远距离射频识别RFID系统及应用研究项目方案.docx
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远距离射频识别RFID系统及应用研究项目方案
远距离射频识别（RFID）系统及应用研究
项目方案
东方融尚（北京）科技有限公司
2006年9月
目录
第1章远距离射频识别技术介绍4
1.1远距离射频识别概述4
1.2系统结构5
1.3应用领域及产业前景6
1.4经济效益和社会效益7
第2章智能交通系统9
2.1项目背景9
2.1.1需求分析9
2.1.2系统设计原则10
2.1.3系统的工作原理10
2.1.4系统特点11
2.2系统方案11
2.2.1设计方案11
2.2.2系统基本构成12
2.2.3系统部件组成12
2.2.3.1车辆定位分站12
2.2.3.2车辆识别标签13
2.2.3.3控制中心管理软件13
2.2.4系统应用示意图13
第3章智能电子导游系统15
3.1项目背景15
3.1.1需求分析15
3.2系统方案16
3.2.1系统设计原则16
3.2.2系统的工作原理16
3.2.3系统特点17
3.2.4设计方案17
3.2.5系统基本构成18
3.2.6系统部件组成18
3.2.6.1定位分站18
3.2.6.2导游器19
3.2.6.3控制中心管理软件19
3.2.7系统应用示意图19
第4章煤矿井下人员定位系统21
4.1项目背景21
4.1.1需求分析21
4.1.2系统设计原则22
4.1.3系统的工作原理22
4.1.4系统特点23
4.2系统方案23
4.2.1设计方案23
4.2.2系统基本构成24
4.2.3系统部件组成25
4.2.3.1人员定位分站25
4.2.3.2人员识别标签25
4.2.3.3数据通信接口装置25
4.2.3.4人员定位管理软件25
4.2.4系统应用示意图26
第1章
远距离射频识别技术介绍
1.1远距离射频识别概述
射频识别技术RFID（RadioFrequencyIdentificationTechnology）是从八十年代起走向成熟的一种非接触式的自动识别技术，在国内外已经有十余年的发展历史，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光电信号将信息由条形磁传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID单元，利用RF信号将信息由RFID单元传送至RFID读写器。
RFID单元中载有关于目标物的各类相关信息，如：
该目标物的名称，目标物运输起始终止地点、中转地点及目标物经过某一地的具体时间等，还可以载入诸如温度等指标。
RFID单元，如标签、卡等可灵活附着于从车辆到载货底盘的各类物品。
RFID技术所使用的电波频率为50KHz-5.8GHz。
目前射频识别中最为成熟、广泛应用的一个分支是各种所谓的近距离IC卡，典型的应用包括公共交通卡、校园卡、门禁考勤卡、不停车收费卡等等。
这种类型的射频识别系统已经实现了非接触读写与识别，但其无线通信的距离限制在1厘米到4米之间。
近年来远距离射频识别技术和集成电路产品取得了长足的发展，美国等发达国家已经将其大规模部署应用在军事后勤、安全预警、资产管理、港口大物流等领域。
远距离射频识别系统的主要特征是其电子标签的读写、识别距离达到10米--1000米，同时它还具有无线电测距定位和自动化信息采集的功能。
采用远距离电子标签可以同时识别管理大量的流动物体、车辆和人员，自动地快速采集到系统覆盖区内流动物体的位置、数量、类别、身份、状态等信息，从而使物流资产管理、人员安全管理的效率和准确性得到成百倍的提高。
射频识别技术的兴起有两方面主要原因的推动。
一是技术的推动。
射频技术从诞生到民用经历了军事应用、实验室研究再到民间应用几个不同时期，基础技术研究日臻成熟。
另一方面则是在整个社会信息化程度普遍提高后，企业需要进一步提高信息化水平，同时降低劳动生产成本，市场对各类技术进行选择的结果。
射频识别依靠无线电波进行信息采集、传输、控制，其得天独厚的技术优势成为人们的必然选择。
射频识别系统的无线非接触式读写方式，能够满足人们在各类特殊环境下对物品信息的管理。
射频识别技术的应用领域非常广泛，它不像以往传统的某种技术，带给人们生活、生产的改变只是某一个方面或一个领域，而是全面的和革命性的。
2005年，RFID（射频识别技术）无疑是当红的明星产业。
目前RFID在国内典型的应用主要于防伪、交通信息化、人员追踪、物流管理、工业自动化等几个方面。
在物流应用方面，随着RFID技术的成熟，标签价格的不断下降，其应用的面也越来越广。
1.2系统结构
RFID（RadioFrequencyIdentification）无线射频识别技术是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对被识别物品的自动识别。
射频识别系统一般由两个部分组成，即射频标签（Tag）和读卡器（Reader）。
在RFID的实际应用中，射频标签具有同其他技术（例如条码技术等）相比数据存储量大的特点，它附着在被识别的物体上（表面或内部），当带有射频标签的被识别物品通过其可识别范围时，读卡器自动以无接触的方式将射频标签中的约定识别信息取出来，具有同其他技术（例如条码技术等）相比更智能、读取范围更广的特点，从而实现自动识别物品或者自动收集物品标志信息的功能。
图1RFID基本工作原理
远距离RFID在通信距离上区别于近距离电子标签，在系统结构和使用方式上与近距离电子标签也有显著的不同：
首先远距离RFID的使用方式是无人化、无人工干预的完全自动化运行，人们只需事先在所关注的（移动）物体上附着一只远距离电子标签就可以实现自动识别与读写，完全不需要刷卡等人工操作，这是因为远距离RFID采用了各种不同的自动唤醒或周期性激活的技术。
第二，远距离RFID系统一般是用于管理大量的流动人员或物体，系统能够以极快的速度同时跟踪、识别数百上千的目标对象，完全不需要象近距离卡那样逐个“过关”，解决了传统方式无法解决的批量人流、物流的识别管理难题。
第三，远距离RFID系统通常是部署在管理者关注的场所或地区，比如货场、会场、校园等，是对在特定区域内活动的流动物体和人员的管理系统，因此必须根据应用的需要布设一个的读卡器和激发器阵列，使之对所关注的区域形成无线电“覆盖”。
在覆盖区内，任何携带RFID标签的物体进入、离开、移动，它们的身份、状态、时间等信息都能及时地反映在计算机图表之中。
一般说来，远距离RFID系统主要由4个部分组成：
●附着于人员、物体上的远距离电子标签（RFIDTAG）
●安装于特定场所的远距离读卡器阵列（TAGREADER）
●用于激活电子标签的非接触激发器（EXITOR）
●后台计算机示踪服务器（VISIBILITYSERVER）
由于在某些系统应用中，电子标签是始终激活的，那么“非接触激发器”就是可选部分，另外三部分则是必选的。
1.3应用领域及产业前景
远距离RFID系统的主要功能包括自动识别、测距定位、状态监测等方面，不同的应用领域和应用项目侧重于利用其一个或多个不同的方面。
具有无线定位功能的远距离RFID系统又被称为即时定位系统RTLS（RealTimeLocatingSystem）,能自动监测在特定区域内不断迁移的人员和物体当前位置。
RTLS定位是利用地面固定监测站点测量电子标签位置的无线电测距定位系统，其定位精度可以达到几米、甚至几厘米。
管理者通过系统中的示踪服务器可以随时掌握大量人员、车辆和移动资产的准确位置和它们当前的状态等信息。
这种类型的RTLS系统在国外已经大规模地部署在港口集装箱堆场、铁路货场、汽车泊车场、游乐园、滑雪场等场所。
美国西海岸已经有十几个港口部署了RTLS系统，实现了港区内货柜、托盘、货位、拖车、叉车等储运设备的实时管理，使港口物流信息的反馈时间由滞后5天提高到5分钟。
迪斯尼游乐园和一些欧洲滑雪场采用RTLS系统定位游人的位置与状态，为寻找失踪人员和紧急救援提供有力的支持。
在我国，中小学校的校园安全问题得到教育部和学生家长的高度关注，各电信公司分别开展了增值业务“家校通”。
家校通系统必须及时地采集学生到、离校等数据，以便向家长报送平安短信。
RTLS是实现这种学生识别、定位的优化技术方案。
类似的应用包括大型制造企业，如钢铁厂、纺织厂等，大型会议等场合的门禁管理，由于涉及大量人流出入，逐个打卡方式根本不可行，RTLS在这种类型应用中有巨大的市场需求。
在交通领域，车辆自动识别是远距离RFID的一个重要方向。
车辆门禁识别对许多国家机关和公私企业的安全管理都是重要环节，采用RFID可以在100米警戒线之外识别来访车辆，内部车辆则无须停车即可实现出入登记。
国内交通运政管理机关采用远距离RFID可以对运营中的客货车辆进行不停车检查，使无证非法运营车辆无可逃匿。
带有传感器的远距离RFID系统也被无线传感网络WSN（WirelessSensorNetwork），这种类型的远距离RFID目前已经开始应用农业生态监测，环境保护监测、设备运行状态监测、建筑物安防检测等广泛领域。
在技术上，仅采用一台远距离读卡器就可以管理方圆100--1000米范围内散布的大量传感器，通过射频标签RFID上传的数据包括温度、压力、湿度、震动、声音、烟气、红外辐射、金属性等等。
这种RFID与传感器相结合的无线网络在设备投资和实施灵活性方面具有传统有线网络无法比拟的优势，无论在民用军用领域都有十分广泛的应用潜力。
1.4经济效益和社会效益
远距离RFID系统是相对较新的应用技术，目前美国已有国家标准（ANSI371.1、ANSI371.2、ANSI371.3，2004年），国际ISO组织也制定了标准草案。
我国目前开展远距离RFID产品和应用研究的机构和企业仅有屈指可数的几家，有的企业已经推出了自主开发的产品和应用方案。
国际上远距离识别技术的领航企业美国SAVI公司（军事物流）、WHERENET公司（港口物流）都已将其触角伸入我国。
采用远距离RFID实现校园安全管理是一个比较简单的应用项目。
在全国有条件的城市学校，仅为每个中小学生配备一只射频识别卡就将产生数亿元的产品需求，同时还能带来每年数亿元的短信服务需求。
此项应用的商业模式现在已经成熟，目前正在全国各地迅速发展。
物流管理是迄今远距离RFID应用最成功、最成熟的领域。
美国军方采用SAVI公司提供的远距离识别系统实现了其在全球50多个国家的军用物资的跟踪管理。
在港口、货场采用RFID管理集装箱、拖车、货位等设备，可以成倍地提高物流运转的速度并确保相关数据的准确性，消除因物流阻塞造成的巨额经济损失，大幅度地减少物流企业的运转费用。
由于物流涉及行业极其广泛，相关企业间接减少的物流费用和时间十分可观，其综合社会经济效益相当巨大。
远距离射频识别在我国应用的时间还不长，我国经济和社会的飞速发展对远距离RFID系统产生了强劲的需求，目前正是发展远距离RFID产业的良好机遇。
随着RFID产品成本的不断降低和技术的不断进步，它的应用前景将越来越广阔。
本文简要介绍了智能交通信息采集系统、智能电子导游系统、煤矿井下人员定位系统的设计方案。
第2章
智能交通信息采集系统
2.1项目背景
2.1.1需求分析
近年来，北京市政府投入了巨额资金用于城市道路建设，对缓解城市道路交通拥堵起到了巨大的缓冲作用，但由于北京市机动车迅猛增加，交通需求激增，城市交通拥堵状况得不到缓解，甚至有进一步恶化的趋势。
虽然有关部门在提高北京市交通运行管理现代化方面作了大量工作，取得了一定成效，但在提高现有设施利用率，提高系统运行效率方面，仍有大量的工作要做。
多年来，欧美等发达国家的实践经验与教训证明，单纯靠修建道路设施和采用传统的管理方式来解决交通不仅成本昂贵，环境污染严重，而且其缓解交通拥挤状况的效果也十分有限。
科技的进步为解决交通问题提供了新的思路。
上世纪八十年代以来，智能交通系统将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地运用于整个运输管理体系，使车辆、道路、使用者密切配合，和谐统一，从而建立起一种在大范围内，全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统，ITS在世界各国先后得到不同程度的开发和研究。
智能交通系统（ITS）是将现代信息技术、通信技术、电子传感和技术等有效地集成运用于整个城市交通管理体系,实现实时、准确、高效和全方位综合运输和管理系统。
实施ITS,将有效缓解城市交通信息滞后、道路拥堵,降低环境污染,提高运输效率,保障交通安全。
对一些发达国家的智能交通管理的研究表明，实现ITS可使交通拥堵降低20%，交通事故发生率降低50%至80%；延误损失减少10%至25%，尾气排放减少26%。
北京市将投入5.4亿元建立一套智能交通管理系统，以适应城市可持续发展和举办2008年奥运会的需要。
该系统于2004年全面应用后，将大幅降低交通拥堵和交通事故发生率，使北京市的交通管理达到国际一流水平。
北京智能交通系统技术开发与应用项目包括奥运智能交通系统规划、北京市交通综合信息平台、智能交通管理系统、停车诱导系统应用试点和先进公交系统示范工程五个课题。
奥运智能交通系统规划主要研究解决因奥运会举办可能产生的额外交通问题，包括奥运会期间的交通需求、北京交通矛盾及症结分析和奥运ITS规划三项内容。
如北京停车诱导系统、公交区域调度系统、北京西站公交枢纽站运营调度管理与乘客信息服务系统和北京市综合交通信息平台等。
实现智能交通的基础，是及时准确的路况信息，特别是道路行驶速度信息。
目前国内路况采集的手段多种多样，各有优缺点：
通过信息员、巡逻车等人工手段采集信息简单易行，但主观性比较强，成本高但精确度不高；在道路上采用了视频检测技术、磁映像技术、橡胶气压管传感器技术和远程微波传感器技术进行交通流量检测，可以比较准确地监测到特定道路截面上的交流流量参数，但无法检测城市中车辆整体流动情况，只能头痛医头、脚痛医脚，可能造成越疏越堵的局面；利用全球定位系统（GPS）获取道路行驶信息是迄今为止最准确的，既可以得到单个车辆的行驶状况，又可以统计得到整个城市各道路的流量参数，分析出城市整体车辆流向，从而进行系统化的疏导，真正实现智能交通，其惟一缺点是GPS设备成本使用较高。
经过我们的研究分析，使用远距离射频识别技术，同样可以达到GPS技术的效果，并且实施成本仅为使用GPS的十分之一。
2.1.2系统设计原则
●实现城市车辆的有效识别和车速监测，为智能交通系统提供及时准确的原始数据，提高交通管理的自动化和准确性。
●通过科学的流量计算模型，实现城市交通的系统化管理。
●通过对单一车辆的全程行驶路线分析，实现车辆定位的功能。
●系统设计的安全性、可扩容性、易维护性和易操作性。
2.1.3系统的工作原理
在城市各街道起止点和交叉道口等重要位置安装车辆定位分站，所有车辆（或出租车）上附带车辆识别标签，车辆识别标签不断地发射加密的载有目标识别码的433M无线电射频信号。
当车辆进入到车辆定位分站读取范围内，接收天线接收到车辆识别标签发来的载波信号，经过读写器接收处理后，将信号通过有线或无线方式发送到控制中心。
控制中心的服务器端软件根据同一个标签的两次信息接收时间差和两个天线之间的距离进行计算，得到该车辆在该段道路的行驶速度。
进而根据所有车辆的行驶速度，统计得到特定道路乃至整个城市各条道路的行车流量信息。
在这个基础上，根据车辆行驶轨迹，还可以实现对车辆的位置进行监控，起到安全保障作用。
交管部门可以监控车辆是否有超速、逆行、违章停车等违法行为。
同时，这个平台可以面向社会提供公共服务，比如为物流公司提供货车或送货员位置的实时跟踪。
2.1.4系统特点
●高度自动化。
系统能自动检测车辆经过该监测点的时间、地点信息，并自动实现对车辆行驶的轨迹记录、统计及监测管理。
●先进的通信系统。
根据不同城市的特点，道路上的无线信息采集设备可以采用有线或无线方式与控制中心连接，实时将采集到的信息传送到数据中心，整个过程不需要人工参与。
●完备的数据统计与信息查询软件。
系统软件具备专用数据库管理系统，包括车辆通过道路的信息采集和统计分析系统，显示并打印各种统计报表资料，为管理人员的查询与管理提供全方位的服务。
●系统的安全、稳定、可靠性设计。
车辆定位分站自身含有时钟，可使用市电，天线无方向性；车用标签电池可用时间近一年。
●完善的异常情况（包括限制区报警、超时报警等）报警呼叫系统配置。
2.2系统方案
2.2.1设计方案
系统遵循“统一安装、统一发卡、统一管理”的原则，实行“一车一卡”制。
具体方案：
（1）交通管理部门在道路起止点和交叉道口安装车辆定位分站。
（2）车辆管理部门向所有车辆颁发并装备车辆识别标签。
初期实施阶段可以以出租车为对象。
（3）系统数据库记录该标签所对应车辆的基本信息，包括车主姓名、型号、颜色、联系电话等基本信息。
（4）交通部门对该标签进行授权后即生效。
授权范围包括：
该车辆可以行驶的道路。
为防止车辆进入禁行道路。
（5）实施范围内的车辆必须随车携带标签，当带标签车辆经过设置识别系统的地点时被系统识别，系统将读取该标签信息，通过系统传输网络，将带标签车辆通过的地点、时间等资料传输到控制中心进行数据管理；如果采集的标签号无效或进入禁行道路，系统将自动报警，控制中心值班人员接到报警信号，立即执行相关工作管理程序。
（6）车辆一旦发生安全事故或其他异常，控制中心在第一时间内可以知道车辆的基本情况，便于事故处理工作的开展。
2.2.2系统基本构成
系统结构图如下；
该系统主要由控制中心监控软件、数据传输设备、车辆定位分站、车辆识别标签构成。
由于数据传输设备采用标准的有线方式（以太网或光纤网）或无线方式（CDMA、GSM、WIMAX、WIFI等），这部分可以利用现有的公共通信网资源，可独立于本系统。
2.2.3系统部件组成
2.2.3.1车辆定位分站
由读写器、数据转换装置、电源、天线组成，其主要功能是完成对车辆识别编码输出信号的采集、处理、控制中心的双向通讯等。
分站不断产生433MHz高频编码电磁波信号经天线发射出去，同时接收标签发来的高频载波信号，经软件解码后提取有效的数字信号（主要为车辆标签号、分站编号）通过有线或无线方式将信号传输到控制中心。
2.2.3.2车辆识别标签
全双工通信，每个标签具有唯一的电子编码，工作人员可随身携带，定时发射携带有十六位二进制数编码信息的无线电射频信号，供分站处理识别。
2.2.3.3控制中心管理软件
用以实现对车辆的跟踪定位信息的采集，车速计算，流量统计，轨迹分析。
后台实时显示、统计查询、数据库存储、报表打印等功能。
另外，作为公共交通信息提供平台，该软件对交通管理部门开放车辆监控和报警功能，为物流公司等提供本单位车辆查询接口。
2.2.4系统应用示意图
在城市需要进行车辆跟踪的道路起止点和交叉路口中，根据现场具体需要放置一定数量的车辆定位分站，通常情况下一个地点只需要放置一个，即可跟踪此地点的车辆通行情况。
交管部门为需要进行跟踪定位的车辆安装一个识别标签，当车辆到达分站位置以后，相应的车辆定位分站传感器便会马上感应到信号，经过处理并附加分站信息，上传到控制中心，这样控制中心的软件就可判断出具体信息（如：
哪个车辆，在哪个位置，具体时间），同时可把它显示在控制中心的大屏幕或电脑显示屏上，并做好备份。
控制中心软件根据得到的信息，可以进行一系列计算和处理：
1、根据本次和上次收到的时间、地点信息，以及两地点之间的距离，计算出该车辆在两点之间的速度；同时根据该道路的限速，判断是否超速。
2、根据本次和上次收到的地点信息，判断在两点间行驶的方向是否符合要求，确认有无逆行。
3、对于长时间处于一个分站监控范围内的车辆，可选择软件是否报警，以便通知交通管理部门现场检查，确认该车辆是否违章停车。
4、根据两分站之间的所有车辆通行速度，去掉异常的数据（即只驶入、未驶出），单位时间内统计得到的平均值，即可反映该道路的通行速度；单位时间内统计得到的采样数量，即可反映该道路的流量。
作为公共信息服务平台，控制中心软件提供的后台管理功能包括：
1、管理者可以根据大屏幕上或电脑上的分布示意图查看某一道路，计算机即会把这一区域的车辆情况统计并显示出来。
2、交通部门可以调取任意车辆在特定时间段的行驶轨迹，用于取证。
3、物流公司等服务客户可以查询本单位车辆所在的道路及周边道路流量，为车辆选择最畅通的路线，提高物流配送的效率。
4、车辆出现丢失、抢劫等情况时，可以查询车辆当前所在的位置及历史行驶轨迹，包括在特定道路的停留时间，为侦破案件提供参考。
第3章
智能电子导游系统
3.1项目背景
3.1.1需求分析
目前，环境保护问题已成为旅游业的关注重点，降低景点博物馆高分贝噪音成为景点管理的新要求。
最新的国家旅游景区质量等级划分和评定标准已经把是否能够提供随身电子语音讲解纳入评级的加分条件。
作为一款无噪音无污染的高科技环保产品，电子导游机关注保护文物古迹、自然风景和人文名胜，并且对人体没有任何影响，让游客真正溶入大自然，满足安全旅游、环保旅游、文明旅游、轻松旅游的新趋势。
电子导游已成为当今旅游的时尚新趋势，不仅提高了旅游的质量，提高了国家对外旅游的整体形象，更保证了旅游发展与环境保护的和谐。
电子导游机在国外欧美等发达国家的旅游景点已普遍使用，游客人手一个，可以选择汉语、英语、法语、日语等多种语言。
当游客进入任一景点时，游客可以不用导游就可以通过手中的导游机自主点播相应的解说，在优美的背景音乐中轻松聆听富有内涵的讲解，让每一个游客都可以得到深层次的精神享受，是旅游景点服务达到世界水平一个重要标志。
在我国的旅游市场，长期以来，游客在景区旅游时，可看的景点多，可了解的资讯却很少，属于低层次的观感旅游阶段；而对于外国游客来说，由于语言的障碍往往游览下来所知甚少。
使用高科技的电子导游产品，则可以很好的解决以上问题。
对于景点来说，电子导游与人工导游相比，能避免由于导游个人因素带来的服务质量的不稳定性，为游客提供更加全面客观的服务。
通过自动电子导游器也可大大提高游客对景点的认知程度，并通过他们的传播能加快提高景点的知名度，从而增加游客的流量，加快景点旅游业的发展。
最后还有一个重要的原因，电子导游器可以满足越来越多自助游背包客的个性需求，当我们独自去远方，去寻找梦想时，当我们实践“行万里路，破万卷书”的理想时，电子导游机就是一个非常好的良师益友，一本非常好的行知书。
下面是电子导游与人工导游的对比表格：
传统人力导游
现代电子导游
局限于个别知名成熟景点或博物馆机构才有此项服务
不同性质的场合皆可（如展览、动物园、机场、车站…）
导游自身水平和服务质量不一
确保讲解内容的品质
人力资源问题（离职、罢工、工资、培训）
消除人力资源的问题（不休息、不罢工、不必付薪水）
导游需要不断的培训
操作简单，维护容易，由专业厂商提供培训和后期服务
导游费用多由外来导游所赚取
由景点赚取相关利润
产生环境噪音
不产生噪音，保护景点不受污染
不利于散客旅游
适用所有游客
我们利用远距离射频识别技术研发的电子导游系统，除了具有自动识别游客位置、自动讲解的功能，还能够成为场馆进行人员监测
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