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基于RFID的博物馆导览系统分析.pdf

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华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名考I虱 日期岬年g月8日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许学位论文被查阅除在保密期内的保密论文外;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于口保密,在年解密后适用本授权书。日不保密,同意在校园网上发布,供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。请在以上相应方框内打“√”本人签名导师签名学民 日期埤』翌日期避丕&第一章绪论第一章绪论1.1无线射频识别技术简介随着高科技的蓬勃发展,智能化管理已经走进了人们的社会生活,门禁卡,全民推广的第二代身份证,每天都在使用的公交卡,这些我们已经习惯使用的卡片使我们的身份轻松获得认同,其实秘密就在于这些卡都使用了RFID射频识别技术。RFID是Radio Frequency Identification的缩写,即射频识别技术,是自动识别技术的一种,其通过射频信号自动识别目标对象,对目标加以识别并获得相关数据,可快速地进行物品追踪和数据交换n3。RFID技术通过对实体对象包括零售商品、物流单元、集装箱、货运包装、生产零部件等的唯一有效标识,被广泛应用于生产、零售、销售、物流、交通等各个行业。RFID技术不需要人工干预,不需要直接接触、不需要光学可视即可完成信息的输入和处理,可工作于各种恶劣环境,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,实现了无源和免接触操作,应用便利,无机械磨损,寿命长,具有无直接对最终用户开放的物理接口,能更好的保证机具的安全性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,如DES、RSA、DSA、MD5等,读写器与标签之间也可相互认证,实现安全通信和存储;总体成本一直在下降,越来越接近接触式IC卡的成本,甚至更低,为其大量应用奠定了基础昭1。1.1.1 IEFID系统原理一个典型的射频识别技术系统一般由RFID标签、阅读器以及计算机系统等部分组成,如图卜1所示。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。其被放置于被识别物体之外。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。阅读器读取在读写卡中还可以写入标签信息的设备,其是一种读或写/只读装置,这取决于所使用的结构和技术。一台典型的阅读器包含有高频模块发送器和接收器、控制单元。此外,许多阅读器还都配有附加的接口如RS232,RS485等,以便将所获得的数据进一步传给计算机系统等。¨。计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性。华南理工大学硬士学位论文熙图卜I RFII系统组成框图RFID技术的基本工作原理;阅读器通过天线发送一定频率的射频信号,当附着标签的目标对象进入发射天线工作区域时会产生感应电流,标签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,或者主动发送茉一频率的信号;标签将自身编码等信息通过内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从标签发送来的载波信号,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后,送到计算机系统进行相关处理;计算机系统根据逻辑运算判断该射频标签的合法性,针对不同的设置做出相应的处理和控制,发出指令信号,控制执行机构动作“1。1.1.2 RFID的应用范围RFID技术以其独特的优势,逐渐地被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通自动化控制管理等领域。随着大规模集成电路技术的发展及其生产规模的不断壮大.射频识别产品的成本将不断地降低,其应用也将越来越广泛“1。表卜l列出了RFID在各个领域的应用。表卜1 RFID的应用列表应用领域 应用说明物流 物流仓储是RFID最有潜力的应用领域之一。UPS、DHL和Fedex等国际物流巨头都在积极试验RFID技术,以期在将来大规模应用提升其物流能力。可应用的过程包括物流过程中的货物追踪,信息自动采集,仓储管理应用,港口应用,邮政包襄。快递等。交通 高速不停车、出租车管理、公交车枢纽管理和铁路机第一章绪论车识别等已有不少较为成功的案例,应用潜力大。汽车 制造、防盗、定位和车钥匙可以应用于汽车的自动化、个性化生产、汽车的防盗和汽车的定位,可以做为安全性极高的汔车钥匙。国际上有成功案例。零售 由沃尔玛、麦德隆等大超市一手推动的RFID应用,可以为零售业带来包括降低劳动力成本、商品的可视度提高,降低因商品断货造成的损失,减少商品偷窃现象等等好处。可应用的过程包括商品的销售数据实时统计、补货和防盗等。身份识别 RFID技术由于天生的快速读取与难伪造性,而被广泛应用于个人的身份识别证件,如现在世界各国现在开展的电子护照项目,我国的第二代身份证,学生证等其它各种电子证件。制造业 应用于生产过程的生产数据实时监控、质量追踪、自动化生产和个性化生产等;在贵重及精密的货品生产领域应用更为迫切。服装业 可以应用于服装的自动化生产,仓储管理,品牌管理,单品管理,渠道管理等过程,随着标签价格的降低,这一领域将有很大的应用潜力。但是在应用时,必须得仔细考虑如何保护个人隐私的问题。医疗 可以应用于医院的医疗器械管理、病人身份识别和婴儿防盗等领域。医疗行业对标签的成本比较不敏感,所以该行业将是RFID应用的先锋之一。防伪 RFID技术具有很难伪造的特性,但是如何应用于防伪还需要政府和企业的积极推广。可以应用的领域包括贵重物品烟、酒、药品的防伪和票证的防伪等。资产管理 各类资产贵重的或数量大相似性高的或危险品等随着标签价格的降低,几乎可以涉及到所有的物品。食品 水果、蔬菜、生鲜和食品等保鲜度管理。由于食品、3华南理工大学硕士学位论文水果、蔬菜和生鲜上含水份多,会影响正常的标签识别,所以该领域的应用将在标签的设计及应用模式上有所创新。动物识别 训养动物、畜牧牲口、宠物等识别管理、动物的疾病追踪和畜牧牲口的个性化养殖等。在国际上已有不少较为成功的案例。图书馆 书店、图书馆和出版社等应用,可以大大减少书籍的盘点和管理时间,可以实现自动租、借和还书等功能。在美国、欧洲和新加坡等已有图书馆应用成功案例。在国内有图书馆正在测试中。航空 制造、旅客机票和行李包裹追踪可以应用于飞机的制造、飞机零部件的保养及质量追踪、旅客的机票、快速登机和旅客的包裹追踪。军事 弹药、枪支、物资、人员和卡车等识别与追踪美国在伊拉克战争中已有大量使用。美国国防部已与其上万的供应商正在对军事物资进行电子标签标识与识别。其它 门禁、考勤、电子巡更、一卡通、消费和电子停车场等。1.1.3无线射频识别系统的国内外研究现状和发展趋势从全球的范围来看,美国已经在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发、应用领域走在世界的前列。欧洲RFID标准追随美国主导的EPCglobal标准。在封闭系统应用方面,欧洲与美国基本处在同一阶段。日本虽然已经提出UID标准,但主要得到的是本国厂商的支持,如要成为国际标准还有很长的路要走。RF【D在韩国的重要性得到了加强,政府给予了高度重视,但至今韩国在RFID标准上仍模糊不清∞3。我国在RFID技术的研究方面也发展很快,市场培育已初步开花结果。铁道部曾将货车自动抄车号项目列为八五重点攻关技术研究课题。在20世纪90年代中期,国内有多家研究机构参与了该项技术的研究,探索了多种实现方案,最终确定了RFID技术为解决货车自动抄车号的最佳方案。进而,在RFID实现技术方面又探索了有源标签方案、无源标签倍频方案等。最后选定了无源标签RFID方案。经过多年的现场运行考验,铁4第一章绪论路车号自动识别系统工程于1999年全面投入建设。经过两年左右的建设与试运行,目前铁路车号自动识别系统工程已发挥出了系统设计功能,圆了铁路人的梦想,并且其辐射与渗透到其他应用方面的作用日渐明显。在近距离RFID应用方面,许多城市已经实现了公交射频卡作为预付费电子车票应用、预付费电子饭卡等。在RFID技术研究及产品开发方面,国内己具有了自主开发低频、高频与微波RFID电子标签与读写器的技术能力及系统。RFID的应用前景广阔是众所周知的。由于应用频段的灵活性和不同应用环境下的适应能力,笼统的说,RFID技术可以应用于各行各业。目前包括沃尔玛在内的很多跨国公司已开始采用RFID技术辅助企业管理,同时,国外也有多家仓库采用RFID技术实现仓储自动化管理。据有关权威数据显示,射频识别产品在全世界的销量以每年25.3%的比例增长。就中国的RFID市场来说,来自业界的调研表明,有88 1%的调研对象认为RFID应用中潜力晟大的市场是仓库/运输/物流,36 7l%认为RFID应用中潜力最大的市场是零售/卖场,21.4%认为RFID应用中潜力最大的市场是汽车行业。近期来看,相信RFlD应用今年会在以下的行业有较大的发展,譬如制造、物流、公共安全、零售、资产管理、医疗等。另外,RFID应用除了在量上有了长足的发展之外,业界的领导企业们开始了质上的精雕细琢。这类企业在以下两个纬度上进行着RFID应用在企业内部的深入展开。图卜2显示了美国RFID市场发展预期状况。刀卫口『H场增I乇预期毒 IJ\ 多弋,, I文· ●丑誊怀水 }斗缝一一~j jl术· U为二HStockman ’~~、,t小心m醉怔图卜2美国RFID市场发展预期华南理工大学硕十学位论文1.2电子导游机国内外现状随着信息技术的发展,能为人们方便、快捷地提供信息传播服务的方式越来越多。而电子导游系统作为一种新型游览信息的传播载体,近年来在国内外得到广泛发展,带动着旅游、参观业向电子化和智能化的发展方向。传统的导游使用高音喇叭讲解有较大的噪音污染而且影响他人的参观,很多发达国家大都取消了这种导游讲解的方式,采用了非导游讲解的电子导游器。游客进游览区后,全程使用导游器来获取游览信息,这样游客得到的信息即客观准确,又充分发挥了游客的自主性无需按照人工导游设置的路线游览。1.2.1电子导游机国外研究现状目前,先进的发达国家大都采用非导游讲解的讲解器。在博物馆等室内展馆,基本上取消了导游讲解。特别是噪音比较大而又影响其他人参观的高音喇叭,在国外基本上找不到它的踪影。游客进展馆后,自己拿讲解器按说明书上的说明听讲解,听完以后自觉放回原处,以便供下位游客继续使用。所以他们的博物馆很安静,根本没有人为的杂-e,-_日。此外,美国马萨诸塞州一家公司还发明了一种便携式电子导游器,它储存了包括美国大陆主要高速公路在内的35000项数据资料。只要游人提供目的地的里程和方向,便可定出旅游计划。在旅途中,游人只需输入所在州名、高速公路、方向及最近的里程碑,便可获得餐馆、加油站、医院、旅游景点等信息。除此之外,它还可以提供地方高速公路交通警的电话号码,当地天气、旅游公司、汽车旅馆以及俱乐部等有关情况。这种电子导游器起到了电子地图和指引路线的作用,因此,只要手持电子导游器,游人就不会迷路。在美国、英国、法国、加拿大等国的一些旅游城市都有出租最先进的电子导游,租金平均是约合350元人民币一天,或者1600元人民币一周。这种电子导游看上去和普通的掌上电脑没什么区别,当你带上它开车经过或者走过相关的景点的时候,这款电子导游就会播放一段该景点的语音介绍,告诉你相关的历史和故事。除此之外,电子导游还可以告诉你如何行车到达目的地,前方有什么景点、餐馆或者酒店。这种电子导游最受外国游客和自驾游朋友的欢迎。1.2.2电子导游机国内研究现状在我国,电子导游还是个新生事物,2000年开始在广西桂林漓江开始出现,9年来6第一章绪论国内的各著名旅游景点都已经开始引入电子导游,前者如广西桂林漓江、陕西黄帝陵、天津博物馆等大部分旅游景点采用的是数码按键播放机,每一个新景点按一下相应的键,然后就可以听到导游词后者如广州陈家祠、苏州观前步行街使用的电子导游机,游客通过触摸屏幕上的按钮,得到景区景点、“老字号“店铺、美食休闲、娱乐购物、交通出行等各方面的咨询服务。目前我国生产和开发电子导游的企业不到十家,最早的如启东市远卓电脑工程有限公司于2000年起,涉足电子导游系统的研制开发。其开发的电子导游无线讲解系统已被联合国第二十八届世界遗产委员会会议指定为专用导讲设备。此外,涉足电子导游的生产和开发的企业还有天津市天富鑫商贸有限公司、昆明威立。信通通信有限公司、广州市新支点电子有限公司等等,9年来,这些公司为电子导游在我国旅游景点的应用和普及发挥了推动作用。1.3 RFID系统天线天线处于RFID系统的最前端,是RFID读写器的重要组成部分,阅读器天线所形成的电磁场范围、强度和形状决定了标签感应的灵敏度、作用距离和范围大小。阅读器天线的输入参数,如阻抗、带宽,则影响了RFID阅读器与天线的匹配程度,决定了读写器的能量及数据发送和接收质量的好坏,因此天线性能对整个射频识别系统的性能具有重要影响n1。1.3.1系统天线简介天线是一种以电磁波形式把前端射频信号功率接收或辐射出去的装置,是电路与空间的界面器件,用来实现导行波与自由空间波能量的转化。在RFID系统中,天线分为电子标签天线和读写器天线两大类,分别承担接收能量和发射能量的作用。当前的RFID系统主要集中在LF、HF13.56MHz、UHF860-960MHz和微波频段,不同工作频段的RFID系统天线的原理和设计有着根本上的不同。RFID天线的增益和阻抗特性会对RFID系统的作用距离等产生影响,RFID系统的工作频段反过来对天线尺寸以及辐射损耗有一定要求。RFID天线结构和环境因素对天线性能有很大影响。天线的结构决定了天线方向图、阻抗特性、驻波比、天线增益、极化方向和工作频段等特性。天线特性也受所帖附物体形状及物理特性的影响。天线的目标是传输最大的能量进出电路,这就需要仔细的设计天线和自由空间以及7华南理工大学硕士学位论文其电路的匹配,天线匹配程度越高,天线的辐射性能越好。当工作频率增加到超高频区域的时候,天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。在传统的天线设计中,我们可以通过控制天线尺寸和结构,使用阻抗匹配转换器使其输入阻抗与馈线相匹配。一般天线的开发是基于50或75欧姆阻抗,而在RFID系统中,芯片的输入阻抗可能是任意值,并且很难在工作状态下准确测试,天线的设计也就难以达到最佳。对于近距离RFID应用,天线一般和读写器集成在一起,对于远距离RFID系统,读写器天线天线和读写器一般采取分离式结构,通过阻抗匹配的同轴电缆连接。一般来说,方向性天线由于具有较少回波损耗,比较适合标签应用;由于标签放置方向不可控,读写器天线一般采用圆极化方式。读写器天线要求低剖面、小型化以及多频段覆盖。对于分离式读写器,还将涉及到天线阵的设计问题。国外已经开始研究在读写器应用智能波束扫描天线阵,读写器可以按照一定的处理顺序,“智能”的打开和关闭不同的天线,使系统能够感知不同天线覆盖区域的标签,增大系统覆盖范围。1.3.2 RFID天线国内外研究动态RFID天线的研究是随着RFID技术的应用而发展的。RFID技术的发展最早可以追溯至第二次世界大战时期,因此它并不是个崭新的技术。从分类上看,因为经过多年的发展,13.56MHz以下的RFID技术已相对成熟,位于中高频段的RFID技术,特别是860“-“960MI-IzUHF频段的远距离RFID技术发展最快;而2.45GHz和5.8GHz频段由于产品拥挤。易受干扰、技术相对复杂,其相关的研究和应用仍处于探索阶段。RFID频段特性如表卜2所示。表1-2 RFID频段特性频段 低频 高频 超高频 微波典型频率 125.124KHz l 3.56MHz 860~960MHz 2.45GHz~3.5-5mP ~lm以内P识别距离 高速环境影响 迟钝 -敏感标签大小 大型小型日前,日本藤仓、三洋电机和日本Tachyon联合采用晶圆级封装wLP技术设计微波波段RFID片上天线,大大减小了RFID天线的体积;DuPont公司最近也推出了专门用于智能标签RFID天线印刷的环保型的MCMS033油墨。该油墨不仅性能良好,而且可大大降低高频HF及超高频UHF天线的制作成本;韩国顺天Sunchon国立大学化学工程学科学家利用喷墨打印技术,已经成功的开发出一种新的成本效益的制造方法,用来生产无线射频识别技术RFID产品,可将RFID产品的成本减少为原先成本的十分之一。这一系列成就都为RFID的产业化提供了必要条件。Harting Mitronics最新研发的无源超高频RFID标签安装了3D天线,进一步增强了识读能力,识读范围达约为5m。OMRON开发了一种新型的天线技术,通过电子元件控制读写器天线读出电磁场,并将其用于UHFRFID系统,使多通道干扰带来的系统性能的衰减最小,有效地扩大通讯范围,提高RFID产品的性能。在RFID天线的实际应用方面,国内也有不少的突破。湖南省在车展采用先进的电子参观票及i9登录系统,具有极高的防伪功能。该参观票为新型电子票证,内含隐形防伪信息,具有查验票证与数据统计两种功能。设置在展会观众人口处的10道检查闸口,可以精确地识别票证的真伪及是否已使用过,而这些信息单凭肉眼不易识别。门票上还有箭头指示方向,背面也有用票的说明。届时,观众只需手持门票按箭头方向插入验票机,绿灯一亮就可以过去。1.3.3 RFID天线研究中的一些难题虽然目前RFID发展呈现出良好的势头,但是还存在不少亟待解决韵问题。从大的方面讲,RFID天线的应用和发展面临着标准化问题。国际上对RFID天线没有制定统一的标准,不同制造商所开发的卷标通讯协议互不兼容。阻碍了未来RFID产品自脚和发展。从小的方面看,技术和成本仍是产业化过程中比较大的障碍。目前天线的研究重点放在阻抗匹配、降低损耗、减小体积、增加增益和辐射效率等方面,对天线在不同使用环境下的有效作用距离、读写速率、误读率和相关软件的研究很少。9
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