的电路应尽量远离主机电路，发热量大的器件应考虑散热问题，并合理放置。
(4)布线:电路之间的连接成尽量短，容易接收干扰的信号线要重点保护，不能与能够产生干扰或传递干扰的线路长距离平行;交直流电路要分开; 对双面布线的印制电路板，应使两面线条垂直交叉，以减少磁场祸合效应;加粗电源线，合理走线，接地，三总线分开以减少互感振荡;布线时减少回路环的面积，以降低感应噪声。
(5)接地:交流地与信号地不能共用，以减少电源对信号的干扰;数字地、模拟地分开设计，在电源端两种地线相连;对于多级电路，设计时要考虑各级动态电流，注意接地阻抗相互祸合的影响，工作频率低于 1MHz时采用一点接地，工作频率较高时采取多点接地，接地线应尽量粗。
(6)去祸电容:加去祸电容是印制电路板设计的一项常规做法。在电源输入端跨接10一loouF的电解电容或担电容，在每个集成电路芯片上安装应个 0.01uF的陶瓷电容器。
(7)在分站上选用三端稳压集成块组成稳压电源，对过压、过载进行保护。
6.3抗干扰的软件措施
6.3.1插入空操作指令
在程序执行过程中，CPU受到干扰后可能会将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱，我们应尽快使程序纳入正轨。MCS51系列单片机指令不超过3字节，当程序弹飞到某一单字节指上时，能自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节或三字节指令上时，有可能落到操作数上，继续出错。为了避免出现上述情况，在软件设计时，应尽量采用单字节指令，并在一些关键地方插入NOP指令。如在双字节，三字节指令后面插入2条NOP指令，可保护其后的指令不被拆散。另外，在一些对程序流向起决定作用的指令之前插入两条NoP指令(如盯T--孙，IT、AcALT、LcALT、sJMp沪JMp，LIMp，JZ，JNZ，JC，ANC，JB，刃呵B，JBC，C刀闷E，DJNZ)以保证弹飞的程序迅速纳入程序轨道。
为了克服外界干扰改变堆栈指针SP的内容，或使单片机处于关中断状态，在主程序的循环程序中反复置栈顶和开中断，使其在故障时能恢复到正确状态。6.3.2采用软件陷阱
所谓软件陷阱技术，就是当系统因受于扰而失控时，用引导指令强行将捕获到的失控程序引向复位入口地址000oH，并在此处将程序转向专门的出错处理程序，使程序纳入正轨的方法。在软件设计时使用了“软件陷阱”技术，在未使用的大片EPROM之间和各程序段之间未使用的连续空间结尾处都写入指令L刀吐 P000oH，其余部分写入空操作指令，这样当失控的程序进入这些地区后，就会自动转入主程序的入口处。
另外，在未使用的中断向量区也布上陷阱，当干扰使未使用的中断开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，及时捕获错误的中断，将程序引入主程序的入口处。
6.4“看门狗”技术
当程序飞到一个临时构成的死循环中或PC指针落到程序存储器芯片地址之外，冗余指令和软件陷阱对此为力，这时系统将完全瘫痪。这种情况下，可以通过设置监视定时器使系统复位。设置监视定时器就是将定时器的定时时间设定成略大于程序正常运行时可能出现的最大循环周期时间，在程序中设置一条使定时器复位或预置的指令。这样，只要程序正常运行，由于每一个周期都对定时器复位或重新预置，定时器不会产生溢出信号。而当程序运行失常时将不能保证对定时器复位和重新预置，定时器定时时间一到将产生溢出。利用“溢出”信号作为复位脉冲使系统复位或进入故障处理中断程序，从而可使系统恢复运行。作监视用的定时器可以是单片微机本身的定时器，也可以是外部可编程的定时器，还可以是不可编程的计数器电路。
在本系统中，用ATC51单片机加MAX706在井下分站和通讯接口卡上分别增设了“看门狗”电路。该电路所需外围元器个数少，但电路性能更可靠，可以实现如下功能:
(l)上电、掉电以及降压情况下的复位输出。
(2)的看门狗输出，如果在1.65内看门狗输入端未被触发，看门狗输出将变为低电平。
(3)1.25v门限检测器，用于电源故障报警、低电池检测或+5V以外的电源的监控。
(4)低电平有效的人工复位输出。MAX706电压低于4.40v的情况下产生复位脉冲。图5.2是一种以M叭X706为核心的复位电路。这个复位电路具有手动、上电、掉电及降压复位功能和看门狗功能。上电掉电复位功能由芯片本身提供，而看门狗功能则由该电路保证。在程序执行中，保证在1.65内，P3.3发出一负脉冲，在正常运行时，RESET信号不会有效。如果程序跑飞盲目运行，那么 1.65内没有负脉冲RESET信号有效，系统在受到干扰出错后会很快回到正常工作状态，保障了系统的抗干扰能力。
结论与展望
6.1 总结
本设计利用射频识别技术对井下人员定位系统进行了研究，整个系统对信息采集完全自动化，无需人工参与，提高了信息管理的效率。同时阅读器的设计具有一定的通用性，通过开发不同的应用系统，可以在其他场合也得到应用。
应用系统的设计符合实际，界面易于操作。在对射频识别技术进行理论分析的基础上，本文作者主要完成了以下几个方面的研究工作:
1.对多种射频识别系统进行了研究，决定了采取高频系统(2.45MHz)的方案来完成本设计。
2.针对RFID技术研究中关键问题之一—防冲突算法作了非常深入的研究，提出了一种改进的ALOHA防冲突算法，并与现行通用的ALOHA防冲突算法进行比较，发现其优越性会随着识别范围内标签数目的增多越发明显。
3.对高频接口的整体框架进行了可行的方案设计，包括接收机与发射机模块，并且探讨了天线的特性，选择方案，并完成了匹配电路的设计。
4.为了有利于现有小煤窑的改造，我们分析了现场总线CAN网络，利用CAN网络组网，将大大节省系统成本，加速煤炭自动化管理的普及。
5.将RFID应用于井下定位系统中，对其作了较全面的研究，设计了计算机操作界面和管理信息的数据库系统，使RFID能真正服务于井下人员定位系统。
6.2展望
射频识别技术作为一种新兴的自动识别技术，将在中国很快地普及。我国射频识别技术应用状况还处于初级阶段，可以说，我国射频识别产品的市场是十分巨大的。不久的将来，我国射频识别技术应用将在生产线自动化、仓储管理、电子物品监视系统、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、全面的应用将是一个长期的过程，需要业内人士共同的努力。
经过多年的学习，本文初步完成了整个系统的设计，但还有一些方面有待深入:
1.从理论层次上来说，本文只是探讨了一种防冲突算法，没有做更深入的究和探讨，比如说对高速运动和对识别速度要求比较严格的情况下，标签的识别性能究竟会如何，而且防冲突算法多种多样，并没有和其他类型的防冲突算法进行对比分析，这在下面的研究工作中，有待进一步讨论;
2.从硬件设计层次上来说，为了更好的进行数据识别，从井下人员通过巷的识别，发展在对在工作面活动的人员也能进行有效的识别，无源射频识别系统的数据传输距离应进一步加大。其作用距离的增加有两个方法:是增加阅读器的发射功率，二是降低标签的功耗，但是为了井下的安全生产和降低电磁辐射对人体的损害，阅读器的发射功率是有的，所以系统作用距离的主要是在电磁波束给标签能量供电上，随着低功耗IC设计技术的发展，电子标签的工作电压进一步降低，所需功耗可以降到5uW甚至更低的程度，这就使得无源系统的作用距离进一步加大
3.从应用系统层次上来说，我们还可以扩展很多其他的功能，使系统更完善真正地实用起来。由于作者水平有限，论文中的疏漏之处在所难免，欢迎各位专家、读者不吝赐教。
致谢
本文在写作过程中，我的论文指导导师赵发老师，在百忙之中抽出宝贵时间，对于论文的选题、框架以及写作等过程给予了悉心的指导;同时，老师渊博的理论知识、正直的为人准则、严谨的治学态度和孜孜不倦的学者风范都使我受益匪浅，并将继续积极的影响我对生活、工作的态度。在此，我对老师表示衷心的感谢和深深的敬意。
同时，在本论文的写作过程中，也得到其他同学和同事的帮助与支持，在此一并表示感谢!也在此深深地感谢安徽工程大学电气学院的全体老师给予我的培养和教导。
参考文献
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附录
一篇引用的英文文献
RFID basic principle
What is the RFID?
RFID is the abbreviation for Radio Frequency Identification, called electronics label .
What is the RFID technology?
RFID recognition is a non-contact automatic identification technology, rf signal through its automatic target recognition and access to relevant data, identify work without manual intervention, it can work in various environments. RFID technology can identify high-speed moving objects and can identify multiple tags, the operation is fast and convenient.
Accenture laboratory's chief scientist sir alex ferguson feels RFID is a breakthrough technology: "first, can identify a very specific objects, rather like the code that can identify class objects; second, the use of rf, can read data through external materials, and bar code must rely on laser to read information; third, can also read on to multiple objects, and bar code can only read one by one. In addition, store of information is also very big."
What is the basic component of RFID?
The most basic RFID system consists of three parts:
·Tag:Tag consists of components and chips, each Tag has only electronic coding, adhere to the object for identifiering target;
·Reader:read (sometimes also can write) label information equipment,it can
be designed for portable or fixed;
·Antenna: Transmit radio frequency signals between in the label and reader.
The basic principle of RFID technology is what?
The basic principle of RFID technology is not complex: Label into the field, Receive radio frequency signals from reader collision, with all the energy stored in a chip of the product information （ passive tag, there is no source label or labels ）, Or actively to send a frequency signals（ active tag and to label or labels ） ； to read information and understanding of the decoder after the central information systems to carry out the relevant data processing.
What makes retailers so highly RFID?
Sanford Bernstein cristiano, according to analysts estimate the retailing company, by adopting the RFID, wal-mart can save $8.35 billion each year, mostly because of the purchase of artificial view does not need to save the cost of labor code. Although some analysts think $8 billion in the digital too optimistic, but undoubtedly, RFID help solve the problem: the two biggest retail commodities and loss (broken by theft and supply chain was unsettled and loss of products),now a wal-mart, stealing a loss is almost 20 billion dollars, if a legitimate business turnover can achieve this number, can in American 1,000 enterprise's list of top first 694. Research organizations estimate, This rfid technology can help to reduce the level of 25% reduction and stock.
The typical application of RFID technology is what?
Logistics and supply management
Manufacturing and assembly
Airline baggage handling
Mail/express parcel
A document tracking/library management
Animal identity tags
Movement
Access control/electronic tickets
Automatic charge. Road
RFID automatic recognition term explanation
· micro wave: wavelength of 0.1-100 centimeters or frequency in 1-100GHZ electromagnetic wave.
·radiation frequency: usually microwave.
·electronic tags: stored data object code identification tag, also called
rf CARDS.
·passive tags: without power and internal by receiving microwave energy work.
·active tags: by internal batteries work labels.
·microwave antenna: used for launching and receive a signal.
·read device: Used to read the labels in electronic data.
·programming device: for electronic data written to the label or labels for the stored data.
·beam bracketing: refers to the antenna beam range of microwave irradiation range launch power.
·tag capacity: The label of programming can be written in the number of digits or logical.
A - Biz -utomatic identification technology application case frame
ASN - senior freight notice
BIS - commercial information system
DA - shipment notification
EAN --European articles coding EPCTM - electronic products
ONS - objects name resolution services
PML - entity markup language
UCC - unity coding committee
UML - unified modeling language
System composition and working principle
The most basic RFID system consists of three parts:
·Tag:Tag consists of components and chips, each Tag has only electronic coding, adhere to the object for identifiering target;
·Reader:read (sometimes also can write) label information equipment,it can
be designed for portable or fixed;
·Antenna: Transmit radio frequency signals between in the label and reader.
Some systems have readers RS232 or RS485 interface with external computer (upper computer system) connection, and exchange data.
The system of basic workflow is: reader through the antenna send certain frequencies of rf signals, when the rf card to enter the antenna working area induced current, rf cards gain energy to be activated, rf cards will own coding information through the card built-in transmitting antenna send out, System receiving aerial from rf card from the carrier signal, the antenna of a regulator to the reader, the reader to receive a signal and demodulates and decodes to the system to deal with the relevant ； the main system based on logic, determine the legality of smart cards, in different settings make the appropriate treatment and control signals control and direction of movement. in the coupling between inductors and electromagnetic way (), communication process (FDX, HDX, SEQ)、From rf card to the reader of data transmission of the load method (modulation, reverse scattering, high time harmonics) and frequency, from the contact method transmission a fundamental difference, but all the reader in principle, and the decision of the design structures are very similar. all the reader is a simple matter of high frequency and control unit two basic module. high frequency interface includes both transmitters and receivers, its functions include: to produce high-frequency transmit power to start and provide rf card energy. To launch signal used to send data to rf CARDS, Receive and demodulation of high frequency signals from rf CARDS. Different rfid system with some difference frequency interface design, the system frequency inductive coupling interface diagram shown.
Readers of the control unit features include: communicate with the application software, Application software and to execute the order of radio frequencies ； control and communication from the principle of the lord - () ； signal of the decoding. to some specific systems are the collision, the algorithm to rf card reader, and to the transfer of data encryption and decryption, as well as on radio frequencies and the reader's authentication for an additional function.
The rfid system is a key and distance of the parameters. At present, the price of long-distance rfid system is very expensive, thus to improve their reading for distance of the method is very important. Influence factors of distance and RF card reader, including antenna working frequency of RF output power, reader's reception sensitivity, RF card power, antenna and the resonant circuit Q value, antenna, RF card reader and the direction of the coupling, and RF card itself of energy and send information energy etc. Most of the system of writing is read and write different, read the distance is about 40% to 80%.
Theory analysis
RFID technology USES radio-frequency mode in the reader and rf card no contact between the bidirectional data transmission, in order to achieve target recognition and data exchange. And the tradition of code, magnetic and IC card, compared with non-contact, rf card reading speed, wear, not by environmental impact, long life, easy to use and has the characteristics of anti-collision function, can handle more CARDS. Abroad, rfid technology has been widely used in industrial automation, commercial automation, transportation control, etc.
译文
RFID基本原理
什么是RFID?
RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。
什么是RFID技术？
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签， 操作快捷方便。
埃森哲实验室首席科学家弗格森认为RFID是一种突破性的技术："第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。"
什么是RFID的基本组成部分？
最基本的RFID系统由三部分组成：
·标签：由耦合元件及芯片组成，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；
·阅读器：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；
·天线：在标签和读取器间传递射频信号。
RFID技术的基本工作原理是什么？
RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至信息系统进行有关数据处理。
是什么让零售商如此推崇RFID？
据Sanford C. Bernstein公司的零售业分析师估计，通过采用RFID，沃尔玛每年可以节省83.5亿美元，其中大部分是因为不需要人工查看进货的条码而节省的劳动力成本。尽管另外一些分析师认为80亿美元这个数字过于乐观，但毫无疑问，RFID有助于解决零售业两个最大的难题：商品断货和损耗（因盗窃和供应链被搅乱而损失的产品），而现在单是盗窃一项，沃尔玛一年的损失就差不多有20亿美元，如果一家合法企业的营业额能达到这个数字，就可以在美国1000家最大企业的排行榜中名列第694位。研究机构估计，这种RFID技术能够帮助把失窃和存货水平降低25%。
RFID技术的典型应用是什么？
物流和供应管理
生产制造和装配
航空行李处理
邮件/快运包裹处理
文档追踪/图书馆管理
动物身份标识
运动计时
门禁控制/电子门票
道路自动收费
RFID自动识别术语解释
· 微 波 ： 波长为0.1—100厘米或频率在1—100GHZ的电磁波。
· 射 频 ： 一般指微波。
· 电子标签 ： 以电子数据形式存储标识物体代码的标签，也叫射频卡。
· 被动式电子标签： 内部无电源、靠接收微波能量工作的电子标签。
· 主动式电子标签： 靠内部电池供电工作的电子标签。
· 微波天线 ： 用于发射和接受微波信号。
· 读出装置 ： 用于读取电子标签内电子数据。
· 阅 读 器 ： 用于读取电子标签内电子数据。
· 编 程 器 ： 用于将电子数据写入电子标签或查阅电子标签内存储数据。
· 波束范围 ： 指天线发射微波的照射功率范围。
· 标签容量 ： 电子标签编程时所能写入的字节数或逻辑位数。
a-Biz—自动识别技术的应用案例框架
ASN—高级货运通知
BIS—商业信息系统
DA—发货通知
EAN—欧洲物品编码组
EPCTM—产品电子码
ONS—对象名解析服务
PML—实体标记语言
UCC—统一编码委员会
UML—统一建模语言
系统组成和工作原理
最基本的RFID系统由三部分组成：
1. 标签(Tag，即射频卡)：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。
2. 阅读器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。
3. 天线：在标签和读取器间传递射频信号。
有些系统还通过阅读器的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。
系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。
在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，电感耦合系统的高频接口原理图如图所示。
阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。
射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约是读取距离的40%～80%。
原理分析
RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。下载本文
