基于FPGA的RFID的自主圖書借閱系統(tǒng)

　　項(xiàng)目背景：

　　射頻識(shí)別技術(shù)在國(guó)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)過渡。

　　射頻識(shí)別技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化和交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域：汽車、火車等交通監(jiān)控;高速公路自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng);停車管理系統(tǒng);物品管理;流水線生產(chǎn)自動(dòng)化;安全出入檢查;倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng);動(dòng)物管理和車輛防盜等。

　　RFID早期應(yīng)用領(lǐng)域:

　　由于RFID系統(tǒng)具有非接觸性、可讀寫以及可以實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽同時(shí)識(shí)別的特性，因此，RFID系統(tǒng)在工業(yè)、商業(yè)和服務(wù)業(yè)等方面得到了十分廣泛的應(yīng)用。RFID早期在如下3個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這3個(gè)領(lǐng)域也是RFID的基本應(yīng)用領(lǐng)域：

　　運(yùn)輸與配送：車輛

　　制造與加工：生產(chǎn)自動(dòng)化

　　安全與認(rèn)證：人員識(shí)別

　　RFID的高成長(zhǎng)性應(yīng)用領(lǐng)域：

　　動(dòng)物識(shí)別

　　廢棄物管理

　　會(huì)議與計(jì)時(shí)

　　郵包跟蹤

　　航空行李跟蹤

　　收費(fèi)管理

　　RFID新興的應(yīng)用領(lǐng)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(shè)備的防盜管理、非授權(quán)使用管理或者資產(chǎn)管理

　　過路過橋費(fèi)的自動(dòng)收取

　　動(dòng)物管理/個(gè)性化喂養(yǎng)

　　運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)

　　車輛防盜系統(tǒng)和汽車點(diǎn)火系統(tǒng)

　　應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)

　　當(dāng)前RFID應(yīng)用和發(fā)展面臨著幾個(gè)關(guān)鍵問題是標(biāo)準(zhǔn)、成本、技術(shù)和安全。

　　1.標(biāo)準(zhǔn)

　　目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)還不統(tǒng)一，電子標(biāo)準(zhǔn)簽迄今為止全球也還沒有正式形成一個(gè)統(tǒng)一的(包括各個(gè)頻段)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)(特別是關(guān)于數(shù)據(jù)格式定義的標(biāo)準(zhǔn))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(biāo)準(zhǔn)問題又涉及到各個(gè)國(guó)家自身的利用和安全。標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一也使當(dāng)前各個(gè)廠家推出的RFID產(chǎn)品互不兼容，這勢(shì)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(biāo)準(zhǔn)相互兼容，讓一個(gè)RFID產(chǎn)品能順利地在民辦范圍中流通是當(dāng)前重要而緊迫的問題。目前，很多國(guó)家都正在抓緊時(shí)間制定各自的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)電子標(biāo)簽技術(shù)還正處在研發(fā)階段。

　　2.成本

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

　　3. 技術(shù)

　　雖然在RFID電子標(biāo)簽的單項(xiàng)技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，但總體上產(chǎn)品技術(shù)還不夠成熟，還存在較高的差錯(cuò)率(RFID被誤讀的比率有時(shí)高達(dá)20%)，在集成應(yīng)用中也還需要攻克大量的技術(shù)難題。

　　4 .安全

　　當(dāng)前廣泛使用的無源RFID系統(tǒng)還沒有非?？煽康陌踩珯C(jī)制，無法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的保密，RFID數(shù)據(jù)還容易受到攻擊，主要是因?yàn)镽FID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(shí)別率的問題，由于液體和金屬制品等對(duì)無線電信號(hào)的干擾很大，RFID標(biāo)簽的準(zhǔn)確識(shí)別率目前還只有80%左右，離大規(guī)模實(shí)際應(yīng)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(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的跨學(xué)科的專業(yè)領(lǐng)域，它將大量來自完成不同專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)綜合到一起：如高頻技術(shù)、電磁兼容性、半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)據(jù)保護(hù)和密碼學(xué)、電信、制造技術(shù)和許多專業(yè)領(lǐng)域。RFID技術(shù)所能應(yīng)用和發(fā)揮效應(yīng)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(dòng)態(tài)等，目前RFID技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。2004年11月初，美國(guó)《VAR Vusiness》雜志完成的一項(xiàng)技術(shù)狀況調(diào)查報(bào)告，評(píng)出了2005年“七大熱門科技走向”，其中把射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)作為2005年科技業(yè)的突破性技術(shù)。美國(guó)沃爾瑪及美國(guó)國(guó)防部等正在推進(jìn)全面導(dǎo)入RFID的計(jì)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(jì)，到2008年，RFID電子標(biāo)簽、閱讀器和相關(guān)軟件與服務(wù)的銷售額可望增至30億美元，RFID技術(shù)市場(chǎng)在未來五年內(nèi)將有數(shù)萬億美元的市場(chǎng)空間。

　　項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目的主要內(nèi)容及目前的進(jìn)展情況：

　　項(xiàng)目名稱：基于FPGA和RFID的自主圖書借閱系統(tǒng)

　　項(xiàng)目的主要內(nèi)容：從RFID適用環(huán)境看，圖書館的業(yè)務(wù)工作較少涉及金屬、水等影響電信號(hào)環(huán)境，是采用無源RFID技術(shù)的理想場(chǎng)所，也是RFID芯片商推廣的重點(diǎn)。將無源RFID技術(shù)應(yīng)用到圖書館的業(yè)務(wù)管理，可以有效地提高圖書管理的效率、簡(jiǎn)化了圖書管理的流程、降低圖書管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度并在為讀者提供更加便利快捷的圖書借閱服務(wù)。

　　目前圖書館的圖書信息以光學(xué)條碼形式粘貼在書本上，作為每本圖書的識(shí)別碼，同時(shí)還需在每本圖書內(nèi)加貼磁條，通過磁性電子安全檢測(cè)器檢測(cè)，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(shí)往往會(huì)排起長(zhǎng)隊(duì)，原因就是人工手動(dòng)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(shí)，全憑的肉眼來辯別圖書是否錯(cuò)架、亂架，整架速度慢效率低。針對(duì)這一實(shí)際問題，使我們聯(lián)想到可以采用電子標(biāo)簽來標(biāo)識(shí)每本書的信息，在RFID技術(shù)管理下的圖書館，讀者借書時(shí)，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(huì)自動(dòng)掃描讀取讀者卡個(gè)人信息和圖書標(biāo)簽信息，計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成借書過程;還書時(shí)，讀者將圖書送到回收設(shè)備，安裝了RFID讀寫器的設(shè)備自動(dòng)對(duì)讀者的借閱卡和書籍標(biāo)簽進(jìn)行掃描記錄，完成還書過程;管理員整架時(shí)，只須持手持式閱讀器，在書架中問走過，閱讀器可以將錯(cuò)架、亂架的圖書從成排的書架中挑選出來。

　　RFID圖書自動(dòng)化管理系統(tǒng)的應(yīng)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(jiǎn)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(wù)，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(shí)間為讀者提供更加專業(yè)的服務(wù)。

　　讀卡器關(guān)鍵技術(shù)問題

　　1.避免讀卡器沖突

　　利用讀卡器遇到的一個(gè)問題就是，從一個(gè)讀卡器發(fā)出的信號(hào)可能與另一個(gè)覆蓋范圍重疊的讀卡器發(fā)出的信號(hào)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(shí)分多址(TDMA)機(jī)制來避免沖突。簡(jiǎn)而言之，就是讀卡器被指示在不同時(shí)段讀取信息，而不是在同一時(shí)刻都試圖讀取信息，這保證了它們不會(huì)互相干擾。但是這意味著處于兩個(gè)讀卡器重疊區(qū)域的任何一個(gè)RFID 標(biāo)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(biāo)簽沖突

　　讀卡器遇到的另一個(gè)問題就是在同一范圍內(nèi)要讀取多個(gè)芯片的信息，當(dāng)在同一時(shí)刻超過一個(gè)芯片向讀卡器返回信號(hào)，這樣標(biāo)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的方法來解決這個(gè)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(biāo)簽回應(yīng)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(biāo)簽回應(yīng)讀卡器。”如果超過一個(gè)標(biāo)簽回應(yīng)，則讀卡器繼續(xù)要求：“產(chǎn)品電子碼以00 開頭的標(biāo)簽回應(yīng)讀卡器。” 這樣操作直到僅有一個(gè)標(biāo)簽回應(yīng)為止。這一過程非常迅速，一個(gè)讀卡器在1 秒之內(nèi)可以讀取50 個(gè)標(biāo)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(biāo)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(gè)典型的低頻標(biāo)簽必須在一英尺內(nèi)讀取，而一個(gè)UHF 標(biāo)簽可以在10 到20 英尺的距離內(nèi)被讀取。在某些應(yīng)用情況下，讀取距離是一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵問題，例如有時(shí)需要讀取較長(zhǎng)的距離。但是較長(zhǎng)的讀取距離并不一定就是優(yōu)點(diǎn)，如果你在一個(gè)足球場(chǎng)那么大的倉(cāng)庫(kù)里有兩個(gè)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(gè)產(chǎn)品的具體位置。對(duì)于供應(yīng)鏈來講，在倉(cāng)庫(kù)中最好有一個(gè)由許多讀卡器組成的網(wǎng)絡(luò)，這樣它們能夠準(zhǔn)確地查明一個(gè)標(biāo)簽的確切地點(diǎn)。Auto-ID 中心的設(shè)計(jì)是一種在4 英尺距離內(nèi)可讀取標(biāo)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(shí)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(duì)回波小信號(hào)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(shí)射頻模塊必須處理好的一個(gè)關(guān)鍵問題。

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

　　三、項(xiàng)目實(shí)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(jiǎn)單的描述簡(jiǎn)述實(shí)施本項(xiàng)目的技術(shù)方案。

　　系統(tǒng)是由FPGA、射頻模塊、LCD和FLASH構(gòu)成的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。 標(biāo)準(zhǔn)串口向射頻模塊發(fā)送對(duì)標(biāo)簽操作的命令，用于接收從射頻模塊返回的標(biāo)簽中的內(nèi)容，LCD 顯示標(biāo)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(yùn)行，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽操作程序，能夠執(zhí)行來自串口的操作標(biāo)簽的命令，返回標(biāo)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(jié)構(gòu)。FPGA實(shí)現(xiàn)的模塊有：各個(gè)外設(shè)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(shí)現(xiàn)的，它完成與射頻模塊的通信，射頻模塊前端與標(biāo)簽的空中接口通信讀取標(biāo)簽信息，F(xiàn)PGA從串口模塊取回標(biāo)簽信息送LCD 顯示，硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

　　讀寫器系統(tǒng)可以分成兩個(gè)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(biāo)簽并為其提供能量;對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用于將數(shù)據(jù)傳送給射頻標(biāo)簽;接收并解調(diào)來自射頻標(biāo)簽的無線電信號(hào)。

　　在高頻接口中有兩個(gè)分割開的信號(hào)通道，分別應(yīng)用于射頻標(biāo)簽上下行兩個(gè)方向上的數(shù)據(jù)流。傳送到射頻標(biāo)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(biāo)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(jìn)制數(shù)的形式表示出來，1表示有高頻信號(hào)，0表示沒有高頻信號(hào)。

　　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(jìn)行通信，并執(zhí)行從數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件發(fā)來的動(dòng)作命令;控制與射頻標(biāo)簽的通信過程;信號(hào)的編碼與解碼;執(zhí)行防碰撞算法;進(jìn)行讀寫器和標(biāo)簽之間的身份驗(yàn)證。

　　2.需要的開發(fā)平臺(tái)

　　硬件部分需要一塊V2pro開發(fā)板，Xilinx公司ISE6。仿真軟件為Modelsim 。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)采取原理圖和VHDL語言相結(jié)合的原則。頂層模塊采用Quartus II 6.0設(shè)計(jì)原理圖，功能模塊采用VHDL語言實(shí)現(xiàn)。構(gòu)建一個(gè)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(dá)到的性能指標(biāo)

　　論述本項(xiàng)目最終完成時(shí)所設(shè)想達(dá)到的目標(biāo)。

　　能準(zhǔn)確有效快速地對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證，存儲(chǔ)信息并做出反應(yīng)。

　　四、項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)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(shè)計(jì)輸入輸出功能子板

　　子板功能描述、接口說明、時(shí)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(cè)試設(shè)備

　　列出在方案實(shí)施過程中所需要的測(cè)試設(shè)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(shí)施過程中所需要的仿真、開發(fā)工具等。

　　ISE、Quartus2軟件平臺(tái)