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关键词： Smart packaging   wireless sensor   pharmaceutical   RFID   Industry 4.0   E-Health   vaccines   humidity and temperature sensors  

摘要： Temperature and humidity levels inside pharmaceutical packaging can significantly affect the shelf life of the enclosed medications. The RFID technology in the UHF band is promising to address this issue as it permits to wirelessly monitor the inner environment at the item level. This work presents the design and experimental characterization of a miniaturized battery-less RFID sensor, able to simultaneously measure temperature and humidity. The proposed sensor includes a helical antenna and is compatible with the insertion into a capsule, similar to common drugs. A first prototype of the miniaturized sensor was realized and tested in terms of both communication and sensing performance. Despite variable boundary conditions, a reading distance greater than 40 cm was demonstrated. A realistic readability analysis under uncontrolled conditions estimated a probability of 65% to read the sensor from more than 20 cm. Furthermore, the humidity sensor performance was extensively characterized in a climate chamber through several tests, resulting in an accuracy of +/- 5% in the RH range 40-80% that is compliant with the requirements of several pharma applications.

关键词： RFID   EEPROM   动物标签   ISO/IEC11784/785   物理实现  

摘要： 动物标签是射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）技术中的一个重要分支,一般应用在125k Hz至13.4MHz的频率范围内,属于无源中低频RFID芯片。随着经济的发展,数字化养殖、个人宠物识别等技术逐步进入到普罗大众的生活中,养殖场、宠物管理以及个人对动物标签的需求日益增长,低成本、高性能的125k Hz动物标签还具有广大的应用市场。本文基于ISO11784和IEC11785标准,设计了一种工作在125k Hz,具有ASK调制模式的动物标签芯片。本文的具体工作内容如下:1.对EEPROM进行优化性设计:EEPROM的设计容量为396bits,支持33位（包含32bits数据位和1bit锁定位）并行输入,1位串行输出,用于存储模拟前端电路和数字控制电路的配置数据、用户自定义数据、密钥等。本文对EEPROM的高压产生电路与读出电路进行了优化,优化后的Dickson电荷泵能够在10μs内实现稳定升压,读出电路能够在不使用电流源的情况下实现存储单元逻辑值的准确判断,在保证功能正确的情况下最大限度地降低了EEPROM版图面积,从而降低制造成本。2.对数字控制电路进行设计与版图实现:数字控制电路实现EEPROM的读写控制和数据传输协议的选择,所支持的四种数据传输协议分别为固定长度数据位传输协议（默认协议）、长参考脉冲数据传输协议、数据0作为参考脉冲的数据传输协议、双元编码数据传输协议。本文基于标准的数字芯片设计流程,完成了数字控制电路的逻辑综合、自动布局布线、静态时序分析等关键过程。3.流片测试分析:模拟前端电路、EEPROM、数字控制电路进行版图拼接后,在350nm EEPROM工艺下完成流片,并对流片后的芯片进行测试。动物标签芯片的版图面积为1.14mm2,读写距离大于9cm,可支配存储容量为396bits,支持四种动物标签数据传输协议,与市场上同类产品Remex-001和EM4305的性能对比来看,在读写距离以及芯片面积（成本）上具有一定优势。

关键词： 水果可溶性糖   含量检测   射频识别   双标签检测   线性映射  

摘要： 物联网技术的快速发展为智慧农业铺平了道路，水果组织中可溶性糖含量的高低与水果成熟度、水果的品质和储藏性高度相关。水果采摘后所有的生命活动所需要的能量和中间的物质主要是来源于水果组织中糖类物质的氧化分解过程。因此，测定可溶性糖含量在水果品质评价和储藏保鲜中具有重要意义。一是消费者采购的时候无法准确获得糖含量，经常买到劣质水果或被骗，二是对水果的储藏也意义重大。然而，现有的测量水果可溶性糖含量的方法要么依赖于专门的、昂贵的设备，要么需要侵入性测试，对消费者的使用带来极大的不便。因此，低成本、非侵入性地估计糖含量水果仍然是一个急需解决的问题。　　本文的主要工作和研究内容如下：　　首先，设计了双标签检测理论模型构建和标签差异消除方法，利用信号在物体内相位的变化和RSSI的衰减进行检测。另外，即使相同的两个标签也会由于现代制造工艺的原因导致在相同条件下数据的不同，本文称为标签差异。本文设计了利用第三个标签来消除由于标签差异带来的数据误差。并且通过前期的实验验证了双标签模型的性能，并通过实验验证了标签差异消除方法的有效性和正确性。　　其次，设计了基于双标签的水果可溶性糖含量检测方法，通过双标签检测模型提取水果特征值，通过多项式拟合的方法建立了特征值与水果可溶性糖含量真实值之间的线性映射关系。　　最后，利用商用的RFID设备实现了一个水果可溶性糖含量预测系统，并且通过不同条件下的大量实验来评估验证其性能。实验结果表明，该水果可溶性糖含量检测方法的总体平均准确度达到89.56%，且对不同的环境具有较强的鲁棒性。

关键词： RFID   电子标签   模拟前端   真随机数发生器  

摘要： 随着时代的发展和工业化的进步,实现远距离的无线通信正逐渐成为研究的热点问题。RFID系统利用阅读器和电子标签的天线进行数据传输,能够实现在一定距离内的信号传递。由于RFID系统具有标准化、抗污染、穿透性强等诸多优点,其在生产实践中取得了广泛的应用。目前,RFID系统大量应用在工业数据的实时监控、物流信息的追踪采集、商品销售的实时统计以及证件护照的管理识别等多个领域。超高频无源RFID系统是应用于860MHz～960MHz的高频信号领域的RFID系统,因其具有标签内部无需供能、通信距离较远等优势,其在各个领域正不断地取得应用。 本课题主要针对超高频无源RFID系统中的超高频无源RFID电子标签模拟前端电路进行设计。首先将简要介绍超高频无源RFID系统的构成以及系统内部能量传输理论,之后根据理论分析提出本课题的设计指标,再后对电子标签的模拟前端电路中的各个模块分别进行设计与仿真,使其能够满足设计指标要求,最后,将各个模块的电路图绘制成版图,经过规则验证后,提取版图中的各项寄生参数,对整体电路进行后仿真验证。至此,完成了毕业设计的全部内容。本设计的主要工作内容如下: (1)对超高频无源RFID系统传输过程进行了理论分析。主要介绍了RFID系统的组成,信号在系统中的通信过程以及信号传输过程中的能量损失。之后,对本设计采用的通信协议ISO/IEC 18000-6进行说明,最后,根据通信协议,得出系统设计的总体指标以及各个模块的设计指标。 (2)完成了超高频无源RFID电子标签模拟前端芯片的整体结构设计。对其中的倍压整流电路、限幅电路、解调电路、基准电压产生电路、线性稳压电路、时钟信号产生电路、上电复位信号产生电路、真随机数发生电路等多个关键模块进行设计、仿真与验证。并在不同工艺角下对其设计指标进行仿真。 (3)完成了超高频无源RFID电子标签模拟前端芯片的版图设计,DRC及LVS设计验证。提取寄生参数之后,进行阻抗匹配,对电路进行后仿真验证。经过后仿真验证,最终,该设计的各个模块均能够正常工作。其解调延时约为1.03μs,模拟电路供电电压1.055V,时钟信号频率为1.69MHz,上电复位电路脉冲能够持续12μs,真随机数发生器波形占空比48.34%。能够较好地实现电子标签模拟前端电路的功能。

关键词： BIM技术   RFID技术   协同平台   装配式建筑   钢结构构件   数字化建造  

摘要： 近年来,在新发展理念指导下,在国家经济转型升级的政策背景下,建筑业为了适应新的发展机遇,扩大生产规模、优化行业结构和区域布局,也开始了现代化的转型升级,工业化和信息化是建筑业现代化转型升级的主要方向。目前,我国仍处于建筑工业化和信息化的初级阶段,传统的现浇型建造模式还占据主要位置,其存在着环境污染大、资源利用率低、生产效率低、劳动力成本升等问题,已经很难满足当前建筑业现代化转型的需求。装配式建筑是建筑业工业化和信息化的核心,也是我国推广建筑业数字化建造的重要形式,由于其施工污染少、施工速度快、资源利用率高等优点而日益引起我国建筑业的高度关注,重新成为建筑领域发展的热点。本文首先通过总结BIM技术和RFID技术协同集成在国内外的研究现状,提出了在装配式钢结构件信息化跟踪过程中所面临的问题,结合BIM和RFID技术相关理论,对BIM与RFID技术信息集成的可行性进行分析,确定最终构件信息化管理的整体方案。其次,结合RFID技术标签信息存储特点,将RFID芯片置入到预制构件中,利用标签芯片进行信息采集和获取,在现场关键节点处设置接收器,自动将构件状态信息录入到协同平台,并且管理人员能够通过扫描标签二维码,查询、更新和修改相应构件状态信息,以BIM和RFID技术信息集成为基础,在BIM协同平台中进行施工三维动态模拟,运用协同平台对施工阶段的构件状态信息进行集成管理,实现装配式构件信息存储管理和施工进度监控的集成与应用管理。最后,依托于实际工程,对BIM与RFID技术在装配式建筑中构件信息化管理的集成与应用进行研究,包括RFID技术对构件的状态跟踪,构件信息的录入、关联与调用共享,BIM技术对构件穿插吊装模拟,构件安装方案的模拟等方面,使BIM技术更好地服务钢结构装配式建筑,助推建筑业现代化的转型升级。本文为BIM和RFID技术在装配式建筑数字化建造管理中的应用提供的新的思路,虽然BIM和RFID技术引入装配式建筑的研究成果较多,但缺少构件在生产、运输、入场、存储与吊装等环节的信息传递精细化管理和构件信息化管理整体方案,将BIM和RFID技术应用于装配式建筑构件信息传递全流程管理研究还有待深入。

关键词： RFID感知   无线感知   小样本学习   手势识别   迁移学习  

摘要： 人类正在进入一个“人机物”三元融合的万物智能互联时代。在新兴的人机物融合系统中,在不同环境下能够对用户的行为活动进行精确的感知,对于实现高效可靠的人机物融合应用至关重要。近年来,基于无线射频识别(Radio frequency identification,RFID)、Wi Fi等无线信号来对用户行为活动进行精准感知已经成为学术界关心的前沿课题。然而,以信号反射为基础的被动式无线感知对环境有着较高的依赖性,同种用户行为产生的感知信号会随着应用场景的变化而变化,从而导致在原始场景中训练的模型难以适应另一个新场景。这被称为无线感知系统的跨场景问题,也是无线感知领域的一个重要挑战。如何保持模型在不同环境下的感知性能一直是备受研究人员关注的难题。另外,尽管迁移学习被广泛用于降低无线感知系统在跨场景工作时所需的训练样本量,但在不相关的数据集之间盲目地进行迁移训练也可能造成模型性能的下降,这种现象被称为负迁移。如何克服负迁移的影响同样是一个重要挑战。本文针对上述两个问题展开研究,旨在实现小样本、精确的手势识别系统并通过建立关于无线感知系统迁移性的评估指标降低负迁移对模型的影响。首先针对无线感知系统的跨场景问题,本文提出了RF-Siamese,一种基于孪生网络的小样本RFID手势识别系统。不同于传统的无线感知系统,RF-Siamese只需针对每种手势采集1个样本就能获得较高的分类精度,且无需借助任何源场景数据,这大大降低了它在不同场景部署时的数据采集成本。RF-Siamese首先将时序相位信号通过短时傅里叶转换为时频域的频谱图,丰富手势特征。然后精心设计孪生网络结构与参数,并利用对比损失函数实现同类样本距离减少、不同类样本距离增大的功能。另外,针对传统数据集随机组合样本对导致可能的遗漏样本问题,RF-Siamese提出了一种基于全排列的数据集生成策略,充分利用有限的训练样本组成孪生网络输入。最后,RF-Siamese提出一种模板匹配方法来将二分类孪生网络扩展为多分类网络。我们利用商用RFID设备实现了RF-Siamese,大量实验表明在识别18种常用手势时,只需要每类手势1个样本训练,RF-Siamese可达到0.93的识别准确率,对比基于迁移学习和元学习的方法分别提升了0.34与0.23。其次针对模型负迁移问题,本文通过引入数据集相似性衡量指标LEEP(Log Expected Empirical Prediction,对数期望经验预测),实现了对无线感知系统的迁移性评估。LEEP最早用于迁移学习的模型训练,其基本思想在于利用目标场景特征与源场景分类器的经验条件分布来衡量不同场景数据集的相似程度,区别于传统衡量指标如MMD距离、KL散度只考虑数据集的边缘分布,它在计算的过程中还考虑了数据集的条件分布,性能更可靠。我们使用Py Torch实现了LEEP,并在大量不同环境下数据集进行了实验。实验结果表明,不相似的数据集的LEEP值要比相似数据集的值低6%左右,性能则降低0.11。相关性分析结果显示LEEP和迁移学习准确率的相关系数大于0.7,可以认为LEEP和迁移学习准确率之间存在显著正相关关系,能够指示数据集之间的相似性与迁移学习的性能,有效地防止负迁移现象导致模型性能下降。图57幅,表4个,参考文献100篇

关键词： 射频识别   接收信号强度指示   信号相位   相对定位   绝对定位  

摘要： 近年来,随着物联网技术的快速发展,对感知设备精确位置信息的需求也日益增长。其中,射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)作为物联网短距离通信技术之一,凭借其成本低廉、非接触、高精度的优点,使其在室内定位领域得到广泛应用。为了实现高精度和高效率的定位结果,克服现有基于RFID标签定位方法存在的不足,本文针对射频信号的接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)和相位两种信号特征,分别从参数化和非参数化两个角度出发,构建了基于RFID的定位系统。本文的主要研究内容如下:为了解决多标签的相对定位问题,本文从射频参数化的角度出发,提出了基于RSSI序列特征的多标签相对定位系统。首先,本文使用匀速运动的天线来获取多目标标签阵列对应的RSSI时间序列。然后,对于由于标签遮掩导致的RSSI数据中断和缺失问题,本文依照RFID标签在阵列中相互的位置关系来对RSSI序列进行补全以填充缺失数据。最后,依靠标签RSSI序列来构建基于RSSI余弦相似度的相似度量表,设计了标签分列和分行调整算法,进而实现RFID多标签的相对定位工作。通过对室内多标签阵列进行相对定位测试,测试结果表明,本文提出的方法可以实现高精度和高效率的多标签相对定位任务。为了进一步提高在复杂室内场景RFID标签定位精度,本文在标签相对定位的基础上,从射频信号非参数化的角度,提出了基于信号特征指纹的标签阵列绝对定位系统。首先,利用多个固定位置的RFID天线来获取感知目标区域内标签的RSSI和相位信息,并构建RFID信号特征指纹库。然后,采用模糊聚类方法在在线定位阶段生成信号的初始模糊相似矩阵,并完成指纹库数据的划分。最后,利用基于模糊决策方法来生成多标签在空间位置的坐标信息,从而实现RFID多标签的绝对定位工作。在室内空间中进行标签阵列定位的测试,实验结果表明,本文提出的系统可以实现高精度和低成本的绝对定位效果。

关键词： 3D打印   熔融沉积   直书写   RFID   电路制造  

摘要： 随着人们对环保问题的重视以及对电子产品使用需求的不断提升,3D打印电路成为近几年来增材制造领域的一项重要课题。采用3D打印的工艺方式实现电路结构快速成型,不仅符合绿色制造的生产理念,同时能够解决天线小型化以及电子产品嵌入式封装等技术难题。多材料3D打印是指在打印机能够在同一项打印任务中使用不同属性的材料打印模型,这项技术能够完成电路与电路基板同步打印,从而实现电路与封装结构的一体化制造工艺。本文提出将熔融沉积成型与直书写打印相结合的工艺方案,并应用于电路成型领域。搭建了一台集成这两种打印工艺的双喷头3D打印机,并对打印机的具体设计过程进行了详细说明。使用聚乳酸（PLA）和常温快干型导电银浆分别打印了不同结构的射频天线及用于平板电脑散热的半导体散热器,通过这两组打印案例具体论述了在多材料3D打印电路过程中有关模型建模、切片设置、电子模块嵌入等方面的工艺细节,为后续设备以及工艺路线的优化提供了有效的参考。本文具体研究内容如下:首先介绍了3D打印技术的分类与发展,并对熔融沉积和直书写这两项3D打印技术进行了详细说明。论述了多材料3D打印这项技术的特点及应用前景,着重介绍了这项技术在射频天线及电子产品制造这两大领域的潜在技术优势及研究现状。论文研究内容之一是搭建了一台结合熔融沉积以及直书写这两项3D打印技术的双喷头3D打印机。打印机主体框架为Prusa i3（龙门式）结构,可打印面积为220 mm×190mm,运行Klipper固件程序。为了减轻打印机喷头重量,选择sherpa mini近程挤出机以及E3DV6加热头组成熔融沉积式打印喷头,并设计了一款基于直线导轨滑台的直书写挤出头,在实现喷头轻量化的同时极大地减少了两个打印喷头所占的X轴空间,提高了打印平台的可利用面积。给出了多材料打印模型的建模过程以及切片设置后,通过对多款模型的打印测试,考察了打印机的成型精度,验证了3D打印电路工艺的可行性。在双喷头3D打印机设计的基础上,选择了两种不同结构的射频天线模型作为实验分析对象。使用Ansys HFSS软件分析了基板厚度、天线臂长这两项参数对天线性能的影响后,选取四款不同尺寸的射频天线进行打印,并用矢量网络分析仪对打印件进行S11曲线测量,结果显示四款天线的谐振频率均向低频方向发生了约185 MHz的偏移。根据打印精度及材料体系进一步调整天线模型尺寸并进行打印测试,改进后的射频天线打印件满足谐振频率在915 MHz且-10 d B下的带宽大于150 MHz的设计需求。使用打印机打印了一款电路内嵌式的散热器,通过此案例具体给出了打印电子产品时的建模思路和相关注意事项,验证了在打印封装结构的同时使用导电银浆作为导线连接电路模块的可行性。经观察测量,一体化打印的散热器使高负载使用状态下的平板电脑CPU温度在80秒内从52℃降至37℃,具有良好的散热效果。最后对本文的工作内容及实验结果做总结,同时给出了本次研究所搭建设备的改进思路,以及对多材料3D打印电子产品技术的未来发展前景做出展望。

关键词： 工业物联网   批量认证   移动无线传感器网络   射频识别   安全与隐私  

摘要： 随着物联网(Internet of Things,Io T)的快速发展,物联网技术被应用于越来越多的行业当中。其中,工业物联网(Industrial Internet of Things,IIo T)是当今应用物联网蓬勃发展的一个方向。工业物联网利用物联网技术,致力于实现物联网环境中海量设备之间的通信和海量数据的实时处理,实现对大规模部署的工业生产和制造设备的自动化、可靠控制和管理。对于工业物联网中的大规模设备,从信息安全的角度考虑,除了要保证工业物联网中的数据安全和隐私外,还需要考虑工业物联网系统的认证安全和效率。也就是当在网络中对低成本的、资源受限的设备进行大规模的部署时,如何提高系统对合法实体的认证效率是工业物联网中认证协议的一个重要研究方向。无线射频识别(Radio Frequency Identifcation,RFID)标签和传感器节点低廉的价格正满足了工业物联网中大规模部署设备的需求。RFID系统和无线传感器网络中的身份认证作为工业物联网安全的第一道屏障,也面临着许多安全挑战。 在本文中,我们首先对大规模RFID系统和移动无线传感器网络(Mobile Wireless Sensor Network,MWSN)的应用场景的架构和安全需求进行了研究,介绍了已有的相关RFID认证协议和移动传感器网络中的重认证协议,研究已有协议在效率和安全性上的不足。为了满足工业物联网中对大规模设备高效的管理与认证,我们提出了一个适用于大规模RFID系统的轻量级批量认证方案和一个基于层次化的移动传感器网络模型的批量重认证与密钥协商方案。本文的主要工作如下: (1)针对工业物联网中静态的大规模的RFID系统的高效认证问题,本文提出了一种基于中国剩余定理(Chinese Remainder Theorem,CRT)的轻量级RFID批量认证协议。基于中国剩余定理的RFID批量认证协议利用同余方程组的结构,为标签生成相应的秘密信息,标签无需进行复杂的运算即可完成与阅读器和后台服务器的认证,降低了标签的开销。后台服务器和阅读器将一组同余方程的解作为组密钥,使用组密钥实现对一批标签的批量认证,在提高系统认证效率的同时降低了后台服务器与阅读器之间的通信开销。本方案还提供了对标签身份的灵活加入和撤销的功能,并在每轮认证结束后,对服务器、阅读器和标签端存储的认证信息和共享密钥进行更新,满足了RFID认证系统的前后向安全性。 (2)针对工业物联网中动态的大规模的移动传感器网络中的重复认证带来的安全风险和资源浪费问题,本文提出了一种基于层次化的移动传感器网络模型的批量重认证与密钥协商协议。基于层次化的移动传感器网络模型的批量重认证与密钥协商协议基于椭圆曲线密码学(Elliptic Curve Cryptography,ECC),利用椭圆曲线上运算的线性结构,实现对一批移动的传感器节点的批量认证,提高了系统的认证效率。基于椭圆曲线Diffe-Hellman(Elliptic Curve Diffe-Hellman,ECDH)秘钥交换,该协议实现了一个传感器集群中的中心节点与移动传感器节点之间的批量会话密钥协商,提高了系统的效率,降低了移动无线传感器网络的计算开销、通信开销和能量开销。 (3)我们还对本文提出的认证协议进行了安全性分析和BAN逻辑证明,本文提出的针对大规模RFID系统和层次化的移动传感器网络的批量认证方案满足工业物联网中大规模系统的安全要求。我们还对本文提出的针对大规模RFID系统和层次化的移动传感器网络的批量认证方案进行了性能上的分析和仿真,相比现有的方案,我们提出的方案拥有更高的认证效率和更低的系统开销。

关键词： Radiofrequency identification   Radio frequency   Receiving antennas   Loaded antennas   Energy measurement   Temperature measurement   Reflector antennas   Mutual coupling   passive RFID technology   UHF RFID uplink optimization   wireless power transfer  

摘要： Radio frequency identification (RFID) technology, and in particular the passive UHF (ultra-high frequencies) standard, is developing strongly with the emergence of cognitive sensor networks and especially the Internet-of-Things. A significant indicator of this evolution is that tags are increasingly equipped with new capabilities: in addition to the identification functionality, there are, for example, those of sensor or actuator. In this context, the energy requirement at the tag level, known as augmented tag, is clearly increasing. Consequently, on the one hand, reading distances can be limited (the energy received is shared between the different components of the augmented tag) and on the other hand, to overcome the problem, semi-passive solutions (on-board battery to power the active electronic circuits) are proposed at the expense of the decisive advantage of the passive nature of the tags. It is therefore necessary to find alternative solutions to optimize the energy transfer between the reader and the tags. The concept proposed here is to target a particular tag, the one being queried, and to exploit the tags in its vicinity as reflectors in order to converge a maximum of power transmitted by the reader on the "target" tag. The paper uses an adapted mathematical formalism to evaluate the total power that can be received by a target tag as a function of the tags in its neighborhood: the impact of their relative position and of the load impedance of the reflector tags is analyzed and illustrated by simulations.