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RFID关键技术及其在现代物流中的应用研究


武汉理工大学 硕士学位论文 RFID关键技术及其在现代物流中的应用研究 姓名:岳涛 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息系统 指导教师:聂明新 20100501

武汉理工大学硕士学位论文





本文选择物流领域应用RFID技术作为研究对象的原因是传统的条形码技 术已经不能适应物流领域的发展,为进一步提升现代物流信息化水平,论文研
究采用UHF RFID技术代替条形码应用于现代物流。相比于前人的研究工作,

本文的创新点是从RFID系统读取率及差错控制和提高可靠性等方面进行研究, 提出一种基于RFID技术的现代物流应用解决方案。本文围绕着在物流领域应用
UHF

RFID技术进行的研究工作及得出的结论有如下三个方面: (1)在对RFID技术国内外发展应用现状的研究的基础上,研究国内外物

流行业运行模式、特点、发展现状及发展趋势和制约我国物流行业发展的因素 等。通过研究分析认为条形码技术已经不能满足现代物流供应链信息化需求,

可以在物流领域采用切肛RFID系统来代替传统的条形码技术完成物品标识及
数据采集工作,从而提高物流供应链的运作效率。
(2)RFID技术是一门多学科综合性技术,影响RFID系统工作性能的因素

很多,RFID技术在物流领域的成功实施需要进行大量的观测和实验,本文的重 点是在对RFID关键技术研究的基础上,进一步解决RFID系统能否在物流领域 成功实施问题及提供相应的具体解决方案,所以仅选取如下三项关键技术进行
研究,以支持论文中提出的物流领域采用RFID技术解决方案。

首先,研究影响RFID系统读取率的射频特性及其它因素,鉴于当前RFID 系统难以达到100%读取率问题是限制其大规模应用的一个瓶颈,从而提出一种
差错控制应用解决方案,对于一些具备采用该方案条件的应用环境中可以成功 发现是否有漏读标签并解决读取出错的问题,提高RFID系统的可靠性。

其次,在现代物流中应用RFID技术,信息传输的安全、容错与抗干扰能力 关系到RFID系统工作的可靠性和稳定性。论文选取UHF RFID系统常用的编码 方式进行纠错能力仿真以及CRC校验能力仿真,通过仿真研究解决了RFID系 统选择编码方式时必须考虑的一些问题,以及在实际的RFID系统中应根据帧数 据长度选择CRC校验的位数,当一帧数据长度小于256位时可选择CRC.8校验; 当数据长度大于256而小于64kbit,可选择CRC.16校验。
最后,进行UHF RFID系统的读写器的时域及频域仿真和电子标签的系统

级仿真,通过系统级仿真研究揭示RFID系统中能够表征系统特征的关键参数,

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为物流领域实施RFID技术进行频率选择和噪声控制等方面提供参照。 (3)在进行需求分析以及可行性研究的基础上,运用物流供应链信息化先 进管理理念进行一次尝试,提出一种基于UI-IF RFID技术的现代物流应用解决 方案,并针对设备选择、环境配置、防碰撞算法要求、安全机制、差错控制及 信息传输方式等方面进行系统解决方案设计,通过采取RFID技术及其它信息技 术把物流供应链各个环节进行有机整合。 关键词:物流、射频识别技术、读取率控制、纠错编码



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Abstract

The thesis focuses

on

RFID teehnology applied in logistics since the traditional

bar code has not been fit for the development in logistics.For the mo.dernization of

logistics,the thesis proposes that UHF RFID should replace bar code in modern

logistics.Compared、加th

previous research.,this thesis for the first time studies the

read rate of RFID,error control and solutions to modern logistics based following:

improvement

of reliability and it also presents
contents of

on

RFID.The main

thesis include the

First,the thesis researches the application and development of RFID both at

home and abroad and then the analysis is made concerning logistical industry’S mode,

characteristics,development and
nation’S

status quo as well as the restricting factors in

0111"

logistic industry.The been

analysis comes at the conclusion也at the traditional bar

code has

unable to meet the modern needs of the

logistic

supply chain and

therefore,the application of UHF RFID in code bar which the
can

logistic

industry for the replacement of
can

complete object labeling and data collecting

greatly improve

efficiency

of logistic supply chain.


Second,RFID is

comprehensive technology,the function of which Can be
factors.Before its successfully practical
use

influenced

by quite

a lot

in

logistic

field,

it requires much observation relevant solutions,based successful
on

and experiments.The

key poillt of the thesis Was the the problems that block the
are

the key RFID

technology,to

application of RFID in logistic

field.Therefore,there
rate

three main

techniques chosen to study for the support of the solutions proposed in the thesis.

(1)Firstly,the paper has studied the RFID system load
and other

of RF properties

factors.Because the RFID system is hardly

to

achieve 1 00%,The


large-scale applications has received restrictions.The paper has proposed
solutions

control

errors.Some丽m

the condition environmental conditions

Call

successfully

fmd if exist the problems of reading labels and solving several and improve the
reliability of the RFID system.

(2)Secondly,the application of RFID in logistics technology,information
III

武汉理工大学硕士学位论文 transmission security,fault tolerance and anti-jamming capability related
of RFID system reliability encoding
to the work

and

stability.Papers selected UHF RFID systems used for error correction

and

CRC

ehecksurn

ability of simulation capability

simulation,the simulation research has solved the RFID system options must be

considered
data

when encoding some of the issues,and RFID systems in the actual frame of the chosen CRC under

length

check bits,when



data length less than 256



choice of CRC一8 check;when the data length greater optional CRC一16

than

256 and less than 64kbit,


checksum.

(3)Finally,the paper has conducted simulation of the UHF RFID reader systems in time domain and frequency domain and systern—level electronic tag. Simulation results revealed the RFID system
can

be used to characterize the key provide reference for the RFID

parameters of the characteristics of the system.It

call

technology implementation
Third,on the base of

of frequency and noise contr01.

needs

analysis and feasibility study,the paper has

used and

advanced information
proposed


logistics supply chain

management
on

concept for



try

UHF RFID technology based

application of modem

logistics

solutions.The paper has designed solutions to the configuration,anti—collision

equipment selection,environment

algorithm requirements,security,elror control and

information transmission.The paper integrate logistics supply chain link through
adopting RFID

technology and other

information

technology technology,Reaud

Key words:Logistics,Radio frequency identification
Error correction coding

rate control,

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。尽我所知,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或撰写过的研究成果,也不包含为获得 武汉理工大学或其它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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说
明并表示了谢意。

签名:j鞋j查—~日期:垒出斗
学位论文使用授权书
本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定, 即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文,并向社会公众提供信息服务。
(保密的论文在解密后应遵守此规定)

研究生(签名):击希

导师

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第1章绪论
1.1课题背景及意义
信息化是21世纪各行业的重要发展趋势,电子商务、物联网等基于网络技 术的应用发展迅速,RFID技术的逐步成熟与应用,对现代物流提出了更高的要 求,竞争日益激烈,如何提高物流效率、降低运营成本及对物流供应链进行高 效整合是每一个现代物流企业都需面对和解决的问题。采用RFID技术可以解决
条码技术存在的局限性,诸如信息量少、近距激光读取、读取速度慢等。

RFID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,可应用于粉尘、污染、炎热、寒 冷等各种恶劣环境,该技术被认为将取代目前广泛使用的条形码应用于各个领 域。虽然目前RFID技术在物流行业的应用还相对较少,但RFID的运用是推动 现代物流行业发展的一次机遇,括美国国防部、沃尔玛公司、Target公司在内的
世界上最具影响力的一些公司和机构要求在货箱和托盘上安装RFID电子标签, 它的影响是巨大的。

不同频段的RFID系统特性有所不同,如表1.1所示,物流领域一般使用

ⅥⅡRFID系统。
表1.1

RFID不同波段的特性

叛段



100~50懈玉z
13.56M畦z

:醉

读颞蓖围
可达50cm

高频

可达lm
FCC允许915Mttz 频段超过6m:在

应用领域 门票控制.生物识别、车辆门锁1 门禁控制.智能卡、单品级标签,

物流供应链应用、㈣哩、收
费系统。沃尔玛采用该频段的 RRD标签
物品追踪.收费系统

图书馆著口电子文档监管

超高额

866~956剐田睦

866MHz频段,可
读取范围91 51ritz 频段约小10%
1~3m

缁波

2.45弛

在物流领域采用UHF RFID技术更具有无与伦比的优势,RFID技术与数据 通信、电子产品编码(EPC)、数据库及互联网技术相结合,可以构造一个覆盖全

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球万事万物的实物互联网【2】,将数量庞大的物品建立起信息链接,为商业、物流、 仓储、生产等领域提供信息化的先进管理理念和手段,实现信息资源共享、协 同工作的目标。以美国、日本和欧洲为首的发达国家对RFID技术的应用研究已
达到相当高的水平,而我国则处于起步阶段,大多采用了引进的技术成果,我

国物流企业的基础条件和信息化手段参差不齐【3】,+仍有许多因素在制约着RFID 技术的快速发展和大规模应用,如RFID标准问题、成本问题、隐私保护、技术、 安全、数据处理能力等方面【4】,这些都是有待进一步研究的问题。2008年上海 RFID国际高峰论坛主题是:“生产物流中RFID的应用”,以制造业运用自动化 物流设备,提高产能及RFID系统改善流程的成功案例为大会主轴,将近年来 自动化生产结合RFID在物流业、流通业、电子业、机械业及汽车产业等的应用 实例展现在众人面前。物流界是大家最看好的RFID的领域,但是物流到目前为 止使用RFID的步子并不是特别如人意,其原因是物流难是难在整合上,所以对
RFID关键技术及其在现代物流中的应用进行进一步深入的研究是很有必要的, 使技术更加成熟,产品价格更加低廉,应用更为广泛,是我国RFID产业当前或

今后一段时期内的发展方向【51。

1.2国内外研究现状
1.2.1

RFID技术研究现状
RFID技术发展历程

1.2.1.1

RFID技术最早的研究与应用源于二战时期英国空军的敌我识别系统 [1](IFF:identification Friend
and

Foe),最早使用RFID技术的并不是沃尔玛和麦德

龙,而是美国国防部军需供应局【6】。其发展历程基本上可以按10年为一个阶段
划分如下: (1)1944-1953年,雷达(Radar,Radio
Detecting And

Ranging)技术发明应用
Means

催生了RFID技术【71,1948年哈里.斯托克曼(Harry stockman)发表了奠定RFID技 术理论基础的一篇里程碑的论文:“Communication
Power'’o by of

Reflected

(2)1954.1963年,早期RFID技术的探索研究,主要限于实验室实验。
(3)1964.1973年,RFID理论得到发展,并有一些应用性尝试。

(4)1974.1983年,RFID技术与应用产品研发处于一个发展时期,各种


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RFID技术测试加速进行,并出现了一些较早的RFID具体应用。

(5)1984.1993年,RFID技术及产品开始进入商业应用,各种规模应用出 现【7】o (6)1994.2003年,标准化问题逐渐引起重视,RFID产品逐步为人们所认
可并得到广泛采用。

(7)2003.至今,标准化问题进一步为人们所重视。电子标签和数据格式的 标准不统一使RFID产品互不兼容,阻碍了未来RFID产品的互通和发展。RFID 标准化是RFID大范围应用推广中亟待解决的问题,RFID技术领先的国家和地 区为争夺技术标准主导权,都在积极制定自己的标准。在国际上,射频识别技术标 准化发展渐呈三足鼎立之势【8】:ISO/IEC 18000、美国的EPC Global、日本的
Ubiquitous ID。这三个标准相互之间并不兼容,主要差别在通讯方式、防冲突协

议和数据格式等三个方面,在技术上差距并不明显。这三个标准都按照RFID的
工作频率分为几个频段,其中处于860"---960MHz内的UHF频段的产品因为工

作距离远且最可能成为全球通用的频段而最受重视,发展最快,这个频段也是最 适合应用与物流领域的。论文正是在这样一个背景下选取物流行业RFID技术的
应用进行研究的。

1.2.1.2国外RFID技术研究现状 RFID技术在国外发展得很快,产品种类众多,世界著名厂家如TI、Motorola、 Philips等都研究生产RFID产tgl,并且各厂商的产品各具特色。IBM、Intel及 Microsoft等业界巨头厂商都计划发展RFID技术;其中短距离的HF频段 (13.56MHz)RFID技术被Phillips、TI等跨国公司垄断,包括标签和读写器芯片
等【1 o】;长距离职频段RFID技术被国外极少数企业垄断,主要有德国的Feig

公司:目前Atmel、Matrics等公司和国内的几家公司正在积极进行UHF

RFID

技术的研刭10】。微波(2.45GHz)频段的RFID技术处于起步阶段,其主要开发商
为Amtech公司。RFID产品种类较为丰富,已经形成了从低频到高频,从低端 到高端的产品系列,有源标签、无源标签及半无源标签均得到发展,采用导电 油墨印刷天线代替蚀铜天线降低了标签的成本,规模应用行业扩大,并已形成 了相对比较成熟的RFD产业链。 标准制定方面也有一些新成就出现,最突出的是EPCglobal在2004年12月 认可标准为“860MHz"--960MHz之间通信的第二代超高频RFID协议”,一般简 称Gen2,于最近获得批准,它代表了物流供应链发展水平的最新成就,相比于

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Genl标签在读取速度、读取能力、内存、全球应用、安全性及成本方面进行了 重要改进,Gen2的中心思想是创造具有互操作性和遵守国际化标准的环境以及 在一些重要方面提高RFID系统的性能水平,使目前在全球各国正处于激烈竞争 中的RFID系统性能前进了一大步。2006年初,它已获得了正式编号:ISO
18000.6C。目前尽管还面临不少困难和阻碍,但Gen2在UHF频段为RFID系统

提供了一个世界通用的标准,并将淘汰所有现存的超高频RFID标准。 国外RFID技术应用领域也很广泛,包括工业自动化、商业自动化、交通运 输控制管理、军事物流和现代物流等众多领域。如澳大利亚将RFID产品用于机
场旅客行李管理中并发挥了出色的作用;瑞士国家铁路局和我国在列车上安装

RFID自动识别系统,调度员可以实时掌握火车运行情况;德国BMW公司将 RFID系统应用在汽车生产流水线的生产过程控制中。
在军事物流领域中也出现了RFID技术的身影。在军队信息化建设中,军事 物流信息化是一个重要的组成部分。军事物流信息化离不开高科技手段的应用,

这些高新技术主要包括:射频识别系统(P,YID)、电子数据交换系统(EDI)、全球定
位系统、卫星通讯系统等…】。早在二战时期,RFID被美军应用于战争中来识别 本国和盟军的飞机,但是相对高昂的价格限制了其广泛使用。美军在伊拉克能

够获得军事上的胜利,得力于美军的“全球资产可视系统”,在该系统中大规模采 用RFID技术、ERP及供应链管理系统,使大批部队和物资装备的输送得以顺利 进行,保证了前线弹药与物资的准确及时供应。因为时间紧迫、路线遥远而复 杂,军事物流系统必须快速、准确、安全,以保障战争的胜利【121。 1.2.1.3国内RFII)技术研究现状 在国内,经济部技术处1992年度起即开始通过工研院系统中心推动高频 RFID的研发计划,研发内容包括IC芯片、天线、读写器等重要技术,如完成 IC芯片开发,就可使RFID更能多样化地应用在各方面。工研院系统中心也接 受经济部商业司与技术处委托,执行RFID应用及研发相关计划,举办了“2003
RFID商业应用发展策略论坛”。

在2005年初,与条形码技术相比,中国的RFID技术还未形成成熟的产业
链,

RFID在中国的应用普遍是基于低频的应用,包括车辆管理、票证管理、

门禁管理等领域的应用,而RFID在商业物流方面的大规模应用是基于超高频谱 的。RFID厂仅10余家,标准制定受约束,只有5家制造商研究读写器,5家制 造商在做封装,2家芯片厂商在做芯片的研发,整个产业链上的制造商远不够成


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熟。RFID行业随着第二代身份证的更换,“射频识别(RFfl3)技术与应用”列入 “十一五”国家高技术研究发展计划(863计划)[13】,来自全国33所大专院校、 科研单位和企业共承担19个RFID不同方向的课题,以及2008年《中国RFID 行业大全》的出版,RFID技术在中国的发展进入一个新的阶段。 目前,RFID技术在中国的应用主要集中在交通运输行业,比较成熟的应用 有:全国铁路车号识别系统、上海城铁明珠线控制系统、大连港集装箱管理。此 外,在门禁、车场管理及高速公路收费管理等方面的应用正在推广【141。国家采 用RFID技术用于第二代身份证项目,带动了国内的数百家企业进入RFID技术 领域,这些企业大部分集中在北京、上海、深圳等地【151,主要进行读写器、电 子标签及中间件等方面的研发,它们是我国RFID技术开发和生产的骨干企业, 为进一步在物流领域实施RFID系统奠定了基础。其中,深圳市远望谷信息技术 股份有限公司是我国领先的RFID产品和解决方案供应商【161。 RFID技术与其它信息技术相结合,比如生物识别、GPS等技术,由单一识 别向多功能识别方向发展的同时,与现代通信及计算机技术相结合,可以实现 跨地区、跨行业应用。RFID的发展潜力是巨大的,在很多领域都具有良好的应 用前景。 进来较为热门的物联网【1。7](IntemetofThings),则是指将各种信息传感设备, 如RFID装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网结合起 来而形成的一个巨大网络,从人之间的沟通连接扩展到人与物(Human to 和物与物(Thing
to

Thing)

Thing)之间的沟通连接。EPOSS预测未来物联网的发展将

经历四个阶段【l引,2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域, 2010.2015年物体互联,2015.2020年物体进入半智能化,2020年之后物件进入 全智能化。2009年,在物联网概念热潮中,另一个比较引人重视的地方就是国 内三大电信运营商对于物联网的热捧与推动。RFID是物联网感知与应用的核心 技术,RFID与手机的结合在一起被认为是突破RFID技术应用瓶颈最有效的途 径之一。中国RFID市场规模仍保持了较快增长,2009年中国RFID产业市场规 模已达到85.1亿元人民币,相比2008年增长29.3%。目前中国已经初步形成比 较完善的RFID产业链。同时金卡工程继续推动RFID在重点领域的应用试点工 作。针对食品及药品的安全监管、煤矿安全生产、危险品及重要物资的动态、 实时、可追溯管理,奥运会等大型赛事及重要活动的票务管理以及铁路、民航、 交通、远洋运输、邮政的监控和现代物流管理等开展了卓有成效的试点,并初 步取得了成效。研究显示: 2010年中国RFID产业的市场规模增长速度将继续

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加快【l91,预计总体市场规模将达到117.7亿元人民币,比2009年增长38.3%。

目前中国RFID产业依旧存在着企业整体技术研发水平薄弱的现状,虽然有
一些新的产品推出,但总体而言不论从数量还是质量,有技术性突破的亮点产

品并不多。所以,核心技术能力的提升仍然是整个中国RFID产业所面临和需要 解决的关键问题,也是制约中国RFID产业发展的核心因素之一。
RFID是一门多学科技术综合利用的应用技术,如何采用RFID技术与其它

信息技术相结合并与现代物流企业整合在一起建立有效的物流管理信息系统为 供应链管理提供即时数据,以及RFID关键技术包括标准问题、芯片技术、天线 技术、数据变换与编码抗干扰技术和电磁场与微波技术、防碰撞技术、中间件、 安全机制以及成本问题等成为现在学者们研究的热点问题,也是下一步的研究
方向。

1.2.2物流技术研究现状
1.2.2.1国外物流发展应用研究 进入2l世纪,作为新兴产业之~现代物流业的发展较为迅猛,物流要素和 物流功能可以由国家标准《物流术语》物流的定义来理解:物流是指“物品从
供应地到接收地的实体流动过程,根据实际需要,将运输、储存、装卸、搬运、

包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实施有机结合【2们。”供应链则是围 绕核心企业,通过对信息流、物流、资金流的控制,从采购原材料开始,制
成中间产品以及最终产品,最后由销售网络把产品送到消费者手中的将供

应商,制造商,分销商,零售商,直到最终用户连成一个整体的供应链结 构。供应链的三个重点是流程、人和技术。据美国权威机构统计,通过物流 公司的服务,企业物流成本会下降11.8%,物流资产下降了24.6%,办理订单的 周转时间从7.1天缩短为3.9天,存货总量下降了8.2%。在西方发达国家,物流 公司已经是现代物流产业的主体。欧洲的大型企业,使用物流公司的比例高达 76%,而且70%的企业不只使用一家。在欧洲,物流公司所占市场份额,德国为 23%,法国为27%,英国为34%。美国、日本等国家使用物流公司的比例都在 30%以上。在工业企业中,原材料的物流交由物流公司完成的占18%;商品销售
物流仅占16%。

在物流行业作用与地位日益重要的背景下,越来越多的信息技术被应用到 现代物流领域用以提高现代物流供应链的信息化水平,RFID技术取代条形码技


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术就是其中的一个发展方向。现代物流涉及数量庞大复杂多样的产品,其供应 链结构非常复杂,经常有很大的地域跨度,因此对信息的及时性与准确性要求 很高。MIT
Auto.ID

Center对一个消费品公司的调查数据显示【21】,一个配送中心

每年需要付出1 1000小时在人工清点货物和扫描条形码上,同时在购物中心出 口结账排队等候的时间也显现出条形码的效率低下。另外,大规模的工业化商 业生产也急切需要采用高速度及高智能的自动识别技术,在这种情况下条形码 技术已不能适应新的需求,RFID技术具备的优点可以克服条形码存在的不足, 可以将识别过程自动化和给供应链提供即时数据,从而提高现代物流的信息化
水平。

近年来,随着集成电路及芯片技术、网络通信、信息安全等技术的发展, RFID技术进入商业化应用阶段。2003年开始沃尔玛大力倡导RFID技术,第一 阶段的前100大供应商已在2005年开始把标签装设在托盘与集装箱上;2006 年参与测试的门市数为1 000家,2007年则扩大要求后面350大供货商参与实 施。美国的吉列公司和德国的麦德龙集团等许多大集团也已进行了大量的RFID 技术应用试验,麦德龙公司目前使用的是13.56MHz的电子标签,而沃尔玛公司 及吉列公司采用的则是UI-IF RFID标签【221。目前,RFID技术在物流领域的应用


大多集中在铁路和公路的货运调度、出入库及库存管理、集装箱识别及跟踪、 物品与包裹的自动识别等环节。对大型仓储中心来说,实时了解货物位置和存 储情况,对提高仓储效率、反馈产品信息和指导生产都有着重要的意义。 RFID技术在军事物流中也有着广泛的应用。以全球军事装备技术较为领先 的美军为例,在信息技术的支持下,美军提出了全球军事物流可视系统的概念【231。 该系统将RFID技术、计算机网络和全球运输网络、联合资源信息库及决策支持 系统等综合在一起,使指挥官可随时监控全部后勤资源的动态情况,全程跟踪“人 员流”、“装备流”和“物资流”,并指挥控制其接收、分发和调换,提高了保障效率。 RFID技术已被美军广泛运用于军事物资管理领域,如士兵私人物品的运送和服 装发放装置、特定物品寻找系统和运输途中物资可见性系统等,大幅度地改变 了传统物资跟踪模式,并在索马里维和、阿富汗战争及伊拉克战争等实战中取 得了较好效果。RFID技术使美军的军事物资管理水平和保障水平大大提高。 1.2.2.2国内物流发展应用研究 目前,我国的物流公司在物流市场中所占的比例仅为10%,没有很多大型 专业的物流公司企业,这是当前物流发展中较薄弱的环节,也制约了我国经济


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的发展。在我国制约物流发展的因素有以下几个方面:观念、结构、技术、管 理和人才因素的影响等。我国物流公司市场规模在600亿元"-'700亿元,规模 小,而且较为分散,在1万至1.5万家物流公司中,市场份额没有一家能达到 2%以上瞄】,多数物流公司只是局限在供应链功能的-d,部分,不具备客户的一 体化物流服务需求。大多数物流企业是从原来的储运业转型而来,大都未形成 核心竞争力【2引,企业的技术水平与管理水平不高,缺乏公认的物流服务标准。 虽然各地的物流企业数量与基础投资猛增,但低价恶性竞争严重扰乱了市场秩 序,造成物流企业普遍业绩不佳,发展后劲不足,结果通常表现为一些孤立的 信息系统,难以互联互通,实现整合。目前,已经形成系统化的物流综合管理 平台的物流企业可谓寥寥无几,仅占总数的5%左右。 近几年,我国的物流公司市场以每年16%'--25%的速度增长。虽然我国物流 行业发展较快,摆在国内众多企业面前的一个很严峻的问题是让自己的产品在 技术方面与世界先进国家水平差距缩小的同时,如何将自己的产品融入到全球 供应链当中去。随着国际贸易当中越来越多的环节上的条形码等传统技术被 RFID技术所代替,我国相关行业如果希望更快更高效的参与其中,必然要求其
相关环节采用新技术,RFID技术对于物流行业的重要性是非常重要的。目前市

场上,除了博科资讯【261,其他物流供应链管理软件厂商还不具备提供此类产品 的能力,缺少适合中小物流企业的信息系统严重制约了这类企业信息化的普及。 综合分析认为,在某个商品的整个供应链体系中,非生产的成本已经超过 了80%。其中,商品的物流成本占到40%以上,时间成本占到整个供应链的90% 以上【27】。现代物流在供应链一体化中的地位越来越重要,采用RFID技术取代条 形码技术并与其它信息技术相结合应用于物流产业链的整合建设与创新发展是 现代物流的发展趋势。

1.3本文的主要工作及章节安排
论文主要进行了以下四个方面的具体工作:

(1)研究了RFID技术及现代物流国内外发展应用的现状。 ()选取RFID系统关键技术进行研究研究。 (3)2提出一种基于RFID技术的现代物流应用架构,进行基于RFID的物
流管理系统的设计。 具体章节安排如下:


武汉理工大学硕七学位论文



第1章主要对国内外RFID技术和现代物流的发展应用现状进行研究。 第2章主要进行RFID系统关键技术的研究,主要包括读取差错控制、编码

纠错及校验能力仿真和UItF RFID系统级仿真研究几个方面,其中读取差错控 制研究为论文研究的重点。 第3章在进行需求分析和可行性研究的基础上,研究物流复杂性对RFID技 术的影响,为实验选取一款UHF RFID设备,同时提出一种基于RFID技术的现
代物流应用解决方案。

第4章总结了研究的成果,并对课题进一步研究进行了展望。



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第2章UHF RFID系统关键技术研究
P,FID技术解决方案在物流领域的能否成功实施需要进行大量的观测和实 验,而且RFID是一门综合性非常强的技术,包括电磁学、半导体技术、无线通 信、制造技术、数据保护和密码学等多个学科和领域,其关键技术包括包括标 准问题、芯片技术、天线技术、数据交换与编码抗干扰技术和电磁场与微波技 术、防碰撞技术、中间件、安全机制等多个方面,上述几个方面前人进行相关 的研究工作已经很多,论文仅选取如下三项关系到物流应用解决方案能否成功 实施的关键技术进行研究: 首先,研究影响RFID系统读取率的射频特性及其它因素,鉴于当前RFID
系统难以达到100%读取率问题是限制其大规模应用的一个瓶颈,从而提出一种

差错控制应用解决方案,对于一些具备采用该方案条件的应用环境中可以成功
发现是否有漏读标签并解决读取出错的问题,提高RFID系统的可靠性。

其次,在现代物流中应用RFD技术,信息传输的安全、容错与抗干扰能力 关系到RFID系统工作的可靠性和稳定性。论文选取UHF RFID系统常用的编码 方式进行纠错能力仿真以及CRC校验能力仿真,通过仿真分析解决了RFID系 统选择编码方式时必须考虑的一些问题以及在实际的RFID系统中根据帧数据 长度选择CRC校验的位数,当一帧数据长度小于256位时可选择CRC.8校验; 当数据长度大于256而小于64kbit,可选择CRC.16校验。


最后,进行UHF RFID系统的读写器的时域及频域仿真和电子标签的系统

级仿真,通过系统仿真研究揭示RFID系统中能够表征系统的特征的关键参数, 为物流领域实施RFID技术进行频率选择和噪声控制等方面提供参照。
2.1 UHF

RFID系统读取率控制研究

2.1.1

RFID系统基本结构

RFID技术作为一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用电磁感应、 无线电波进行非接触双向通信自动识别目标并获取相关数据,RFID系统一般
由读写器、电子标签和中间件组成【281,也可以结合许多其它组件,例如计算机(或
lO

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网络)、无线设备和软件系统,典型的RFID系统如图2一l所示。

●●—一

数搬 U寸钟
能“璇

图2-1射频识别系统应用框图

f?一

读写器可以是读或写/读装置,取决于所使用的结构和技术,其基本功能就

是提供与标签进行数据传输的途径,用于激活电子标签使其发射自身存储的标 识信息。同时,读写器还可以提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验与 更正功能等。一台典型的读写器包含有高频模块(发射模块和接收模块)、控制
单元以及与标签通信的耦合单元,同时还都有附加的通信接口【29】(如RS232、

RS485等)可以将采集的标签数据传输给后端数据库。后端的数据库管理系统主
要完成数据的存储、管理以及对标签进行读写控制。读写器与应用系统之间的

接口API通常用一组可由应用系统开发工具(如VC++、VB等)调用的标准接
口函数来实现【j…。

电子标签一般由镶嵌在塑料嵌体内的一个芯片(微电子芯片)和一个用作
耦合元件的柔性天线(线圈、微波天线)组成,在使用之前由读写器或编码器

向电子标签内写入信息。电子标签是RFID系统中存储可识别数据的电子装置, 安装在要识别的物体上(表面或内部),其内储存有需要传输的待识别物品的相关 信息如来源、货主、目的地等供应链数据及唯一D编码,还必须有一定的附加 信息,如错误校验信息等。当其在读写器的识读范围之内时,(无源)标签工作 所需要的能量及时钟脉冲和数据信号才能通过耦合单元从读写器获取,标签根
据供电方式、工作频率、数据调制方式、可读写性和数据存储特性的不同可以

分为不同的种类。表2.1例举的是目前可用于供应链应用的电子标签类别。表中 电子标签的分类和进化同时描述了数据层与物理层的信息,O类标签是被动式、 基于IJlⅡ并且是D号码预置的,o+类则是以0类空中接口为基础,并具有有

限的可编程性(写少读多),1类是基于唧或HF且可编程的,ISO 18000.6加

又前进了一步,如飞利浦UCodel.19电子标签被欧洲公司所采用,遵循的是被 动式UHF IS018000.6标准。而Gen2则为相冲突、不兼容的标准提供了一致的 规范【31】,为物流供应链采用RFID技术扫清了障碍。它具备高级电子标签群管理、 强大的信号协议、密集读写器的操作、前向链路覆盖码、32bit删除密码【321、会

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话功能大幅提高生产效率、极快的筛选速度、可变的读取率、强大的配置控制、 全球化操作、制造潜力、整体效果比部件效果加起来更强等十二个特性。
表2-1 日蚕亏q螽0簦 空中接口
内霹再,blt
召屯偿言 (Class o) o罗龟

现可用于供应链应用的电子标签类别
(class

1爽

1)

Iso 18000-6A P-E一^SK

I∞
王8000-6B

Gen2 Oso 1800D_6c' (DSB-ASK. SSB—ASK

RVM-FSK
112(o'. 288(0+)

矾^m一一plM
64.96“

FM

-一一^SK.FMC
9抚256
蓉鼢哩;一 850~930


128

或PR-ASK)
S12

崩露摩/MHz

蔼泻(o+)
902~928

其设(O)

蔼毫芦萼
902—一92芑

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拍2~870
EM MIcro

翅毛,写


安刍!链

o+:写佰酗户,
24bit删豫囊
Svmbol/Matri

傍冬应商

cs公司, Iml:《nJ公看蚕

8bit删除 Alien公萱----j, Rafsec公司 AMefv公司,

写侧净,

写g碚护

32bit册B除
Phigps圣、司

写聒咿。

860~960

公司

5 suppliers

中间件提供对不同厂家产品和不同协议的设备的支持,对从读写器传输到

后端数据库系统的数据进行搜集、过滤、整合及传递等处理,并具备一定的保 护数据安全作用‘331。表2.2是对中间件的聚集功能的描述,聚集的含义是将读入 的原始数据按照规则进行合并。
表2-2聚集类型表 聚集类型 移入和移出 计数 通过 虚拟读取 描述 只记录标签进入读取范围和离开读取范围时的数据 只记录读取范围内有多少个标签数据而不关心具体的数据内容

只记录标签是否通过了某一位置 几个读写器之间可以组合形成一个虚拟的读写器,几个读写器均
读入标签数据,但只记录一次即可。

在RFm系统工作过程中,自始至终是以能量为基础通过一定的时序方式来 进行信息交换。一般的应用方案中大都需要所有这些组件和电子标签及读写器
共同工作。
2.1.2 UHF RF[D系统读取率研究现状

RFD技术的应用领域是众多的,不过,RF[D推广应用的潜力只有在标签 能够连续并且稳定可靠被读取的条件下才能充分发掘出来【341。在当前情况下, 对于RFID技术应用方案实现100%的读取率是一项艰巨的任务【351。除了实现100
12

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%读取率,一个最重要的问题需要强调的是,如果100%的读取率没有实现,有 没有可能确定是哪一些物品上的标签没有读出,以及能否防止不完整的信息传 送到后端数据库?目前对于这一问题并没有很好的解决方案,因此,本文借此 机会提出一种有一定实用意义的解决方案。最近的研究指出了在RFID的可靠性 难以实现100%读取率的弱点所在【361。影响读取率的射频特性及其它因素有以下 几个方面: (1)半透明:一些材料在射频能量穿过的时候,只有很少或根本没有任何 阻碍作用,如有机纤维和人造纤维做的衣服、纸制产品、木头、绝缘的塑料和 纸板。但带箔片衬里的包装则可能会阻挡射频信号。 (2)吸收:液体以及含有液体的物质(如食物等),尤其是含盐的食物与 液体,都会对UHF射频能量产生吸收。含化合物的碳,如粉状或固态的石墨, 也会对UHF射频能量产生吸收。吸收会削弱或者衰减从读写器天线发出或从标 签天线反射回的电磁信号。吸收因信号频率和物质的不同而变化,对各种物质 可以计算出其在某个频率的吸收率,从而得出介电损耗。一种方法是把标签贴 在瓶盖正下方的空气间隙部分可以减少吸收的作用。 (3)屏蔽:UHF RFID系统更容易比低频段受到屏蔽的影响,当屏蔽材料 是金属和薄金属箔片时,可以看作是感应线圈,因标签天线里的感应电流会让 其电子平行运动,产生一个反向磁场,这样会削弱信号或让无线电波偏离目标,
阻止电磁波穿过。

(4)失谐与反射:标签天线受周围环境的影响很大,主要是由于电磁波在 某些特定的环境运行良好,如果在这样有利于射频信号传输的环境中采取RFID 技术,那么这个解决方案会顺利实施。但是如果条件不利于射频信号的传输, 那么采取RFID技术的效果就会很差。最近的一些相关研究中非常强调读取出错 率的问题【37】,通过对目前的实验结果进行研究表明,即使在最有利的l讧D环境 实现100%的读取率也是不可畿的。这些实验的主要目的是确定一个托盘容器内 不同的产品类型和方向上的标签通过出口处固定式读写器的读取率,结论是物 品的种类不同对读取率有明显影响,对于矿泉水上的标签读取率只有25%,而 对粮罐上标签的则达到80.6%的读取率,最突出的实验结论是对于即使是半空的 集装箱也没有达到100%的读取率。即使贴上双重标签,电子标签仍有3%无法 判读。有漏读标签的存在是因为罐子的吸收和屏蔽作用会降低从读写器发出的 到标签的能量,并减弱反射信号。另外,标签靠的太近则会造成电容性耦合, 可能会使天线产生失谐。叉车、传送带和其它设备上的金属会对信号产生阻碍

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和反射作用而产生失谐。设计合适的标签天线形状并将其粘贴在箱子上符合要 求的位置上,同时箱子上标签相对于读写器方向,这些可以提高读取率。
除了集装箱的物品种类及多少影响读取率之外,标签相对于读写器天线的

方向也会影响读取率。如果标签是面向读写器天线方向的一侧,则其读取率要

比其它各个方向要蒯38】。在[37】进行的实验结果是,电子标签贴在汽水箱上的位
置(箱子底、箱子顶等)对标签的影响超过其它别的因素。当装满水的水瓶标 签正面在下面时,没有标签可以被识别出来,这表明了标签方向的重要性及实

现高识读率的关键因素。电子标签内置的电子元件易于因为安装错误、机械损 伤、错误操作、静电等多种原因而失效。不管是什么原因,把无法在UHF标准 中运作的标签称为“安静标签”,为了达到100%的读取率,需要对这种标签进行
替换。
UHF

RFID技术一个很严重的问题就是信号反射,金属几乎能够反射所有的

无线电信号,还有一些类型的镀膜玻璃、塑料薄膜及建筑材料也会产生反射作 用,从而使电波无法通过。被识别物体的形状关系到标签的安装方式,对于形 状规则的物体而言,标签安装比较容易,可以粘贴或挂贴,被识别对象物本身
不会对标签造成遮挡,由于即使是非金属、不可导的材料,它也会对电磁波造

成一定的衰减效应,进而影响RFID系统的识别效果。另外,标签的阅读也可能 会有一定的方向性,如线极化的RFID系统对标签的方向性要求就比较严格。物 体形状的不规则尤其是柔性的包装袋会改变标签的读取方向,从而也会导致读
取率的降低。

(5)干扰:除了以上因素影响读取率之外,环境中干扰的影响也是一个重 要的因素,会造成所谓的“死区”。例如,传送设备本身的电动机和控制器产生的 震动或电磁释放,均可造成“死区”的出现。如果希望提高读取率,那么风、雨、 电机、机械等环境因素也需要加以考虑。15HF频段电磁波比HF频段标签受到 风和太阳的影响程度更大。就如观看无线电视在接收发射塔信号时所受天气的 影响一样。如果标签芯片受到阳光照射时也会对其读取率产生明显的影响。电 动马达也可以严重地影响RFID系统的性能。来自其它RFID系统、无线电和电 话及无线计算机的干扰,目前通常可以由读写器/标签的空中接口过滤掉。物品 的静电放电通常也会产生干扰。来自其它材料表面的多径反射也会使读写器产
生自我干扰。

(6)应用层级

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RFID系统所谓的应用层级是指将电子标签应用到那个层次,是单品级、小

包装级、大包装级、托盘级还是集装箱级等等。以卷烟产品为例,其应用可以
是到每一包香烟,也可是一条,或是一箱,而对于库存管理而言,也可以是一

个托盘。应用的不同层级会改变识别物的大小、同时识别的识别物的数目等,
因此也会影响到读取效果的好坏。 图2.2是影响读取率的要素结构示意图。

图2.2影响读取率的要素图

文献表明,一些RFID部署研究已经实现了较高的读取率。德州仪器fir)与 RFID4U在一份日前公布的白皮书中表示,供应链的每个读取点不可能每次都能 读取所有贴上电子标签的产品信息,但是适当的标签测试与验证仍可提高厂商 达到“五个九”(five—nines)效能的机率,也就是利用5个读取点达到99.999%的读 取率。例如,在[331中,研发者应工作员工的要求开发出一种用于香烟盒上的新
的天线。他们开发出可以工作在高导电铝箔环境中的折叠微带补丁式天线,一

般用在香烟盒上,实验表明可以达到80%的读取率。同样,为了适应金属物体 发明出一种泡沫分离技术(foam separation)可以用于粘贴在金属物体上的新标签 以减少无线射频干扰,增加标签与所贴的金属产品的距离,使无线射频信号变 得更强。Ryerson透过泡沫分离技术将读取效能提高到每秒200次,读取范围也 增加15%。由于错误读取率下降至1%,专门提供“射频阻碍性”材料的Ryerson
只差一点就能达到99.999%的RFID读取效能要求。一种系统性做法就是协助使

用者和系统整合商增强UHF RFID系统效能。这项做法包括建立初步效能基准、 执行标签效能分析、并找出产品与封装材料以及托盘大小和箱子数量等各种变
1 S

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数。RFID4U表示,RFID一直受到无法达到业界原本期望的批评,也就是供应 链上任何一点无法每次都能正确读取所有产品的标签信息。事实上,厂商只要

采取经过实证的适当测试方式,就能找出最适合其应用的标签,同时取得所需
数据来改善供应链的追踪能力。 有些产品会阻碍射频信号的传送,例如含有液

体或金属的产品,在个别读取点的读取率可能只有50%。提高读取效能的建议

和措施包括采用灵敏度更高的标签、使用更灵敏的天线扩大读取器的询问范围、 或在供应链的新位置增加更多个读取区。 从上述RFID读取率应用研究可以看出当前针对提高读取率的研究,主要在 读写器的配置方法,设计更先进、更智能的天线,配置功能更强大的中间件, 控制RFID应用系统周围的环境,以及限制要求标签的放置方向等方面。但是对 于以下问题的研究较少:是否所有标签都被正确识别;如果读取率不是100%时, 不在RFID中间件中进行附加的配置能否检测出来。这是一个很实用的重要问 题,在某些情况下如不能预测有多少标签将通过一个RFID读写区域,如一辆叉 车装有多件产品通过读写器区域,通过软件配置不能确定产品的数目,这种情 况下极易出现若干件产品没有被读写器识别而记录不完全的问题。 有一些措施可以用来解决这个问题,第一个措施就是使用功能更突出的第
二代RFID标签取代Gen 1标签,但是他们相对于Gen l标签是非常昂贵的。第

二个办法则是采取智能中间件解决方案来检测漏读的标签。但是用这种方法去 确定哪一个标签被漏读需要在叉车到达读写区域之前知道叉车上所有产品的数 目。该中间件然后确定哪些标签被正确读取,同时提供由其判断出的漏读标签。
这通常需要一些独特的配置,目前这不是在物流中的可行方案。

另一种做法是工业中采用的是使用光信号。光信号只是一个彩色的指示装 置,多应用于辨别有无的环境,也需要提前预知标签的数目,如果没有被检测 出则可报警提示。 最后,当需要确定一个特定的标签有没有被读取出来时可以采用电子显示 板或液晶显示器来解决。 上述几种方案都需要在读取前获取待识别标签的数目等信息,这显然是有 明显的局限性的。论文提出一种新的解决方案可以克服上述方案的不足,能够 确定是否所有标签被检测出来以及哪些标签被检测出来,可以应用于现代物流 系统中的出入库等环节。

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2.1.3一种提高UHF RFID系统可靠性的新方法
RFID打印机正确编码的电子标签在货箱或托盘上应该有100%的读取率, 如果产品不能达到这个结果就需要进行检查并解决故障,一般要进行检验的方 面有: ?读写器与电子标签的兼容性 ?读写器作用范围和电子标签在读写区域内的移动速度 ◆电子标签和读写器的相对方向 ?周围环境中的电磁干扰辐射强度 ?货箱内物品的干扰 ?贴电子标签过程中造成的损伤 ●标签包装上的位置是否和货箱分析的结果相一致 在进行以上几个方面的检测之后,100%的读取率仍是难以保证的,这就需 要与其它技术如传感器技术等相结合来提高工作时的可靠性,论文提出一种新 的经济易行的提高RFID系统读取可靠性及进行差错控制的解决方案,如图2.3 所示。这种应用框架的关键部分包括以下三个部分: (1)RFID读写区 (2)电子磅 (3)后端RFID数据库 本方案可以分为以下三个工作步骤: (1)标签写入信息 这是本方案的第一阶段,RFID标签被写入产品信息并张贴在对应的产品上, 包括产品的质量信息。本方案中选取智能标签,即打印有条码部分的RFID电子 标签。 (2)追加后端数据库 这是本构架的关键阶段,所有产品标签内的信息存储在后端数据库。 (3)读错率识别及差错控制 在本阶段一定数量的携带标签的产品进入读写区域,读写器或中间件并不 知道标签的数量,所以无法判断是否有标签漏读。但我们可以利于安置在读写 区域下面的电子磅配合RFID后端数据库来判别是否有漏读标签。当携带一定数 量产品的叉车行进到读写区域时,读写器和中间件配合开始读取采集产品信息, 一定数量的标签被识别,同时电子磅显示货物的总重,如果这个总质量和读写
17

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器传输到数据库标签携带的质量信息总和相等,则可判断所有的标签都被正确 识别。如果不相等,则说明有漏读的标签。对于漏读的智能标签可以进行重新
读取。

图2-3无漏读标签检测流程图

本节提出一种检测是否出现读写器漏读标签的应用方案,鉴于当前针对 RFID技术开展的研究主要在安全和隐私问题、防碰撞算法、中间件等方面,随 着RFID技术的推广应用,如何提高可靠性将是一个关系到RFID实际应用能否
成功的关键所在。在目前现有的提高标签读取率方法中均难以达到100%的准确

率,这种情况下本节提出的这种应用方案具有一定的实用性,可以应用于本文
第三章提出的物流应用整合方案。

2.2

RFID常用编码方法及数据检错校验能力研究
RFID常用编码方法

2.2.1

基带编码可用不同形式的代码来表示二迸制的1和0。RFID系统通常使用 的编码方法如图2.4所示。

武汉理工大学硕士学位论文 l

—]


l l

厂 1广] ]广]
I l I l


厂]厂1 ]
I l




I I




图2_4

10110010在不同编码方式中的比较
Return

(1)反向不归零(M逻,Non

Zero)编码:高电平表示二进制1,低

电平表示二进制0。在PSK或FSK调制中一般仅仅使用NRZ编码,但在ASK 调制中存在许多不便。此码型不宣传输【391,主要原因有:1)有直流,一般信道传 输零频附近的频率分量比较困难;2)接收端判决门限和信号功率有关,不便于使
用;3)不能直接用来提取位同步信号,是因为在NRZ中不含有位同步信号频率 成分;4)传输线要有一根是接地的。

(2)曼彻斯特(Manchester)编码:在半个比特周期时的负边沿表示二进制l, 半个比特周期中的正边沿表示二进制0。曼彻斯持编码也可被称作分相编码
(Split—Phase Coding)。 (3)单极性归零(UnipolarRZ)编码:在第一个半比特周期中的高电平表示

二进制1,持续整个比特周期的低电平代表二进制0。 (4)差动双相(DBP)编码:在半比特周期中的任意的边沿表示二进制0,没边 沿就表示二进制1。此外,在每一比特周期开始时,电平都需反相。因此,对接 收器来说,位节拍较易重建。 (5)米勒(Miller)编码:在半比特周期内的任意边沿代表二进制1,而经过下 个比特周期中不变的电平代表二进制0。一连串比特周期开始时产生电平交变, 因此,对接收器来说,位节拍较易重建。 (6)差动编码:在差动编码中,每个要传输的二进制l将引起信号电平的切 换,而在二进制零时,信号电平则保持不变。
(7)脉冲.间歇编码(PIE:Pulse
interval

encodirig):对脉冲.间歇编码来说,

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在下一脉冲前的暂停持续时间t代表二进制1,而下一脉冲{|订的暂停持续时间2t

则代表二进制0。这种编码方法在电感耦合的射频识别系统中用于从读写器到电 子标签的数据传输。因为很短的脉冲转换时间就可以在数据传输过程中保证从
读写器的高频场中连续供给应答器能量。

2.2.2主要编码方式抗干扰能力仿真研究
国际标准ISO/IEC 18000-6定义了两种类型:Type A和Type B_对于前向链 路,TypeA采用脉冲间隔编码,TypeB采用Manche《er码,两种类型都采用相 同的双相零跳频(FMO)返回链路编码。
本文主要选取国际标准ISO/IEC
18000-6 Type

B中前向链路常采用的

Manchester码和比较基础的编码方式单极性归零码两种编码方式进行全面的比
较,同时使用Matlab/Simulink仿真验证,并以Manchester码为例建模进行RFID 系统编码抗干扰能力仿真分析。

(1)Mancheaer码的编码与解码仿真

Manchester码的编码规则[71是,原始数据为…0’时将其编码成‘叼n原始数据
为“1”时将其编码成“10”。这种编码的特点是每个码元中|1jJ都有跳变17】.低频能 量较少.方便接收端提取时钟信息。对Manchester码进行解码则可从接收到的 Manchester码流中把原始信号恢复出来。仿真结果如图2-5所示,第一行为原始 信导波形,第二行为Manchester编码后的波形,第三行为解码后的波形。经过
分析比较,仿真结果符合预期的要求。

图2—5

Manchester码的编解码仿真波形

(2)单极性归零码的编解码仿真

单极性归零码编解码仿真波形如图2-6所示,第一二三行分别表示原始波

职编码波形、解码波形,经分析比较,仿真结果符合要求。

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国2-6单极性归零码编解码仿真波形

由上面西种编码方式的仿真图不难看出,Manchester码和单极性归零码采用 不同的编码方式,从能量供应效率来看,前者有一半的时间内能够得到能量供 应,后者在低电平时则不能提供能量供应,所以.单极性归零码不能用于无源 标签;Manchester码有利于发现数据传输的错误,读写器利用该错误就可以判定 碰撞发生的具体位置,在采用副载波的负载调制或者反向散射调制时.通常用于 从电子标签到阅读器的数据传输。单极性归零编码可用来提取位同步信号,也 具备一定的错误检测能力。 (3)RFID系统编码抗干扰能力仿真分析 对RFID系统信道编码方式的抗干扰能力舶仿真,就是仿真这些码检测错误 的能力。检测错误的原理尾数据经过信道编码后码型之间要满足一定得关系。 如果在RFID信道传输过程中出现了错误,那么在接收端收到的波形码型之问就 不满足原来的关系,这样就有可能判断出在传输过程中是否出现了错误,从而 可以根据检测的结果做出下一步操作的决策。为获得结果进行编码抗干扰榆错 能力验证,本文措建如圈2-7所示的模型。

图2.7信道编码抗干扰能力仿真模型 计算差错的出错率公式为:”=el/e+100% RFID系统常用的几种编码方式仿真结果如表2-3所示。
(2.1)

式中1为差错的出错率,e2为累计检出错误次数,e为总的实际错误个数.

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表2.3各种编码检错能力仿真结果 编码
Manchester码

仿真 次数
1000 100C 1000 1000

总的错误 次数(e)
848 848 8S6 802

检出锚误 次数(e1)
608

检出率
(n) 72% 84% 71% 0%

漏检率
(1一日) 28% 16% 29% lOO%

单极性归零码 差动双相码 米勒码

717
608 0

由仿真结果可以看出,前面三种码都具备一定的错误检测的能力,但是检 测错误的能力都不是太高,存在16%至29%的漏检率,而米勒码则根本无法检 测出错误。由此可知,不同的编码方式具有不同的检测错误的能力,如果想提 高RFID系统的检测错误的能力,就要选择检错能力较高的编码方式。 (4)选取编码方式需考虑的因素 综上所述,在选取码型时应遵守数字基带信号码型的选取的一般原则:不含 或含有很少的直流分量、最少的误码扩散、简单的编译码设备等,还有下面一 些经常要考虑的情况: 1)在为射频识别系统选择一种合适的信号编码系统时,应当注意不同的边 缘条件,最重要的是调制后的信号频谱以及对传输故障的敏感度。 2)在RFID系统中,由于使用的电子标签常常是无源的,为了保证系统的 正常工作,信道编码方式首先必须保证不能中断读写器对电子标签的能量供应, 经常要求基带编码在每两个相邻数据位元间具有跳变的特点,这种码不仅可以 保证在连续出现“0”的时候对电子标签的能量供应,而且便于电子标签从接收到 的码中提取时钟信息。对于中低频近距离感应耦合系统来说,一般选取曼彻斯 特编码和PIE编码;对于基于反向散射的远距离无源标签来说,一般采用FMO 码(即Bi—Phase Space,双向间隔编码)。FMO码产生的基带信号中每位数据均 有至少5/8To的高电平提供给标签,作为其维持工作的能源。 3)在实际的数据传输中,由于信道中干扰的存在,数据必然会在传输过程中 发生错误,这时要求信道编码能够提供一定程度检测错误的能力,作为保障系统 可靠工作的需要,还必须在编码中提供数据一级的校验保护,编码方式应该提供 这一功能,并可以根据码型的变化来判断是否误码或有电子标签冲突发生。 4)在一般的电子标签芯片中可能没有时钟电路,这就需要电子标签从读写 器发过来的码流中提取时钟信息,因而要求读写器发出的数据的编码方式能够 使电子标签芯片方便地提取时钟信息。这方面,米勒码、Manchester码、FM0

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码具有优势。
2.2.3

RFID系统的数据保护与校验研究

在如图2—8所示的通信系统中的各个环节都有可能产生差错。在实际应用 中,当设备的稳定性和可靠性足够高时,通信控制器和数据传输设备本身产生 的差错很小,大部分差错是由数据传输线路产生的。
位.原向嫌体I J数据传瓣 1.J 数据传输 变按茬锚广1设镫簇锴广1线路菠馏 位源陶嫌体1.I 数据停瓣 I.1觳据俦确 变换整锶广1设舒麓锚门线路菠俺

通倍控制嚣譬IIi镛

罄整霪鬃

图2-8通信系统产生差错的各个环节

由于RFID系统中标签和读写器之间的数据传输经过空间传输通道,采用无 接触的方式进行数据传输,因此上述通信系统中空间信道面临的干扰问题同样
会出现在读写器和标签的数据传输过程中,主要包括系统内部的热噪声和系统 外部的各种电磁干扰等,这些都会使传输的信号发生畸变,从而导致传输错误,

臣工习三正丑卫上臣卫]圜诞丑卫
如图2-9所示。
发送数据 干扰 接收数据

图2-9

RFID数据传输误码示意图

标签在接收该读写器发出的命令和数据信息时,可能导致的错误结果有以
下几种:


(1)标签错误地响应了读写器的命令。
(2)造成标签工作状态的混乱。

(3)造成写入标签错误地进入休眠状态。 读写器在接收标签发送的数据信息时出错可能导致以下结果: (1)不能识别正常工作的标签,误判标签故障。 (2)将一个标签判别为另一个标签,造成识别错误。 针对以上出现的非正常工作状态,可以采取以下几种抗干扰措施: (1)通过标签与读写器通信约定的数据完整性方法,检验出受干扰出错的 数据。

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(2)通过数据编码提高数据传输过程中的抗干扰能力。 (3)通过数据编码及数据完整性校验,纠正数据传输过程中的某些差错。 (4)通过多次重发、比较,剔除出错数据并保留判断为正确的数据。 为了提高数字传输系统的可靠性,降低信息传输的差错率,可以利用均衡 技术消除码间串扰,利用增大发射功率、降低接收设备本身的噪声、选择好的 调制方式和解调方法、加强天线的方向性等等措施,提高数字传输系统的抗噪 声性能,但上述措施也只能将传输差错减小到一定程度。要进一步提高数字传 输系统的可靠性,就需要采用差错控制编码,对可能或已经出现的差错进行控 制。在理论上可以纠正任何一种二进制编码错误。但是错误纠正码比错误检测 码复杂的得多,需要足够的数据冗余位。数据单元传输过程中发生的错误有三 种:单位错误、多位错误与突发错误。对多位错误和突发错误进行纠正需要的 位数很大,在大多数情况下,纠错的效率低下,因此,大多数的纠错技术仅局 限于一位、两位或者三位的错误。目前,汉明码是一种常用错误纠正编码技术。 差错控制基本方式有以下几种:反馈纠错、前向纠错及复合纠错。RFID系统一 般使用第一种或第二种差错控制方式。而最常用的差错控制方法包括奇偶校验 法、循环冗余校验法和汉明码等。这几种方法用于判断数据是否有错误发生, 并采取校正措施,或丢弃传输发生错误的数据块,请求进行重传有误的数据块。 本文仅选择不同长度的循环冗余校验(CRC,Cyclic
抗干扰性能仿真研究。
Redundancy

Check)编码进行

CRC法源于分组线性码的分支,一般用于二元码组【401。它是利用除法及余 数的原理来做错误侦测的,是一种较为精确、安全的检错方法,并不能校正错
误。其工作原理是发送装置利用生成多项式G(x)来除以二进制数据f【x),把相除

结果的余数作为CRC校验码附加在数据块之后发送出去,接收时先对传送过来 的二进制数据用同一个生成多项式G(x)去除,若余数为0则传输正确;若除不 尽即余数不为0则传输有误,可要求发送方重传一次。其工作原理见图2.10。

图2.10

CRC校验原理图

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其工作方法示意图见圈2-11。

图2-11

CRC法的工作方法

CRC校验识别错误可靠性高,即使有多重错误,也只需要较少的操作就可识 别。16位的CRC适用于校验4000字节长的数据块的完整性。长度大于4000字 节时,性能会明显下降。在RFID系统中传输的数据块一般比4000字节短,所 咀除了采用16位的CRC以外,还可以使用8位和12位的CRC进行数据校验。
例2.12是在MATLAB Simulink中搭建的CRC校验能力仿真模型,通过仿真来

分析RFID系统中采用不同长度的CRC编码校验的抗干扰能力。在此模型中, 贝努利二进制信源发送出一帧数据,实际应用中的RFlD系统在读写器或电子标 签发出的数据在数据进入无线信道传输前分别加入4位、8位和16位这三种不 同位数的CRC校验码,随后通过二进制对称信道传输。然后在接收端,经过CRC 校验检测以后,直接将校验结果存入到MATLAB空间中。

::矗…二?嚣}..i莳日.目.。∞。e

掣坷=H篓坷掣—型
,E==]



屯曩

圈2.12

CRC校验能力仿真模型

在此对CRC校验能力的仿真采取由程序来控制仿真模型运行的方式,在 MATLAB程序中控制其运行500次,每一次仿真模型运行之后判断是否有误码 发生。如果有.就看CRC是否能够检测出错误发生,最后对实际出现的错误个 数(e)和CRC检测出错误的个数(e1)进行统计,检错率的计算公式同式(2—1)。 进行仿真时,对信源发出的100位数据分别加上4位、8位及16位CRC校验, 通过仿真分析后得到结果见表2-4。

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表2—4

CRC校验能力仿真结果

校验位激(r)


总帧位长(n)
100 土OO
100

捡出链莹误(e:)
436 497 497

总链氛奚(e)
497 497 497

辎蓦蕾率(n)
88%

8 16

100% 100%

从仿真结果可以看出,当所添加CRC校验位数r和总的帧位长度11满足关 系式11_<2r-1时,可实现100%错误检测。当r=8或16时,2r-1大于100,其检 错率均为100%。但是当r小于所需满足关系式的值,则CRC校验将会出现较 大的漏检率【6】。当r--4时,2L1=15<100,如果将4位校验码附加到100位数据 块后面,则会出现12%的漏检率。所以,当选择CRC位数r能够保证没有漏检, 又可使数据传输效率较高时,没必要选择更长的CRC校验。在实际的RFID系 统中,如一帧数据长度小于256位时可选择CRC.8校验:如数据长度大于256 而小于64kbit,可选择CRC.16校验。实际上RFID的数据帧目前一般很少出现 大于64kbit,所以一般RFID应用中没必要采用CRC.32校验。
2.3 UHF

RFID系统级仿真研究

鉴于UHF RFID系统在物流系统中有广阔的应用前景,本章主要采用

MATLAB/Simulink进行该频段915MHz RFID系统的读写器的时域及频域仿真 和电子标签的系统级仿真,再把仿真结果用MATLAB进行处理。通过系统仿真揭 示RFID系统中能够表征系统的特征的关键参数,而影响系统性能的次重要参数 应尽量少地加入系统模型,选择参数的依据是通过对系统理论的研究和实际的
测试结果。

2.3.1时域仿真
(1)ISO 18000.6 Type IS018000.6 Type

A协议下的高频接口仿真

A协议对读写器发送的数据编码方式规定采取脉冲间隔编

码(PIE),然后对编码后的基带数据命令信号进行ASK调制,在此用二进制序 列{afI,表示基带命令,那么经ASK进行调制后得到的调制信号可以表示为:

踟(f)=Atl+N>--"a.6(t-nTO]coswd

(2—2)

A COS tO'd表示调制载波,N表示调铡深度,IS0 1 8000.6 Type A协议规定

N---30%。针对RFID读写器电路模块总体结构分析,可以建立高频接口系统的

武沮理上大学硕士学位论文 Simulink仿真结构图如图2.13

图2-13

ISO 18000—6 Type

A协|义Simulink仿真系统结构图

通过对各个模块的参数进行达到要求的设胃以后,运行仿真可以在示波器中 从上到下依次显示出ASK调制信号、PIE编码基带信号、低通滤波后解调信号 和整形后的解调信号,如图2—14所示,由仿真结果分析.可咀设置四路示波器 来同时观察各路信号,数据流仿真情况和理论设计是一致的,系统与TypeA协
议的要求相符合。

图2—14
(2)ISO

IS018000.6TypeA协议Simulink仿真波形 Type B协议中规定读写器发送数据的编码方式为曼彻斯特

18000—6TypeB协议下的高频接口仿真

在ISO

1 8000—6

编码,即是一种on—offkey格式,射频场存在代表…1’,不存在代表“盯’,曼彻斯 特编码在一个位视窗内采用电平变化来表示逻辑…1’(下降沿)和逻辑“旷(上升
沿)。编码后的基带数据信号进行振幅键控(ASK)调制,Type B协议规定调制 深度N=11%或99%。调制深度一般是指调制信号的最大振幅与展小振幅之差与

武汉理工大学硕士学位论文

载波信号最大振幅与最小振幅之差的比。经ASK调制后得到的调制信号与式
(2.2)同,式中Acosto。t为调制载波,N为调制深度。

图2.15为RFID发送设备高频接口系统的Sirnulink仿真结构图,各个模块 按方针要求进行参数设置,参数的调整可以在逐次观察实验结果之后进行调整, 直至最佳。其余部分只需要改变调制深度,其它模块不变,就可分别得到N=I 1%
与N----99%时的仿真结果。ISO
18000.6 Type

B型读写器高频发射接口包括曼彻斯

特编码、ASK调制(N=11%或99%)以及功率放大三个部分。在此加入解调部 分则可以更好地反映数据流的变化情况。可以由Pulse Generator模拟产生MCU 发送出的原始数据命令。原始数据与其两倍频信号异或后即完成曼彻斯特编码。 编码基带信号经载波ASK调制以后再进行功率放大,产生最终的发射信号。在
解调部分,发射信号与载波同频信号经过下变频器、低通滤波器后形成解调信 号,而后由电压比较器对解调信号进行整形就可得到最终的接收编码信号。

图2—15

ISO 18000—6 Type

B协议Simulink仿真系统结构图

按要求对各个模块进行相应的参数设置以后运行仿真,在示波器里可以分 别观察到N=l 1%和N=99%时的仿真波形,由ASK调制信号、曼彻斯特基带编

码信号、低通滤波后的解调信号、整形后的解调信号及原始数据命令信号几个 部分组成,如图2.16和图2.17所示。由仿真结果可知,
调制深度分别是11%

和99%的系统仿真结构图虽然一样,但N的取值不一样。通过设置五路示波器 可以同时观察上述五种信号,数据流仿真情况与理论设计相一致,系统与Type B
协议要求相符。

武汉理1=大学硕士学位论文

图2—16

IS018000—6TypeB系统协议Simulink仿真波形(N_11%)

图2-17

ISO 18000.6 Type

B协议系统Simulink仿真波形(N=99%)

2.3.2频域仿真
设有限长度信号为s(I),其表达式立u下

f1(o‘7‘to,4’
s(f)={o(t o<,<t
o/2)

(2.3)

11(f

o/2<f<f。)

将其调制在载波c(0=cos2嘁t上,假设to=0 5s,f一15MHz,调制系数a=O 3,则
已调制信号的时域表选式为:

M(tHl+0 3S(t)/0 33】cos2破t

(2-4)

然后利用MATLAB编程求出已调制信号的时域波形,未调制信号和已调制 信号的频谱关系图,计算己调制信号和未调制信号的功率,并在考虑有噪声的 情况下t假设信噪比为10dB,求出此时的噪声功率。其MATLAB程序见附录一。 (1)信号功率和调制效率 由MATLAB程序可以求解出:signaLpower=l
eta=0 5178

dB,调制效率

0633。可以看出.常规ASK调制的效率是比较低的。 (2)信号的时域波形

如图2-18所示t由MATLAB程序得出原始信号、调制信号及载波的时域

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波形。
the

mQiiliIgo

lignttl

th§mi3duli¨ion#}gnal

图2—18原始信号、调制信号及载波的时域波形 (3)信号频谱

图2.19显示的是原始信号和已调制信号的频谱。原始信号的频率分量主要
集中在低频,但是直流并不多,经过调制以后,频谱被搬移到了载波的频率附

近,而且出现了较多的载频分量,实际上这是两个冲激函数,原因在于调制时
给未调







.’JL…. …一一 1.









图2.19原始信号和已调制信号的频谱

(4)加入噪声后调制信号的时域波形和频谱
噪声的时域波形是随机分布的,图2.20显示的是叠加了噪声的已调制信号

的时域波形,图2.21显示的是叠加了噪声的信号的频谱,其横坐标轴均是时间
轴。

30

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图2—20叠加了噪声的已调制信号的时域波形

2.3.3电子标签的系统级仿真
电子标签的一般结构包括曼彻斯特编解码部分、正弦载波调制电路、直流

电源产生电路、包络产生与检波电路以及复位信号产生电路,曼彻斯特编解码
部分的仿真在ISO
18000.6 Type

B协议下的高频接口仿真时已经做过,下面主要

做其它四个部分的仿真,观察一下预期效果。
(1)正弦载波调制电路的设计与仿真

由Simulink建立正弦载波调制电路的仿真图2.22如式,各个模块的参数设
置在框图内已经显示出来。

图2.22正弦幅度调制电路 采用ASK调制,N_11%或99%,位速率规定为10Kbit/s或40Kbit/s。正弦 调制可以由正弦载波和数字信号相乘得到,可以通过将数字信号增益后叠加常

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数信号束进行调制深度的调节。调制波形如图2-23所示

图2.23正弦幅度调制电路波形

(2)直流电源产生电路的设计与仿真 由Simulink构建直流电源产生电路的仿真图2-24,各个功能模块的参数设 簧基本标示在框图内,整流滤波电路是通过传递函数实现的。

图2—24整流滤波产生电路 在此通过将调制信号进行绝对值运算柬模拟全波整流的.通过设计低通滤 波器传递函数柬模拟滤波而实现直流电源的产生。整流滤波波形如图2—25所示。

图2-25整流滤波电源产生电路的波形 (3)包络产生电路与检波屯路的设计与仿真 在Simulink中建立包络产生电路和检波f;乜路的仿真图,如图2-26。包络产 生电路由一个非线性器件和低通滤波器实现,非线性器件采用纯对值柬实现, 低通滤波器由传递函数来实现。检波电路由一个窄带滤波器和电压判决器组成.

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返两者分别由传递函数和比较器柬实现。包络产生电路和检波电路结合在一起 就构成了包络检波解调电路,进而可以回复出数字信号。

图2—26包络检波电路 包络检波解调电路的波形如图2.27所示。

图2.27包络检波电路波形 (4)复位信号产生电路的设计与仿真 在Simulink中建立复位信号产生电路的仿真图,如图2—28所示,所采用的 模块对应参数设置如框图所示。复位信号的功能也可以由电压比较器来实现。

囝2-28复位信号产生电路 当电源电压上升至可咀使电子标签正常工作的稳定值时,复位信号跳高并 且保持稳定电压,可使电路稳定工作。复位信号仿真波形如图2.29所示。

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图2—29复位信号波形

2.4本章小结
本章主要选取uHF RFID系统在现代物流应用中的关键技术进行研究,包 括读取差错控制研究、编码方式的选择条件、纠错方式的选取咀及系统级仿真 几个方面。通过仿真分析研究,解决了编码纠错抗干扰问题,揭示了RFID系统 的关键参数,重点是提出了一种读取差错控制解决方案。

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第3章基于RFID技术的现代物流解决方案研究
经济全球化及现代物流业发展的系统化、信息化、仓储运输的现代化和综 合化趋势,对我国物流业发展提出了全方位的挑战。传统的操作模式已经不能 满足现代物流的应用,如何采用RFID、数据库技术、通信技术等信息技术缩短 物流过程,降低产品库存,加快对市场的反应,这是现代物流发展必须解决的 问题。RFID的基本概念和原理都不太复杂,但在许多场合下它的实现并不容易。 针对国内目前还没有成熟的基于RFID的现代物流解决方案,论文运用现代物流 供应链管理先进理念,在前面几项关键技术研究的基础上进行可行性分析,进 一步提出一种基于UHF RFID技术的现代物流应用解决方案,并针对设备选择、 环境配置、防碰撞算法要求、安全机制、差错控制及信息传输方式等方面进行 系统解决方案设计,尝试通过采取RFID技术及其它信息技术把物流供应链各个 环节进行有机整合。

3.1实施目标
RFID技术的出现可以很好地解决信息化建设中的底层数据采集的瓶颈难 题,现代物流系统应用RFID技术,应当实现如下目标:
?

降低运转费用,解决物流管理中海量的RFID数据信息采集的自动处理问题, 提高物流效率。

?实现货物申请、托运、验收的全过程跟踪与监控调度。 ?能够给管理者和决策者提供更加迅速、准确的物流信息。 ?缩短作业流程,改进盘点作业质量,增大配送中心的吞吐量,提高运作效率。


降低库存,可以解决零售业物品脱销、盗窃及供应链混乱带来的其它损耗。

3.2可行性分析
(1)技术一致性与标准的制定问题。标准的不统一是制约RFID发展的重 要因素,使各个厂家推出的RFID产品互不兼容,因此,如何使目前已有的标准 相互兼容,让一个RFID产品能顺利在民用范围内流通是当前最重要而紧迫的问
35

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题。就如条形码初始应用于零售业一样,一项技术国际通用的标准的出台是不 可阻挡的。 (2)安全机制。当前广泛使用的无源RFID系统还没有非常可靠的安全机 制,无法对数据进行很好的保密,RFID数据比较容易受到攻击。如何在不加大 成本的同时提高电子标签的安全性,虽然还有待于进一步研究,但已经出现了 一些新的研究成果,在数据和信息安全方面,除了电子标签的密码保护之外, 数据部分还可以用一些算法实现安全管理,如DES、RSA、DSA、MD5等,读 写器与电子标签之间也可以相互认证,从而实现安全通信和存储,在较低的成 本及开销的情况下可以实现具有一定安全性能的系统方案。 (3)读取差错控制。虽然RFID电子标签的单项技术已经趋于成熟,但总 体产品技术还不够完善,仍存在较高的差错率。加之液体和金属制品对无线电 信号的干扰很大,单个标签的标准识别率目前只有80%左右,离大规模实际应 用的要求还有一定差距。在集成应用中,还需要攻克大量的技术难题。在Gen2 电子标签广泛应用之前,在现代物流中采用论文第二章提出的应用方案可以解 决读取率达不到100%及无法确定哪些标签没有被正确读取的问题。 (4)防碰撞算法。反碰撞算法是RFID技术的核心部分,它将直接影响到 RFID系统的整体性能。碰撞的产生一般是由于多个读写器工作区域重叠或多个 标签同时发送自身信息引起的信道争用,目前关于防碰撞算法的研究进行的也 比较多,主要有ALOHA算法和二进制树型搜索算法等,可以根据接收到的电 信号参数变化、差错控制方法及某些编码的性能来进行碰撞检测,已经达到可 以同时处理200Tags/s以上的标签信息读取速度。 (5)信息传输。读写器获取标签信息经中间件进行处理之后,可以根据工 作环境采取有线或无线的传输方式送到后端数据库。在出入库等固定场所可以 直接通过通信接口传输到数据库中,对于在途物资、物流追踪管理等应用中可 以与GPS、GPRS相结合采取无线通信方式传输数据。 虽然RFID技术在物流行业的推广应用中还存在诸多难题需要解决,但是并 不能否认和忽视其在物流行业的巨大应用价值,任何~项新技术的产生与推广 都需要一个过程,通过以上几个方面的分析研究,随着RFID技术的大规模应用, 尤其是Gen2标签规范如果能够被更多的厂家和地域采用,一些存在的问题如标 准问题、读取率问题以及标签价格都会逐步得到解决,所以在物流行业采用RFID 技术是可行的。

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3.3功能要求及设备选择
3.3.1系统功能结构
图3—1所示的是一个基于RFID技术的现代物流信息管理系统的基本功能结 构图,不同的物流环节RFID系统配置也应根据功能要求进行调整。

商 品

信 息 维 护

渊陲 瓣 非 囊I I室I l妻l l委l I耄l l囊 熊



毳ll毳lI毳l 耋¨蓁ll蓁I 蓁ll季l 蓁l l耋|l萋ll萋Il垂ll耋l 鋈¨耋ll萋l l粪|I蓁
图3-1物流综合管理系统功能结构图

3.3.2读写器选择功能要求
当前研究表明,在现代物流中采用RFID技术最合适的频段是UHF RFID,目 前UHF频段RFID产品国外和国内均在推广应用,国内外可供选择的产品比较 多,应用在物流行业工作环境的读写器应满足以下功能需求或技术指标: ?工作频率:UHF频段,符合电子标签的要求。 ●接口协议:假如多种电子标签被读取,它们可能拥有不同的空中接口协议, 这就要求支持多协议如EPC


Class0、EPC Classl、Gen2、ISO

18000.6加等。

网络协议及功能:支持UDP/IP、HTTP、TCP/IP,具备建立读写器网络的 能力,通过普通通信界面(电缆、双绞线或无线)或使用RS-485,TCP/IP, 以太网,或者IEEE802.1等专用通信界面与主机通信。

?速度:读取速度较快,多标签识读能力强,达到150tags/s以上,具有良好的 多标签防冲突算法。 ●距离:读写距离较远,一般应达到6米以上的作用距离。

37

武汉理T大学硕十学位论文

?安全性:凄写器应当具各一定的安全性,拥有保护它们与电子标签之间积向 通信的能力。 ?编码:假如需要使用读写器将数据信息写入电子标签,就需要命令集和编码
功能。

?符台本地标准:例如,美欧的功率输出是不同的,美国需要跳频,欧洲则需
要任务周期。

?内存:米用作电子标签缓冲及标签读取列表管理。 ?电源:一些读写器可以使用以太网供电技术(PoE)来进行工作,消除了对 单独电源的依赖,但是这需要嘲络的PoE路由器了。 ?可配置和可升级性:通过网络连接和固件进行配置和升级。 ?天线:通常使用动态自动调谐来适应各种条件。为满足各种应用需求,要求 能够支持多种天线进行工作。 ?控制界面:采用数字输入/输出和控制电路,可以与自动线上别的元件保持
同步。

●Gen2的可升级性:当Gen2电子标签开始丈规模供应与应用时,读写器至少
需要进行固件升级。

本文仪选取ThJagMagie固定式超高频多口读写器M4作为进行实验研究设 备,如图3—2所示。ThingMagic在RFID读写器产品上加入Cisco专利技术,使 得读写器全面支持标准DHCP、NTP、TCPflP、UDPflP、HTTP、SNMP及远程 升级,可以支持1—4组天线,支持包括EPCGen2在内的UI-IF频段的所有标准,
已通过了中国无管会认证。采片l Intel芯片的Linux操作系统,工作更加稳定

可靠。适用于:库存、仓库管理、进货/出货管理、零部件/行李跟踪、物流/供应
管理等。

国3-2固定式超高频多口读写器M4

武汉理工大学硕士学位论文

其主要技术指标: ?支持多协议:
IS018000.6B;

Gen2,可以访问Tag ID,读/写224 bits

user

memory;支持其他UHF通讯协议,包括:EPC Classl、EPC
0+、UCOD EPCI.19。
?

Class0、EPC Calss

多标签识读能力强【33】:具有良好的多标签防碰撞算法,达到150tags/s。 15米的识读距离(采用15dB天线)。并且能够很好的补偿天线馈线的衰减。

?读写距离远:通过调整读写器的输出功率(从0"-32.5dBm),能够支持最大 ?无线电特性卓越:具有良好的无线电参数特性,在多读写器密集环境下工作
时性能极为突出。

●独有的网络远程监控:具有网络接口/RS232串口,能够直接接入用户的 网络系统;具有Cisco认证的网络远程管理监控功能,能够动态提供每台设
备的运行状挂壁天线态,察看网络连接,进行读写器参数配置和实现读写器 故障诊断;支持SNMP远程管理;并可远程进行设备升级,方便远程维护;

支持网络分布式工作调用,改善多读写器环境下无线电冲突造成的性能下
降。如果网络中断,M4可以自动在自带的存储器中保存26万条采集数据, 以防数据丢失。

?先进的嵌入式智能读写器:采用Intel芯片的Linux操作系统,可对读写器编 写程序实现各种功能。通过串口可外界各种传感器,实现工业总线控制。 ?符合工业环境:具有良好的工业环境指标。

3.3.3电子标签的选择和读取能力
产品包装和物流供应链流程中遇到的问题向RFID技术提出了严峻的挑战。 产品和包装大小形状各异,贴在产品或包装上的电子标签要能够承受住物品摆 放过程中造成的挤压。它们还必须能够经受住运输途中的摩擦、恶劣的气候和 物料装卸机的操作碰撞的考验等。电子标签的可读性也取决于UHF频谱的特性。 以下几各方面是物流业选择和使用电子标签时需要考虑的因素: ?灵敏度:电子标签被读写器激活及向读写器返回清晰信号的能力。 ?放置和方向:货箱或托盘上的电子标签与读写器的相对位置会影响读取率。 ?与其它标签的相对位置i当彼此间距离太近的时候,电子标签会相互干扰。
?形状和大小:通常较大的电子标签拥有更大的读取范围。建议在货箱应用中 应为标签粘贴保留特定的位置。

39

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●读取速度:电子标签在读取范围内被读取所需要的时间。 ◆读取冗余:在读取范围内,~个标签被读取的次数。假如电子标签在读取范
围内对读写器的一个读取请求能够重复响应3次或更多,那么获取的标签数 据出错的几率就很小了。

●数据需求:按照不同的用途(单品、货箱、托盘、退货物品),电子标签可
以根据需要存储不同的信息。
?

射频干扰:工作环境周围的射频噪声源、与其它标签太接近或粘在一起以及
周围物品的表面材质和包装材料都会对读取率有影响。

?

恶劣环境:如果暂时不考虑其它因素,蒸汽、腐蚀性的化学物品或严寒都会 对电子标签上的粘合剂的粘合状况产生影响。

?

再使用:包括用在可以重复使用的集装箱上,或作为一个记录退货物品的方 法。

●跨国运输规则:遵循不同的国际标准,电子标签就有不同的工作频率及相应 的读取范围和灵敏度。


防碰撞能力:在给定的范围内,必须能够被一次成功读取的电子标签的数量。

?读写器:读写器类型要与标签类型相匹配。


扩充用途:例如,如果电子标签记录的信息能够增加环境温度和过期期限等 信息,将会有助于保存易腐物品。

●安全性:某些应用可能要求数据需要加密和其它一些不是所有标签都支持的 安全措施。

3.4解决方案
3.4.1物流应用框架
基于RFD的物流应用框架如图3.3所示,分为4个层次。

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应用层l 7喜冀鬟嚣,j F主凿蓑嚣?i量看il E豺务 { I——



OA

电子 商务

EPR

SCM

cRaM。,{ 5习

’习

l觚层卜赧j圈卜斛;

邑信息系统l E信患传输i }’蔫磊囊警I
匿撇索蚕筐…滤翁_觥。霭



}一匝固弘一i匿一i


卜④@@@⑧o④@⑧
图3-3 RFID应用框架示意图

(1)环境层:RFID应用环境构造,包括附有电子标签的物品、天线、读
写器、传感器、仪器仪表、计算机硬件、服务器、网络设备及终端设备等;

(2)采集层:进行基于RFID的物流信息采集,读写器采集标签中携带的 信息,进行简单的信息预处理(解码、防碰撞、多通道信息去重、信息过滤和
分类)后将信息传输到集成层;

(3)集成层:RFID应用支撑平台,支持RFID信息的录入、获得、传输、 处理以及协同。包括ONS、RFID中间件、集成平台、信息系统和信息传输。资 源目录服务包括物品编码管理、资源目录和ONS查找、发现、定位、验证机制。 RFID中间件(Savant)负责解决信息语义定义、读写器信息采集、信息写入(一 次写入及分段写入)、数据库接口。集成平台主要是在中间件基础上增加与第三

方应用的接口,可为财务、OA、电子商务、MIS、ERP、CmS、SCM、CRM
系统提供数据接口【411,使各种应用软件与RF]D兼容。信息系统是为了高效可靠 方便地对RFID数据进行管理,建立统一的物流数据库,可以对数据进行录入、 修改、查询以及统计。 (4)应用层:RFID后端软件系统及应用系统界面,形成可定制的物流应 用系统。包括企业信息管理软件,分析统计和报表的生成;专业领域应用软件, 可满足行业应用的个性业务需求;网站平台,可方便地提供供应链节点信息的 注册、查询及交互信息服务;协同工作平台,可实现应用中RFID与其它系统的
41

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协同工作。RFID应用层按规模可分为:企业级应用、跨企业应用、行业级应用、 跨行业应用、国家级应用、跨国应用等几种应用模式【4”。企业级应用是在企业 网络平台实施数据采集、过程控制等行为:行业级应用则是把RFID作为生产、 流通、销售、使用中基本信息的承载与处理单元,强调企业间、企业与管理部 门间的协同工作。

3.4.2系统设计
物流产业链应用RFID等信息技术可以细分为标识、感知、处理和信息传送 四个环节,每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和互联网及无 线传输网络。根据上述四个关键环节,本文提出一种新的物流解决方案.其主 要业务流程图如图3-4所示。RFID标签和读写器完成待识别物体的信息储存和 数据采集,通过无线或有线通信方式把采集的数据传送给后端的计算机及网络
进彳了处理分析和传输。町以用于出入库货物信息采集、设备管理、盘点作业及

在途管理等多种物流环境。

图3_4

RFID物流管理信息采集系统流程图

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在此物流管理系统中,RFID系统主要由RFID读写器、RFID电子标签及中 间件组成,米实现物品信息的采集。RFID读写器和RFID电子标签属于系统的 硬件部分,中间件则是应用支撑软件的一个重要组成部分,是衔接硬件设备如 标签、读写器、数据库及系统其它模块的桥梁,中间件的主要任务是对读写器 传来的与标签相关的数据进行过滤、去重、汇总、计算、分组,减少从读写器 传往系统的原始数据数量。在使用了RFID中『自】件后,即使读写RFID读写器种 类增加,应用端不需修改就能处理,省去多对多连接的维护复杂性问题。这就 大大提高了系统的可移植性和适用范围。中蒯件在系统中的作用及位置如图3
所示。




例坡用囊激瓣蓬
集成环境

R|D中间#
环境

一andgaWc},-*。

一洪痧lQ

l√冒勰




____--
电子标茬

罔3-5

RFID模块功能示意图

在本解决方案中,把RFID技术与EPC编码、数据通信、数据库、Intemet 等信息技术结合起来构建一个“横向一体化”的物流信息管理系统,能哆及时全面 掌握供应链各个环节的信息.快速相应市场的需求变化,企业营销模式可以采 用以网络为支撑的按订单生产的方式而减少库存,极大地降低生产成本,改变

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目前国内大多数物流企业的“大而全”、“小而全”的管理体制和运作模式以及生产 方式还是传统的按周期性生产计划,然后再进行推销、促销的模式。.

3.4.3基本工作流程
实际上,要想将RFID这种数据采集技术应用在物流的多个环节是相当复杂 的。在物流领域的仓库管理环节中可以通过在适当位置布置读写器来对商品进 行精细管理,如果需要采用RFID技术实现对在途物资的调度和掌控,则需要在 沿途适当地点布置一定数量的读写器,也可以和GPS结合起来实现更细致的位
置及物资种类的掌握。

但是,基于RFID的物流管理应用系统一般都是采用RFID技术完成物品标 识及信息采集功能,当然也可以进行物品定位应用,只是精度有待于提高,标 识、感知、处理和信息传送这四个环节可以根据应用环境的不同和技术的发展 进步而采取最适合的技术来实现。 鉴于物流应用层次多样,应用环境也很复杂,不同的物流环境工作流程不 同,在此仅选择出入库管理应用RFID系统工作流程。 (1)电子标签信息写入、修改及贴标。比如在集装箱管理RFID系统应用 中,要把集装箱有关的信息(如箱号、使用公司的代码、箱型、箱种、制造企 业代码、箱东代码、生产线代码、班组代码、毛重、净重及生产时间等)写入 电子标签之中。。同时,为了提高读取率,标签的粘贴位置要在集装箱上统一选 定,一般要经过货箱分析确定最佳读取位置作为贴标位置。标签在被识别对象 物上的安装可以采用内嵌、粘贴、挂贴、佩戴等多种方式,对于集装箱、卡车 等上应用的比较大型标签,还可以采用铆接的形式。安装方式与安装位置的选
择对于系统的读取率也是非常重要的。 (2)读写器选择配置。选用ThingMagic固定式超高频多口读写器M4作

为标签信息采集获取设备。读写器可以根据完成的功能进行相应的配置,如果 进行库存盘点则可采用手持式读写器,用作出入库管理时,则可以在出入库口 配置读写器天线,为了兼顾读取各个方位的标签,可以在此处适当高度和不同 方位配置2"-'4个读写器协同工作。读写器和后端数据库之间的信息传输可以采 取有线或无线的通信方式,根据具体的环境进行选择。 (3)标签信息读取。当叉车(粘贴有电子标签)等装载物品出入库时,以 适当的移动速度通过RFID工作区域时,标签被读写器激活后发送自身携带的信

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息,读写器接收信息并经过中间件进行滤重等处理之后通过有线或无线方式传 输到后端数据库,由数据库管理软件进一步处理。运用论文第二章提出的差错 控制方法,判断是否有漏读标签,如果全部读取则放行,如果有漏读标签则进 行再读取。

3.5本章小结
本章在进行需求分析和可行性分析及对物流复杂性对应用RFID技术影响 的基础上,采取第二章提出的提高读取率解决方案,提出一种基于RFID技术的
物流应用解决方案,在目前物流行业有一定的实用意义。

45

武汉理工大学硕士学位论文

第4章总结与展望
4.1全文总结
从开始准备论文开题报告至今,我一方面查阅前人已有的RFID研究成果, 在前人研究的基础上进行了一些有针对性的研究工作,另一方面综合基础课中学 过的知识和掌握的工具,如无线通信、雷达原理、数据库、软件工程等,进行本
论文相关实验和设计工作。经过仿真分析验证,有选择性地对RFID部分关键技

术进行了研究,本文提出的一种提高读取率的方案可以作为一种新的RFID应用 技术方案来应用于现代物流系统。本文所做的主要工作如下: (1)对RFID技术和现代物流的应用现状进行研究。 (2)对UHF RFID系统关键技术进行研究。首先是如何提高读取率问题, 本文提出一种实用的读取率控制应用方案;其次通过对RFID编码纠错抗干扰能 力的仿真研究分析,提出了适合RFID应用系统的编码和纠错方式;最后通过分
别在时域、频域进行UHF RFID系统级仿真,揭示了RFID系统中能够表征系统

的特征的关键参数,研究了UHF RFID系统应用于物流系统的可行性。
(3)在前面章节研究内容的基础上,运用现代物流先进的管理思想和理念

进行一次尝试,提出基于RFID的现代物流应用解决方案。

4.2进一步研究的展望
本文主要需选取RFID及现代物流、RFID读取率、编码抗干扰和系统仿真 几个方面进行了一些针对性的研究工作,同时进行了基于RFID技术的现代物流 解决方案设计。但由于时间、科研条件有限及RIFD硬件价位较高等限制,论文 还有一些需要进一步完善之处。我计划在论文的后续工作中进行以下几个方面
的工作:

(1)结合当前热门的物流网工程进行一些深入研究,对本文提出的应用方
案进一步进行研究。

(2)继续关注研究国内外物流领域应用RFID技术的发展情况。

武汉理工大学硕士学位论文

(3)进行物流信息系统数据库的设计工作,增强人机交互界面,结合物流 领域的一些应用变化做出相应的改进。

47

武汉理工大学硕士学位论文

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武汉理工大学硕士学位论文





在本文完成之际,谨向我的导师聂明新教授表示诚挚的感谢和崇高的敬意。 由于我是一名强军计划学员,本科毕业之后工作五年有这么一次宝贵的机会进 入熟悉的校园进一步深造,只是我的专业基础相对较弱,工作几年来遗忘较多, 而且专业知识掌握的也不全面,我的导师聂教授在刚入学就对我的学习内容和 侧重点进行了规划和安排,使我有一个明确的目标,学会了许多以前不曾接触 过的知识,掌握了学术论文的撰写方法,每隔一段时间向导师汇报学习情况时 都能从导师那儿学到新的知识和观念,大的方面包括如何搞学术做学问和进行 科研实验的方法以及做人的道理,细节方面则具体到每词每句的推敲,使我获 益良多,从而不断推动自己向前进步。论文开题和撰写大小论文都是在导师的 指导下进行多次修改完善完成的,前后修改很多次,花费了导师大量的心血和 宝贵的时间,再次向我尊敬的导师表示深深的感谢!从导师身上,我学到的知 识和方法与我的实际工作结合很紧密,相信回到部队之后在本职岗位上我能够 充分发挥三年来在理工大所学,能够更好地履行自己的职责,更好地干好本职 工作,以不辜负导师的殷殷教诲。 其次,感谢信息工程学院及大学的教员为我在基础课的学习过程中创造了 较好的学习环境并打下了良好的基础,从而可以完成论文撰写工作. 然后,特别感谢我的父母、妻子、孩子及亲友,工作多年之后能够有这样 的机会重回校园深造,与他们的关心和支持是分不开的。

本论文的完成,凝聚了我的导师及所有帮助过我、关心过我的师长和家人
朋友的智慧和心血,再一次对他们表示由衷的感谢!!!

岳涛
2010年4月

武汉理工大学硕士学位论文

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的项目
【1】岳涛,RFID系统编码抗干扰能力分析及仿真研究,2009年9月15日,中国科技论文
在线,编号200909-419

52

武汉理工大学硕士学位论文

附录:915MHz RFID系统频域仿真程序

echoOn

df司.2;
to=O.5: tz=O.001; fz=-I/tz;

%设置频率分辨率 %信噪比数值
%抽样时间定义

fa=91.5;
snr=10;
snr

%91.5Hz载频 %定义信噪比,用dB表示

lin=10A(snrll0); %定义调制系数 %定义抽样点数据

a=O.3;

仁【O:亿:to】; %定义信号111 re=zeros(1,501);
for for for

i--1:1:125,re(i)=1;end i=126:1:250,m(i)==0;end i=250:1:501,m(i)==1;end

%m--m/1000;

c=cos(2*pi*fa*t);
m n--m/max(abs(m));

%载波信号

【M,m,dfl]=fllseq(m,tz,df); M=M/fz:

%傅立叶变换 %进行频率缩放,方便作图 %定义频率分量 %把调制信号调制在载波上

f=-[O:dfl:dfl掌(1ength(m)-1)卜fz/2; u=(1+a^m p).幸c; 【u,u,dfl]=fftseq(u,tz,dO;
U=.U,&;

%对已调制信号进行傅立叶变换

signal_power=ampower(u(1:length(t)));%计算信号功率
pmn=ampower(m(1:lcngth(t)))/(max(abs(m)))A2;%计算调制信号功率 eta=(a^2*pnm)/(I+a^2*pmn);
noise_power--eta*signal_power/snr lin;
S3

%计算调制效率 %计算调噪声功率

武汉理工大学硕士学位论文 noisestd=sqrt(noise power);
noise=noise r=u+noise;

%计算标准差 %产生高斯分布的噪声 %接收总信号 %对总信号傅立叶变换 %频率缩放

std*randn(1,length(u));

【R,r,dfl]=fftseq(r,tz,dO;
R=R/fz;
Pause signal...power pause
eta

%Pause可使程序暂停,按任意键后可开始执行

%调制效率显示

subplot(2,2,1) plotO,m(1:length(t))) axis([o 0.1 5-2.1 2.1】);xlabelCrime') titlc('the message signaD;pause subplot(2,2'2) p10t(t,u(hlength(t))) axis([o O.15-2.1 2.1]);xlabel('Time.) title('the modulation signal');pause subplot(2,2,3) plot(t,c(1:length(t))) axis([0 O.15?2.1 2.1]);xlabel('rime') title('the carrier');pause subplot(2,1,1) plot(f,abs(mshia(M))) %显示频域调制信号 %显示载波曲线 %显示已调制信号曲线 %显示调制信号曲线

title(’Spectrum of the message signalg;xlabel(’Frequency') pause;subplot(2,1'2) plot(f,abs(fflshiflCU))) %显示频域的已调信号

title(’Spectrum of the modulated signal。);xlabel(Trequency') pause;subplot(2,l,3) pIot(t,r(1:length(O)) title(’Signal
pause and

%显示总信号时域曲线

noise');

plot(f,abs(fftshifl{:R)”
54

%显示总信号的频域曲线

武汉理工大学硕士学位论文
title(’Signal and noise spectrmn');xlabel(Frequency') 下面是ffiseq.m函数文件 function[M,111,df]=fRseq(m,tz,dO
fz=l/tz;

ifnargin一2
nl=O; else nl=fz/df; end

%判断输入参数的个数是否与要求相符

%由参数个数决定是否使用频率缩放

n2.=length(m); n=2^(max(nextpow2(n1),nextpow2(n2))); M=f玳IIl’n); m=[m,zeros(1,n-n2)];df=fz/n; 下面是ampower.m函数文件,用于计算信号功率
function


%实施离散傅立叶变换

p=Ⅲ叩ower(x)
%进行计算信号能量

p=(norm(x)A2)/length(x);
tO=O.15;tz--O.001;

re=zeros(1,50 1);
for i=1:1:125

%进行计算第一段信号值功率

m(i)芦i;
end
for i--126:1:375

%进行计算第二段信号值功率

m(i)=m(125)?i+125; end
for i--376:1:501

%进行计算第三段信号值功率

m(i户m(375)+i一375; end
m=m/1000;

%进行功率归一化

m_hat=-imag(hilbert(m));

55

RFID关键技术及其在现代物流中的应用研究
作者: 学位授予单位: 岳涛 武汉理工大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1680850.aspx


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