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集装箱安全设备电子铅封阅读器的研究与设计

作　者: 黄文
导　师: 谢小鹏；周受钦
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 射频识别集装箱安全设备系统电子铅封固定式阅读器
分类号: TP391.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

物流行业的蓬勃发展带来了全球集装箱吞吐量的急剧增长,但随之而来的集装箱盗窃事件的频繁发生和通关效率低下等问题也日益引起人们的关注。传统的集装箱信息识别方式和以机械铅封封锁集装箱门来保证集装箱运输安全的方式已经无法满足现代物流行业迅速发展的需求,只有采用新的技术实现集装箱智能化、安全化才能保证集装箱行业稳步向前发展,而RFID(Radio Frequency Identification Device)技术作为21世纪最有发展潜力的技术无疑成为智能集装箱开发的最佳选择。本课题来源于中集集团中集智能科技有限公司承担的两大科技攻关项目:“十一五”国家科技支撑计划课题“智能集装箱及其系统开发与标准研究”(项目编号:2007BAF15B01)及深港创新圈项目“集装箱电子标签与电子封条关键技术及试点应用”。目前,该公司正致力于集装箱安全设备(Container Security Device,简写CSD)系统的研究和开发。本课题研究的对象即为CSD系统中的固定式阅读器的研究与设计,主要研究内容包括:(1)依据公司项目背景和RFID基础知识,完成了CSD系统的射频部分总体方案设计。对阅读器射频通信冲突—“邻道干扰”现象进行了分析并给出了其解决方案。从电磁学理论基础上阐述了阅读器与电子铅封的工作原理,并对阅读器与电子铅封之间的数据传输方式和数据编码方式进行了分析。(2)根据射频系统总体方案,进行了阅读器的硬件系统方案设计。设计选取Silicon Labs公司C8051F410单片机作为主控芯片,TI Chipcon公司CC2500作为高频芯片,Atmel公司ATA5275作为低频发射芯片。借助Altium Designer 08完成了固定式阅读器各个功能模块的硬件电路设计和PCB设计,并对低频唤醒技术的基本原理和阅读器硬件电路及PCB可靠性设计进行了分析。(3)制定了阅读器与电子铅封之间的高低频通信协议以及阅读器与计算机之间的通信协议。在Silabs IDE开发环境支持下,采用C语言完成了固定式阅读器的程序设计和调试。(4)运用示波器和串口助手对阅读器进行了软硬件联合调试。对阅读器的高低温性能和射频通信距离均进行了测试,测试结果表明阅读器工作温度范围为-40℃~+85℃,高频最大通信距离为110m,低频通信距离范围为3~5m。最后,针对其在堆场闸口、岸桥岸吊两个实际典型应用场合给出了具体解决方案。本课题开发的阅读器采用双频的方式进行通信,通过将其应用到整个集装箱安全设备系统,解决了集装箱运输安全的有效监控,实现了集装箱的智能化管理。根据不同的应用场合本阅读器可方便的实现软硬件功能的扩展,节约了投资成本。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
第一章绪论  13-21
  1.1 课题背景  13-14
  1.2 研究意义  14-15
  1.3 国内外研究现状  15-19
    1.3.1 集装箱安全设备研究及应用现状  15-17
    1.3.2 阅读器国内外研究现状  17-19
  1.4 课题来源  19
  1.5 论文的主要研究内容及结构安排  19-21
第二章集装箱安全设备系统射频部分总体研究  21-33
  2.1 集装箱安全设备系统概述  21-23
    2.1.1 集装箱安全设备系统产生背景  21-22
    2.1.2 集装箱安全设备系统的基本概念  22
    2.1.3 CSD 系统的组成  22-23
  2.2 CSD 系统射频部分总体方案设计  23-25
    2.2.1 工作方式的选定  23
    2.2.2 低功耗解决方案  23-24
    2.2.3 工作频率的选定  24-25
    2.2.4 射频部分总体方案设计  25
  2.3 阅读器射频通信冲突分析及其防冲突解决方案  25-27
  2.4 阅读器与电子铅封之间能量耦合与数据传输  27-32
    2.4.1 CSD 系统射频部分的基本工作原理  27-28
    2.4.2 阅读器与电子铅封之间的能量传递  28-29
    2.4.3 数字调制技术  29-32
    2.4.4 数据编码方式  32
  2.5 本章小结  32-33
第三章阅读器硬件电路设计及实现  33-50
  3.1 阅读器功能需求分析  33-34
  3.2 阅读器硬件总体结构设计  34-35
  3.3 控制部分电路  35-36
    3.3.1 控制芯片的选定及介绍  35-36
    3.3.2 控制部分电路的实现  36
  3.4 串口通信电路  36-38
    3.4.1 RS232 与RS485 串型接口  36-37
    3.4.2 串口通信电路设计  37-38
  3.5 高频通信接口电路  38-41
    3.5.1 高频通信参数设计指标  38-39
    3.5.2 射频芯片CC2500 介绍  39-40
    3.5.3 高频通信接口电路实现  40-41
  3.6 低频通信接口电路  41-44
    3.6.1 低频唤醒技术参数设计指标  41
    3.6.2 低频芯片ATA5275 简介  41-42
    3.6.3 低频唤醒技术原理分析  42-43
    3.6.4 低频通信接口电路的实现  43-44
  3.7 存储模块电路  44-45
  3.8 电源模块电路  45-46
  3.9 仿真调试接口电路及LED 状态指示电路  46
  3.10 阅读器硬件系统可靠性设计  46-49
    3.10.1 减少外部因素影响的措施  46-47
    3.10.2 阅读器PCB 设计  47-49
  3.11 本章小结  49-50
第四章阅读器软件设计及实现  50-68
  4.1 阅读器程序设计方案确定  50-51
  4.2 阅读器软件功能结构分析  51-52
  4.3 阅读器通信协议的设计  52-54
    4.3.1 高频远距离数据链路层通信数据格式定义  53
    4.3.2 低频近距离数据链路层通信数据格式定义  53-54
  4.4 阅读器程序总体流程设计  54-57
  4.5 阅读器程序模块化设计及实现  57-66
    4.5.1 系统初始化  57-58
    4.5.2 串口通信程序的实现  58-60
    4.5.3 指令处理及响应程序的实现  60-62
    4.5.4 高频通信程序的实现  62-65
    4.5.5 低频通信程序的实现  65-66
  4.6 本章小结  66-68
第五章阅读器试验测试与典型应用方案设计  68-80
  5.1 阅读器的硬件调试  68-74
    5.1.1 阅读器硬件调试的基本思路  68-69
    5.1.2 阅读器硬件调试平台的搭建  69-70
    5.1.3 高频通信模块的调试  70-73
    5.1.4 低频通信模块调试  73-74
  5.2 阅读器高低温性能测试  74-75
  5.3 射频通信距离测试  75-76
  5.4 阅读器典型应用方案设计  76-79
    5.4.1 集装箱堆场闸口应用方案设计  77-78
    5.4.2 岸桥与岸吊应用方案设计  78-79
  5.5 本章小结  79-80
结论与展望  80-82
参考文献  82-86
附录阅读器射频模块部分子程序  86-91
攻读硕士学位期间取得的研究成果  91-92
致谢  92

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