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电子标识无线供能与识别系统研究

作　者: 周艳聪
导　师: 顾军华
学　校: 河北工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 无线传能无源电子标识强磁耦合谐振射频识别防碰撞可编程门阵列
分类号: TM724
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

射频识别技术即将带来继互联网和移动通信之后的又一次技术浪潮，其将影响人们生产、生活的方方面面。该技术通过射频信号进行非接触式的信息交互或信息采集，可实现多目标的同时自动识别和远程实时监控。该技术是电磁波技术发展的一个重要新方向；同时，其也是被视为下一个时代经济增长点的物联网关键技术之一。该技术在欧美等国家已经取得了一定发展，然而在我国才刚刚起步。如何在这次技术大潮中把握主流，将对我国科技和经济发展具有重要意义。射频识别技术涉及两个关键问题：电子标识供能与识别。对于前者，无线供能是一种重要方式，但有限的供能距离是这种方式实际应用的最大障碍。对于标识的识别，由多标识碰撞导致的识别效率低的问题一直是射频识别技术的研究重点。因此，本文研究重点为电子标识的无线供能与识别，具体研究如下：（1）针对无源电子标识无线供能距离短、能量传输效率低的问题，提出了具有较远供能距离和较高能量传输效率的强磁耦合谐振式能量传输方案。在基本谐振电路中增加谐振线圈，分别给出了串联谐振和并联谐振两种电路模型，设计并搭建了相应的实验装置。实验结果表明，两种方法的最长供能距离均较普通谐振方式延长了2倍。相同传输距离下，增加谐振线圈的串联谐振能量传输效率较普通谐振方式提高了3倍；并联谐振能量传输效率较普通谐振方式也有明显提高。（2）针对普通二进制防碰撞算法中交互次数多、通信数据量大的缺点，提出了一种逆向二进制防碰撞算法。通过逆向构建识别树，在叶子结点的父层实现结点识别，减少了交互次数。算法在碰撞位连续或间断情况下均可有效识别标识，当冲突标识数量较多而碰撞位明显小于标识长度时，该算法在交互次数和通信数据量上均有明显优势。（3）为解决多电子标识识别过程中通信数据存在冗余信息的问题，在多状态二进制和返回二进制算法基础上，提出了一种引入信息预处理的多状态二进制防碰撞算法。信息预处理机制使算法只需处理冲突位，阅读器部分接收机制，使阅读器只需接收标识有效数据，避免了数据重复发送与接收，有效降低了通信数据量。实验结果表明，算法在碰撞位不连续、碰撞位冲突率低于20%时，通信量明显减少。若不计入预处理过程，算法在任何碰撞位冲突率下通信数据量都有较大优势。（4）在电子标识识别过程中，考虑到通信的有效时序和安全问题，引入FPGA进行通信过程的硬件实现。分别提出了对应于逆向二进制和引入信息预处理的多状态二进制的硬件识别方案，设计实现了阅读器与电子标识通信的FPGA硬件系统。仿真实验证明，该系统资源耗费少，数据通信速率高，硬件加速比分别可达4.7和1.5。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-20
  §1-1 论文研究的背景  10
  §1-2 射频识别系统  10-12
  §1-3 无线供能研究现状  12-16
    1-3-1 感应耦合无线供能方式  12-13
    1-3-2 电磁波无线供能方式  13-14
    1-3-3 强磁耦合谐振式无线供能方式  14-16
  §1-4 电子标识识别研究现状  16-18
  §1-5 论文主要研究内容  18-20
第二章强磁耦合谐振无线供能基本原理  20-26
  §2-1 电磁辐射场及耦合模理论  20-23
    2-1-1 射频识别系统中的电磁场基本理论  20-21
    2-1-2 电磁辐射的近场区及其特点  21-22
    2-1-3 耦合模理论  22-23
  §2-2 共振时的能量转移分析  23-25
    2-2-1 耦合 LC 电路的谐振  23-24
    2-2-2 基于耦合模的谐振理论  24-25
  §2-3 本章小结  25-26
第三章电子标识强磁耦合谐振式无线供能研究  26-51
  §3-1 谐振线圈 Q 值仿真分析  26-31
    3-1-1 谐振频率与品质因数  26-27
    3-1-2 串联谐振线圈Q 值仿真  27-29
    3-1-3 并联谐振电路仿真  29-31
  §3-2 电子标识无线供能实验装置设计与分析  31-36
    3-2-1 实验装置说明  31-32
    3-2-2 实验装置电路设计与分析  32-36
  §3-3 电子标识无线供能实验  36-42
    3-3-1 基本的无线供能实验  36-38
    3-3-2 不同物质遮挡下的无线供能实验  38-41
    3-3-3 线圈有水平错位时无线供能实验  41-42
  §3-4 电子标识无线供能特性研究  42-49
    3-4-1 普通单接收端传输特性研究  42-46
    3-4-2 小型接收端传输特性研究  46-49
  §3-5 本章小结  49-51
第四章电子标识识别技术研究  51-70
  §4-1 几种普通二进制防碰撞算法简介  51-54
  §4-2 逆向二进制防碰撞算法研究  54-59
    4-2-1 逆向二进制算法基本思想  54
    4-2-2 逆向二进制算法中相关约定  54-55
    4-2-3 逆向二进制算法描述  55-56
    4-2-4 逆向二进制算法算例验证与比较  56-57
    4-2-5 逆向二进制算法结果对比分析  57-59
  §4-3 引入信息预处理的多状态二进制防碰撞算法研究  59-68
    4-3-1 新多状态二进制算法思想  60-61
    4-3-2 新多状态二进制算法描述  61-63
    4-3-3 新多状态二进制算法算例验证与比较  63-65
    4-3-4 新多状态二进制算法结果对比分析  65-68
  §4-4 本章小结  68-70
第五章基于 FPGA 的电子标识通信硬件实现  70-95
  §5-1 FPGA 简介  70-72
  §5-2 逆向二进制防碰撞算法的 FPGA 硬件实现  72-83
    5-2-1 逆向二进制算法总体设计方案  72-75
    5-2-2 逆向二进制算法分模块设计  75-80
    5-2-3 逆向二进制算法仿真与结果分析  80-83
  §5-3 新多状态二进制防碰撞算法的 FPGA 硬件实现  83-94
    5-3-1 新多状态二进制算法总体设计方案  83-86
    5-3-2 新多状态二进制算法分模块设计  86-89
    5-3-3 新多状态二进制算法仿真与结果分析  89-94
  §5-4 本章小结  94-95
第六章结论和展望  95-99
  §6-1 本文工作总结  95-97
  §6-2 下一步研究的主要工作  97-99
参考文献  99-105
致谢  105-106
攻读学位期间所取得的相关科研成果  106

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