1、引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子標(biāo)簽―RFID在國(guó)內(nèi)外已被廣泛的使用，如為減少行李遺失事故的發(fā)生，國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)積極鼓勵(lì)全球航空公司和機(jī)場(chǎng)，采用先進(jìn)的RFID技術(shù)處理乘客的行李。它能通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)，能夠工作于各種惡劣環(huán)境之中，可用于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別及多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)識(shí)別，操作快捷方便。由于具有高速移動(dòng)物體識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)別等特點(diǎn)，RFID技術(shù)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間，被認(rèn)為是21世紀(jì)的最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一，曾被美《商業(yè)周刊》評(píng)為將掀起新產(chǎn)業(yè)浪潮的未來(lái)四大高技術(shù)之一。

RFID技術(shù)的應(yīng)用已趨成熟。在北美、歐洲、大洋洲、亞太地區(qū)及非洲南部都得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)RFID的應(yīng)用已經(jīng)涉及到鐵路紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)的熱軸定位、軌道衡、超偏載檢測(cè)系統(tǒng)等。正在計(jì)劃推廣的應(yīng)用領(lǐng)域還有電子身份證、電子車(chē)牌、鐵路行包自動(dòng)追蹤管理等。

2、射頻技術(shù)

從信息傳遞的基本原理來(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別技術(shù)在低中高頻段基于變壓器藕合模型(初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞)，在超高頻及微波頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間藕合模型(雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī))。射頻標(biāo)簽與讀卡器之間的電磁藕合包含兩種情況：一是電感耦合方式，是低、中、高頻段近距離非接觸射頻識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在電感耦合方式中，讀卡器的天線相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈，射頻標(biāo)簽的天線相當(dāng)于變壓器的次級(jí)，因而電感藕合方式也稱(chēng)為變壓器方式。電感耦合方式通過(guò)空間磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，耦合磁場(chǎng)在讀卡器線圈(初級(jí))與射頻標(biāo)簽線圈(次級(jí))之間構(gòu)成閉合回路。二是電磁藕合方式，在電磁耦合方式中，讀卡器的天線將讀卡器產(chǎn)生的射頻信號(hào)以電磁波的方式定向發(fā)送到空間范圍內(nèi)，形成讀卡器的有效閱讀區(qū)域，位于讀卡器有效閱讀區(qū)域中的射頻標(biāo)簽從讀卡器天線發(fā)出的電磁場(chǎng)中提取工作電源，并通過(guò)射頻標(biāo)簽的內(nèi)部電路及標(biāo)簽天線將標(biāo)簽內(nèi)存的數(shù)據(jù)信息回傳到讀卡器。

電磁耦合與電感藕合的差別在于電磁耦合方式中讀卡器將射頻信號(hào)以電磁波的形式發(fā)送出去;在電感藕合方式中，讀卡器將射頻信號(hào)束縛在讀卡器電感線圈的周?chē)?，通過(guò)交變閉合的線圈磁場(chǎng)，形成讀卡器天線與射頻標(biāo)簽天線之間的射頻通道，而沒(méi)有向空間輻射電磁能量。電感耦合的RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽卡在天線上形成的接收信號(hào)的調(diào)制方式常采用副載波負(fù)載調(diào)制技術(shù);電磁耦合的RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽卡在天線上形成的接收信號(hào)的調(diào)制方式常采用電磁波反向散射調(diào)制技術(shù)。

按照讀寫(xiě)距離來(lái)劃分，RFID系統(tǒng)可分為接觸式和非接觸式，而非接觸式又分為近距離(密耦合)、中距離(遙耦合)和遠(yuǎn)距離。本論文中主要探討的是遙耦合，讀寫(xiě)距離從1米到10多米甚至更遠(yuǎn)的RFID系統(tǒng)稱(chēng)為遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)。它是依靠電磁波在空間輻射形成空間電磁場(chǎng)，電子標(biāo)簽卡與讀寫(xiě)器之間的通信方式類(lèi)似雷達(dá)探測(cè)過(guò)程。工作時(shí)，射頻標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線一般為極化(線極化或圓極化)天線，并在空間形成一個(gè)輻射場(chǎng)為無(wú)源標(biāo)簽提供射頻能量。遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)的工作頻段為860―960MHz、2.4GHz和5.8GHz等，目前大量應(yīng)用在車(chē)輛管理、碼頭集裝箱等大物件的流通領(lǐng)域。

3、RFID技術(shù)的應(yīng)用

本論文中的RFID技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。它的工作原理是：無(wú)線電信號(hào)通過(guò)調(diào)成無(wú)線電頻率的電磁場(chǎng)，把數(shù)據(jù)從附在物品上的標(biāo)簽上傳送出去，以達(dá)到自動(dòng)辨識(shí)與追蹤該物品的目的。

目前大部分電動(dòng)車(chē)的防盜系統(tǒng)的防盜原理是：當(dāng)盜竊者觸碰電動(dòng)車(chē)時(shí)，車(chē)子自動(dòng)發(fā)出警報(bào)鳴笛。這種防盜系統(tǒng)根本發(fā)揮不了防盜的作用：一、車(chē)子經(jīng)常被非盜竊人員觸碰，導(dǎo)致大家弄不清楚警報(bào)聲到底是否是因?yàn)楸I竊所產(chǎn)生的。二、即便是盜竊所產(chǎn)生的警報(bào)，戶(hù)主也不能及時(shí)知道是有人在盜竊自己的車(chē)子。而本論文的構(gòu)想是：把RFID技術(shù)應(yīng)用在電動(dòng)車(chē)防盜系統(tǒng)中?；緲?gòu)思是：在電動(dòng)車(chē)的電瓶安裝處加裝施封鎖自動(dòng)識(shí)別裝置并在施封鎖的一側(cè)加上電子標(biāo)簽外殼與RFID芯片，只要是電瓶處或者機(jī)動(dòng)車(chē)開(kāi)鎖處被解鎖，通過(guò)RFID的讀卡器，就會(huì)發(fā)出無(wú)線射頻信號(hào)，戶(hù)主手中的應(yīng)答器就會(huì)接收到報(bào)警系統(tǒng)的提示。

整個(gè)系統(tǒng)的組成是基于主動(dòng)射頻激活后的動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)由電子施封鎖，125KHZ低頻激活系統(tǒng)，如圖1所示。

讀出裝置的電路由單片機(jī)控制模塊、射頻收發(fā)模塊、接口控制及125KHZ無(wú)線喚醒發(fā)射模塊、其中接口用于控制系統(tǒng)中射頻信號(hào)發(fā)射和接收。電子施封鎖的電路由單片機(jī)控制模塊、射頻收發(fā)模塊、125KHZ無(wú)線喚醒發(fā)射模塊、電源管理幾部分組成。

電子施封鎖的電路由單片機(jī)控制模塊、射頻收發(fā)模塊及無(wú)線喚醒電路、電源等四個(gè)部分組成。單片機(jī)用于控制射頻收發(fā)模塊和保存與電子施封鎖相關(guān)的信息;無(wú)線喚醒電路則在收到讀寫(xiě)器發(fā)送的特定信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)喚醒休眠的單片機(jī)和射頻收發(fā)模塊;射頻收發(fā)模塊則負(fù)責(zé)接收和發(fā)射讀寫(xiě)器發(fā)送來(lái)的信號(hào);電源電路控制電源的功耗，根據(jù)無(wú)線喚醒電路的指令及無(wú)線射頻的信號(hào)強(qiáng)度控制電源的消耗，及計(jì)算電源的容量及壽命管理，確保電源能長(zhǎng)時(shí)間可靠的工作。

系統(tǒng)單片機(jī)控制模塊采用了NORDIC最新的無(wú)線和超低功耗技術(shù)，選擇用NRF24LE1控制芯片，在一個(gè)極小封裝中集成了包括2.4G無(wú)線傳輸，增強(qiáng)型51 FLASH高速單片機(jī)，豐富外設(shè)及接口等的單片F(xiàn)LASH芯片，是一個(gè)綜合了性能及成本的完美結(jié)合，很適合應(yīng)用于各種2.4G的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

讀寫(xiě)器和電子施封鎖都有工作及休眠二種工作模式。由安裝在電動(dòng)車(chē)上的震動(dòng)傳感器感應(yīng)到電動(dòng)車(chē)震動(dòng)時(shí)，接口控制模塊發(fā)出讀寫(xiě)指令，啟動(dòng)讀出裝置的射頻收發(fā)模塊工作，同時(shí)啟動(dòng)125KHZ無(wú)線喚醒發(fā)射模塊工作;電子施封鎖受到讀出裝置喚醒信號(hào)后啟動(dòng)工作，實(shí)現(xiàn)與讀出裝置的數(shù)據(jù)交換，完成一次完整的數(shù)據(jù)交換后，讀出裝置將讀取到的信息存在于單片機(jī)控制模塊中，并迅速將車(chē)載信息發(fā)送到車(chē)主手中的報(bào)警器。讀出裝置和電子施封鎖重新進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，等待下一次的喚醒。

本論文中的電子施封鎖采用電池供電，而電池是一種消耗性的電源，工作時(shí)間短，為了延長(zhǎng)車(chē)載卡的工作時(shí)間，需要進(jìn)行電源管理，以降低功耗。當(dāng)前大多數(shù)的電源管理方法采用一種周密設(shè)計(jì)的喚醒、休眠方法。但大多數(shù)情況下，喚醒周期的大部分時(shí)間是徒勞無(wú)用的， 消耗能量。本系統(tǒng)中采用一種無(wú)線觸發(fā)喚醒的電源管理方法，在這種方法中，車(chē)載卡進(jìn)入休眠模式后就會(huì)一直保持睡眠狀態(tài)，在讀寫(xiě)器沒(méi)有發(fā)送出特定頻率的無(wú)線信號(hào)時(shí)，它是不會(huì)被喚醒的。當(dāng)然，這個(gè)特定頻率的無(wú)線信號(hào)會(huì)立即地喚醒休眠的電子施封鎖這樣，就節(jié)省了在喚醒前和監(jiān)測(cè)期間的電源消耗。

高安全性，芯片內(nèi)固化Gazell協(xié)議具有AES 128bit 高強(qiáng)度加密，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?低功喚醒、高頻數(shù)據(jù)交換，避免了同頻干擾。喚醒脈沖通過(guò)特定頻率是125KHZ低頻發(fā)送，而數(shù)據(jù)通信采用另外的2.4G無(wú)線頻率傳送。一旦讀寫(xiě)器與標(biāo)簽建立通信連接后，雙方便跳到由讀寫(xiě)器指定的固定頻率上工作。這樣，即使電動(dòng)車(chē)或是整個(gè)停車(chē)場(chǎng)中其它電子施封鎖在無(wú)線通信范圍內(nèi)也不會(huì)被喚醒，避免了同頻干擾起到了抗干擾的作用。

4、結(jié)論

為了解決當(dāng)下電動(dòng)車(chē)及電瓶經(jīng)常被盜的問(wèn)題，本文提出了把RFID電子施封鎖應(yīng)用于防盜系統(tǒng)，主要組成部分包括RFID電子標(biāo)簽、發(fā)卡器，接收器、報(bào)警器。在研究過(guò)程中遇到的主要困難是如何優(yōu)化電子施封鎖的體積，針對(duì)此問(wèn)題我們將進(jìn)一步進(jìn)行深入研究。