基于FPGA的RFID的自主圖書借閱系統(tǒng)

　　項目背景：

　　射頻識別技術在國外發(fā)展得很快，產(chǎn)品種類也很多，如德州儀器公司(TI)、MOTOROLA、Phllips、EM、iPico等世界著名廠家都大亨產(chǎn)RFID產(chǎn)品。他們的產(chǎn)品各有特色，自成系列。隨著技術的發(fā)展和應用的普及，這些廠家所生產(chǎn)的RFID系統(tǒng)都將向統(tǒng)一的標準過渡。

　　射頻識別技術廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化和交通運輸控制管理等眾多領域：汽車、火車等交通監(jiān)控;高速公路自動收費系統(tǒng);停車管理系統(tǒng);物品管理;流水線生產(chǎn)自動化;安全出入檢查;倉庫管理系統(tǒng);動物管理和車輛防盜等。

　　RFID早期應用領域:

　　由于RFID系統(tǒng)具有非接觸性、可讀寫以及可以實現(xiàn)多標簽同時識別的特性，因此，RFID系統(tǒng)在工業(yè)、商業(yè)和服務業(yè)等方面得到了十分廣泛的應用。RFID早期在如下3個領域得到了廣泛的應用，這3個領域也是RFID的基本應用領域：

　　運輸與配送：車輛

　　制造與加工：生產(chǎn)自動化

　　安全與認證：人員識別

　　RFID的高成長性應用領域：

　　動物識別

　　廢棄物管理

　　會議與計時

　　郵包跟蹤

　　航空行李跟蹤

　　收費管理

　　RFID新興的應用領域：

　　電子物品監(jiān)視系統(tǒng)/服裝零售店出口管理

　　貴重儀器設備的防盜管理、非授權使用管理或者資產(chǎn)管理

　　過路過橋費的自動收取

　　動物管理/個性化喂養(yǎng)

　　運動計時

　　車輛防盜系統(tǒng)和汽車點火系統(tǒng)

　　應用和發(fā)展趨勢

　　當前RFID應用和發(fā)展面臨著幾個關鍵問題是標準、成本、技術和安全。

　　1.標準

　　目前行業(yè)標準以及相關產(chǎn)品標準還不統(tǒng)一，電子標準簽迄今為止全球也還沒有正式形成一個統(tǒng)一的(包括各個頻段)國際標準。標準(特別是關于數(shù)據(jù)格式定義的標準)的不統(tǒng)一是制約RFID發(fā)展的重要因素，而數(shù)據(jù)格式的標準問題又涉及到各個國家自身的利用和安全。標準的不統(tǒng)一也使當前各個廠家推出的RFID產(chǎn)品互不兼容，這勢必阻礙了未來RFID產(chǎn)品的互通和發(fā)展，因此，如何使這些標準相互兼容，讓一個RFID產(chǎn)品能順利地在民辦范圍中流通是當前重要而緊迫的問題。目前，很多國家都正在抓緊時間制定各自的標準，我國電子標簽技術還正處在研發(fā)階段。

　　2.成本

　　目前美國一個電子標簽最低的價格是20美分左右，這樣的價格是無法應用于某些價值較低的單件商品，只有電子標簽的單價下降到10美分以下，才可能大規(guī)模應用于整箱整包的商品。隨著技術的不斷提升和在各大行業(yè)的日益推廣，RFID的各個組成部分，包括電子標簽、閱讀器和天線等，制造成本都有望大幅度降低。

　　3. 技術

　　雖然在RFID電子標簽的單項技術上已經(jīng)趨于成熟，但總體上產(chǎn)品技術還不夠成熟，還存在較高的差錯率(RFID被誤讀的比率有時高達20%)，在集成應用中也還需要攻克大量的技術難題。

　　4 .安全

　　當前廣泛使用的無源RFID系統(tǒng)還沒有非常可靠的安全機制，無法對數(shù)據(jù)進行很好的保密，RFID數(shù)據(jù)還容易受到攻擊，主要是因為RFID芯片本身，以及芯片在讀或者寫數(shù)據(jù)的過程中都很容易被黑客所利用。此外，還有識別率的問題，由于液體和金屬制品等對無線電信號的干擾很大，RFID標簽的準確識別率目前還只有80%左右，離大規(guī)模實際應用所要求的成熟程度也還有一定差距。

　　從總體上而方，RFID技術已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個獨立的跨學科的專業(yè)領域，它將大量來自完成不同專業(yè)領域的技術綜合到一起：如高頻技術、電磁兼容性、半導體技術、數(shù)據(jù)保護和密碼學、電信、制造技術和許多專業(yè)領域。RFID技術所能應用和發(fā)揮效應的主要方面包括節(jié)省人工成本，提高作業(yè)精確性，加快處理速度，有效跟蹤物流動態(tài)等，目前RFID技術已被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領域。2004年11月初，美國《VAR Vusiness》雜志完成的一項技術狀況調(diào)查報告，評出了2005年“七大熱門科技走向”，其中把射頻識別技術(RFID)作為2005年科技業(yè)的突破性技術。美國沃爾瑪及美國國防部等正在推進全面導入RFID的計劃，許多高科技公司也正在開發(fā)RFID專用的軟件和硬件，這些公司包括英特爾，微軟，甲骨文和SUN等。ABI估計，到2008年，RFID電子標簽、閱讀器和相關軟件與服務的銷售額可望增至30億美元，RFID技術市場在未來五年內(nèi)將有數(shù)萬億美元的市場空間。

　　項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進展情況：

　　項目名稱：基于FPGA和RFID的自主圖書借閱系統(tǒng)

　　項目的主要內(nèi)容：從RFID適用環(huán)境看，圖書館的業(yè)務工作較少涉及金屬、水等影響電信號環(huán)境，是采用無源RFID技術的理想場所，也是RFID芯片商推廣的重點。將無源RFID技術應用到圖書館的業(yè)務管理，可以有效地提高圖書管理的效率、簡化了圖書管理的流程、降低圖書管理人員的勞動強度并在為讀者提供更加便利快捷的圖書借閱服務。

　　目前圖書館的圖書信息以光學條碼形式粘貼在書本上，作為每本圖書的識別碼，同時還需在每本圖書內(nèi)加貼磁條，通過磁性電子安全檢測器檢測，防止圖書未經(jīng)許可被帶出館外。借閱均采用電子紅外掃描的方式，遇到借書高峰時往往會排起長隊，原因就是人工手動掃描效率很低，而且一次掃描成功率無法保證，經(jīng)常要手寫輸入。管理員整架時，全憑的肉眼來辯別圖書是否錯架、亂架，整架速度慢效率低。針對這一實際問題，使我們聯(lián)想到可以采用電子標簽來標識每本書的信息，在RFID技術管理下的圖書館，讀者借書時，只需攜帶借閱卡和所借圖書通過裝有RFID借閱系統(tǒng)的門禁系統(tǒng)，RFID借閱系統(tǒng)就會自動掃描讀取讀者卡個人信息和圖書標簽信息，計算機自動完成借書過程;還書時，讀者將圖書送到回收設備，安裝了RFID讀寫器的設備自動對讀者的借閱卡和書籍標簽進行掃描記錄，完成還書過程;管理員整架時，只須持手持式閱讀器，在書架中問走過，閱讀器可以將錯架、亂架的圖書從成排的書架中挑選出來。

　　RFID圖書自動化管理系統(tǒng)的應用，可以有效地提高了圖書管理的工作效率、減少人為失誤、簡化圖書管理的操作流程、為讀者提供更加便利快捷的圖書借還等服務，將我們的工作人員從煩瑣的日常工作中解脫出來，使我們的工作人員有更多的時間為讀者提供更加專業(yè)的服務。

　　讀卡器關鍵技術問題

　　1.避免讀卡器沖突

　　利用讀卡器遇到的一個問題就是，從一個讀卡器發(fā)出的信號可能與另一個覆蓋范圍重疊的讀卡器發(fā)出的信號互相干擾。這種現(xiàn)象叫做讀卡器沖突，Auto-ID中心利用一種叫做時分多址(TDMA)機制來避免沖突。簡而言之，就是讀卡器被指示在不同時段讀取信息，而不是在同一時刻都試圖讀取信息，這保證了它們不會互相干擾。但是這意味著處于兩個讀卡器重疊區(qū)域的任何一個RFID 標簽都將被讀取兩次信息，為此開發(fā)出了一套刪除冗余信息的系統(tǒng)。

　　2.避免標簽沖突

　　讀卡器遇到的另一個問題就是在同一范圍內(nèi)要讀取多個芯片的信息，當在同一時刻超過一個芯片向讀卡器返回信號，這樣標簽沖突就發(fā)生了，它使讀卡器不能清晰判斷信息。Auto-ID 中心已經(jīng)采用了一個標準化的方法來解決這個問題。讀卡器只要求第一位數(shù)符合它所要求的數(shù)字的標簽回應讀卡器。從本質(zhì)上來講，就是，讀卡器提出要求：“產(chǎn)品電子碼以0 開頭的標簽回應讀卡器。”如果超過一個標簽回應，則讀卡器繼續(xù)要求：“產(chǎn)品電子碼以00 開頭的標簽回應讀卡器。” 這樣操作直到僅有一個標簽回應為止。這一過程非常迅速，一個讀卡器在1 秒之內(nèi)可以讀取50 個標簽的信息。

　　3 .讀取距離

　　讀卡器讀取信息的距離取決于讀卡器的能量和使用的頻率。通常來講，高頻率的標簽有更大的讀取距離，但是它需要讀卡器輸出的電磁波能量更大。一個典型的低頻標簽必須在一英尺內(nèi)讀取，而一個UHF 標簽可以在10 到20 英尺的距離內(nèi)被讀取。在某些應用情況下，讀取距離是一個需要考慮的關鍵問題，例如有時需要讀取較長的距離。但是較長的讀取距離并不一定就是優(yōu)點，如果你在一個足球場那么大的倉庫里有兩個讀卡器，你也許知道有哪些存貨，但是讀卡器不能幫你確定某一個產(chǎn)品的具體位置。對于供應鏈來講，在倉庫中最好有一個由許多讀卡器組成的網(wǎng)絡，這樣它們能夠準確地查明一個標簽的確切地點。Auto-ID 中心的設計是一種在4 英尺距離內(nèi)可讀取標簽的靈敏讀卡器。

　　4.射頻接口

　　射頻模塊與基帶模塊的接口為調(diào)制(裝載)/解調(diào)(卸載)，在系統(tǒng)實現(xiàn)中，通常射頻模塊包括調(diào)制/解調(diào)部分，并且也包括解調(diào)之后對回波小信號的必要加工處理(如放大、整形)等。射頻模塊的收發(fā)分離是采用單天線系統(tǒng)時射頻模塊必須處理好的一個關鍵問題。

　　技術成熟性可靠性：射頻讀卡技術正在不斷發(fā)展，其讀卡作用距離及讀卡準確程度均在不斷提高。本項目運用精確解調(diào)技術，準確讀出卡內(nèi)信號，技術成熟可靠。

　　三、項目實施方案

　　1.方案基本功能框圖及描述

　　用框圖的方式并加以簡單的描述簡述實施本項目的技術方案。

　　系統(tǒng)是由FPGA、射頻模塊、LCD和FLASH構成的，系統(tǒng)結構見圖1。 標準串口向射頻模塊發(fā)送對標簽操作的命令，用于接收從射頻模塊返回的標簽中的內(nèi)容，LCD 顯示標簽信息，系統(tǒng)控制程序是系統(tǒng)的核心程序，它協(xié)調(diào)各部分的運行，F(xiàn)LASH存儲器存放數(shù)據(jù)。FPGA的外部接口有：串口、LCD接口、FLASH接口和鍵盤接口等，射頻模塊內(nèi)部含有符合RFID標準的標簽操作程序，能夠執(zhí)行來自串口的操作標簽的命令，返回標簽的信息。系統(tǒng)是以FPGA為核心，控制數(shù)據(jù)處理交換的模塊結構。FPGA實現(xiàn)的模塊有：各個外設接口和CPU 模塊，這些模塊由該FPGA內(nèi)部的可編程邏輯電路實現(xiàn)的，它完成與射頻模塊的通信，射頻模塊前端與標簽的空中接口通信讀取標簽信息，F(xiàn)PGA從串口模塊取回標簽信息送LCD 顯示，硬件結構如圖2。

　　讀寫器系統(tǒng)可以分成兩個基本的功能模塊，即控制模塊和高頻接口。高頻接口是由接受器和發(fā)送器組成的。讀寫器還需要發(fā)射電磁能量的天線。

　　高頻接口也稱為射頻模塊。高頻接口具備的主要功能包括：產(chǎn)生高頻發(fā)射能量，激活射頻標簽并為其提供能量;對發(fā)射信號進行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻標簽;接收并解調(diào)來自射頻標簽的無線電信號。

　　在高頻接口中有兩個分割開的信號通道，分別應用于射頻標簽上下行兩個方向上的數(shù)據(jù)流。傳送到射頻標簽的數(shù)據(jù)通過發(fā)送分支通道來發(fā)送，而來自射頻標簽的數(shù)據(jù)則通過接受器分支通道來接收。

　　高頻接口和控制器之間的九口將高頻接口的狀態(tài)以二進制數(shù)的形式表示出來，1表示有高頻信號，0表示沒有高頻信號。

　　控制系統(tǒng)也稱為讀寫模塊?？刂葡到y(tǒng)具有如下功能：與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件進行通信，并執(zhí)行從數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件發(fā)來的動作命令;控制與射頻標簽的通信過程;信號的編碼與解碼;執(zhí)行防碰撞算法;進行讀寫器和標簽之間的身份驗證。

　　2.需要的開發(fā)平臺

　　硬件部分需要一塊V2pro開發(fā)板，Xilinx公司ISE6。仿真軟件為Modelsim 。設計實現(xiàn)采取原理圖和VHDL語言相結合的原則。頂層模塊采用Quartus II 6.0設計原理圖，功能模塊采用VHDL語言實現(xiàn)。構建一個比較小型的可編程片上系統(tǒng)。另需要自己制作一些外部電路。

　　軟件部分需要ISE軟件，以及嵌入式邏輯分析儀功能包。

　　3.系統(tǒng)最終要達到的性能指標

　　論述本項目最終完成時所設想達到的目標。

　　能準確有效快速地對目標對象進行識別驗證，存儲信息并做出反應。

　　四、項目實施進度規(guī)劃

　　可以用文字、表格或圖表等各種方式表示

　　五、需要的其它資源

　　1.設計輸入輸出功能子板

　　子板功能描述、接口說明、時間、方式

　　子板功能：作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后送入FPGA處理。

　　接口說明：RS232

　　2.測試設備

　　列出在方案實施過程中所需要的測試設備(萬用表、示波器、頻譜儀、邏輯分析儀等)

　　萬用表、示波器、電腦

　　3.仿真、開發(fā)工具

　　列出在方案實施過程中所需要的仿真、開發(fā)工具等。

　　ISE、Quartus2軟件平臺