基于FPGA的RFID的自主图书借阅系统

　　一、项目背景：

　　射频识别技术在国外发展得很快，产品种类也很多，如德州仪器公司(TI)、MOTOROLA、Phllips、EM、iPico等世界著名厂家都大亨产RFID产品。他们的产品各有特色，自成系列。随着技术的发展和应用的普及，这些厂家所生产的RFID系统都将向统一的标准过渡。

　　射频识别技术广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等众多领域：汽车、火车等交通监控;高速公路自动收费系统;停车管理系统;物品管理;流水线生产自动化;安全出入检查;仓库管理系统;动物管理和车辆防盗等。

　　RFID早期应用领域:

　　由于RFID系统具有非接触性、可读写以及可以实现多标签同时识别的特性，因此，RFID系统在工业、商业和服务业等方面得到了十分广泛的应用。RFID早期在如下3个领域得到了广泛的应用，这3个领域也是RFID的基本应用领域：

　　运输与配送：车辆

　　制造与加工：生产自动化

　　安全与认证：人员识别

　　RFID的高成长性应用领域：

　　动物识别

　　废弃物管理

　　会议与计时

　　邮包跟踪

　　航空行李跟踪

　　收费管理

　　RFID新兴的应用领域：

　　电子物品监视系统/服装零售店出口管理

　　贵重仪器设备的防盗管理、非授权使用管理或者资产管理

　　过路过桥费的自动收取

　　动物管理/个性化喂养

　　运动计时

　　车辆防盗系统和汽车点火系统

　　二、应用和发展趋势

　　当前RFID应用和发展面临着几个关键问题是标准、成本、技术和安全。

　　1.标准

　　目前行业标准以及相关产品标准还不统一，电子标准签迄今为止全球也还没有正式形成一个统一的(包括各个频段)国际标准。标准(特别是关于数据格式定义的标准)的不统一是制约RFID发展的重要因素，而数据格式的标准问题又涉及到各个国家自身的利用和安全。标准的不统一也使当前各个厂家推出的RFID产品互不兼容，这势必阻碍了未来RFID产品的互通和发展，因此，如何使这些标准相互兼容，让一个RFID产品能顺利地在民办范围中流通是当前重要而紧迫的问题。目前，很多国家都正在抓紧时间制定各自的标准，我国电子标签技术还正处在研发阶段。

　　2.成本

　　目前美国一个电子标签最低的价格是20美分左右，这样的价格是无法应用于某些价值较低的单件商品，只有电子标签的单价下降到10美分以下，才可能大规模应用于整箱整包的商品。随着技术的不断提升和在各大行业的日益推广，RFID的各个组成部分，包括电子标签、阅读器和天线等，制造成本都有望大幅度降低。

　　3. 技术

　　虽然在RFID电子标签的单项技术上已经趋于成熟，但总体上产品技术还不够成熟，还存在较高的差错率(RFID被误读的比率有时高达20%)，在集成应用中也还需要攻克大量的技术难题。

　　4 .安全

　　当前广泛使用的无源RFID系统还没有非常可靠的安全机制，无法对数据进行很好的保密，RFID数据还容易受到攻击，主要是因为RFID芯片本身，以及芯片在读或者写数据的过程中都很容易被黑客所利用。此外，还有识别率的问题，由于液体和金属制品等对无线电信号的干扰很大，RFID标签的准确识别率目前还只有80%左右，离大规模实际应用所要求的成熟程度也还有一定差距。

　　从总体上而方，RFID技术已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域，它将大量来自完成不同专业领域的技术综合到一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业领域。RFID技术所能应用和发挥效应的主要方面包括节省人工成本，提高作业精确性，加快处理速度，有效跟踪物流动态等，目前RFID技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。2004年11月初，美国《VAR Vusiness》杂志完成的一项技术状况调查报告，评出了2005年“七大热门科技走向”，其中把射频识别技术(RFID)作为2005年科技业的突破性技术。美国沃尔玛及美国国防部等正在推进全面导入RFID的计划，许多高科技公司也正在开发RFID专用的软件和硬件，这些公司包括英特尔，微软，甲骨文和SUN等。ABI估计，到2008年，RFID电子标签、阅读器和相关软件与服务的销售额可望增至30亿美元，RFID技术市场在未来五年内将有数万亿美元的市场空间。

　　项目名称、项目的主要内容及目前的进展情况：

　　项目名称：基于FPGA和RFID的自主图书借阅系统

　　项目的主要内容：从RFID适用环境看，图书馆的业务工作较少涉及金属、水等影响电信号环境，是采用无源RFID技术的理想场所，也是RFID芯片商推广的重点。将无源RFID技术应用到图书馆的业务管理，可以有效地提高图书管理的效率、简化了图书管理的流程、降低图书管理人员的劳动强度并在为读者提供更加便利快捷的图书借阅服务。

　　目前图书馆的图书信息以光学条码形式粘贴在书本上，作为每本图书的识别码，同时还需在每本图书内加贴磁条，通过磁性电子安全检测器检测，防止图书未经许可被带出馆外。借阅均采用电子红外扫描的方式，遇到借书高峰时往往会排起长队，原因就是人工手动扫描效率很低，而且一次扫描成功率无法保证，经常要手写输入。管理员整架时，全凭的肉眼来辩别图书是否错架、乱架，整架速度慢效率低。针对这一实际问题，使我们联想到可以采用电子标签来标识每本书的信息，在RFID技术管理下的图书馆，读者借书时，只需携带借阅卡和所借图书通过装有RFID借阅系统的门禁系统，RFID借阅系统就会自动扫描读取读者卡个人信息和图书标签信息，计算机自动完成借书过程;还书时，读者将图书送到回收设备，安装了RFID读写器的设备自动对读者的借阅卡和书籍标签进行扫描记录，完成还书过程;管理员整架时，只须持手持式阅读器，在书架中问走过，阅读器可以将错架、乱架的图书从成排的书架中挑选出来。

　　RFID图书自动化管理系统的应用，可以有效地提高了图书管理的工作效率、减少人为失误、简化图书管理的操作流程、为读者提供更加便利快捷的图书借还等服务，将我们的工作人员从烦琐的日常工作中解脱出来，使我们的工作人员有更多的时间为读者提供更加专业的服务。

　　读卡器关键技术问题

　　1.避免读卡器冲突

　　利用读卡器遇到的一个问题就是，从一个读卡器发出的信号可能与另一个覆盖范围重叠的读卡器发出的信号互相干扰。这种现象叫做读卡器冲突，Auto-ID中心利用一种叫做时分多址(TDMA)机制来避免冲突。简而言之，就是读卡器被指示在不同时段读取信息，而不是在同一时刻都试图读取信息，这保证了它们不会互相干扰。但是这意味着处于两个读卡器重叠区域的任何一个RFID 标签都将被读取两次信息，为此开发出了一套删除冗余信息的系统。

　　2.避免标签冲突

　　读卡器遇到的另一个问题就是在同一范围内要读取多个芯片的信息，当在同一时刻超过一个芯片向读卡器返回信号，这样标签冲突就发生了，它使读卡器不能清晰判断信息。Auto-ID 中心已经采用了一个标准化的方法来解决这个问题。读卡器只要求第一位数符合它所要求的数字的标签回应读卡器。从本质上来讲，就是，读卡器提出要求：“产品电子码以0 开头的标签回应读卡器。”如果超过一个标签回应，则读卡器继续要求：“产品电子码以00 开头的标签回应读卡器。” 这样操作直到仅有一个标签回应为止。这一过程非常迅速，一个读卡器在1 秒之内可以读取50 个标签的信息。

　　3 .读取距离

　　读卡器读取信息的距离取决于读卡器的能量和使用的频率。通常来讲，高频率的标签有更大的读取距离，但是它需要读卡器输出的电磁波能量更大。一个典型的低频标签必须在一英尺内读取，而一个UHF 标签可以在10 到20 英尺的距离内被读取。在某些应用情况下，读取距离是一个需要考虑的关键问题，例如有时需要读取较长的距离。但是较长的读取距离并不一定就是优点，如果你在一个足球场那么大的仓库里有两个读卡器，你也许知道有哪些存货，但是读卡器不能帮你确定某一个产品的具体位置。对于供应链来讲，在仓库中最好有一个由许多读卡器组成的网络，这样它们能够准确地查明一个标签的确切地点。Auto-ID 中心的设计是一种在4 英尺距离内可读取标签的灵敏读卡器。

　　4.射频接口

　　射频模块与基带模块的接口为调制(装载)/解调(卸载)，在系统实现中，通常射频模块包括调制/解调部分，并且也包括解调之后对回波小信号的必要加工处理(如放大、整形)等。射频模块的收发分离是采用单天线系统时射频模块必须处理好的一个关键问题。

　　技术成熟性可靠性：射频读卡技术正在不断发展，其读卡作用距离及读卡准确程度均在不断提高。本项目运用精确解调技术，准确读出卡内信号，技术成熟可靠。

　　三、项目实施方案

　　1.方案基本功能框图及描述

　　用框图的方式并加以简单的描述简述实施本项目的技术方案。

　　系统是由FPGA、射频模块、LCD和FLASH构成的，系统结构见图1。 标准串口向射频模块发送对标签操作的命令，用于接收从射频模块返回的标签中的内容，LCD 显示标签信息，系统控制程序是系统的核心程序，它协调各部分的运行，FLASH存储器存放数据。FPGA的外部接口有：串口、LCD接口、FLASH接口和键盘接口等，射频模块内部含有符合RFID标准的标签操作程序，能够执行来自串口的操作标签的命令，返回标签的信息。系统是以FPGA为核心，控制数据处理交换的模块结构。FPGA实现的模块有：各个外设接口和CPU 模块，这些模块由该FPGA内部的可编程逻辑电路实现的，它完成与射频模块的通信，射频模块前端与标签的空中接口通信读取标签信息，FPGA从串口模块取回标签信息送LCD 显示，硬件结构如图2。

　　读写器系统可以分成两个基本的功能模块，即控制模块和高频接口。高频接口是由接受器和发送器组成的。读写器还需要发射电磁能量的天线。

　　高频接口也称为射频模块。高频接口具备的主要功能包括：产生高频发射能量，激活射频标签并为其提供能量;对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频标签;接收并解调来自射频标签的无线电信号。

　　在高频接口中有两个分割开的信号通道，分别应用于射频标签上下行两个方向上的数据流。传送到射频标签的数据通过发送分支通道来发送，而来自射频标签的数据则通过接受器分支通道来接收。

　　高频接口和控制器之间的九口将高频接口的状态以二进制数的形式表示出来，1表示有高频信号，0表示没有高频信号。

　　控制系统也称为读写模块。控制系统具有如下功能：与数据管理系统软件进行通信，并执行从数据管理系统软件发来的动作命令;控制与射频标签的通信过程;信号的编码与解码;执行防碰撞算法;进行读写器和标签之间的身份验证。

　　2.需要的开发平台

　　硬件部分需要一块V2pro开发板，Xilinx公司ISE6。仿真软件为Modelsim 。设计实现采取原理图和VHDL语言相结合的原则。顶层模块采用Quartus II 6.0设计原理图，功能模块采用VHDL语言实现。构建一个比较小型的可编程片上系统。另需要自己制作一些外部电路。

　　软件部分需要ISE软件，以及嵌入式逻辑分析仪功能包。

　　3.系统最终要达到的性能指标

　　论述本项目最终完成时所设想达到的目标。

　　能准确有效快速地对目标对象进行识别验证，存储信息并做出反应。

　　四、项目实施进度规划

　　五、需要的其它资源

　　1.设计输入输出功能子板

　　子板功能描述、接口说明、时间、方式

　　子板功能：作为数据采集系统，然后送入FPGA处理。

　　接口说明：RS232

　　2.测试设备

　　列出在方案实施过程中所需要的测试设备(万用表、示波器、频谱仪、逻辑分析仪等)

　　万用表、示波器、电脑

　　3.仿真、开发工具

　　列出在方案实施过程中所需要的仿真、开发工具等。

　　ISE、Quartus2软件平台