RFID系统的数据格式及其仿真研究.docx
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RFID系统的数据格式及其仿真研究
独创性声明
本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果,也不包含为获得——或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名:
签字日期:
年月日
摘要
RFID是九十年代兴起的、目前在理论和应用研究方面都十分引人注目的一种自动识别技术。
它具有数据量大,保密性高,抗干扰能力强,识别时间短,费用较低等优点,有很好的应用前景。
本文首先研究了用于RFID系统的数据传输的基本理论,包括信道编码、校验和纠错码原理及应用等对整个系统的影响,然后利用功能强大的Simulink仿真软件,通过设计封装仿真需要的信道编码解码模块、CRC校验模块、OOK调制解调等共12个模块,仿真研究了射频识别数据传输系统的性能、不同的数据传输格式对信道的适应能力等方面的相关问题。
通过仿真,给出了不同编码方式与系统误码率的关系以及与信道信噪比的关系。
本文所采用的研究方法和所得到的研究结果可以为实际的RFID系统的设计与应用提供参考。
关键字:
RFID、信道编码、数据校验、CRC、仿真分析
ABSTRACT
RFIDisakindofauto-identifytechniquerisenin90’th.Itisveryhotintheoryandapplicationresearch.Ithasmanyadvantages,suchasabundanceofdatainformation,highsecurityofdata,greatabilityofanti-EMI(ElectroMagneticInterference),shortrecognizingtimeandlowcost,andithasapromisingfuture.InthispaperIfirststudiedbasictheoryusedindatatransferusedinRFIDapplication,includingtheprincipleofchannelcoding、checkoutandanti-errorcoding,ThenIusedSimulink,apowerfulsimulationsoftware,designedandpacked12modelsusedinsimulation,includingchannelcoding、CRC、OOKetc.ThensimulationandstudiedsuchtopicsascapabilityofdatatransferofRFIDsystem、channelfitabilityofdifferentchannelcodingetc.TheresearchtechniqueandresearchresultusedinthispaperwillofferreferenceforthedesignandapplicationofpracticeapplicationofRFIDsystem.
Keyword:
RFID,channelcoding,datacheckout,simulationandanalysis
第一章引言……………………………………………………………………6
§1.1射频识别系统概述……………………………………………………6
§1.2RFID系统国内外研究现状…………………………………………..9
§论文选题的意义及主要研究内容……………………………………10
§1.4论文的主要贡献……………………………………………………….10
第二章RFID系统的数据格式及其仿真研究………………………………..12
§2.1动态系统仿真工具matlab/simulink…………………………………..12
§2.1.1matlab/simulink仿真工具简介……………………………...12
§2.1.2matlab/simulink使用简介…………………………………...12
§2.2RFID数据传输常用编码格式……………………………………....14
§2.3常用编码模块的simulink模块封装………………………………….10
§2.3.1利用已有模块组合实现模块封装………………………......15
§2.3.2利用s函数实现自编模块…………………………………...18
§2.4信道编码抗干扰能力仿真分析…………………………………...….23
§2.4.1二进制对称信道………………………………...…………….23
§2.4.2RFID系统数据编码方式检错能力仿真………...………….24
§2.4.3选择编码方式的其他考虑因素…………..………………...25
第三章RFID系统的数据校验方式及其仿真研究……………..……………27
§3.1RFID系统的数据保护与校验…………………………………..…27
§3.2差错控制编码………………………………………………………27
§3.2.1差错控制的基本方式………………………………….……27
§3.2.2汉明码距与编码纠错能力的关系…………………….……28
§3.3常用的差错控制编码………………………………………………29
§3.3.1奇偶监督码…………………………………………………29
§3.3.2汉明编码……………………………………………………30
§3.4CRC循环冗余校验………………………………………………...31
§3.5CRC校验能力仿真………………………………………………...32
§3.5.1仿真模型…………………………………………………..…32
§3.5.2CRC校验编码模块和解码模块的封装…………………..33
§3.5.2CRC校验能力仿真分析……………………..…………...34
第四章RFID系统数据传输综合仿真分析…………………………..……....36
§4.1RFID系统的数据传输流程…………………………………..…....36
§4.2RFID系统数据传输综合仿真………………………………..……...36
§4.2.1RFID系统数据传输仿真模型……………………..……...36
§4.2.2RFID系统数据传输仿真模型中的子模块构建…..………38
§4.2.3RFID系统数据传输综合仿真……………………..………39
第五章总结…………………………………………………………..………..43
致谢……………….……………………………………………………..………..44
参考文献………………………………………………………………………….45
第一章绪论
§1.1射频识别系统概述
射频识别技术(RFID,即RadioFrequencyIdentification)是从八十年代起走向成熟的一项自动识别技术,它利用无接触的方式自动的从目标中读取信息。
伴随着大规模集成电路技术的成熟,射频识别系统的体积大大缩小,射频识别技术也进入实用化的阶段。
射频识别系统利用射频的方式进行非接触的双向通信,以达到识别目的并交换数据。
它和同期或早期的接触式识别技术不同,RFID系统的标签和读写器之间不用接触就可完成识别。
因此它可在更广泛的场合中应用。
典型的射频识别系统包括两部分:
标签和读写器。
标签的几个主要模块集成到一块芯片中,完成与读写器通信。
芯片上的内存部分用来储存识别号码或其它数据:
内存容量从几个比特到几十K比特;芯片外围连接天线,可以作为人员的身份识别卡或货物的标识卡。
卡封装可以有不同形式,如常见的信用卡的形式及小圆片的形式等。
和条码、磁卡、IC卡相比,标签具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点。
在多数RFID系统中,读写器在一个区域内发射能量形成电磁场,区域大小取决于工作频率和天线尺寸。
标签经过这个区域时检测到读写器的信号就开始发送储存的信息及数据。
读写器发送的信号通常提供时钟信号及标签工作所需要的足够能量,其中的时钟信号使数据同步,从而简化了系统的设计。
读写器接收到标签上的数据后,解码并进行错误校验来决定数据的有效性,然后通过RS232、RS422、RS485或无线方式将数据传送到计算机网络。
简单的RFID产品就是一种非接触的IC卡、而复杂的RFID产品能和外部传感器连接来测量、记录不同的参数,甚至与GPS系统连接来跟踪物体。
应该说条码、磁卡、IC卡、标签等识别技术都有各自的优缺点及适于应用的场合。
表显示了这几种识别技术的区别。
条码成本最低、适于大量需求且数据不必更改的场合,例如商品包装上就很适宜,但是条码比较容易磨损、而且数据量很小。
磁卡的价格也很便宜,但是很容易磨损,数据量小。
IC卡的数据存储量很大,数据安全性好、但是价格稍高。
且由于它的触点暴露在外面,有可能因静电或人为的原因损坏。
射频标签最大的优点就在于非接触,因此完成识别工作时无须人工干预,适于实现自动化且不易损坏,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,标签不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境,短距离的标签可以在这样的环境中替代条码,例如用在工厂的流水线上跟踪物体;长距离的产品多用于交通上,可达几十米,如铁路车号的自动识别、汽车自动收费或识别车辆身份。
表1.1各种自动识别方式比较
系统
参数
条形码
光学符号识别
语音识别
生物计数测量法
IC卡
射频识别系统
典型的数据量/字节
1-100
1-100
-
-
数据密度
小
小
高
高
很高
很高
机器阅读的可读性
好
好
费时间
费时间
好
好
个人阅读的可读性
受制约
简单容易
简单容易
困难
不可能
不可能
受污染/潮湿影响
很严重
很严重
-
-
可能
(接触)
没有影响
受光遮盖影响
全部失效
全部失效
-
可能
-
没有影响
受方向和位置影响
很小
很小
-
-
一个插入方向
没有影响
用坏/磨损
有条件
有条件的
-
-
接触
没有影响
购置费/电子阅读设备
很少
一般
很高
很高
很少
一般
工作费用
(例如:
打印机)
很少
很少
无
无
一般
(接触)
无
未经准许的复制/修改
容易
容易
可能
(录音)
不可能
不可能
不可能
阅读速度(包括数据载体的使用)
低-4s
低-3s
很低>5s
很低>>5~10s
低~4s
很快
数据载体与阅读器之间的最大距离
0-50cm
<1cm
(扫描器)
0~50cm
直接接触
直接接触
0-5m
微波
RFID技术的分类方法主要有四种:
1、根据标签的不同可分成三种:
可读写卡(RW)、一次写入多次读出卡(WORM)和只读卡(RO)。
RW卡-般比WORM卡和RO卡贵得多,如电话卡、信用卡等。
WORM卡是用户可以一次性写入的卡,写入后数据不能改变,WORM卡比RW卡要便宜。
RO卡存有一个唯一的号码,不能逐改,这样提供了安全性,RO卡最便宜。
标签可以做得很薄很小,例如1厘米长度或更小。
2、标签也可分为有源的及无源的两种。
有源标签使用卡内的电池的能量、识别距离较长,可达几十米,但是它的寿命有限并且价格较高;无源标签不含有电池,利用耦合读写器发射的电磁场能量作为自己的能量,它的重量轻、体积小,寿命可以非常长、很便宜,但它的发射距离受限制,一般是几十厘米到十几米,且需要读写器的发射功率较大。
3、根据调制方式的不同还可分为主动式和被动式。
主动式的标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器。
被动式的标签,使用调制散射方式发射数据,它必须利用读写器的载波来调制自己的信号,在门禁或交通的应用中适宜,因为读写器可以确保只激活一定范围之内的标签。
在有障碍物的情况下,用调制散射方式,读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。
而主动方式的标签发射的信号仅穿过障碍物一次,因此主动方式工作的标签则主要用于有障碍物的应用中,距离更远。
4、整个系统根据工作频率的不同可分为高频、中频及低频系统。
低频系统一般工作在100-500kHZ;中频系统工作在10到15MHZ左右;而高频系统则可达850-950MHZ甚至2.4-5GHZ的微波段。
高频系统应用于需要较长的读写距离和高的读写速度的场合,像铁路车号自动识别、,这个频率用于门禁控制和需传送大量数据的应用;低频系统用于短距离、低成本的应用中,如多数的门禁控制、动物监管、货物跟踪等。
系统工作在低频和高频时它的工作原理是不同的,根据工作原理的不同可以区分为低频的变压器模型和高频的雷达模型。
在低频(以下,包括)时,系统的工作方式类似于变压器,读写器的线圈和射频标签的线圈组成一个互感系统,读写器通过电感耦合的形式将能力和数据传送给标签,而标签也可以通过改变自身线圈电感的方式将数据返回读写器;高频时的工作方式类似于雷达模型,读写器发出电磁波,碰到标签后将电磁波反射回读写器,读写器将要发送的数据调制到发射的电磁波上,而标签可以根据发送数据的不同来调制电磁波反射率的大小。
以前使用的RFID系统中,一次只能读写一个标签,标签之间要保持一定距离,确保一次只能有一个卡在读写区域内。
读写距离长则标签之间的距离也要大。
应用起来很不方便。
现在的标签具有防碰撞的功能,这对于RFID来说十分重要,所谓碰撞是指多个标签进入识别区域时信号互相干扰的情况。
具有防碰撞性能的系统可以同时识别进入识别距离的所有标签,它的并行工作方式大大提高了系统的效率。
§1.2RFID系统国内外研究现状
射频识别系统在国外的研究起步较早,目前已有许多成熟的应用。
在研究方面从标签芯片设计、天线设计、射频模块设计、基带系统设计等组成射频识别系统的各个方面都有较为深入的研究,形成了一套射频识别系统特有的理论体系。
目前的研究已经进入了标准化阶段,已经形成了一系列的标准草案,包括ISO/IEC的用于物品管理18000系列标准草案,该草案初步定义了从低频到高频工作时的一系列标准,还有美国的NCITS_256标准草案等。
但是到目前为止这些草案还都没有形成正式的标准发布。
值得一提的是目前已经在国际上成立了一个EPCglobal这样一个组织,这个组织正在大力的推广和完善由美国麻省理工学院Auto_IDCenter研究中心提出的EPC的概念,所谓EPC,即产品电子代码,也就是要为世界上每一件商品分配一个电子代码,这个编码信息封装在射频标签之中并附着在商品上。
在物流系统的各个环节可以用射频识别的方式将商品中的信息读出,并将读出的信息放到互联网上,这样人们可以在互联网上随时查询任何一件商品的情况,形成所谓的“物联网”,可以想象,一旦这一计划最终付诸实施,将会给我们现在的物流体系甚至我们的生活方式带来革命性的变革。
从国内来讲射频识别的应用研究起步较晚但发展较快,目前的情况是一方面主要侧重于研究利用国外已有的组件在不同场合下的应用,并且在许多场合获得了成功,如由深圳远望谷信息技术有限公司研发的应用的铁路系统中的车号自动识别系统,一举解决了铁路系统多年未解决的能够实时自动采集车号的问题,发挥了巨大的经济和社会效益。
同时国内在射频识别系统方面已在逐步着手研发具有自主知识产权的RFID芯片,这是RFID系统中最核心的技术。
另一方面,对于涉及RFID数据通信的一些基本问题研究较少,也较少能够见到通过对整个RFID数据通信建立数学模型并利用计算机仿真来研究RFID系统的性能。
§1.3论文选题的意义及主要研究内容
RFID系统中系统的速度与可靠性都十分重要,一个通信系统有两个基本的问题:
通信的效率和可靠性,RFID系统也不例外。
•效率指能尽可能快速的完成信息的交换;
•可靠性关注的是如何保证在通信过程中保持命令和数据的完整性;
•实际应用中这两个问题又是相互影响、相互关联的。
RFID系统中系统的可靠性十分重要,这就需要设计选用可靠的数据格式以及在数据传输中加入校验以保证数据的完整性,而当给定的通信时间非常短暂时,加入的数据校验虽然会提高系统的可靠性,但会影响数据的通信效率。
这就需要设计高效的数据格式和采用合适的校验方法,从而做到在有限的时间内进行可靠的数据通信。
如果在设计之初从理论上对这些问题能进行较为透彻的分析,并仿真出各种方案的性能,就会对自己设计的系统心中有数,知道它适宜于应用在什么样的场合,可以在什么样的信道中使用。
本论文着眼于RFID的数据通信,从理论上分析在RFID系统数据传输中应用各种数据编码格式和校验方式对整个系统性能的影响,并利用Matlab/Simulink软件工具建立仿真模型,结合仿真模型来研究在RFID系统中各种信道编码方式、校验方式的性能及其对整个系统性能的影响。
§1.4论文的主要贡献
本论文采用理论分析和系统仿真相结合方式研究了RFID系统数据传输的性能,主要贡献如下:
(1)从理论上分析了在RFID系统中选择不同信道编码方式整个系统性能的影响、不同的数据校验方式对系统整体性能的影响以及整个系统误码率的信道适应性;
(2)封装了仿真需要的常用信道编码解码模块共8个、CRC校验编码模块和解码模块以及常用的信道调制模块和解调模块;
(3)利用matlab/simulink建立了RFID系统的仿真模型,在此基础上仿真了不同信道编码检错率的性能、不同校验编码的校验能力以及系统误码率与信道适应能力的关系等内容,并对仿真得到的数据结果进行了分析,得到了一些有意义的结论;
(4)仿真分析的结果为RFID应用系统的开发提供了一个实际的参考。
进一步可以根据实际情况调整模型中的参数以得到更为切合应用实际的仿真结果,根据仿真的结果(如RFID系统误码率与信道适应性),来确定什么样的系统(编码调制方式)能与特定的信道相适应,或者根据实际应用的信道来选择系统;
(5)本文采用仿真分析的方法来研究RFID的性能,这也为实际的RFID应用系统的设计提供了一个通过仿真来进行系统方案前期验证的途径,本文建立的一些模块也可为其他仿真模型所采用;
显然,本文的方法及其所得到的结果对于加快RFID系统的开发进程、解决我国目前在RFID的应用中所存在的某些问题具有一定的实际意义。
第二章RFID系统的数据编码方式及其仿真研究
§2.1动态系统仿真工具matlab/simulink
§matlab/simulink仿真工具简介
Matlab(MatrixLaboratory,即“矩阵实验室”)最初是由美国墨西哥大学CleveMoler教授提出并应用于矩阵计算的教学中。
自从Matlab由Mathworks公司推出后,Matlab为各国的工程科学家开发学科应用软件提供了新的基础,并且得到了全世界的关注和欢迎。
Matlab经过不断的扩充和完善,已经发展成为功能强大的系统软件工具,集数值计算、图形可视化、图像处理及多媒体技术于一身,在航天、航空、军事、经济、交通、自动控制、通信、信号处理、系统优化设计等众多领域得到广泛应用。
利用Matlab进行仿真具有计算精度高、操作方便、软件包齐全等特点,另外一个显著的特点是提供了专业的系统动态仿真工具箱――Simulink,它使得Matlab的功能得到了进一步的扩展,它是一个模块化、模型化的系统动态仿真环境。
用户利用Simulink对系统进行建模、仿真和分析时如同堆积木一样简单方便,只需要在模型窗口中单击或是拖动鼠标即可。
它借助Matlab在科学计算上得天独厚的优势以及可视化的模型窗口,成为众多仿真软件中功能最强大、最优秀的一种软件工具。
§、matlab/simulink使用简介
在matlab中启动simulink有两种方法,一是在命令窗口中键入simulink;一是在工具栏中点击相应的按钮即可,启动后的界面如图
图2.1simulink库浏览器
上图显示的就是simulink库浏览器,分为两栏,左边为库名列表,右边为相应的库中模型列表。
在RFID仿真中,经常用到的库有:
simulink、communication、DSP、Fixed-Point等库。
本文以RFID系统常用的一种信道编码——Manchester编码来说明本文采用的仿真步骤:
1、点击库浏览器上面的新建文件图标,建立一个新的文件并另存为Manchester编码;
2、点击库浏览器左边栏中cummunicationsblockset左边的十字,展开这个库,点击commsource子库,在左边的模块栏中选择benoullibinarygenerator(贝努里二进制数产生器)模块,并将其拖动到新建的文件的工作区中;
3、用同样的方法将pulsegenerator模块、relationaloperator模块、datatypeconversion模块、scope模块放到工作区;
4、双击某一个模块就可以设置该模块的属性。
设置pulsegenerator模块的采样时间为0.5,设置relationaloperator模块的比较关系为“不等于”,设置scope模块的显示波形的个数为2;
5、将各模块连接起来,最终结果如下图:
图2.2仿真模型
6、设置仿真模块的仿真时间,点击菜单上的simulation->simulationparameter,在打开的对话框中设置仿真时间为10秒钟;
7、点击工具栏上的运用按钮开始仿真程序;
8、仿真结束后,双击打开示波器查看波形,波形图如下:
图2.3仿真波形
上边是原始波形,下边是Manchester编码后的波形。
由此可以看出,利用simulink进行动态系统的仿真非常的简洁方便,所得的结果也非常的直观。
§2.2RFID数据传输常用编码格式
在RFID系统中基带编码(数字调制)常使用的编码方法有以下几种:
NRZ编码,Manchester(曼彻斯特)编码、单极性归零编码、差动双向编码、Miller编码、差动编码,各种常用编码方式的波形如图所示:
图2.4常用信道编码码型
各码型编码的规则如下:
NRZ编码:
“高”信号表示二进制‘1’,“低”信号表示二进制‘0’。
MANCHESTER编码:
在半个bit周期的负边缘表示二进制‘1’,半个bit周
期的正边缘表示二进制‘0’。
MANCHESTER编码经常用于从应答器到阅读器的
数据传输(在二进制搜索算法中)。
单极性归零编码:
在半个bit周期中的“高”信号表示二进制‘1’,而持续整个周期的低信号表示二进制‘0’。
差动双向编码编码:
在半bit周期中的任意边缘表示二进制‘0’,而没有边缘就是二进制‘1’。
此外在每一个bit周期开始时,电平都要反向,这样对于接收器来说位节拍信号容易重建。
Miller(米勒)编码:
在半bit周期的任意边缘表示二进制‘1’,而经过下一个周期中不变的‘1’电平表示二进制‘0’。
如果连续一串‘0’,则在‘0’hit周期开始时产生电平交变。
差动编码:
对差动编码来说,在下一个脉冲前的暂停持续时间t表示二进制‘
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