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1、1.3课题研究的目的及意义 62课题任务及进度安排 82.1课题设计任务 82.2课题进度安排 83整体方案设计 94已完成工作 104.1 RFID系统的组成与原理 104.1.1RFID系统的组成结构 104.1.2系统的总体结构 104.1.3电子标签的结构 114.2 RFID系统的工作原理 144.2.1无线通信知识介绍 144.2.2RFID系统的通信过程 144.2.3通信协议标准介绍 154.3本课题的总体设计 174.4系统硬件电路设计 184.4.1控制处理部分电路设计 194.4.2电源与时钟复位电路 204.4.3 RS-232串行接口与JTAG接口电路 204.4.4

2、温度检测电路 214.4.5液晶显示模块 224.4.6 Wi-Fi模块 224.5射频模块设计 234.5.1 CC1101外围电路连接 244.5.2 匹配电路设计 255下一步工作及解决思路 285.1匹配电路中参数的确定与仿真 275.1.1阻抗匹配问题的解决 275.1.2 MATLAB对中心频率的仿真 285.1.3 Multism对输入输出信号的仿真 295.2射频收发模块PCB设计 30参考书及参考资料 321绪论1.1课题的研究背景1.1.1物联网技术物联网是在计算机互联网的基础上， 利用射频识别、无线数据通信、计算机等技术， 构造一个覆盖世界上万事万物的实物互联网。物联网内

3、每个产品都有一个唯一的产品电子码， 叫做EPC, 通常EPC 码被存入硅芯片做成的电子标签内， 附在被标识产品上， 被高层的信息处理软件识别、传递、查询， 进而在互联网的基础上形成专为供应链企业服务的各种信息服务， 就是物联网。RFID 即射频识别， 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， 识别工作无须人工干预， 作为条形码的无线版本， RFID 技术具有条形码所不具备很多优点。特别是电子标签与产品电子编码EPC、互联网技术的融合， 孕育出被称为下一代互联网的物联网。物联网与其说是网络， 不如说是应用。对物联网的定义、内涵及特征的梳理让我们认识到， 物联

4、网是一整套立体的、丰富的、适应性很强的概念体系。在推进物联网发展的时候， 需要依据不同时期不同的出发点， 规划一条既符合科技创新规律， 又适应我国工业、信息通信业当前发展水平和一个时期的发展潜力， 并有利于在激烈的国际竞争中快速建立起竞争优势的发展道路， 以更好地满足经济社会发展对物联网的总体需求。1.1.2 RFID物联网一项关键技术RFID技术是物联网发展的基础，RFID产品大量应用在物联网之中，越演越烈的物联网及其推广，是建立在EFID技术的大量应用与RFID产业飞速发展的基础之上。物联网要实现物与物之间的感知、识别、通信等功能需要有大量先进技术的支持。目前物联网关键性的技术包括： 感知

5、事物的传感器网络技术， 联系事物的组网和互联技术， 判别事物位置的全球定位系统， 思考事物的智能技术， 认识事物的射频识别技术RFID 以及提高事物性能的新材料技术。射频识别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， 识别过程无须人工干预， 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技术与互联网、通讯等技术相结合， 可实现全球范围内物品跟踪与信息共享。通信行业， 在“ 2009 年中国国际信息通信展览会”上，中国移动展出了手机支付， 这就是典型的物联网概念应用。手机支付实际上主要是手机SIM 卡的更换

6、， 由普通SIM 卡更换为RFID- SIM 卡， 而不需要对手机进行更换。随着物联网的推广，作为其基础的RFID产业也将迎来新一轮的机遇与挑战，就目前的产业形势来看，RFID的相关市场将进一步扩大，其需求也将更加广泛，越来越多的传统行业将对RFID产品产生需求，如传统的物流、食品、印刷、服装等行业，将是RFID产品的潜在用户群。这些传统的产业目前还在使用的标签多为纸质标签，以条码来标注产品，而RFID技术的发展，给他们提供了新的选择，那就是RFID标签。1.1.3多协议多协议标签交换（MPLS）是一种用于快速数据包交换和路由的体系，它为网络数据流量提供了目标、路由、转发和交换等能力。更特殊的

7、是，它具有管理各种不同形式通信流的机制。MPLS 独立于第二和第三层协议，诸如ATM 和IP。它提供了一种方式，将 IP地址映射为简单的具有固定长度的标签，用于不同的包转发和包交换技术。它是现有路由和交换协议的接口，如IP、ATM、帧中继、资源预留协议（RSVP）、开放最短路径优先（OSPF）等等。在MPLS 中，数据传输发生在标签交换路径（LSP）上。LSP 是每一个沿着从源端到终端的路径上的结点的标签序列。现今使用着一些标签分发协议，如标签分发协议（LDP）、RSVP 或者建于路由协议之上的一些协议，如边界网关协议（BGP）及OSPF。因为固定长度标签被插入每一个包或信元的开始处，并且可被

8、硬件用来在两个链接间快速交换包，所以使数据的快速交换成为可能。MPLS 主要设计来解决网路问题，如网路速度、可扩展性、服务质量（QoS）管理以及流量工程，同时也为下一代IP 中枢网络解决宽带管理及服务请求等问题。在这部分，我们主要关注通用MPLS 框架。有关LDP、CR-LDP 和RSVP-TE 的具体内容可以参考个别文件。多协议标签交换MPLS最初是为了提高转发速度而提出的。与传统IP路由方式相比，它在数据转发时，只在网络边缘分析IP报文头，而不用在每一跳都分析IP报文头，从而节约了处理时间。MPLS起源于IPv4（Internet Protocol version 4），其核心技术可扩展到

9、多种网络协议，包括IPX（Internet Packet Exchange）、Appletalk、DECnet、CLNP（Connectionless Network Protocol）等。“MPLS”中的“Multiprotocol”指的就是支持多种网络协议。1.1.4采用的解决方案和意义射频识别（RFID）技术是一种通过无线电讯号来识别并读写特定目标中信息的通信技术。RFID识别过程无需通信双方的直接接触，能工作在多种恶劣环境中，而且该技术能够识别高速运动物体并同时识别多个标签，操作方便快捷。电子标签存储量大，存储目标信息全面。目前RFID系统已广泛应用于物流、零售、医疗、身份识别、军事等

10、方面。RFID技术与目前广泛使用的自动识别技术如条码、磁卡、IC卡等相比，它有着很多突出的优点。RFID技术是无线通讯技术，标签和读写器之间实现无接触通信，支持长距离识别；由于该技术避免了接触，无机械磨损，所以工作寿命长，不受油渍、灰尘污染等各种恶劣工作环境的限制；RFID读写器可识别高速运动的物体，其内部防冲突算法的使用使得读写器可以同时识别多个电子标签；读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；电子标签的密码保护及加密算法的引入保证了通信的安全性；电子标签存储量大，所含信息全面，应用领域广。正是由于RFID技术的这些独特优势，RFID技术自20世纪90年代开始兴起以来，

11、就得到了广泛关注。它逐渐的被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。现在越来越多的国家和企业在该技术的研究和应用上投入了大量财力和物力，来推动RFID技术的发展。但是，在RFID标签的推广应用中，这些潜在的用户群将对RFID标签提出新的要求，一是RFID相关产品应用环境的复杂化，我们需要可靠性与稳定性，同时还需要能高速读取标签产品。二是标签产品的低廉化要求，传统产业中如果采用RFID标签，其需求量将是惊人的，而目前RFID标签的成本还不能如此广泛的应用。目前国内市场上，RFID的标签生产设备主要来自进口，尤其以900M以上的标签来说，几乎完全靠进口。德国、韩国、台湾等国家地区

12、的产品在国内的标签生产设备中占据了主流市场，几乎90%的设备均来自进口，几乎所有的标签生产商均将国外引进的设备作为其产品的招牌与质量保证，这一形势对于一个产业的发展来说是相当不利的。同时，作为RFID标签的核心，其内部的芯片目前在国内能够有能力生产的企业也是寥寥可数，其生产规模尚不能满足日益扩大的市场需求。要解决标签的成本问题，我们主要能从两个方面努力：一是自主开发RFID标签芯片，降低核心芯片的成本。二是自主研发标签生产设备，降低标签生产的成本。1.2 国内外研究动态及现状RFID技术最早出现在第二次世界大战期间，被美军运用到战争中识别自己和盟军的飞机。自19世纪40年代开始，雷达的改进和应

13、用催生了RFID技术，从本质上讲，RFID继承了雷达的概念，并在此基础上发展起来。那时德国，日本、美国和英国都在采用一项于1922年发明的新技术雷达，用以预警正在接近的飞行目标。雷达的致命弱点是无法分辨敌我双方的飞机。德国人发现当他们在返回基地的时候如果拉起飞机将会改变雷达反射回的信号形状，从而与敌军进攻的飞机加以区别。这种简单拙劣的方可被认为是最早的被动式RFID系统。与此同时，英国展开了一项秘密项目，开发出能够识别敌我双方飞机的敌我识别器（IFF）。敌我识别器被安装在英国飞机上，当接收到雷达信号以后，敌我识别器会主动广播某个特定信号返回给雷达从而区分敌我双方的飞机。这种方法可以被看作是最早

14、的主动RFID系统，之后也成为现代空中交通管制的重要工具。IFF技术可以看作是RFID技术的萌芽，其系统组件昂贵而庞大，只能优先应用在军事和实验室等领域。随着大规模集成电路、可编程存储器、微处理器以及软件技术和编程语言的发展，RFID技术才开始逐渐推广和部署在民用领域。20世纪60年代，人类对RFID的探索才正式拉开了序幕。1964年，RFHarrington开始研究和RFID相关的电磁理论并于1964年发表了“Theory of Loaded Scatters”。此时商业应用也逐渐出现，如Sensormatic、Checkpoint Systems，Knogo等公司开发出用于电子物品监控EA

15、S（Electronic Artide Surveillance）的应用。这种早期的商业应用被称之为1-比特标签系统，因为它只能检测被标识的目标是否存在，从而防止物体被偷窃。标签不能携带更大的存储容量，当有多个物体存在时，甚至无法区分出被标识物体的差别。20世纪70年代，学者、公司和政府等都开始认识到RFID的巨大潜力，并进行积极研究。其中最早也最重要的研究成果是由Los Alaimos科学实验室Koelle、Steven和Freymal2于1975年发表的“Short Rallge Radio Telemetry for Electronic Identfficatio Using Modu

16、lated Backscatter”。他们成功开发出了能够适用于特殊环境下传输距离可达5米的被动标签原型。20世纪80年代，更加完善的RFlD应用开始涌现。世界各个国家对RFID的应用兴趣不尽相同，在美国RFID技术主要应用于传输业和访问控制，在欧洲则是将短距离通信的RFID技术应用于动物监控。20世纪90年代是RFID发展史上最为重要的十年，在这期间电子收费系统在美国开始大量部署，在北美约共有3亿个RFID标签被安装在汽车尾部。1991年，世界第一个高速公路不停车收费系统在美国俄克拉荷马州（Oklahoma）开始投人使用。1992年，世界第一个电子收费系统和交通管理系统的集成系统在美国休斯顿

17、安装并使用。多个地区和公司开始注意到系统之间的互操作性，即运行频率和通信协议的标准化问题。只有提供了统一的标准，RFID才能在更广泛的领域得到应用。例如，当时Ez Pass系统能够兼容美国七大地区的电子收费系统，通过这套系统，附带同一个标签的汽车在七大地区均可使用。21世纪初，零售巨头（如沃尔玛）及一些政府机构（如美国国防部）都开始推进RFID应用，并要求他们的供应商也采用此项技术。同时，标准化的纷争催生了多个全球性的RFID标准和技术联盟，主要有EPCglobal、AIM Global、Is0IEc、UID、IP-X等。这些组织试图在标签频率数据标准、传输和接口协议、网络运营和管理、行业应用

18、等方面获得统一平台。全球最大的零售商沃尔玛通过一项决议，要求其前100家供应商在2005年1月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用RFID技术，小供应商也得在2006年底赶上RFID的末班车。通过采用RFID，沃尔玛预计每年可以节约83.5亿美元。欧洲最大的超市麦德龙也跟着宣布了类似的计划，他们在2006年初已经在德国最大的配送中心完成RFID阅读器和标签的安装工作。除此之外，美国的军品管理、中国的二代身份证、中国的火车机车管理系统、日本的手机支付与近场通信等都是业界比较成功的大规模应用案例。中国已经将RFID技术应用于铁路车号识别、身份证和票证管理，动物标识、特种设备与危险品管理、公共交通

19、以及生产过程管理等多个领域，并且正在尝试应用于图书馆、血液管理等新的领域。我国的RFID产业起步较晚，但发展很快，对低频、高频与微波电子标签与读写器的开发、生产技术已经基本成熟。目前，我国RFID标签与读写器的设计和制造企业有数十家，RFID系统集成与应用系统开发企业有上千家，北京、上海、广东三个地区已成为我国RFID发展的龙头和主导力量。但我国在超高频RFID领域正处于研究阶段，技术相对欠缺。主要因为超高频RFID技术门槛高，在国内发展起步较晚，还需要继续探索。RFID作为一项迅速发展的信息技术，将广泛应用于国民经济和社会生活的各个领域，在我国具有广阔的应用前景。RFID技术在国外的发展比我

20、国早，且发展速度更快。尤其是在欧美等发达国家和地区，目前均有较为成熟且先进的RFID系统。UHF频段的RFID系统在北美发展较好；在欧洲RFID的应用主要在有源245GHz系统；58GHz的RFID系统在日本和欧洲均较为成熟。随着RFID的发展更为迅速，标准化问题日益引起人们的关注。各国及相关组织都在推进RFID技术标准的制定，形成了一系列标准草案，如ISO基于物品管理的18000系列标准草案。美国在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发以及应用领域己经走在了世界的前列。欧洲追随美国主导的EPCglobal标准。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，要成为国际标准还需要进

21、一步的努力。1.3 本课题研究的目的及意义射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种通过无线电信号来识别并读取特定目标信息的通信技术。射频识别系统主要包括3部分：标签、读写器、天线。读写器与标签之间通过天线传输射频信号。RFID作为物联网关键应用技术之一，已成为市场关注的焦点，行业发展前景十分广阔。按照标签内部是否带电源，可分为有源标签和无源标签；按照标签的工作频段，可分为低频标签、高频标签、超高频标签和微波标签。随着RFID技术的逐渐成熟，国际上制定了一些通信协议标准，标准中规定了读写器与标签通信的物理介质、通信速率、编码方式、调制方式等。目

22、前经常使用ISO 14443系列、ISO15693系列和ISO 18000系列等标准。 如今RFID技术发展成熟，应用广泛，标签的种类繁多。但目前市面上RFID读写器的通信频率固定，且一般只满足某一种或者两种ISO协议标准。频率相同且遵循的通信协议相同，是标签和读写器能正常通信的必要条件。对于工作在某种频段并符合某种通信协议的标签，只能选用满足这种频率和这种通信协议的读写器才能读取。目前，市场上那些频段固定、通信协议单一的射频读写器已经不能满足实际生产的需求了。RFID有非接触、信息量大、支持多标签识别这些突出的技术优点。RFID作为物联网关键应用技术之一，已成为市场关注的焦点，行业发展前景也

23、十分广阔，有很大的市场潜力。RFID技术在我国才刚起步，就应用在身份识别、物流管理等很多领域，RFID系统工作时传输速率高且识别距离相对于传统识别技术可以比较远，它有广泛的应用范围。RFID有突出的技术优点、较好的市场前景及广泛的应用领域。但随着RFID产品种类更加丰富，规模应用行业扩大，产品所符合的标准问题也日益显露出来。到现在为止还没有正式的RFID产品国际标准，各厂家推出的RFID产品互不兼容，造成了RFID产品在不同市场和应用上的混乱和孤立，这势必对未来的RFID产品互通和发展造成障碍。标签与读写器要能正确通信，必须满足两个必要条件。第一，标签与读写器的无线电磁波频率必须相同，这也是它

24、们的工作频率。第二，标签与读写器内部的通信协议要相同。RFID技术如今发展成熟，应用广泛，标签的种类繁多。但目前市面上的RFID读写器的通信频率固定，且一般只满足某一种或者至多不超过两种协议标准。这样每种频率的标签只能挑选满足其频率的读写器读取，且根据标签符合的协议标准不同，需要更换协议符合该标准的读写器才能进行读取。本设计中的RFID读写器可根据待读取标签的频率及协议，调节自身的参数信息，以实现适应多种标签的读取。这种设计可以减少RFID读写器的种类，提高读写器的利用率，同时也给使用者提供极大的方便。随着RFID应用的日益普及，读写器的结构和性能不断更新，价格也不断降低。从技术角度来说，读写

25、器应该会朝着兼容性越来越好的方向发展。现在射频识别的应用频段较多，采用的技术标准也不一致，因此希望读写器可以多频段兼容、多制式兼容，实现读写器对不同标准的电子标签兼容读写，对不同频段的电子标签页兼容读写。所以本课题的研究方向正和RFID读写器的发展趋势相吻合，具有重大意义。2 课题任务及进度安排2.1课题设计任务本课题的主要内容是在了解和分析RFID读写器系统的组成结构和工作原理的基础上，提出对读写器工作频率的可调和读写器通信协议的多样化这两个问题的解决方案。并实现相应的硬件系统和软件系统设计。本课题设计的RFID读写器可根据标签的特点进行工作频段和工作协议的选择，从而实现对多种标签的读取。该

26、读写器具有适应性强，成本低等特点，给RFID的应用带来了便捷，并对RFID读写器的发展起到一定的推动作用。其主要技术指标如下：（1）了解RFID读写器系统的组成结构和工作原理；（2）提出对读写器工作频率的可调和读写器通信协议的多样化这两个问题的解决方案；（3）在软件上实现了读写器支持多种通信协议的功能；（4）完成相应的硬件系统设计。2.2课题进度安排第一学期 第10-11周 查资料第12-13周 英文译文第14-15周 方案论证第二学期 第3-6周 硬件电路的设计第7-8周 软件设计第9-10周 完成总体设计第11-12周 系统调试第13-15周 撰写毕业论文、答辩3整体方案设计针对目前RFI

27、D读写器只能读取单一标签，无法读取不同工作频段或遵循不同通信协议的标签，本论文提出了一种新型可调频率并含多种通信协议的读写器的设计方案。为实现这种适应性强的RFID读写器，本文主要做了以下工作：（1）方案论证后，选用工作频率可调的CC1101射频收发模块，并设计了可变参数的CC1101外围匹配网络以匹配CC1101的任意工作频段，实现了读写器工作频率的可调。用程序编写读写器符合的各种通信协议。编程实现了数据的编解码、CRC校验、帧格式的编排，并用MATLAB给出了程序运行的结果。（2）绘制了整个读写器系统的电路原理图，画出了整个CC1101射频收发模块的PCB图。编写了读写器系统总程序。对读写

28、器系统进行了调试。（3）对标签的天线进行了研究。对适合RFID标签的偶极子天线和弯折线天线进行设计与仿真。本课题以意法半导体公司的STM32F103VET6芯片为控制器，设计了读写器的控制核心、串口通信、液晶显示、Wi-Fi等模块，最关键的是以CC1101设计了整个射频收发模块。4已完成工作4.1 RFID系统的组成与原理本章详细阐述了RFID系统各部分的组成和工作原理，介绍了RFID通信的相关技术，并提出了本课题的总体设计思路。4.1.1 RFID系统的组成结构射频识别技术是通过发射接收射频信号来识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标建立机械或者光学接触。射频识别系统包括一整套

29、的信息技术基础设施，系统中的关键设备包括读写器、天线、电子标签三部分。系统工作时，阅读器和标签之间由天线互相传递射频信号而进行通信。阅读器将特定无线电波发送给标签，标签接受该电波后为自身提供能量再将内部信息射频传送给读写器。4.1.2 系统的总体结构经过数十年的研究和发展，射频识别系统的总体组成框架已基本确定，如图1所示。电子标签读写器计算机天线 射频信号 RS232，Wi-Fi等图1 RFID系统的基本组成电子标签: 电子标签主要由射频电路、基带处理电路、电源模块以及必要的外围接口电路组成，在应用中附着在待识别的目标物品上或由要识别目标携带。它内部存储着目标物品的各类信息，这些信息可以由读写

30、器通过射频信号的无线传输进行读取和写入。天线：在标签和读写器之间传递射频信号。读写器：当电子标签处于其读取范围时，读写器自动以无接触的方式将电子标签中的数据信息进行读写操作。它是射频识别系统的核心，不同的读写器识别距离、消耗功率、天线增益等都有很大差别，同时读写器还可以通过通信接口与计算机进行通讯，将电子标签的信息传递到计算机和网络系统进行存储或分析。计算机：在整个RFID系统中，计算机网络主要用来分析和存储读写器得到的一些信息，并完成相关的通信功能。读写器和计算机之间一般使用RS232、Wi-Fi等通信接口进行双向通信。计算机可以建立数据库，来存储一些大型数据信息，以备以后查询和使用。在RF

31、ID系统结构的这四部分中，最关键的是读写器、天线、电子标签，这三部分设备是RFID系统必不可少的。4.1.3电子标签的结构RFID标签的种类很多，可按照标签的供电方式和工作频段对其进行分类。依据供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签 （Active tag）和无源电子标签 （Passive tag）。有源式标签内部供电故通信距离长，有的可达百米，不过会受到电池寿命的限制，并且价格高体积大。无源式标签尺寸可以很小，没有内置电池寿命的影响，且使用超高频载波传输时，距离也可以达到10m。依据工作频段的不同，电子标签可分为低频标签、高频标签、超高频标签和微波标签。低频标签的典型工作频率为125KHz,低频标签一般是无源标签，它工作时通过电感耦合的方式从读写器耦合线圈辐射场获得能量，这样，数据传输的距离要求比较短，一般为10cm以内。高频标签的典型频率为13.56MHz，跟低频标签一样，采用电感耦合方式获取能量，它的阅读距离要求在1m以内。超高频标签的典型工作频率有433.92MHz、860-960MHz。超高频标签可以做成有源式和无源