基于RFID的传感器网络.docx

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基于RFID的传感器网络

通信与信息工程学院

**课程设计（综合实验）

班级：

三号宋体居中

姓名：

学号：

指导教师：

设计时间：

成绩：

评语：

通信与信息工程学院

二〇一三年

基于RFID的传感器设计

摘要

随着物联网概念的提出，RFID传感器网络也随之产生。

RFID传感器网是结合RFID技术和无线传感器网络技术而形成的一种新型网络，它不仅对物理世界的状态进行感知，而且可以进行物体跟踪识别。

论文详细介绍了RFID传感器网的相关概念、网络特点，并阐述了RFID传感器网络的各种结构。

最后，介绍了RF1D传感器网络作为一种新型网络在不同领域中的应用。

关键词：

RFID；RFID传感器网络；射频识别；传感器网络

一、RFID技术

（一）RFID的定义

RFID（射频识别）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。

RFID技术是利用无线电波对记录媒体进行读写的一种识别技术。

RFID技术具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点。

另外，它还具有防冲突功能，能同时处理多张射频标签。

RFID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，识别工作无需人工干预，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。

RFID技术最常见的应用是门禁系统。

同时在动物管理、药品管理、航空托运货物管理、车辆识别等领域也逐渐得到应用。

（二）RFID技术的原理

一个典型的RFID系统是由射频电子标签、读写器或阅读器和应用软件系统（包括连接线路）三部分构成。

1、射频电子标签

射频电子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。

射频电子标签有主动型、被动型和半主动型三种类型。

主动型标签有一个电池，用来为标签中微芯片的电路运转提供能量，并向识读器发送信号；被动型标签没有电池，它从识读器获得电能；半主动型标签用一个电池为微芯片的运转提供电能，但是发送信号和接受信号时却是从识读器处获得能量。

2、阅读器

阅读器是读写标签信息的设备，分手持式和固定式两种。

阅读器由无线收发模块、天线、控制模块和接口电路组成。

其基本功能是提供与标签进行数据传输的途径。

此外还提供信号状态控制、奇偶错误校验与更正功能。

3、应用软件系统

RFID系统除了所要求的硬件外，还需要软件的配合。

整个系统的运转是依靠应用软件来操作的。

应用软件系统基本工作原理是：

阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，贴有射频电子标签的货品进入阅读器的工作区域后，产生感应电流，射频电子标签获得能量被激活；射频电子标签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电子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射频电子标签的合法性，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。

（三）RFID技术的应用

RFID技术应用于物流行业，可大幅度提高物流管理与运作效率，降低物流成本。

另外，从全球发展趋势来看，随着RFID相关技术的不断完善和成熟，RFID产业将成为一个新兴的高技术产业群，成为国民经济新的增长点。

目前，RFID的应用主要有以下几个方面。

1、零售环节

RFID技术可以改进零售商的库存管理，实现适时补货，有效跟踪运输与库存，提高效率，减少出错。

同时，智能标签能对某些时效性强的商品的有效期限进行监控，对于即将到期的商品发出预警信息；商店还能利用RFID系统在付款台实现自动扫描和计费，从而取代人工收款，有效解决结款的排队现象。

2、存储环节

在仓库里，RFID技术最广泛的应用是货物的出入库与库存盘点，它能用来实现自动化的存货和取货等操作。

货物入库时，只需要阅读器终端读取RFID标签，通过无线通信即时向现场控制计算机发送信息，计算机按照零件类别指示存放的货架区域。

上架后，作业员读取架上电子标签，向计算机登记存放格位。

在整个仓库管理中，将供应链计划系统制定的收货计划、取货计划、装运计划等与RFID技术相结合，能够高效地完成各种业务操作，如指定堆放区域、上架取货与补货等。

RFID技术的另一个好处在于在库存盘点时降低人力。

RFID的设计就是要让商品的登记自动化，盘点时不需要人工的检查或扫描条码，更加快速准确，并且减少了损耗。

3、库存环节

将RFID技术应用于库存管理中，企业能够实时掌握商品的库存信息，从中了解每种商品的需求模式并及时进行补货，结合自动补货系统以及供应商管理库存（VMI）解决方案，提高库存管理能力，降低库存水平。

4、运输环节

在运输环节上使用RFID技术，可实现对车辆的实时监控，并且能够根据道路情况随时调度车辆。

在途运输的货物和车辆贴上射频电子标签，运输线的一些检查点上安装上RFID接收转发装置，接收装置收到射频电子标签信息后，连同接收地的位置信息上传至通信卫星，再由卫星传送给运输调度中心，送入数据库中。

5、配i分销环节

在配送环节，采用RFID技术能大大加快配送的速度和提高拣选与分发过程的效率与准确率，并能减少人工、降低配送成本。

如果到达中央配送中心的所有商品都贴有射频电子标签，在进入中央配送中心时，托盘通过一个阅读器，读取托盘上所有货箱上的标签内容。

系统将这些信息与发货记录进行核对，以检测出可能的错误，然后将射频电子标签更新为最薪的商品存放地点和状态。

二、传感器结构及电路设计

（一）传感器结构设计

如果将被测旋转圆盘置于光电断续器的发光与受光侧之间，圆盘上有许多狭缝，圆盘旋转，光源发出的光间隔地被狭缝遮挡，受光侧得到断续的强光和弱光信号。

如图1所示，若旋转圆盘没有旋转，光路检测的光束没有被遮挡，测量电路中，X光敏二极管上输出电压波形，Y光敏二极管上的输出电压波形是相同的，相位是相差π/2的。

若圆盘旋转，双输出型的输出电压波形如图2所示，（仅画出Q1的时序图，Q2的时序图道理一样）圆盘转动方向若向左，Q2输出电压相位落后被屏蔽；反之，圆盘向右旋转，Q1输出电压相位超落后被屏蔽。

因此，两个输出电压的相位关系反映圆盘的旋转方向，圆盘的位移可以通过Q1，Q2输出脉冲个数的代数和得到。

图1：

图2：

X

Y

C1

C2

Q1

（二）传感器电路设计

X光敏二极管与Y光敏二极管在相位上相差π/2，所以它们在光电元件上取得的信号必是相差π/2。

当圆盘作正向转动时，X信号超前Y信号。

因为电路比较复杂，故采用美国Lattice半导体公司推出的ispEXPXRT软件对CPLD器件进行硬件编程，如图3所示电路图是基于CPLD设计的。

或门C1产生的信号作为D锁存器Q1的置位端只许X产生的正脉冲通过，而D锁存器Q2因为C1作用时Y信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q2输出低电平，门电路在加减计数器中作加法运算。

当圆盘作反方向转动时，则Y产生的负值信号超前X产生的信号，或门C1产生的信号作为D锁存器Q2的置位端只让Y产生的负脉冲通过，而D锁存器Q1因为C1作用时X信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q1输出低电平，门电路在可逆计数器中作减法运算。

这样就完成了辨向过程。

OUT0是输出，OUT1是进位，Z是控制端输入。

工作原理图如图4所示。

图3：

图4：

三、RDID传感器网络的特点

（一）RFID传感器网络的特点

RSN由RFID和WSN共同构成，是一个以读写器为中心的网络J。

读写器既是无线传感器的能量提供者，也是整个传感器网络的信息中枢，它既可以感知物理世界的信息，也可以对物体进行标识，最重要的是它从根本上解决了无线传感器能量供给问题。

RSN具有如下特点：

1、系统庞大。

无线传感器网络采用多跳自组织方式通信，可进行大规模的部署，弥补了RFID的短距离传输的缺陷，而RFID技术成熟，在复杂的环境中可以保证可靠传输。

2、监控范围广泛。

不同的传感器类型可以对不同的物理信息进行感知，如温度、湿度、压力等使监控的领域扩大。

3、网络生命期长。

一方面，无线传感器可以借助RFID中的阅读器提供能量；另一方面采用Zig—bee的协议，可以节省WSN中节点的能量。

4、实时性强。

能够实时的传输数据和实现动态的更新。

（二）射频识别技术

射频识别技术是通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据信息。

最基础的RFID系统是由标签、读写器和天线三部分组成

其中，RFID标签可应用到物体（人和动物）上，并有特殊的识别功能。

因为每个标签拥有全球唯一的电子产品代码（ElectronicProductCode，EPC），EPC的目标是对每个物理对象提供全球唯一标识符，并对应着网络单个对象，这使得EPC标记可以进行全球事物的互联和产品信息跟踪。

RFID标签内部构造可分为三种：

有源、无源和半无源标签J。

通常RFID标签是无源的，本身不能够提供能量，而是通过RFID阅读器传送请求信号获得能够传输他们身份识别的能量，所以传输距离相对较短。

随着技术发展，目前有源RFID标签逐步采用无线单片机来进行设计，具有持久性，信息传播穿透性强，存储信息容量大、种类多等特点。

因此RFID技术常被用于目标定位、身份识别及跟踪库存产品等，在生产、物流、交通、医疗和防伪等领域都得到广泛的应用。

（三）带有传感器的RFID标签

带有传感器的RFID标签是一种智能RFID传感器标签。

在此结构中，RFID的标签不仅可以进行一般的识别，而且可以跟其他的传感器标签进行无线通信合作，以此来读取环境的信息。

依据RFID阅读器的不同结构，此类系统可分为两类：

第一类结构是阅读器和基站分开。

每个标签带有微处理器，可以自主决定什么时候采集数据和传输数据，但各个标签之间并不合作，只是简单的相互通信，最后统一将信息聚集到读写器进行处理。

通过这样的方式，可以大大减少读写器的数量，降低网络体系架构的复杂度，如图2所示。

另一类是把阅读器与基站进行融合，使带有传感器的标签之间可以进行通信，形成一个Ad—hoc网络，所有的标签直接与智能基站进行通信。

四、RFID传感器网络的应用

RFID传感器网络的应用层构架在传感层和网络层上，用于对物理世界信息感知和对物体的标识。

其应用领域将遍及智能楼字、智能家居、路灯监控、智能医院、智能交通、物流管理、政府工作、环境监测、工业监测、食品药品管理、老人护理等诸多领域，在很大程度上将改变人们的生活。

（一）智能家居

由于智能家居极具有实用的功能，无疑将是RFID传感器网络应用最为广泛的地方。

RSN网络在家庭的应用，能在很多方面使人们生活更舒适。

文献[5]中通过RFID的唯一标识实时监测物品的状况，防止偷窃；利用WSN中RSSI的信号强弱来判断人多人少，并感知室内像空调、照明灯等设备的状况，自动调节室温、光线的明暗，以达到减少能源浪费的目的。

因此，通过RSN可以实现更智能的家庭安防系统和全方位信息交互功能，为人们提供更为舒适的生活空间。

（二）物流管理

当前，EPC框架主要集中在仓储和分拨管理中。

物流运输管理是个复杂的结构，单一类型的RFID技术不能对其进行分类识别，而采用多个这样的系统会带来高成本、执行缓慢且整合复杂的问题，且对于物体的状态不能及时了解。

但RSN可采用不同的方式对其进行标识，数据收集、分类和及时处理，避免了对物体的一个个检查测量，节约了人力与物力，还可以对物体的状况进行实时监控，以便对不足的物体进行及时的补给。

（三）智能交通

五、结束语

随着RFID技术与传感器网络技术的不断成熟，如何将这两种技术有效结合是个研究热点，RSN正是两种技术融合的产物。

论文详细描述了RSN的相关概念，并且阐述了传感器的设计和RFID传感器的相关了解，经过小组成员的不懈努力和共和合作圆满完成了此次论文。

参考文献：

[I]彭东华，徐红竹．《物流管理基础》[J]．中国计算机学会通讯，2011，7

（1）：

46-48．

[2]李斌，李文锋．WSN与RFID技术的融合研究[J]．计算机工程，2008，34（9）：

127—129．

[3]马华东．关于物联网工程专业课程体系的思考[J]．中国计算机学会通讯，2011，7

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[4]ZhangYah，LaurenceTYang，ChenJiming．RFIDandSensorNetworks：

Architectures，Protocols，Security，andInte．

grations[M]．USANewYork：

CRCPress，2009．

[5]SajidHussain，ScottSchafner，DyllonMoseychuck．Appcatio珊ofWirelessSensorNetworksandRFIDinaSmartHomeEnvironment[C]．2009SeventhAnnualCommunicationsNetworksandServicesResearchConference，2009．153～157．

[6]YangHuanjia，YangLili，YangShuanghua．WiroonSriborrimx1．HybridZigbeeRFIDsensornetworkforhumanitarian1ogisties

centremanagement[J]．JournalofNetworkandComputerApplications，2011，34（3）：

938～948．