RFID电子施封锁技术及其应用

  射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术,是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。它利用射频信号的空间耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别对象的目的。本论文研究的是利用射频识别技术将电子施封锁应用于电动车防盗系统。该电子标签外壳与RFID芯片融为一体,在不影响现有施封锁功能的前提下,通过巧妙的设计使标签外壳附着在施封锁的一侧。

  随着科学技术的发展,电子标签―RFID在国内外已被广泛的使用,如为减少行李遗失事故的发生,国际航空运输协会积极鼓励全球航空公司和机场,采用先进的RFID技术处理乘客的行李。它能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,能够工作于各种恶劣环境之中,可用于高速运动目标的识别及多个目标的同时识别,操作快捷方便。由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点,RFID技术显示出巨大的发展潜力与应用空间,被认为是21世纪的最有发展前途的信息技术之一,曾被美《商业周刊》评为将掀起新产业浪潮的未来四大高技术之一。

  RFID技术的应用已趋成熟。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部都得到了相当广泛的应用。目前国内RFID的应用已经涉及到铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统等。正在计划推广的应用领域还有电子身份证、电子车牌、铁路行包自动追踪管理等。

  从信息传递的基本原理来说,射频识别技术在低中高频段基于变压器藕合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递),在超高频及微波频段基于雷达探测目标的空间藕合模型(雷达发射的电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机)。射频标签与读卡器之间的电磁藕合包含两种情况:一是电感耦合方式,是低、中、高频段近距离非接触射频识别系统的基础。在电感耦合方式中,读卡器的天线相当于变压器的初级线圈,射频标签的天线相当于变压器的次级,因而电感藕合方式也称为变压器方式。电感耦合方式通过空间磁场实现耦合,耦合磁场在读卡器线圈(初级)与射频标签线圈(次级)之间构成闭合回路。二是电磁藕合方式,在电磁耦合方式中,读卡器的天线将读卡器产生的射频信号以电磁波的方式定向发送到空间范围内,形成读卡器的有效阅读区域,位于读卡器有效阅读区域中的射频标签从读卡器天线发出的电磁场中提取工作电源,并通过射频标签的内部电路及标签天线将标签内存的数据信息回传到读卡器。电磁耦合与电感藕合的差别在于电磁耦合方式中读卡器将射频信号以电磁波的形式发送出去;在电感藕合方式中,读卡器将射频信号束缚在读卡器电感线圈的周围,通过交变闭合的线圈磁场,形成读卡器天线与射频标签天线之间的射频通道,而没有向空间辐射电磁能量。电感耦合的RFID系统中,电子标签卡在天线上形成的接收信号的调制方式常采用副载波负载调制技术;电磁耦合的RFID系统中,电子标签卡在天线上形成的接收信号的调制方式常采用电磁波反向散射调制技术。

  按照读写距离来划分,RFID系统可分为接触式和非接触式,而非接触式又分为近距离(密耦合)、中距离(遥耦合)和远距离。本论文中主要探讨的是遥耦合,读写距离从1米到10多米甚至更远的RFID系统称为远距离RFID系统。它是依靠电磁波在空间辐射形成空间电磁场,电子标签卡与读写器之间的通信方式类似雷达探测过程。工作时,射频标签位于阅读器天线辐射场的远场区内,标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线一般为极化(线极化或圆极化)天线,并在空间形成一个辐射场为无源标签提供射频能量。远距离RFID系统的工作频段为860―960MHz、2.4GHz和5.8GHz等,目前大量应用在车辆管理、码头集装箱等大物件的流通领域。

  本论文中的RFID技术是一种无线通信技术,可通过无线电讯号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之间建立机械或光学接触。它的工作原理是:无线电信号通过调成无线电频率的电磁场,把数据从附在物品上的标签上传送出去,以达到自动辨识与追踪该物品的目的。

  目前大部分电动车的防盗系统的防盗原理是:当盗窃者触碰电动车时,车子自动发出警报鸣笛。这种防盗系统根本发挥不了防盗的作用:一、车子经常被非盗窃人员触碰,导致大家弄不清楚警报声到底是否是因为盗窃所产生的。二、即便是盗窃所产生的警报,户主也不能及时知道是有人在盗窃自己的车子。而本论文的构想是:把RFID技术应用在电动车防盗系统中。基本构思是:在电动车的电瓶安装处加装施封锁自动识别装置并在施封锁的一侧加上电子标签外壳与RFID芯片,只要是电瓶处或者机动车开锁处被解锁,通过RFID的读卡器,就会发出无线射频信号,户主手中的应答器就会接收到报警系统的提示。

  整个系统的组成是基于主动射频激活后的动态识别系统,系统由电子施封锁,125KHZ低频激活系统,如图1所示。

  读出装置的电路由单片机控制模块、射频收发模块、接口控制及125KHZ无线唤醒发射模块、其中接口用于控制系统中射频信号发射和接收。电子施封锁的电路由单片机控制模块、射频收发模块、125KHZ无线唤醒发射模块、电源管理几部分组成。

  电子施封锁的电路由单片机控制模块、射频收发模块及无线唤醒电路、电源等四个部分组成。单片机用于控制射频收发模块和保存与电子施封锁相关的信息;无线唤醒电路则在收到读写器发送的特定信号后产生一个中断信号唤醒休眠的单片机和射频收发模块;射频收发模块则负责接收和发射读写器发送来的信号;电源电路控制电源的功耗,根据无线唤醒电路的指令及无线射频的信号强度控制电源的消耗,及计算电源的容量及寿命管理,确保电源能长时间可靠的工作。

  系统单片机控制模块采用了NORDIC最新的无线和超低功耗技术,选择用NRF24LE1控制芯片,在一个极小封装中集成了包括2.4G无线 FLASH高速单片机,丰富外设及接口等的单片FLASH芯片,是一个综合了性能及成本的完美结合,很适合应用于各种2.4G的产品设计。

  读写器和电子施封锁都有工作及休眠二种工作模式。由安装在电动车上的震动传感器感应到电动车震动时,接口控制模块发出读写指令,启动读出装置的射频收发模块工作,同时启动125KHZ无线唤醒发射模块工作;电子施封锁受到读出装置唤醒信号后启动工作,实现与读出装置的数据交换,完成一次完整的数据交换后,读出装置将读取到的信息存在于单片机控制模块中,并迅速将车载信息发送到车主手中的报警器。读出装置和电子施封锁重新进入低功耗休眠状态,等待下一次的唤醒。

  本论文中的电子施封锁采用电池供电,而电池是一种消耗性的电源,工作时间短,为了延长车载卡的工作时间,需要进行电源管理,以降低功耗。当前大多数的电源管理方法采用一种周密设计的唤醒、休眠方法。但大多数情况下,唤醒周期的大部分时间是徒劳无用的, 消耗能量。本系统中采用一种无线触发唤醒的电源管理方法,在这种方法中,车载卡进入休眠模式后就会一直保持睡眠状态,在读写器没有发送出特定频率的无线信号时,它是不会被唤醒的。当然,这个特定频率的无线信号会立即地唤醒休眠的电子施封锁这样,就节省了在唤醒前和监测期间的电源消耗。

  高安全性,芯片内固化Gazell协议具有AES 128bit 高强度加密,确保数据传输的安全可靠;低功唤醒、高频数据交换,避免了同频干扰。唤醒脉冲通过特定频率是125KHZ低频发送,而数据通信采用另外的2.4G无线频率传送。一旦读写器与标签建立通信连接后,双方便跳到由读写器指定的固定频率上工作。这样,即使电动车或是整个停车场中其它电子施封锁在无线通信范围内也不会被唤醒,避免了同频干扰起到了抗干扰的作用。

  为了解决当下电动车及电瓶经常被盗的问题,本文提出了把RFID电子施封锁应用于防盗系统,主要组成部分包括RFID电子标签、发卡器,接收器、报警器。在研究过程中遇到的主要困难是如何优化电子施封锁的体积,针对此问题我们将进一步进行深入研究。

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