基于UHF学生签到系统硬件设计.docx
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基于UHF学生签到系统硬件设计
基于UHF学生签到系统硬件设计
摘要
射频识别技术是利用无线信道实现双向通信的一种识别技术。
近些年来，射频识别系统的应用领域日益扩大，现已涉及到人们日常生活的很多方面。
相对于13.56MHz射频识别系统，915MHz射频识别系统有着读取距离较远，阅读速度较快等优点，是目前国际上RFID产品发展的热点。
本文基于ISO/IECl8000—6TypeB协议设计了一款915MHz频段的学生签到系统的射频读卡器硬件电路。
在硬件设计中，选用单片机ATmega64作为主控制器，并以RFM公司的TRl000为射频收发芯片进行了射频收发电路的设计，并结合系统要求完成了主控部分、通信部分、指示部分的电路设计、调试并与软件部分进行联合调试，完成了基于UHF的学生签到系统的硬件设计。
关键字：
UHF；RFID；读写器
Hardwaredesignofregisterssystem
basedontheUHF
Abstract
RFID（RadioFrequencyIdentification）isoneoftheidentificationtechnologieswhichcanrealizeintercommunicationbyusingwirelesschannel.Inrecentyears，theapplicationofradiofrequencyidentificationsystemsismoreandmoreabroad．Andithasbeeninvolvedinmanyaspectsofpeople’sdailylife.Comparingwith13.56MHzRFIDsystems，the915MHzRFIDsystemhaslongerreadingdistanceandfasterspeed,etc，Nowadays，ithasbecomeahotspotinRFIDproducts，
ThistextaccordingtoISO/IECl8000—6TypetheBnegotiatetheradiofrequencycardreaderhardwaretelephonethatthestudentlabelofdesigningastyleof915MHzbandoffrequencyarrivessystem.
Designinthehardwareamid,choiceunipoleslabthemachineATmega64isamaincontroller,andtooktheTRl000ofRFMcompanyasaradiofrequencytoreceiveanddispatchchiptocarryonthedesignthattheradiofrequencyreceivesanddispatchestelephone,andcombinesystemtoaskforcompletinglordtocontrolfraction,correspondencefraction,indicationfractionoftelephonedesign,adjusttotry,andunitewithsoftwarepartsofprogresstoadjusttotry,completeaccordingtothelabelofUHFstudenttothedesignofsystem.
KeyWords：
UHF;RadioFrequencyIdentification;Reader
1绪论
1.1研究背景与意义
射频识别是无线频率识别（RFID，RadioFrequencyIdentity）的简称，即RFID技术是利用无线射频方式进行非接触双向通信，自动识别目标并获取相关信息数据的无线通信技术。
与传统的自动识别技术（如条形码、接触式IC卡）相比，RFID技术具有很多优势：
可以定向或不定向的远距离读取或写入数据，无需保持识别的目标可见：
可以透过外部材料读取数据；可以在恶劣环境下工作；可以同时处理多个电子标签；可以储存的信息量很大；可以通过RFID标签对物体进行物理定位等等。
所以，随着RFID技术的发展与成熟，开始广泛应用于社会各行业部门。
射频识别技术的发展过程，按照每十年可以划分如下：
1940—1950年：
雷达的改进和应用催生了RFID技术。
1948年，HarryStockman发表的论文《CommunicationbyMeansofReflectedPower》成为了之后RFID技术的理论基础。
1950-1960年：
这时期RFID技术研究主要是实验室实验研究为主，对RFID各方面的理论进行研究，总体上还处于一个探索阶段，还没出现社会上的应用。
1960—1970年：
RFID技术理论得到了一定的发展，一系列重要论文的发表，促使了其商业以及社会应用的一些最初步尝试。
1970—1980年：
RFID技术研究与相关的RFID产品研发取得很大的进步，理论研究也有一定突破，RFID技术得到快速发展，出现了一些最早的应用。
随着1980-1990年间，微电子技术取得的重大的突破。
在这段时期里，RFID技术及产品的越发成熟使它正式投入了商业应用，社会涌现了各种商业上以及生活上的应用。
而RFID作为一门新兴的通信技术领域也引起了更多专家学者的兴趣，RFID技术将会极大地改变人们生活的理念得到一致的共识。
1990-2000年：
RFID技术持续发展，应用更加深入到人们的日常生活中去。
与此同时，RFID标准化的问题开始受到国际社会的重视，相关组织部门开始意识到统一标准对继续促进RFID发展的必要性和重要性。
进入2000年后，标准化的问题更加突出，而出于利益等冲突，不同国家之间始终没有达成统一的标准。
同时射频识别产品种类更加丰富，而且趋向于和其他通信技术如传感网技术、2G/3G移动通信技术融合发展，应用也开始深入到社会生活的各个方面。
目前，市场上多种RFID标准并存的局面，主要是因为RFID技术在全球范围内还没有统一的标准，这在一定程度上阻碍了RFID的发展。
但随着RFID在全球物流行业大规模应用的开始以及其他行业各种应用的普及，RFID标准的统一问题已经引起业界的广泛重视。
目前世界范围内形成了五大标准，这五大标准代表了不同集团或者国家的利益：
EPCGlobal是由北美UCC产品统一编码组织和欧洲EAN产品标准资质联合成立，在全球范围内拥有上百家跨国公司的大力支持，由于综合了美国和欧洲厂商，EPCGlobal实力相对占上风；AIM、ISO、UID标准则分别代表了欧美国家和日本，影响力仅次于EPCGlobal，也有部分行业巨头支持；在五大标准中处于最弱位置的是IP-X标准，其成员以亚洲、非洲、大洋洲等国家为主。
表1.1：
各种射频识别技术的比较
系统
参数
条形码识别技术
光学符号识别
生物识别技术
接触式IC卡识别
射频识别
数据密度
小
小
高
很高
很高
机器的可读性
好
好
费时间
好
好
个人的可读性
受制约
简单容易
困难
不可能
不可能
受环境的影响
很严重
很严重
—
可能（接触）
没有
光遮影响
全部失效
全部失效
可能
—
没有
方向位置影响
很小
很小
—
一个方向
没有
用坏/磨损
有条件
有条件
—
接触
没有
阅读设备成本
很低
一般
很高
很低
一般
工作费用
很小
很小
无
一般
无
阅读速度
快
较低
很低
较快
最快
阅读距离
0～50cm
<1cm
距离较近
直接接触
0～10m
RFID技术的一些主要应用包括有：
在物流跟踪、管理及监控方面：
部分发达国家的机场、客运站等引进了RFID技术，应用在行李物品管理中，实现了物品的跟踪监控，提高了分拣效率。
2010年1月，中国电信惠州分公司、中国石化惠州石油公司、中国平安财产惠州支公司共同打造了新型物流信息服务平台，实现了货物人员车辆可跟踪的“物联网”运营方式，对提高整个物流行业的效率效益具有深远意义。
在车辆识别和智能交通方面：
一些国家的城市交通引进了RFID技术，应用于车辆自动识别、车辆监控跟踪、自动收费等领域；煤矿山开采等行业也使用了RFID监控系统，提高了在复杂环境中的工作效率。
我国香港使用的“驾易通”：
装有RFID标签的汽车在经过收费站或者某些交通枢纽时可以被自动识别，无需停车缴费，大大提高了行车速度和效率。
RFID技术在未来的智能交通方面还会有更大的发展空间。
在射频卡标签用方面：
RFID标签广泛应用于门禁、票务等领域。
日本的公共汽车和铁路部门普遍采用基于RFID技术的电子票据。
在我国，目前越来越来的票系统应用RFID射频卡，例如广州地铁的票务系统。
2009年12月，我国铁路系统火车票迎来了一次升级换代：
基于RFID技术的智能火车票开始投入使用。
在防伪技术方面：
国际上大多数发达国家的公民身份证已经内置有RFID芯片，存储着必要的持证者的身份信息，难以被非法盗取以及伪造。
我国内在此领域也已经形成了包括第二代居民身份证在内的相当规模的应用。
RFID技术应用于电子票据防伪，从而不再需要人工识别，实现人员的快速通过。
2008年北京奥运会以及2010上海世博会则是票务防伪应用方面最好的例子。
随着相关技术的进步和成熟以及生产规模的扩大，RFID产品的成本将会不断降低，应用将会延伸到人们生活中的各个领域。
不难预计，在未来数年内，RFID技术将保持高速发展的势头，RFID系统中的各部分包括电子标签、读写器、天线、中间件等方面将会取得新的进展。
在“技术融合”的大背景下，RFID技术结合其他高新技术，比如2G/3G无线通信、GPS定位、无线传感网络、生物识别等技术，由一维度信息采集向多维度信息采集方向发展的同时，形成一个层次结构分明的信息互联网络，实现跨地区、跨行业应用。
1.2RFID系统国内外发展现状
RFID的发展在世界范围内，以美国为代表的发达国家的RFID技术和应用相对比较成熟，以中国为代表的发展中国家则基本处于起步或者追赶状态。
美国一直是RFID技术的强国，在标准制定、软硬件开发、实际应用等各个方面都代表着世界比较高的发展水平，尤其是应用方面。
欧洲RFID追随美国的EPCGlobal协议标准，发展水平与美国基本处于同一阶段。
日本自主提出的UID标准则主要得到自己国家厂商的支持，国际厂商的使用比较缺乏，在国际范围内的影响力还有待提高。
韩国也高度重视RFID技术的发展，政府给予了足够的资助，但是对于标准的选择上还是显得模糊不清。
在美国：
一些RFID开发厂商的技术基础深厚，研究能力强大与资金投入充足。
例如，TI、Intel、Symbol、Microsoft和HP等大公司也积极研发RFID芯片和相关技术，开发RFID应用软件以及系统。
这些大公司的投入是美国RFID技术始终领先于世界的重要原因。
理论研究发达外，RFID技术在美国社会上的应用也是十分广泛。
例如在物流方面，美国已经有超过100多家企业采用了RFID技术进行物流跟踪监控。
美国政府是RFID应用的积极推动者，目前，美国国防部全部军需物资都使用RFID标签进行跟踪和管理；美国社会福利局使用RFID技术追踪各种表格和手册；美国食品及药物管理局利用RFID跟踪最常造假的药品。
随着物联网的提出与普及，美国将再一步加快RFID技术的发展步伐，包括资金的投入、政策的支持，以确定其在物联网的领先地位。
在欧洲：
也有Philips、STMicroclectronics、Checkpoint、诺基亚等大公司积极投入RFID技术的研究与产品生产中。
而随着RFID技术的成熟，欧洲许多大型企业都纷纷进行RFID的应用试验。
例如，在2010年2月，欧洲Zetcs发布一套超高频Gen2ePOD系统，用于加快电子交货速度。
ePOD结合智能卡技术和RFID、条码扫描优化追踪和追溯过程，同时减少退货投诉和损耗[1]。
这套系统可在任意公司较为容易地安装，产品无需与现有的系统集成，实现整个供应链的零错误追踪。
在日本：
作为传统的制造业强国，日本在RFID电子标签研究领域起步较早，政府的资金投入和政策扶持力度比较大。
因此同本是少数的RFID技术比较先进的亚洲国家。
日本目前已经有超过2亿张射频卡在各行业得到应用，其中RFID应用于交通和零售的市场增长迅速。
ToppanForms是非接触式支付卡的最大厂商之一，同本NFC手机的销售量在2007年已经达到4700-5000万部，内嵌RFID射频芯片，手机即可进行小额支付，大多应用于零售支付和交通车费的支付。
值得注意的是，日本的RFID技术在民用方面发展得比较快，例如手机、射频卡等。
在韩国：
主要通过产业资源部和情报通信部来联合推动RFID的发展。
自从2004年3月韩国提出IT839计划之后，RFID技术的重要性得到了进一步的加强。
在韩国政府的高度重视以及政策支助之下，韩国关于RFID的技术开发及应用在近年来得到很大发展，应用更是快速渗透到人们生活的方方面面中去。
在我国，政府对RFID产业的扶持也是相当大的。
国家颁布的《2006-2020年国家信息化发展战略》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中都阐述了发展RFID产业的重要性。
指出推动RFID技术的快速发展，可以增强我国信息产业的国际竞争能力、推动建设创新型国家；科技部等十五个部委发表了《中国射频识别（REID）技术政策白皮书》，国家还多次设立863专项基金支持RFID产业的发展，为RFID产业的发展奠定了良好的政策、经济环境。
由此可见国家对RFID事业发展的重视程度。
近年来，随着东信和平、远望谷等企业单以及清华同方等研发机构的发展，同时随着中国移动、中国电信、航空和铁路等单位部门的应用引进，我国RFID技术的研发和产品设计都有了突飞猛进的发展，已经成功应用于包括车辆交通、电子票证、工业制造追踪、物流管理、人员管理、资产管理、图书管理、公共安全、食品追溯、防伪标识、动物标识、军事应用等社会各个领域的应用。
RFID技术正在以稳健的步伐向前推进。
据专家介绍，2008年-2010年，RFID技术将从培育阶段逐步转入成长阶段，RFID行业面临的问题将不再是以普及知识、教育客户和试点应用为主，而是转向和行业客户共同合作进行RFID技术的深入应用、价值挖掘和成功案例的模式推广，标准和成本的问题将在行业应用的不断深入和发展中得到解决。
2008年RFID技术已经在北京奥运会的电子门票、食品追踪、车辆管理中得到了成功的应用。
而2010年上海世博会期间RFID的全方位应用：
浦东机场的防入侵系统铺设3万多个传感节点，覆盖地面、栅栏和低空探测，防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵；世博局发布的可承载世博手机票的RFID-SIM卡，具有购买世博会门票、刷手机入园、刷手机在园内购物，甚至购买地铁票功能；组织者根据“世博芯”了解各场馆观众分布，及时有效调动车辆，提高交通效率等，更是带动国内RFID行业应用与发展的一次新高潮。
1.3射频识别系统的频段和应用领域
下表是根据射频一般频段的分类和具体的应用情况一览表。
表1.2：
各种射频识别技术的应用
频段系列
典型频段
应用领域
产品特点
135KHz
低频100-500KHz
产品丰富，应用于动物识别，进出控制，物品追踪等管理
中短距离识别，阅读速度慢，产品价格低
1.95-8.2MHz
电子物品监视，多用于零售业或者物品防盗领域
13MHz系列
中高频10-15MHz
可用于小区物业管理，大厦门禁系统，电子物品监视及ISM
中短距离识别，中速阅读
27MHz系列
应用于工业，科学及医疗行业
430-460MHz系列
应用于工业，科学及医疗行业
902-926MHz系列
超高频850MHz-5.8GHz
GSM移动电话网，集装箱识别和自动收费系统等
长距离识别，高速阅读，产品价格较贵
2350-2450MHz系列
用于工业、科研和医药行业
5800-6800MHz系列
非管理频段，其中5.8G在部分国家已定为智能交通系统应用频段
1.4本文开展的主要工作
本文针对超高频射频识别技术的国内外发展现状及发展趋势，阅读了大量文献及资料。
基于ISO/IEC18000-6TypeB协议对915MHz射频读写器进行了设计及研发。
主要开展了一下工作：
（1）深入掌握UHF频段的ISO/IEC18000-6TypeB协议。
（2）设计应用于学生签到系统的基于AVRmege64单片机的915MHz读写器的硬件电路方案设计。
（3）完成了基于读卡器硬件电路的系统调试和测试。
2RFID技术工作原理及相关技术
2.1RFID系统组成及工作原理
2.1.1射频识别系统原理
RFID系统的工作原理框图如下图2.1所示。
读写器通过天线发送出一定频率的射频信号；当RFID标签进入读写器工作场时，其天线产生感应电流，从而RFID标签获得能量被激活并向读写器发送出自身编码等信息；读写器接收到来自标签的载波信号，对接收的信号进行解调和解码后送至计算机主机进行处理；计算机系统根据逻辑运算判断该标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号；RFID标签的数据解调部分从接收到的射频脉冲中解调出数据并送到控制逻辑，控制逻辑接收指令完成存储、发送数据或其他操作[2]。
图2.1射频识别系统原理图
RFID针对常用的接触式识别系统之缺点加以改良，采用射频讯号以无线方式传送数位资料，因此识别卡不必与读卡机接触就能读写数位资料。
2.1.2射频识别系统组成
射频识别系统一般由三部分组成：
①读写器（Reader）
一台典型的读写器应包含射频信号发射单元器、高频接收单元和控制单元。
此外，许多读写器还都有附加的接口（RS232、RS485、USB），以便将所获的数据传输给另外的系统作进一步的处理或存储。
读写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；控制与射频标签的通信过程（主一从原则）；信号的编解码。
对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频标签与读写器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频标签和读写器间的身份验证等附加功能。
②标签（Tag）
RFID标签是一种以无线方式传送数据的信息载体形式，它具有数据处理及安全认证等特有的优点。
RFID标签是射频识别系统真正的数据载体，主要由天线、谐振电容以及IC芯片组成，其种类可以分为无源标签和有源标签两种。
射频标签与读写器之间采用双向验证机制，即读写器验证射频标签的合法性，同时射频标签也验证读写器的合法性；处理前，标签要与读写器进行三次相互认证，而且在通讯过程中所有数据都加密。
此外，标签中各个扇区都有自己的操作密码和访问条件。
③天线（Antenna）
射频识别系统中的天线用于产生磁通量，而磁通量用于向无源标签提供能量并在读写器和标签之间传送信息。
系统的基本工作流程是：
读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频标签获得能量被激活；射频标签将自身编码等信息通过标签内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频标签发送来的载波信号传送到读写器，读写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标签的合法性，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（电感一电磁）、通信流程（FDX、HDX、SEQ）、从射频标签到读写器的数据传输方法（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，但所有的读写器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有读写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标签并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频标签；接收并解调来自射频标签的高频信号。
读写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；控制与射频标签的通信过程（主一从原则）；信号的编解码。
对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频标签与读写器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频标签和读写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。
影响射频标签读写距离的因素包括天线工作频率、读写器的RF输出功率、读写器的接收灵敏度、射频标签的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、读写器和射频标签的耦合度，以及射频标签本身获得的能量及发射信号的强度等，大多数射频识别系统的写入距离约是读取距离的40％～80％。
2.2UHF的技术特点
UHF（超高频，典型的915MHz）的RFID系统由于读写距离远，多标签识别快，抗干扰能力强及标签的体积小，容量大，成本低的特点，已经有越来越多的场景正在使用它了。
在本次设计用采用了UHF频段来作为信号。
2.3学生签到系统介绍
学生签到系统主要由读写器、天线、应用系统等组成，用来对学生上课时进行签到。
读写器通过接收的数据用来对学生进行签到识别，并发送相关数据由天线发出信号。
天线用来接收学生来到时候的接收信号。
应用系统是针对读卡器识别信息进行学生签到系统的信息管理。
读写器的构造的核心用单片机ATmega64作为主控制器，用来控制对所来学生签到的读写技术作用。
该系统主要应用915MHz射频卡读写器，原因是由于该系统具有技术成熟稳定、远距离传输效果好的特点
2.4射频读卡器系统的介绍
915MHz射频识别系统工作的基本原理与一般的射频识别系统相同，但是超高频的读写距离远、识别快、抗干扰能力强、成本低等特点已受到广泛关注、因此加以介绍。
射频卡读写器系统组成框图如下图2.2所示，由微控制单元电路、射频收发模块电路、功率放大电路、滤波匹配网络电路、天线、检波电路、串行通信接口和电源等部分组成。
图2.2915MHz射频识别系统框图
串行通信电路：
负责上位机与读写器的通信，使得系统可通过上位机指令控制读写器的工作过程。
一般采用RS232接口或RS485接口，也可采用USB接口。
在完善的RFID系统中也可加入以太网控制模块实现对RFID系统的网络控制。
微控制单元电路：
读写器系统的控制模块，负责对整个读写器系统工作过程进行控制，内嵌程序实现基带数据指令的发送与接收和多卡状态下的防冲突方案。
射频收发单元电路：
在高频频段市场上有专用的RFID读写芯片，如13.56MHz频段下的RI-R6C-001A和RC500等芯片。
这些RFID专用芯片内嵌了RFID通信协议，使得读写器的开发工作大大简化。
目前对于UHF频段的读写器目前市场上没有专用的RFID芯片，所以射频读写模块的开发一般可以采用两种方案：
一是采用搭建射频电路实现的方法，用搭建的硬件电路实现射频信号的调制与解调。
二是采用通用无线射频模块来完成调制解调，射频接口电路模块完成对已调制信号的放大、匹配功能以满足天线发射要求，实现上行射频信号的检波和调制以满足射频接收芯片的要求[3]。
本文主要采用第二种设计方法。
天线模块：
完成与标签之间射频信
升级会员 