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关键词： 辅助技术   呼吸监测   信号处理   RFID   文本输入  

摘要： 全世界有上千万人患有神经肌肉系统疾病,如运动神经元病、中风、脊髓损伤以及多发性硬化症等。这些疾病可导致患者全身瘫痪,甚至出现语言障碍,严重情况下病患无法使用语言或者肢体动作表达意图。这些患者往往具备自主控制呼吸的能力,因此研究人员开发了各种基于呼吸的辅助沟通技术来辅助患者与外界交流。现有的基于呼吸的辅助沟通方案主要采用两种思路:第一种思路是利用呼吸控制光标从屏幕上选择字符作为输出,这类方案定制化较强,普适性较差,瘫痪的盲人用户无法使用这类技术;第二种思路需要预先存储少量的句子,并利用特定的呼吸模式驱动系统输出对应的句子。这类方案只允许用户表达预先定义的句子,用户不能自由表达意图。 针对现有的基于呼吸的辅助沟通技术存在的问题,本文采用无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)设备作为感知呼吸的手段,探索利用呼吸进行信息表征的多种机制,并设计相应的信号处理方法以解决呼吸信号特征的检测和识别问题。本文的主要工作包括: (1)研究基于呼吸强度信息的辅助沟通方法。设计了一种利用呼吸的强度信息进行信息表征的方法。该方法使用“呼气”+“吸气”代表1比特信息,并根据呼吸的强度信息来区分码元‘0’和‘1’。提出了一种基于极值序列的特征提取(Feature Extraction based on Extremum Sequence,FEES)算法用于提取信号的强度特征。该方法能够以递归的方式过滤假阳性点,拥有较低的复杂度。采用证明以及仿真的手段展示了该方法的抗基线漂移性能和抗噪声性能,并给出了滑动窗宽度的约束条件。构建了一种呼吸控制模型,用于刻画用户在控制呼吸时的施力策略,并基于该模型推导了基于递归处理的解码方法。实验结果表明该方法能够获得平均92.22%的识别准确率,以及1.42个单词/每分钟(Words Per Minute,WPM)的输入速度。 (2)研究基于呼吸动作信息的辅助沟通方法。针对研究内容1中信息表征效率比较低的问题,设计了一种利用呼吸的动作信息进行信息表征的方法。在该方法中,“呼气”和“吸气”各代表1比特信息,并利用“屏气”动作切换码元状态。提出了一种称为双通道跟随-保持-泵送(Dual-Channel Follow-Keep-Pump,DFKP)的递归处理算法,用于从预处理后的信号中提取通道信号,并利用通道信号的一阶差分特征来识别吸气和呼气动作。此外,推导了DFKP算法的两个重要性质,可用于检测屏气动作和计算瞬时呼吸周期。系统可以利用瞬时呼吸周期自适应地调整相关参数,从而对呼吸速率的动态变化具有一定的鲁棒性。整个方案无需存储信号的历史数据,具有轻量化、低复杂度的特点。采用仿真的手段验证了该方法的抗噪声性能,采用实测实验检验了系统的可靠性。综合实验结果表明该方法能够获得平均95.14%的识别准确率,以及1.86WPM的输入速度。 (3)研究基于呼吸节拍信息的辅助沟通方法。针对研究内容2中信息表征效率低的问题,设计了一种利用呼吸的节拍信息进行信息表征的方法。在该方法中,一次完整的“呼气”或“吸气”过程称为一拍,代表码元0。半拍“呼气”+半拍“吸气”代表码元1。定义了“势”的概念,并将呼吸节拍信息的检测问题,转化为“势”的端点检测问题。提出了基于流式处理的趋势端点提取方法(Extraction Method for Endpoints of Trend,EMET)用于提取呼吸的波形特征,利用呼吸控制模型识别动作类型,最后使用提出的递归解码器检测节拍信息实现解码。整个算法过程简单,无须存储历史数据,具有一定程度的抗噪性。实测实验结果表明该方法能够获得平均94.95%的识别准确率,以及2.13WPM的输入速度。

关键词： RFID   认证   云计算   椭圆曲线   RSA   BAN逻辑定理  

摘要： 射频识别(RFID)技术是随着物联网的发展而迅速发展起来的一种识别技术,其主要是利用无线射频技术实现数据的传播或者读写。近年来,许多基于单项哈希函数等轻量级的RFID认证方案被提出,但随着物联网的发展,基于单项哈希函数的RFID认证方案不能满足现在网络的安全需求,于是,人们开始研究基于对称密码体系和公钥密码体系的RFID认证方案。而在传统的RFID认证方案中,云服务器的使用并不普及,但随着物联网的飞速发展,RFID系统中的用户数量飞速增长,这给传统的后端数据库增加了大量的储存数据和计算数据,使得对于数据库的维护成本大大提高。针对这些问题本文将对RFID认证方案做研究,提出了两个新方案,主要的研究工作如下:(1)本文提出了一个基于云服务器的RFID认证方案。首先,该方案使用云服务器替代传统的后端数据库对数据进行储存和计算,从而提高整个方案的运算效率以及降低对数据库的维护成本。其次,方案使用的是椭圆曲线密码体系,这可以保证用户的隐私安全,同时也能抵御各种针对RFID系统的攻击。最后,用BAN逻辑定理对方案进行了安全性证明,并进行了安全性分析和效率比较。(2)本文提出了一种基于RSA的RFID认证方案。首先,本方案使用的是RSA密码体系,RSA的安全性依赖于其中的大素数是难以分解的,所以,该方案拥有足够强的安全性。其次,对该方案进行了安全性分析,以证明该方案拥有足够的安全性,可以抵御针对RFID系统的攻击。最后,基于RSA的RFID认证方案还没有被广泛提出,该方案有足够的创新性。

关键词： Radiofrequency identification   Directive antennas   Antenna measurements   Estimation   Hardware   Antennas   Phased arrays   RFID localization   direction of arrival   antennas   leaky-wave antennas  

摘要： This work proposes a novel system for location applications of RFID tags in UHF band. The system is based on a frequency-scanning leaky-wave antenna (LWA), commodity hardware and Angle-of-Arrival (AoA) estimation of the signal reflected from RFID tags, by using only RSSI (Received Signal Strength Indicator) data. The LWA is completely passive, manufactured in simple printed technology and directly connected to the RFID reader. The dispersive nature of the LWA combined with the selection of a proper high permittivity substrate allows the radiation of frequency steered directive beams. The system is based on four directive beams created by the two-port antenna and two RFID channels to estimate the AoA by amplitude-monopulse signal processing and angular pseudospectrum technique. Thus, our approach is efficient, simple and low-cost, since the use of expensive or complex hardware required for electronic phased-array steering/beam-switching is avoided and the required computational load is low. Several experiments have been performed in different scenarios, reporting a wide FoV of 130 degrees, multi-tag detection and a RMSE of 8,1 degrees.

关键词： 射频识别   RFID读写器   载波对消   射频前端  

摘要： 随着电子通信技术的不断发展,人们正逐步进入万物互联的时代。物与物的互联即物联网技术的发展,让作为其关键技术之一的RFID技术有了更广阔的应用前景。为了适应更广阔的应用场景,例如仓库物流管理这样的需要大范围识别标签的场景,必须研究更高性能的RFID读写器,本文基于EPC Global UHF C1G2标准,研究并设计了一款工作频段为902MHz～928MHz的新一代RFID读写器,其能够远距离识别标签、并且读取成功率高。本文的主要工作有:1.确定了新一代RFID读写器的系统方案。读写器分为天线、基带控制模块、射频前端模块和载波对消模块。天线采用分集技术以提高标签读写成功率。基带控制模块采用了高性能的MCU与FPGA相结合的构架。射频前端模块中接收机采用零中频兼容超外差的架构以提高对消完成判断精度。载波对消模块使用矢量调制和单端反射式电路,它可以抑制RFID系统的载波泄露、提高接收机的灵敏度,增加读写器的标签读取距离。根据方案设计,完成了各模块的芯片选型并根据各芯片的数据手册,进行了整体收发系统链路预算。2.完成了RFID读写器射频前端模块和载波对消模块的设计与实现。主要包括原理图设计、PCB版图绘制、结构件设计。3.完成了RFID读写器硬件控制软件的编写,包括链路各芯片的底层软件驱动,以及整个系统的上位机程控软件。4.完成了RFID读写器的调试与链路参数测试,测试结果显示,射频前端模块能够长时间稳定工作且上位机控制功能可靠,指标满足标签远距离读写的要求。本文设计的新一代RFID读写器能够适应大范围内的标签识别,且能够上位机程控实现对链路参数的展示,为后续相关研究提供基础。

关键词： RFID技术   互联网技术   故障诊断   分布式   振动监测  

摘要： 随着交通运输整体水平的快速发展,人们对交通运输的安全性更为关心,铁路运输作为覆盖范围广且运输能力强的运输方式,保证其安全稳定运行具有非常重要的意义。轮对作为列车轮轨结构中的关键部件,进行轮对的实时状态监测是防止故障发生并提升列车安全性和稳定性的重要手段。本文以轮对振动加速度信号为基础,结合RFID技术和互联网技术,实现轮对状态的实时监测和故障诊断。本文首先分析了国内外列车监测系统的研究现状,并研究了监测系统中常用的技术内容,确定了系统的技术方向并进行了系统的整体描述和需求分析,明确了系统的总体结构框架。在总体结构框架的基础上对硬件平台进行了选型和电路设计,并对硬件的功能进行了阐述。根据总体框架将系统软件平台分为上位机监测系统、云端服务器系统和手机远程监测系统三部分,上位机监测系统将硬件采集的数据信息发送至云端服务器系统,使上位机和手机远程监测系统之间数据共享,实现多终端分布式的数据实时监测。本文对轮对的结构及常见故障进行了描述分析,通过小波包变换对振动信号进行特征提取,并结合粒子群优化BP神经网络算法实现轮对故障的诊断分析。最后进行了监测系统的测试环节,测试结果证明系统能够实现数据的采集、分析、存储和传输等功能,满足了设计要求,实现了列车轮对的振动监测和实时状态监测。基于RFID和互联网的列车轮对振动识别监测系统提高了监测效率,降低了系统的运维成本,保证了列车运行的安全,具有非常广阔的应用前景。

关键词： RFID   ultra-high frequency   electrically large antenna   near-field   dispersion analysis   periodic structure  

摘要： This work proposes an improved electrically large antenna based on segmented loops for near-field radio frequency identification readers. The paper applies dispersion analysis of an equivalent circuit model to optimize the segmented loop geometric dimensions and enlarge the tag detection perimeter of the antenna. The novel application of a coplanar parasitic slot loop is shown to improve the dispersion properties of the segmented loop and expand the read perimeter to more than 3.5 times the free-space wavelength at the operating frequency. Furthermore, using the proposed circuit model, a loop antenna with perimeter equivalent to 3.54 times the free-space wavelength is designed and tested for both bidirectional and unidirectional detection. The fabricated prototype demonstrated an improved read range reaching 25 mm for the bidirectional range and 35 mm-55 mm for the unidirectional operation setup as well as impedance matching at the design frequency (0.915 GHz) located in the North American RFID band from 0.902-0.928 GHz.

关键词： 血袋自动存取装置   控制系统   储位分配   RFID  

摘要： 血液安全事关人民生命安全和社会和谐,是健康中国建设的重要内容。2019年新冠疫情袭来,血液安全面对新的考验。实现血液由入库、存储、出库到取用流程的自动化,对于保证血液安全具有重要意义。因此,本文针对用于临床输血的血液制品,设计一种能够减少人为介入、实现血袋自动存取的装置。本文完成的主要工作如下:1、对血袋自动存取装置进行了结构设计,完成了结构几何模型的建立。考虑到血袋自动存取装置驱动电机的发热对血袋保存区温度的影响,采用有限元软件FLUENT对血袋自动存取装置进行温度场分析,获得存血区温度分布的云图,结果表明,存血区的最高温度为4.3℃,工作温升较小,存血区温度能保持在血袋正常保存温度范围2-6℃内。2、设计了血袋自动存取装置控制系统的硬件和软件部分,实现了对血袋自动存取装置运动部件的自动控制以及血袋的自动存取。完成了血袋自动存取装置的样机搭建。3、针对血袋储位分配进行了研究,结合储位分配原则,确定了血袋储位分配的两个优化目标,即提高出入库效率和储位的稳定性,建立了优化目标函数的数学模型;采用MATLAB对编码、适应度、选择、交叉和变异操作等进行了遗传算法设计,得到较优的血袋储位分配方案。4、通过对血袋电子标签(RFID)和EPC编码规则的研究,采用EPC GID-96编码方案,对EPC编码各字段进行合理分配,设计了以血袋电子标签的EPC编码作为唯一标识。根据功能需求分析,对血袋管理系统的数据库进行了设计,实现了血袋管理系统的主要功能。本文研制的医用冷藏箱的血袋自动存取装置,通过实现血袋自动存取,有效减少血液储存和出入库过程中的人为介入,从而保证血液安全,为推进输血实验室全自动化提供了手段。

关键词： Authentication   Protocols   Security   Servers   Elliptic curve cryptography   Elliptic curves   Privacy   Warehouse management system (WMS)   radio-frequency identification (RFID)   authentication   key agreement   elliptic curve cryptography (ECC)   security  

摘要： Elliptic Curve Cryptography (ECC)-based authenti-cation schemes for the Radio-frequency identification (RFID) environment have emerged as a very safe, secure, and robust candidate of mutual authentication. However, the limited resource availability in a passive tag makes such schemes difficult to realize in practice. Public/private key pair generation, storage, and the computation using those keys are the major bottlenecks towards the faster and efficient design of such schemes. Therefore, we have designed our scheme without using public/private key pairs. We only utilize the Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem (ECDLP) property for the realization of our key-less scheme on the secure elliptic curves. Our scheme is primarily aimed at efficient implementation of authentication schemes in Warehouse Management System (WMS), where the data is stored in local servers. This new idea helps to save the memory space in the tags and the server. Moreover, the computation cost also reduces to a great extent in comparison to other schemes. We have compared our scheme with several other schemes and found it efficient in terms of storage cost as well. The simulation result of our scheme with the popular automated software validation tool, Scyther, shows that it is safe from different possible attacks.

关键词： Tracking   k nearest neighborhood   hidden Markov model   UHF RFID   localization  

摘要： In this paper, an indoor real-time location tracking system is proposed using ultra-high frequency passive radio frequency identification technology. A dynamic k nearest neighbor driven hidden Markov model is developed to track subsequent positions of moving objects by combining static localization with dynamic tracking. Statistically validated regression models are developed to relate the tags' received signal strength indicator and distance, which are iteratively updated over time to accommodate environmental changes. These models are utilized to generate a fingerprint database, which is used by the dynamic k nearest neighbor to estimate the set of potential locations for targeted tagged objects. The probabilistic likelihoods of tags' potential locations based on the current location and the received signal strength indicator(s) are used to construct the hidden Markov model's transition and emission matrixes, respectively. Finally, the performance of the proposed framework is evaluated by a set of experiments given different factors, such as movement pattern and speed. Results reveal that our proposed framework can track objects with an average tracking error as low as 0.36m.

关键词： Chipless radio frequency identification (RFID)   coding   hybrid resonator (HR)   radar cross section (RCS)   windowing technique  

摘要： This study proposes novel design options for a compact passive transponder that incorporates both stepped impedance resonators (SIRs) and rectangular stub resonators in a hybrid approach. The analysis aims to support the progress of chipless radio frequency identification (RFID) technology by overcoming barriers like cost, size, and coding capacity. A step-by-step analysis of the design ensures a 10-bit coding capacity with a physical footprint of 32 mm x 15 mm having -25.66 dBsm of maximum radar cross section (RCS) response. The same has been analyzed at the receiver with a rectangular windowing approach, which enhances the coding capacity and security features of the RFID system. Further, this has been analyzed with Hamming, Hanning, and Bartlett windows to show the effectiveness of the windowing techniques in RFID coding. The performance of the tag is analyzed for different tilt angles and read distances to strengthen the detection accuracy. The hybrid resonator (HR) with windowing analysis is a novel approach to enhance the usage of the transponder by improving the coding capacity, information storage capability, and detection performance in various retail and healthcare domains in the RFID industry.