多天线空分定位REID阅读器的设计与应用

研究论著多天线空分定位RFID阅读器的设计与应用茅建华张鑫张国强周剑锋解放军73841部队南京市210003)摘要目的:设计多天线空分定位RFD阅读器,使基于RFID技术的智能管理系純具有定位识别的功能。方法:提出了多天线空分定位RFID阅读器的设计方案,即采用阅读器与多个检测天线的分离式装夏,每个天线仅识别自己工作区城内的标签,天线的地址码与标签的教据共同构成传迷的信息,从而使阅读器具有定位识别标签的功能。结果:将基于多天线空分定位阅读器的RFID系純应用于战备药品的管理,可以为战备药品提供安全、准确、实时的信息收集、处理和查询等功能。结论:该多天线空分定位阅读器不仅可以提供定位识别功能,还可以节约RFID系统的成本,具有广阐的应用前景。关键词RFID阅读器;多个天线;空分定位;地址码;智能药霜中图分类号:TP29;TP317文献标志码:A文章编号:1003-8868(2007)12-0012-04Design and application of RFId reader with multi-antennas of different spatialMAO Jian-hua, ZHANG Xin, ZHANG Guo-qiang, ZHOU Jian-feng(No 73841 Unit of PLA, Nanjing 210003, China)Abstract Objoctive To design Radio-Frequency Identification (RFID)reader with multi-antennas of different spatiallocation. Mothod Decheme of RFID reader with multi-antennas of difference spatial location was presented, i.e.aseparated setting with a reader and multiple detected antennas was adopted. Each antenna only identified tags in its ownarea. The receiving information from tags contains antenna code and data in tag's IC. Hence the reader can point the tagsposition through different antenna code. Rosult The application of RFID with multi-antennas of different spatial location tosystem of combat readiness medicine can provide safe, exact and real-time information collection, processingand query for combat readiness medicine. Conclusion The system can not only provide location identification, but also reducesystem cost. It will have wide application in future.Key words RFID reader, multi-antennas; spatial location; address; intelligent medicine box引言送到阅读器,阅读器对接收到的信号进行解调和解码然后将射频识别技术( Radio- Frequency Identification, RFID)是一有关信息送到后台主系统数据单元进行相关处理;主系统根种非接触式的自动识别技术,通过无线信道与识别目标进行据读取的信息判断该标签的合法性,完成目标物体的识别和双向非接触数据通信。与条形码相比,RFID具有识别迅速、方管理。法灵活、适应场合广、智能化程度高等优点RFID技术的使用将给零售、物流、医药等产业带来革命性变化。因此,不少国家别物和地区均投入了大量的人力物力发展这一技术。我国在中长期科学与技术发展规划中,已将射频识别技术列为我国未来重点发展的信息技术之一。在2006年国家高技术研究发展计划(863计划)中,已将“RFD技术与应用”作为科技部先进制造技术领域重大项目进行实施。典型的RFID系统如图1所示四RFID阅读器通过天线发送一定频率的射频信号,当 RFID标签进人发射天线工作区域时标签天线接收到信号,在标签电路中产生感应电流RFTD标签获得能量被激活;标签将其专用集成芯片中所存储的关图1典型RFD系统组成示意图于被识别物体的信息编码调制到载波上,通过标签天线发送出去;RFID阅读器接收天线接收到从标签发送来的信号,并虽然RFID系统可以识别阅读器天线工作区域内的标签但无法确定标签在该区域内的具体位置,这给物体的定位识别带来了困难。此外,RFID系统是通过辐射电磁能量工作的作者简介:茅建华副主任医师,主要从事卫勤管理和医院管理方面的研工作。本课题由国家科技部科研院所社会公益研究专项幕金项目(00GS)它的工作不应对已存在的无线电系统如移动通信、航空、无线电、导航、电视等系统造成干扰,因此,很多国家为RFID系统研究论著的工作制定了规则限制它的最大辐射功率。功率受限的时送到调制器和微处理器。调制器将微处理器的命令或欲写RFID阅读器的工作区域局限在一定的范围内,使得在构建人数据调制成工作频率的信号,该已调信号经放大和射频调RFID系统时成本很高,这妨碍了RFID技术的推广应用。谐后送到天线并辐射出去为此本研究提出了一种新的RFID阅读器一多天线空22接收部分分定位阅读器的设计方案,即RFID阅读器的主体(除天线之接收部分由检波器、滤波器、放大器、冲突检测电路和脉外的阅读器的其他部分)与多个检测天线采用分离式结构这冲成型电路组成。检波器是信号幅度检测电路双极性的高频样每个检测天线均有各自的工作区域,仅识别在自己工作区接收信号经过检波器后成为不规整的单极性包络信号。滤波域内的物体获取标签内的物体信息,通过各自天线的空间位器实现数据频带的带通滤波和工作频率的带阻滤波这样,信置来标示物体的位置号经过滤波器后滤除了数据频带之外的信号和不携带任何信RFID技术的应用已引起世界各国的极大重视,但在息且功率很高的工作频率的载波信号,保证了进入后续解调RFID系统中的定位识别目前还没有见到这方面的报道,本研电路的信号有较高的信嗓比且是可解调的。经过滤波器的信究首次对RFID系统中的定位识别问题进行探讨所设计的阅号放大后送人冲突检测和脉冲成型电路,在确保无冲突的情读器已应用于智能战备药箱系统中;基于多天线空分定位阅况下,经脉冲成型后的信号送入微处理器进行数据解码,并保读器的RFID智能管理系统不仅能提供物体定位识别还节约存起来。了构建RFID智能系统时的成本,具有良好的经济效益和社会23微处理器效益。微处理单元是阅读器的核心,主要处理各种命令与接收2多天线空分定位阅读器的设计数据的解调,主要包括阅读器与标签间控制命令的发送与命多天线空分定位阅读器是在通常意义上的RFID阅读器令响应的校验、接收数据的校验与解码以及与外部设备的通和外接天线间插入一块多天线巡读电路,在微处理器的控制信等。下按序连通各分离的天线读取天线工作区域中标签的信息。24多天线巡读电路在多天线空分定位阅读器中,每一个检测天线都由一个子地多天线巡读电路位于阅读器与天线之间,使阅读器能够址码标识(配合RFID阅读器标识地址构成物品的完全地读取多个检测天线工作区域中标签的信息,并将检测天线的址),该地址码与其实际的物理位置一一对应,这样每副天线地址码和标签中的信息一同传送给阅读器,使阅读器具有定的工作区域所包含的空间就有它自己唯一的标识信息或地址位识别的功能,扩大阅读器的工作区域。多天线巡读电路主要码。这些唯一的地址码被编程输人RFD后台数据库系统,这由微处理单元、延时单元和选通开关电路组成,功能框图如图样,通过查询天线的地址码和其物理位置的对应关系就可以3所示找到物品所处的确切位置,从而实现物品的识别与定位多天线空分定位阅读器由发射部分、接收部分与微处理延时器器和多天线巡读电路等4部分组成如图2所示。发射部分巡读信号负责将阅读器的命令通过天线发送出去,接收部分负责接收微处理数据、冲突检验和信号成型,微处理器负责各种控制命令的发送、响应的校验和接收数据的解码,多天线巡读电路完成在预延时器定的时间内选通某路检测天线的功能。选通开关多端口发射部分读取信号选通开关选通开关图3多天线巡读模块的框图微处理单元主要处理控制信号、选择连接的天线和设置选通时间。微处理单元接收到阅读器发来的巡读信号后根冲突检据信号中携带的选通天线号码和时间值选通天线,设定延时器的时间值并启动;或按一定的次序和时间值依次接通各路天线。图2多天线空分定位阅读番的组成框图延时器用于设置本路选通开关闭合的时间,该部分的功能可由硬件电路如555延时电路实现,也可由带定时器的微21发射部分处理单元通过软件编程来实现。发射部分由信号产生器、调制器、功率放大器和射频调谐在微处理单元的控制下选通开关在规定的时间内闭合电路组成。信号产生器产生阅读器的工作频率信号,该信号同实现本路天线与阅读器的连接。由于选通开关直接与天线相研究论蓍接,而天线电路在调谐时,天线线圈上的电压可达几百伏,因本研究设计的多天线空分定位阅读器已成功地应用在智此,选通开关应具有较强的耐高压性能能战备药箱的管理系统中。多端口选择电路将调谐信号输送到天线上,同时将天线在战备医疗物资的管理中需要有高效、快捷准确便于的地址码与从天线上接收的信号一起送给阅读器,供系统定部署的医疗物资管理系统来保证战时快速反应和医疗保障位识别标签RFID技术所具有高度自动化和智能化的特性,使基于RFD微处理单元是多天线巡读电路的核心。由于阅读器大多技术的医疗物资管理系统可满足部队战备时期医药系统的高是由电池供电的,芯片的功耗与运行速度成为选择微处理单效自动化管理和战争状态下野战医院的快速部署实现战时后元的关键因素。在本设计方案中选用了 MCU PIC6F877芯勤医疗的有力保障满足医疗后勤系统国防建设的迫切需要片。PCl6F877是一款较新的中档产品,具有高速 Harvard结基于RFID技术的智能化战备药箱如图5(a)所示,由药构、功耗低、代码压缩率高、抗干扰能力强等特点。由于箱阅读器(多天线空分定位阅读器)药箱应答器和内嵌多个PICl6F877A芯片内还集成了定时器因此,采用PCl6F837/A阅读器天线药箱抽屉组成。图5(b)所示为内嵌多个阅读器天芯片内定时器作为多天线巡读电路的延时器可以节省硬件,线的药箱抽屉,图5(c)所示为药箱抽屉内嵌的天线通过多天进一步降低系统功耗。线巡读接口与药箱阅读器间的连接。多天线巡读电路的软件主要完成控制信号的分析、连接天线的选择、选通时间的设定和天线地址码的传送等功能。药箱应答器天药箱显示屏在初始加电后,多天线巡读电路初始化它的各个寄存器的值然后等待阅读器发出的阅读命令。一旦接收到阅读器的命令,它开始分析这个命令中各个域的值。如果是全部选通命令,它就按序设置定时器的计数器,接通第1路天线,将第1抽屉路天线的地址码送人多端口选择电路;重置定时器的计数器接通第2路天线,将第2路天线的地址码送人多端口选择电路,直至所有天线全部选通。如果是部分选通命令它就根据规定的协议判断这个命令是选通第几路天线,接通时间是多丙抽长,然后设置定时器的计数器,接通这路天线,将选通天线的地址码送入多端口选择电路定时器的计数减为0后断开这(a)RFD智能药箱的结构示意路天线。程序图如图4所示。主程序初始化等待阅读器命内嵌天等到阅读器命令/-V蒹屋抽屉全部选通(b)内嵌多个阅读器天线的RFD智能药箱抽屉「设置天线路数计数器找出定时时间和选通路号设置时间计数器设置时间计数器设置选定天线定天多天线巡读接口送选定天线地址码传送选定大线地址码传送计时器为零时间计时器为零二天线路数计时器为零结束(c)带有4副内嵌天线的药箱阅读器的数据读取图4多天线巡读电路软件流程图图5RFID智能药箱的结构示意图3多天线空分定位阅读器的应用配备有RFID系统的智能化药箱,可以实现不开箱远程自研究论著一动分类统计和管理箱内药品和医疗器械,实时监控药品和医还可以推广到物流仓储、工业自动化、商业自动化等多个领疗器械的状态。此外,本系统还能自动记录药品的存储使域。因此,本系统兼有良好的经济效益和社会效益。用情况,药箱药品的防伪检验(包括分类号、批号、进药渠道审参考文献验)以及药品的过期前自动提示;药箱药品数据的箱体显示屏显示与检索;药箱药品库存与使用情况分析报表等为战备药] Finkenzeller K射频识别技术M吴晓峰陈大才,译,3版北品的管理提供了安全、准确、实时的跟踪管理,满足医疗物资京:电子工业出版社,2006:6的战时快速反应和医疗保障。[2] FCC. Review of Part 15 and other Parts of the Commission's Rules4结论[R]. ET Docket: FCC, 2004近年来,对RHD技术的深人研究为RFD技术的应用提pectrumDecision[r].http://portaletsi.orw/供了广阔空间。基于本研究设计的多天线空分定位阅读器的RFID系统,不仅能够定位识别不同检测天线上的物品,而且[4]Microchipmicrold?13.56MhzRfidDesignGuide[r]http://wWlmicrochip. com /downloads/en/devi-cedoc/21299e-pdf, 2005, 12.因减少了系统中成本最高的阅读器而节约了大量的成本,为许晓东,贾强雄,卢孙中基于W出的LDAP管理器的研究与开RFID的广泛使用创造了有利条件。发门江苏大学学报自然科学版,2003,24(5):68-71基于多天线空分定位阅读器的RD智能药箱不仅可在间单田华宋顺林詹永照基于XM和2E的一个通用模型全军各野战部队医院和偏远地区的医疗单位推广,也可在维江苏大学学报:自然科学版,2003,24(5):64-67.和部队和援助医疗队推广使用。本药箱的相关技术稍加改造(2007-10-23收稿2007-11-15修回(上接第11页←)运行不被其他程序中断避免出现大的延时的显示精度就需要高刷新频率的显示设备当用E- Prime运行上个程序时,如图4所示,可以看到每5结论幅图片实际的运行时间200057ms接近期望的时间200ms本文提出的影响时间精度的因素是在实验设计中不容并且没有大的延时。忽视的因为其会对实验结果产生直接影响。此外,还有很多外在原因在实验设计中也需要注意,比如计算机系统的稳定性,硬件配置等也会对结果造成影响。同时在完成实验设计后,要先进行测试,检测其实验设计是否合理,时间精度是否达到要求,是否与磁共振扫描同步进行。只有合理精确的实啊望显示时间实际屏实际验设计才能够保证在进行磁共振扫描时达到扫描与实验刺激同步,得出准确的脑功能图像,为后面的数据分析提供保参考文献100125150175[1] Schneider W, Eschman A, Zuccolotto A. E-Prime User's Guide[EB/Ol(2001-09-17)[2007-07-18].http://www.bgsu.edw/depart-图4E-Prme进行调整后实际显示时间与期望时间比较ments/psych/faculty/randers/e-prime/manuals.4.3其他2]周明德微型计算机系统原理及应用北京:清华大学出版社,200计算机指令的执行都是由操作系统来控制的,而不是受1] Mac Whinney B, James J, Schunn c,a.SP- A System操作人员控制,操作人员只是给计算机发出一个指令,具体的for Teaching Experimental Psychology using E-Prime[J]. Behavior执行要看CPU本身。比如屏幕刷新率在计算机设置里面是一Research Methods, Instruments Computers, 2001, 33(2): 287个固定值(75Hz),在运行过程中具体能达到多少是不受我们控制的而是由计算机的CPU来控制可能会围绕着75H2上陈文锋崔耀张建新心理实验系统 E-Prime介绍及其应用母心理科学,2005,28(6):1456-1458下波动,具体和系统的性能有关口。因此应该配备性能更稳定的操作系统。[5] Liu TT, Frank LR, Wong E C Detection power, estimation efficien-cypredictability in event-related MMRI U). Neuroimage, 2001我们所说的毫秒精度是相对的,E-Pime无法做到绝对113:759773.ms的控制任何实验生成软件都无法做到。这是因为时间精度问6 Myors B. Timing accuracy of PC programs runing under DOS and受到硬件的制约明显,尤其是显示刷新频率的制约, E-Prime所Windows P Behavior Research Methods, Instruments, Computers能控制的显示时间都是显示刷新周期的整数倍。也就是说,如1999,31:322-328果显示刷新周期是14ms,则20ms的显示时间( Duration)在实张一中心理学实验教学及其发展趋势仍实验室研究与探素,际执行时是28ms。所以建议实际操作时显示刷新频率设为2002,21(2);17-18.100Hx,有关的显示时间则设为10m的整数倍。如果需要更高(200-08-16收稿2007-11-10修回)