集装箱电子标签系统的若干关键技术研究

论文摘要

采用射频识别技术记录集装箱运输中的物流信息,对集装箱运输的物流和信息流进行实时跟踪,不仅能消除集装箱在运输过程中可能产生的错箱、漏箱事故,而且可以加快通关速度,提高运输的安全性和可靠性,提高集装箱码头的整体效率和服务水平。集装箱电子标签系统的应用环境复杂、技术难度大、各项技术要求、工艺性指标、功能性需求都远高于其他领域。本论文通过理论分析、建模仿真、实际测量等研究方法,研究了电子标签在集装箱物流中应用急需解决的若干关键技术。首先分析了RFID(Radio Frequency Identification)系统研究与开发过程中应用到的主要理论基础。从电磁波传播理论出发,在天线电流元模型的基础上,分析了利用电磁波通信时的远场条件和近场条件,推导了天线远场辐射的能量传输公式,探讨了天线噪声特性以及射频识别耦合通信方式的特点。接着分析了集装箱RFID系统的应用环境,电波传播方式和特点,利用地面反射损耗模型分析了仓库、装箱点等处的电波传播特性,建立了集装箱RFID电波衍射损耗模型,实测表明,该模型能较准确预测电波的路径损耗。并在该模型的基础上,仿真分析了系统最大识别距离、发射功率、极化方式、读写可靠性之间的关系,为射频识别系统的设计提供理论依据。还分析了多径传播和金属干扰对集装箱RFID系统的影响,给出了可以忽略多经时延和多普勒效应的理论依据,提出了解决集装箱RFID系统中金属干扰问题的技术措施。再接着分析了CY(Container Yard)to CY和CFS(Container Freight Station)to CFS两种集装箱生产工艺流程,指出了在集装箱物流过程中电子标签的读写具有离散性、固定性和特殊性。总结出了集装箱电子标签低功耗策略及其优化方法,提出了一种无源激活机制及其实现方案,并给出利用无源激活机制解决道口邻道干扰与定位问题的技术方案。分析了定时激活机制和无源激活机制下的电子标签功耗与实时性,据此提出了一种新的基于双激活机制的通信模式。实验证明,这种双激活机制较好地满足了集装箱电子标签系统的性能要求。然后针对集装箱电子标签发生冲突的特点,重点分析了常用的时隙ALOHA法,引进马尔可夫链对其识别过程进行建模,得出系统成功识别率与时隙数、标签数量之间的关系。针对时隙Aloha算法在标签数量较大或未知时,冲突概率增加,成功识别率急剧减小的特点,提出了基于子集划分与动态匹配机制的防冲突算法。仿真分析表明,该防冲突识别算法具有自适应的优点以及较高的识别效率和成功率。最后,在前面几章研究分析的基础上,结合实际工程应用,从硬件和软件设计两方面,对集装箱固定式读写器关键技术进行了研究与开发。给出了固定式读写器的总体设计方案,对读写器的几个关键部分给出了设计思路和具体实现方法,并对读写器工作性能进行了实测验证。解决以上几项关键技术,可以增强集装箱RFID系统的可靠性,提高电子标签的识别速度,延长电子标签的使用寿命,降低系统应用成本。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 射频识别系统概述
• 1.3 电子标签技术发展现状
• 1.4 集装箱自动识别技术的国内外研究现状
• 1.4.1 集装箱自动识别技术发展状况
• 1.4.2 集装箱电子标签技术研究现状
• 1.5 主要研究工作
• 第2章 RFID技术的理论基础
• 2.1 电磁场基础
• 2.2 天线的场区
• 2.3 电磁波极化及反射
• 2.4 天线的方向性
• 2.5 远场辐射的能量传输
• 2.6 天线噪声与信噪比
• 2.7 射频识别耦合方式及通信机制
• 2.8 小结
• 第3章 集装箱电子标签系统的电波传播特性
• 3.1 电波传播机制
• 3.2 集装箱复杂环境下的电波传播
• 3.3 自由空间的路径损耗
• 3.4 地面反射模型
• 3.4.1 菲涅耳带域
• 3.4.2 基于地面反射的双线损耗模型
• 3.5 集装箱衍射损耗模型
• 3.5.1 电磁波的衍射
• 3.5.2 集装箱衍射损耗的数学模型
• 3.5.3 模型检验
• 3.6 多径传播对集装箱 RFID系统的影响
• 3.7 电子标签系统性能分析
• 3.7.1 最大识别距离
• 3.7.2 读写可靠性
• 3.8 金属环境影响及其对策
• 3.8.1 金属体对RFID系统的干扰
• 3.8.2 防金属干扰的技术措施
• 3.9 小结
• 第4章 集装箱电子标签的双激活通信机制
• 4.1 集装箱物流的工艺流程
• 4.1.1 CY to CY工艺流程
• 4.1.2 CFS to CFS工艺流程
• 4.1.3 集装箱电子标签读写的过程及特殊性
• 4.2 电子标签的功耗分析
• 4.3 电子标签的定时激活机制
• 4.3.1 定时激活机制下的状态转换
• 4.3.2 定时激活的实时性分析
• 4.3.3 定时激活机制下的功耗
• 4.3.4 定时激活机制的不足
• 4.4 电子标签的无源激活机制
• 4.4.1 无源激活的工作原理
• 4.4.2 无源激活的硬件方案
• 4.4.3 无源激活机制的状态及其转换
• 4.4.4 无源激活机制下的实时性及功耗分析
• 4.4.5 基于无源激活机制的邻道防干扰技术
• 4.5 基于双激活机制的通信模式
• 4.5.1 采用双激活机制的必要性
• 4.5.2 双激活通信机制的转换及实时性
• 4.5.3 双激活机制下的能耗分析
• 4.5.4 双激活机制的测试
• 4.6 小结
• 第5章 集装箱电子标签系统的防冲突算法
• 5.1 电子标签防冲突技术
• 5.2 TDMA防冲算法
• 5.2.1 二进制搜索算法
• 5.2.2 纯 Aloha法
• 5.2.3 时隙 Aloha算法
• 5.3 集装箱电子标签的冲突特点及防冲算法
• 5.4 时隙 Aloha算法的识别性能分析
• 5.4.1 马尔可夫链
• 5.4.2 时隙 Aloha法的马尔可夫性
• 5.4.3 时隙 Aloha法的马氏链模型
• 5.4.4 模型仿真及识别性能分析
• 5.5 基于子集划分与动态匹配机制的防冲算法
• 5.5.1 算法约定
• 5.5.2 防冲算法方案
• 5.5.3 防冲突算法流程
• 5.5.4 防冲算法的识别性能
• 5.6 小结
• 第6章 集装箱电子标签读写器的研制
• 6.1 集装箱电子标签读写器功能及分类
• 6.1.1 集装箱电子标签读写器的主要功能
• 6.1.2 集装箱电子标签读写器的分类
• 6.2 固定式读写器的总体设计
• 6.2.1 读写器的分层模型
• 6.2.2 固定式读写器的硬件构成
• 6.3 固定式读写器的硬件设计技术
• 6.3.1 处理器选择
• 6.3.2 信道编码设计
• 6.3.3 读写器射频电路设计
• 6.4 固定式读写器的主要软件模块设计
• 6.4.1 主程序设计
• 6.4.2 无线收发程序设计
• 6.4.3 读写程序设计
• 6.5 信息格式及数据帧设计
• 6.5.1 信息格式设计
• 6.5.2 低功耗的数据帧格式设计
• 6.6 读写器性能测试
• 6.6.1 测试方案及内容
• 6.6.2 测试结果
• 6.7 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文研究工作总结
• 7.2 研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和科研情况