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关键词： 射频识别   水性电子浆料   印刷精度   电化学迁移   天线设计  

摘要： 在超高频(UHF)频段下,RFID(Radio Frequency Identification)标签天线具有高的读写距离,这种无接触的通信方式未来将具备巨大的商业价值。由于刻蚀、电镀、绕线等天线制备方法存在着高成本、高污染、易碎等棘手问题,在天线的柔性化、低成本、制备效率等方面仍有待突破。因此,绿色低成本的制备方法与天线图案的完美设计成为标签天线应用急需突破的瓶颈。本课题结合印刷电子技术特点,制备出性能优良的水性Cu@Ag电子浆料,结合制备浆料的电导性与印刷特性设计出不同极化类型的标签天线,并通过丝网印刷的手段制备出柔性化、远读写距离的RFID天线。 银浆在印刷电子领域中应用广泛,但是银浆价格昂贵且可靠性较差。相较于银浆,银包铜浆不仅具有优异的导电性能,可靠性方面也可能更有优势。此外,相较溶剂型浆料,水性浆料不仅绿色环保,而且成本较低。但水性电子浆料在分散性、稳定性、适印性等方面仍存在显著缺陷。针对上述问题,本文结合天线制备特点,创新性地将Cu@Ag粉搭配各类水性配方体系,通过正交实验深入研究浆料内各组分间的影响规律,成功制备出性能优良的水性银包铜电子浆料,浆料印制薄膜的方块电阻低至63.1 mΩ/□,电导率高达8.34×10～5 S/m。为满足天线的印刷与射频芯片的封装要求,通过调控浆料的触变性能与印刷工艺参数,使得印制导线毛刺小于20μm。在可靠性方面,将制备的浆料与银浆进行对比,基于核壳结构粉体的特点对电化学迁移(ECM)失效的详细机理进行研究。在偏置电压为4 V、电极间距为400μm时,印刷银包铜线路的失效时间约450 s,大约为印刷银线路失效时间的10倍,制备出浆料的ECM敏感性显著降低。通比观测失效样品,对Cu@Ag粉体的ECM机理与枝晶生长机制做出了详细解释,同时也对Cu@Ag粉体的热稳定性做出展望。 结合制备浆料的性能指标,使用Ansys软件设计出尺寸大小为70×15 mm的线极化天线与50×50 mm的圆极化天线。在915 MHz处,设计两款天线的回波损耗小于-40 d B,VSWR接近于1,峰值实际增益均在1.5 d B左右,天线在三维辐射空间的方向性也较为全面,这表明天线与射频芯片的匹配效果良好。设计好天线线型结构后,在PET、铜版纸、织唛三种柔性基底上采用丝网印刷的方式,成功制备出天线图案,封装射频芯片后对天线的实际应用性能进行研究。根据测试结果,制备的线极化天线峰值读距超过10 m,圆极化天线的峰值读距超过7 m。制备的标签天线不仅成本更低,同时也具备良好的柔性,天线图案在弯折50000次后电阻变化小,相较于传统金属天线而言,应用场景更为广泛,具备良好的商业应用价值。

关键词： 射频识别   防碰撞算法   查询树算法   捕获效应   FPGA  

摘要： 在21世纪,射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术以其卓越的性能和潜力成为物联网领域的焦点之一,引起了广泛的关注和兴趣。RFID技术的出现为物联网提供了独特的能力,通过无线通信和自动识别技术,可以实现对物体的准确、快速、无接触的识别和追踪。这种技术的应用潜力在各个行业中被广泛认可,并被视为推动物联网发展的关键驱动力之一。在提升RFID系统性能的诸多关键因素中,解决标签碰撞问题尤为重要。本文介绍了RFID技术的研究背景和重要意义,阐述了其发展历程和现状,分析了RFID技术的组成、工作原理和运行流程。还介绍了RFID系统的标准体系和在多种应用场景中的实际运用。讨论了RFID系统中的标签碰撞问题,重点关注了基于ALOHA的概率性算法和基于二进制树的确定性算法,展示了碰撞模型和识别过程。针对查询树结构的标签防碰撞算法中存在的问题,如空闲时隙过多、时隙利用率以及吞吐率低等,本文从改进查询前缀获取方法、查询策略以及基于FPGA的算法验证进行了研究。本文提出了一种改进型分组映射查询树标签防碰撞算法(IGMQT-AC算法)。该算法通过分组机制和映射机制,有效地降低了碰撞发生的概率,同时能够准确识别出发生碰撞的标签ID分组。MATLAB仿真表明,IGMQT-AC算法的吞吐率可达到67.8%。在IGMQT-AC算法的基础上,结合了GQT1和GQT2算法中的防捕获思想,提出了基于捕获效应的RFID标签防碰撞算法(IGMQT-CE算法)。IGMQT-CE算法引入了重传机制和检验机制,有效避免标签遗漏现象的发生,并降低捕获效应对系统性能的负面影响。MATLAB仿真表明,在捕获概率为0.5时,IGMQT-CE算法的吞吐率约为73.2%。基于FPGA,对IGMQT-AC算法的关键环节进行了验证。采用Vivado软件和Verilog HDL语言对该算法的以下关键模块进行了分析和仿真:标签控制模块、曼彻斯特编码模块、曼彻斯特解码模块、数据存储模块以及阅读器控制模块。通过综合仿真测试,成功实现了标签的全部识别,验证了IGMQT-AC算法在硬件环境下的可行性。本文对分组映射查询树标签防碰撞算法进行了改进,并对算法的关键模块进行了硬件验证,提高了标签的识别吞吐率,提升了标签防碰撞能力,实现了预期目标。

关键词： Radiofrequency identification   Protocols   Hardware   Software   Standards   Dipole antennas   Timing   EPC Gen2   software defined radio   UHF RFID reader  

摘要： In this paper, we present a simple low-cost SDR RFID UHF reader capable of reading a tag in real time. This reader is designed around a simple asynchronous OOK modulator in transmission and an envelope detector in reception. All tasks specific to the RFID protocol including clock recovery, data recovery and frame detection are handled in software by a Arduino Uno micro-controller. This reader is able to generate any RFID command supported by the protocol and to decode any message backscattered by the tag in real time. The details of hardware and software associated with this reader are released in open source for the community.

关键词： 物联网   无线射频识别   认证协议   超轻量级   安全与隐私  

摘要： 物联网(Internet of Things,IoT)的快速发展使得人们对物理设备的管控更加智能化和数字化。然而,随着物联网设备数量的指数级增长,其潜在的安全与隐私问题也越来越受到关注。作为物联网中设备认证的关键技术,无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)使供应链、农业、医疗、军事等领域的服务更加简单高效,同时也面临着新的安全与性能挑战。 RFID系统可以实现非接触式数据访问,极大方便了对设备全生命周期的实时监测。然而,由于攻击者可以对无线信道中的阅读器消息和标签消息实施攻击,因此RFID系统存在隐私泄露和假冒标签通过认证等风险,从而造成较大的经济损失。并且,标签的计算和存储资源受限,难以应用复杂度高的安全策略,现有协议无法兼顾安全性与系统性能。此外,在库存管理、港口贸易等大规模RFID系统中,对标签认证的效率和精度有较高要求,而现有协议存在时延高、认证粗粒度等问题,导致实用性较差。 为应对现有单标签认证协议在均衡安全性与性能方面的挑战,以及解决现有批量认证协议精度差、效率低等问题,本文针对单标签认证和批量认证的需求,分别提出了超轻量级的RFID安全认证方案。 针对云边端协同环境中RFID系统潜在的隐私泄露问题,我们提出了一种基于所设计的随机重排分块矩阵加密操作的超轻量级RFID单标签相互认证方案。所提方案使用随机重排分块矩阵、位运算和循环移位等超轻量级操作,保证了标签端的低开销。边缘服务器以密文形式存储标签标识,保护了标签隐私。所提协议实现了边缘服务器与阅读器、标签之间的相互认证,安全性较高。方案以较低的系统开销实现了高安全性的RFID单标签认证。 针对现有RFID批量认证协议在精度和效率方面的不足,我们提出了基于超递增非齐次线性方程组的超轻量级RFID零误差批量认证协议。方案采用超轻量级的循环移位和位运算,有较低的系统开销,并使用动态帧时隙Aloha算法解决消息冲突。所提协议由标签标识构造非齐次线性方程组的系数矩阵,以超递增向量作为方程组的解,通过对比待认证标签计算所得的常数项来实现批量认证。本方案认证精度达到了100%,能够通过一轮认证直接检测出所有非法标签,并且支持标签的动态添加和撤销。在认证过程中,待认证标签数量可扩展,并可通过所设计的群组优先级动态调整策略进一步提升效率。此外,标签隐私数据没有关联性,因此攻击者无法通过单个标签的隐私数据获取更多有用信息。 我们对所提的两个认证方案分别进行了非形式化安全性分析和对比、AVISPA形式化协议工具验证以及BAN逻辑证明,结果表明所提的两个方案均能实现RFID系统的安全认证。同时,我们对两个方案进行了性能评估,结果表明所提的基于随机重排分块矩阵加密算法的单标签认证协议响应时间更少、标签开销和系统开销更低,实现了性能和安全性之间的均衡,而基于超递增非齐次线性方程组的批量认证方案有100%认证精度,相比于现有协议在批处理性能、认证时间和认证效率方面更有优势。

关键词： 无芯片RFID传感器   互补开口环谐振器   极化变换   介电常数  

摘要： 近年来,射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)逐渐走入人们的生活,人们对传感器的需求日益增多。有芯片RFID传感器成本较高,而无芯片RFID传感器具有成本低、使用方便、测量精度高、灵敏度高的特点。因此,本文采用平面谐振器结构,设计了三种测量材料相对介电常数的无芯片RFID传感器:1)为使用无线方式确定平板材料的介电常数和厚度,建模并分析了一种无芯片RFID传感器。传感器包括刻蚀在接地板上的两个互补开口环谐振器,以及由传输线连接的两个单极子天线。对传感区域微带线耦合互补开口环谐振器模型进行了建模分析,研究了两个谐振器的谐振频率随被测材料特性变化的规律。通过仿真和数据分析,当被测材料厚度在2.5 mm～4 mm范围内时,确定了两个天线间传输零点与被测材料相对介电常数和厚度之间的线性关系。分析结果表明,理论上可以通过传感器RCS传输零点实现被测材料相对介电常数和厚度的表征,相对介电常数相对误差在5%以内,厚度相对误差在10%以内。2)为提高传感器测量介电常数的灵敏度,在微带线耦合互补开口环谐振器的结构基础上,通过研究并提出了一种提高传感器灵敏度的方法:降低传感器所用介质基板的相对介电常数和减小激励谐振器的微带线宽度。在微带线耦合谐振器的模型基础上,设计了一种具有高灵敏的无芯片RFID传感器,传感器包括传输线连接的两个圆形单极子天线和地板,地板上刻蚀了两个互补开口环谐振器,在谐振器正上方的介质基板上挖去两个圆柱洞,并连接细导线。通过仿真和数据分析,当被测材料厚度在2 mm～4 mm范围内时,可以建立传感器两个传输零点与被测材料相对介电常数和厚度之间的线性关系,并且传感器的灵敏度提升了10.8%。3)为提高传感器在实测环境中被识别的能力,在微带线耦合互补开口环谐振器结构的基础上,改进传感器结构以实现具有传输极点的响应特性。具体改进措施为:断开激励谐振器的微带线。在微带线耦合谐振器的模型基础上,设计了一种具有传输极点特性的无芯片RFID传感器,传感器包括传输线连接的两个圆形单极子天线和地板,地板上刻蚀了一个互补开口环谐振器,并将激励谐振器的微带线断开。通过仿真和数据分析,建立了传感器的传输极点响应和被测材料相对介电常数的关系。实测数据表明传感器测量材料相对介电常数的误差在5%以内。

关键词： RFID   工业   创新   工业智能化系统  

摘要： 工业智能化系统是一个基于工业价值链的网络，它通过RFID读写器将产品信息写入产品电子标签中，在生产完成后会通过RFID读写器将生产信息写入定制产品电子标签的系统性应用平台，在这个网络中，基于自动化与信息技术之间的联系，可以极大地推动企业的生产，使其在实际的生产中用最小的成本创造出最大的价值。本文对RFID在工业智能化平台实现产品个性化定制及可视化管理进行研究与实践。

关键词： Trajectory   Correlation   Radiofrequency identification   Antennas   Sorting   Phase measurement   Libraries   Mobile inventory   phase correlation   radio frequency identification (RFID)   relative localization  

摘要： Indoor localization systems based on radio frequency identification (RFID) technologies are widely adopted in the Internet of Things (IoT). Many of these applications prefer to obtain the relative position of the target object rather than the absolute position. Existing relative positioning methods are subject to strict trajectory constraints and cannot work under nonstraight trajectories. RFID mobile localization which has high accuracy can also be used for relative positioning, but they require the acquisition of precise moving trajectory coordinates. To overcome these challenges, we propose a trajectory-robust relative localization algorithm (TRL), based on phase profiles' correlation in this article. The intuition of TRL is that the phase of the backscattered signal has a linear mapping relationship with the distance between the reader and the antenna, so the closer the tag is to each other, the higher the correlation of their phase curves is. We use the dynamic time warping (DTW) algorithm to calculate the correlation between the phase profiles of different tags and achieve relative localization of all the tags by sequentially determining their position intervals in the tag sequence. Compared with the state-of-the-art solutions, TRL gives greater flexibility to antenna movement and the demand for trajectory coordinates, and is it fully robust to trajectory error. A series of experimental results show that TRL has significant advantages over the current state-of-the-art schemes in terms of both accuracy and computation time.

关键词： Internet of Things (IoT)   chipless RFID tag   slow wave structure   RCS   resonators  

摘要： Chipless RFID has the potential to bring in a paradigm change in industrial applications, notably in the world of the Internet of Things (IoT). This wireless technology permits distant identification, sensing, and tracking, giving tremendous development prospects. Despite substantial advances over the previous century, designing high-performance chipless RFID for IoT applications remains a problem. This research presents a new chipless planar RFID tag for item tracking and identification in IoT systems. The suggested tag uses numerous T-shaped slow-wave structures as micro-reflecting resonators with different dimensions on a lossy substrate to encode information in the tag's backscattered signal after illumination. The mutual coupling between the resonators has been minimized to improve tag performance and printing variety. A tag with a coding capacity of 24 bits and a compact size of $60\times40$ mm2 was simulated in CST Microwave Studio to validate the suggested approach. To create tags, several patterned configurations were applied on a Rogers RO4350B substrate, and their radar cross-section responses were studied. When compared to typical multi-resonator tags, the suggested tag design demonstrated excellent downsizing and efficient frequency spectrum usage. Furthermore, the Q-factor and coding strength were both high, showing that the suggested technology is capable of manufacturing high-performance chipless tags.

关键词： 枪支管理   定位   信息管理   RFID  

摘要： 枪支管理对于维护社会安全、减少枪支暴力事件、保障公民的生命安全和财产安全至关重要。针对某金融押运公司枪支管理中存在的管理方式较为传统、枪支离库成为信息孤岛等问题,本文提出一种智能枪支管理系统,实现枪支信息的智能管理和枪支位置的实时监控,并以嵌入枪支的通导感测终端作为载体,进行了系统需求分析与架构设计,研究了核心定位算法,完成了基于终端的数据采集、计算处理、网络传输等核心功能的设计开发,搭建了智能枪支管理系统嵌入式软硬件及上位机软件平台并完成测试验证。本文的主要研究内容如下:1.本文研究分析了金融押运行业中枪支的具体应用场景,对于枪支管理的不同场景提出了特定的解决方案,设计了智能枪支管理系统总体方案、嵌入枪支终端软硬件方案及上位机软件方案,实现了押运过程枪支位置可视化、枪支库房管理信息化,提高了枪支管理的效率和安全性。在押运过程中,使用GPS/北斗、IMU、UHF RFID多种定位方式结合的方法,实现了更广泛场景下的枪支实时定位,并利用4G模块实现了远程无线通信;库房管理中,基于Win Forms平台开发了上位机软件枪支信息管理系统,设计了人机交互界面,结合HF RFID、UHF RFID标签实现枪支的出入库自动登记、枪库盘存信息化管理。2.为了对枪支进行全流程的实时定位,设计实现了基于异构多源传感器的综合定位系统。主要包括基于加速度计和陀螺仪组件实现的惯性导航定位,基于拓展卡尔曼滤波算法实现的松组合导航定位,基于相位差测量技术的RFID定位。为了实现以上三种定位算法在工程中的应用,综合设计了基于阈值和GPS定位精度的无缝切换定位系统,以保证定位的连贯性和可靠性。3.搭建应用测试平台,进行了核心模块功能测试。信息管理系统功能测试展示了枪库盘存、枪支出入库识别登记,信息检索、可视化位置查看等功能。为验证综合定位系统在实际应用中的性能指标,模拟搭建了基于实车驾驶的惯性、组合导航实验平台以及位于银行门口的RFID定位平台,测试结果显示,惯性导航系统在10 s内的定位误差小于1 m,组合导航系统误差在-2 m～2 m的范围内波动,RFID定位系统的平均误差为0.8 m。本文研究设计的智能枪支管理系统具有多传感器集成及多场景应用的特点,为物联网、RFID技术、定位算法在枪支管理系统中的应用提供参考。