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关键词： RFID定位   高速基带电路   共模滤波器   射频电路  

摘要： 随着RFID定位技术的研究和应用,RFID定位系统对于基带和射频电路提出更高的设计要求,本文设计和研究了应用于RFID标签定位系统的基带和射频电路,在高速基带单元、吸收式共模滤波器、射频前端电路这三个领域中,论文的主要工作有: 1.设计和实现了一款功能丰富的高速基带单元。这款高速基带单元使用ARM MCU和FPGA作为主控核心,采用USB3.0作为高速数据接口,百兆网口作为长距离传输接口,具备低相噪低杂散的时钟单元,低功耗高性能的高速数模/模数转换器,以及高速大容量数据缓冲单元。实测表明,高速基带单元的各种功能与预期一致,且信号完整性得到较好保障,数字电路的时序满足要求,各模块工作状态良好。 2.提出并实现了一种新颖的应用于高速数字差分电路中的宽带吸收式共模滤波器,这种共模滤波器采用四分之一波长微带和槽线谐振器的混合结构实现了较好的共模抑制性能。本文建立了奇偶模等效电路,详细分析了工作机理。仿真和实测结果一致,测试表明所提出的吸收式共模滤波器的反射式共模抑制带宽覆盖1.43 GHz～3.39 GHz,相对带宽为81.33%,吸收率大于90%的共模抑制带宽覆盖1.55 GHz～2.65 GHz,相对带宽为52.38%。眼图测试表明,7 GSPS的符号速率下,所提出的吸收式共模滤波器依然能保持较好的差模传输性能。 3.设计和实现了开发自由度较高的新一代RFID定位系统射频子系统。这款射频子系统收发链路采用零中频和超外差复合结构,工作频率为400 MHz～6 GHz,多天线设计支持天线分集和MIMO技术的实现,奠定了定位系统的射频硬件基础。 综上所述,本文的工作有助于高性能RFID定位技术的实现,具有较好的应用前景。

关键词： Resonant frequency   RFID tags   Harmonic analysis   Substrates   Encoding   Shape   Costs   Chipless RFID tag   cross polar   human body   orientation insensitive   dual layer   wearable  

摘要： work presents a cross-polar dual-layer chipless radio-frequency identification (RFID) tag based on a ladder-shaped resonator design. An integrated ground plane enables direct attachment to human skin without performance deterioration. Simulations show that the ladder-shaped resonator provides several advantages over traditional L-shaped and straight resonators, including a strong cross-polar radar cross section (-23.4 dBsm), third-order harmonics, orientation insensitivity, and compact size (0.062 ?(2)). The effects of the ground plane shape on the surface current distribution are investigated, and a circular tag of 20 mm radius is designed using ladder res-onator groups and frequency shift encoding to provide an active area of 96.45 bits/?(2) and a unit frequency of 6.03 bits/GHz. The tag substrate is three-dimensionally (3D) printed with metallic resonator patterns that are subsequently screen-printed on the substrate. The maximum read range is measured at 40 mm using a cross-shaped, dual-polarized Vivaldi antenna connected to a network analyzer. The measured characteristics in free space are in good agreement with the simulation results, and practi-cal on-body performance tests for the manufactured prototype using simulation and direct measurements indicate that the tag performance remains stable for both free space and on-body cases. The fully printed fabrication process makes the proposed tag design suitable for mass production at a low cost.

关键词： 分布状态   互耦效应   射频识别   介质环境   功率传输系数  

摘要： 射频识别(RFID)技术能够实现阅读器与标签间无接触式的数据通信,从而被广泛应用于社会经济发展中的各个领域。但是随着超高频RFID系统应用场景越来越复杂,多标签的分布状态也趋于多变化,对RFID系统性能影响的因素也逐渐趋于复杂化。实际应用场景中,一方面,介质环境会对标签天线产生非线性干扰;另一方面,随着标签间距的变化,多标签间的互耦效应会导致标签天线阻抗的变化,从而影响标签的读取性能。上述因素会对RFID系统产生显著影响,如标签功率传输系数降低、标签工作频率偏移、系统读取性能降低等。研究上述问题,对多标签布放在复杂环境下的RFID系统性能的研究、标签天线的设计以及RFID技术的应用推广具有重要的理论和实际意义。 首先,基于电磁学理论详细分析了标签分别处于稀疏和密集分布状态时的RFID系统的前后向链路模型,并结合Friis传输方程和变压器模型分别推导了天线位于彼此辐射近场区和远场区时的互阻抗公式,进而推导了不同分布状态下的功率传输系数公式。针对分布状态改变时标签性能变化的问题,基于加载条匹配原理提出了适用于分布状态改变情形的标签天线设计方法,仿真实验结果表明,该方法可以同时满足标签在不同分布状态下的使用条件。 其次,基于镜像原理,建立了金属环境下标签天线的阻抗模型,针对介质环境对标签性能产生影响的问题,分别推导了金属和液体环境下多标签的功率传输系数公式。并通过HFSS仿真分析了不同介质环境对标签性能的影响,仿真结果表明,泡沫环境对标签天线的阻抗影响很小,金属和液体环境以及标签间的相互耦合作用会影响标签天线与芯片的阻抗的共轭匹配,从而导致标签的功率传输系数变化。基于开路短截线的微带天线,设计了一款可应用于金属环境下的标签天线,并通过仿真实验测试验证了所设计的抗金属标签天线的性能,测试结果表明,所设计的标签天线-3d B带宽为863MHz～940MHz,能够满足在金属环境下的应用需求。 最后,在微波暗室和空旷的室内环境下,利用YND3002阅读器测试分析了多标签分别布放在金属、液体和泡沫环境下时,标签分布状态改变对RFID系统性能的影响,实验结果验证了前文中的理论和仿真分析,同时为多标签应用在介质环境时性能变化的研究提供了参考依据。

关键词： 无线应变传感   射频识别技术   微带天线   变分贝叶斯推断   数据建模  

摘要： 结构健康监测是土木工程领域的重要研究方向之一,对保障工程结构安全高效运营至关重要。通过先进传感技术获得的各类结构响应数据是进行结构健康监测研究的重要基础,其中应变响应包含着丰富的结构状态信息,是结构状态识别和性能评估的关键性指标。传统的应变传感技术大多是有线测量方法,存在布线冗长、装置复杂、成本高昂等局限性,而基于射频识别(Radio frequency identification,RFID)技术的应变传感方法,通过高频电磁波空间耦合实现测量装置和接收装置的无线通信,可以实现非接触式信息传输,具有识别准确率高、简单易操作的特点,是实现智能化监测的重要途径。因此,本文基于超高频RFID技术研究了结构无源无线应变传感方法,具体有两种思路,第一种思路提出了基于半被动式标签的集成式RFID应变传感器,它将惠斯通电桥的电信号转化为射频信号实现应变的无线测量;另一种思路提出了基于被动式标签的无源RFID微带天线应变传感器,它利用天线谐振频率与应变的线性关系实现应变的无源无线测量。在各种材料和结构上测试分析了两种RFID应变传感器在的实际工作性能。进一步基于RFID应变传感器的实验测量数据和大型工程现场实测响应数据,通过变分贝叶斯推断方法开展结构健康监测数据建模研究,结合线性回归和逻辑回归算法分别得到结构响应的精确估计和结构状态识别结果。本文具体的研究内容如下:(1)基于半被动式RFID标签,设计了集成式RFID应变传感器,由惠斯通电桥负责传感信号发生,由标签芯片负责模数转换和无线数据通信。本研究针对传感器采集精度不高的问题,通过在标签信号读取前端增加信号放大装置提高应变传感精度。此外改进了传感器数据采集系统,使阅读器可实现自动化记录储存数据。设计的集成式RFID应变传感器精度高、适应性强,在铝合金梁、钢筋混凝土梁、混凝土结构柱等多种实验场景中测试了应变传感性能。(2)基于被动式RFID微带天线标签,自主设计了完全无源无线的RFID应变传感器,利用天线的谐振频率与其应变的线性关系来实现应变表征,谐振频率的获取则是通过阅读器读取标签的阈值功率完成。本文通过HFSS软件设计优化了具有短路短截线结构的微带天线,使其与芯片达到阻抗匹配,提出了边缘开槽的形式实现了微带天线的小型化设计。在COMSOL多物理场模拟软件中模拟了天线的力学变形并扫描了谐振频率,证实了其谐振频率与应变的线性关系。加工所设计的微带天线实物并焊接射频芯片,并在钢板、铝合金梁、混凝土梁上分别测试了其应变传感性能。(3)基于RFID应变传感器实测结构响应数据和大型实际工程现场结构健康监测数据,通过变分贝叶斯推断方法开展结构响应数据建模分析。利用变分贝叶斯线性回归算法对获取的应变实测数据进行回归建模,得到最优数据模型和精确回归结果,并基于贝叶斯线性回归模型开展应变响应预测。此外,开展了基于变分贝叶斯逻辑回归的数据分类,针对不同结构状态和外部激励下的监测数据,通过变分贝叶斯逻辑回归算法对其进行训练学习和特征提取,得到高精度的结构响应分类和损伤状态识别结果。研究成果可为结构安全运营与适时维护提供科学支撑。

关键词： 射频识别   UHF频段   近场   读写器天线   宽带   读写区域可调   均匀磁场分布  

摘要： 射频识别（Radio frequency identification,RFID）系统广泛应用于供应链、物流及图书管理。基于磁场耦合的超高频（Ultra high frequency,UHF）RFID近场系统因具有读取速度快、环境适应性强、能够检测大量标签的优势而越来越受到人们的关注。读写器天线作为RFID近场系统中的关键部件,其性能影响着读写器和标签之间能量和信息的传递。在UHF频段,为了满足不同国家制定的RFID频段标准,读写器天线首先需要具备较大带宽。其次,需要产生较低的远场辐射并且限制其磁场分布来避免标签误读。然后,为了满足不同的应用需求,需提供较大且可调的读写区域。最后,应提供强而均匀的近场磁场分布,以确保读写区域不漏读标签。本文针对以上需求,开展了相关研究,主要研究内容和创新之处如下: （1）提出了读写区域可调的宽频带近场读写器天线。该天线由两路反相功率分配器和近场辐射单元构成。两路反相功率分配器是基于双面平行带状线（Double-sided parallel stripline,DSPSL）设计而成,能使馈电部分获得更稳定的3d B功分比和180°相位差。近场辐射单元是基于两条对称的弯折微带线和加载于地平面上的互补开口谐振环（Complementary split ring resonator,CSRR）组成,能使天线获得强而均匀的近场磁场分布。此外,可以通过调整近场辐射单元的数量对天线的读写区域进行调整。仿真和测试结果表明,该天线10-d B的阻抗带宽为50-1025MHz,相对带宽为128%,可有效覆盖全球通用UHF RFID频段。此外,当近场辐射单元数为10时,天线的最大读写区域可扩展至731×120 mm2。 （2）提出了两款具有均匀磁场分布的大面积近场读写器天线。本文研究并分析了“交指型反向电流对”的近场特性。基于此,首先提出了基于弯折微带移相的近场读写器天线。然后,为了进一步提高近场磁场强度,提出了基于T形集总单元移相的近场读写器天线。仿真结果表明,两款天线不仅具有均匀的近场磁场分布,而且读写面积可调。最后,对基于弯折微带移相的3单元天线进行实物加工及测试。结果表明,该天线在距离天线表面垂直高度10 mm处具有110×445mm2的读写面积。此外,当基于弯折微带移相天线的辐射单元数为6时,天线的最大读写面积为820×110 mm2;当基于T形集总单元移相天线的辐射单元数为7时,天线的最大读写面积为820×120 mm2。与同类型近场读写器天线的最大读写面积相比,本文所设计的两款天线的读写面积分别是其1.2倍和1.3倍,表明两款天线的读写面积具有较大优势。

关键词： 高校图书馆   空间布局   服务体验   射频识别  

摘要： 如今网络科技迅速发展，传统高校图书馆的功能被新技术取代，因此图书馆的发展和变革势在必行。图书馆智慧转型概念的提出，让传统高校图书馆的发展危机消失，给予了高校图书馆新的发展方向。因此，在科技时代背景下，对高校图书馆发展转型问题进行分析具有巨大的实用而战略意义。　　本文的主要工作为:通过问卷调查和访谈两种调研方式，对河北某高校进行调研，主要对学生们的入馆频率，不爱去图书馆的原因，吸引其入馆读书的原因，图书馆的空间布局，服务体验以及希望在图书馆体会到的服务等问题进行问卷调查，并对馆员进行访谈，了解该图书馆人员的构成情况，培训情况以及该图书馆现有的技术支持情况。发现该图书馆无法完全满足读者阅读需求，智能设备投放不足，空间布局需要优化，读者服务体验不佳，馆员结构不合理，RFID系统应用不足等一系列问题，针对调研到的问题给出了具体的解决方法。并且利用RFID技术为该图书馆构建较为完整的图书借阅系统，结合国内外学者的研究成果给出该技术实现的具体方法，有效提升了读者的借阅体验。并在系统的普通用户模块实现了更加准确的图书推荐算法，指出原有协同过滤推荐算法的不足，给出协同过滤推荐算法融入时间因素的优化方案，从而筛选出更加准确读者兴趣合集。

关键词： RFID   tracking   particle filter   phase   portable reader  

摘要： In this paper we present GuideAndTrack;a prototype method for guiding a user to any RFID-tagged target. The user is equipped with a handheld RFID reader, which measures the phase of RFID tags placed at known positions in the map. Motion of the user is captured by estimating the Rate Of Change (ROC) of the collected phase measurements along discrete time-slots;i.e., null rate implies zero radial vector with respect to the corresponding tag, while negative/positive rates signify approaching towards or moving away from the corresponding tag respectively. The phase ROC represents an advantageous metric for accurate localization, since it can be easily measured in any given time-slot and does not necessitates knowledge of the prior state of the reader-to-tag link. The proposed method, initially estimates the direction of motion of the user, by sorting the estimated phase-ROCs from the surrounding tags during one's translational motion, guiding one to the desired target. Then, the position of the user is accurately estimated by feeding the estimated phase-ROCs in a particle filter. The proposed method has been experimentally verified in two cases;one by deploying a robot, in order to acquire the ground truth of the moving "user" and another case, where a human held a portable RFID reader. In all cases, the method performed well, guiding the user to the desired target, while estimating one's pose accurately. Characteristic results and comparison with prior art are presented herein.

关键词： 档案智能化管理   RFID技术   系统设计  

摘要： 近年来,随着信息量的迅速膨胀,档案馆所管理的档案种类、库存总量逐年增多,导致传统依靠人力管理档案的方式在效率和准确性上已经不能满足现在档案管理的需求。射频识别技术(RFID)具有非接触式识别和同时快速对多个标签进行扫描的优势,能够解决传统的档案管理系统中存在的人工操作速度慢、难以对档案进行盘点的问题。 本文提出并实现了一个基于RFID的档案管理系统,利用RFID定位技术对档案出入库进行记录并对库存档案进行盘点。本文首先分析了传统档案管理系统中存在的问题,提出了应用RFID技术解决问题的方案,并且分析了RFID技术的优缺点。之后本文又着手于对档案管理系统进行需求分析,其中包括功能性需求和非功能性需求两个方面,又从技术、管理、经济三个角度分析RFID技术在档案管理系统中应用的可行性。 随后本文实现了档案管理系统设计,完成系统整体架构、数据库、各系统模块以及核心功能的设计。监控模块主要实现档案入库出库的自动记录功能,其中的核心功能是RFID标签定位功能,本文设计了一种利用RFID接收信号强度的基于LSTM神经网络的档案出入库预测算法,能够准确预测出档案出入库状态。考虑到在档案管理过程中存在折返的情况,本文在此基础上设计了一种基于角度和时间差的RFID标签定位算法,能够避免出现折返而导致结果错误的情况。整理与盘点模块主要对库存档案进行盘点,把接收到的相位角度作为识别标志来判断档案排列顺序,将排列结果与数据库中的数据比较来判断档案排列顺序是否出现错误,从而实现对大量档案的自动化盘点。整理与盘点模块的核心功能是高吞吐量盘点功能,本文设计了一种分组动态帧时隙ALOHA防碰撞算法,其中应用LSTM神经网络准确预测帧长,能有效防止在同时对大量档案进行盘点时标签之间发生碰撞现象,将RFID接收到的信号分布得更均匀。然后对档案监控模块和档案整理与盘点模块在硬件层面和软件层面进行实现,同时对核心功能进行实现。最后,对本文的系统功能进行了测试,测试结果表明本文设计的档案管理系统能准确的对档案出入库进行预测,档案出入库预测准确率达到100%;并且在提升档案盘点排序效率的同时,提升准确率达到97.6%;同时各个模块中的软件可行性也通过测试,可以满足现阶段档案管理系统的需求。 通过测试,本文提出的档案管理系统可有效实现预期需求功能,把人力从枯燥重复的劳动中解放出来,有助于实现档案馆的现代化建设。

关键词： RFID   电子标签芯片   数字基带   低功耗  

摘要： 随着RFID技术的发展,RFID的应用领域不断的扩展。从最开始只应用军事领域到现在广泛应用于智能交通、物流管理、防伪、公共安全等各个领域,这对电子标签芯片的性能要求越来越高。数字基带是整个电子标签芯片的核心处理单元,其功耗可达电子标签的40%以上,数字基带的性能直接影响到整个标签芯片的性能。对电子标签芯片的数字基带部分进行低功耗设计显得尤为重要。 在协议方面,国外的超高频RFID系统的发展较早,技术水平先进,行业标准完善,在RFID系统上他们拥有自主协议标准。而我国的高频RFID系统的研究虽然取得了一定成就,但是还存在不少问题,比如行业标准不完善、应用领域受限、安全性不足等。《信息技术射频识别800/900 MHz空中接口协议》的推广实施才使得目前国内超高频RFID研究形式有所好转。本文根据国标协议,提出一种数字基带架构,具有功耗低、面积小的特点。本文做的具体工作如下: 1、根据国标协议提出一种低功耗数字基带架构。数字基带采用了多时钟管理、门控时钟、复用电路、操作数隔离、异步计数器等低功耗手段进行设计。对数字基带各个模块以及整体功能进行前仿验证以确保数字基带符合国标协议。 2、为了保证设计的可行性,对数字基带进行了DC综合、布局布线、后仿验证以及功耗分析。 数字基带使用GSMC 0.13μm工艺,经过DC综合、布局布线等后端物理设计之后,得到数字基带版图面积为52682mm2,总单元个数为2707个,通过功耗分析得到数字基带功耗为2.57μW。本文所设计的数字基带基于国家自主标准,功耗较低且面积较小。