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集装箱电子标签系统的若干关键技术研究

曹小华  
【摘要】: 采用射频识别技术记录集装箱运输中的物流信息,对集装箱运输的物流和信息流进行实时跟踪,不仅能消除集装箱在运输过程中可能产生的错箱、漏箱事故,而且可以加快通关速度,提高运输的安全性和可靠性,提高集装箱码头的整体效率和服务水平。集装箱电子标签系统的应用环境复杂、技术难度大、各项技术要求、工艺性指标、功能性需求都远高于其他领域。本论文通过理论分析、建模仿真、实际测量等研究方法,研究了电子标签在集装箱物流中应用急需解决的若干关键技术。 首先分析了RFID(Radio Frequency Identification)系统研究与开发过程中应用到的主要理论基础。从电磁波传播理论出发,在天线电流元模型的基础上,分析了利用电磁波通信时的远场条件和近场条件,推导了天线远场辐射的能量传输公式,探讨了天线噪声特性以及射频识别耦合通信方式的特点。 接着分析了集装箱RFID系统的应用环境,电波传播方式和特点,利用地面反射损耗模型分析了仓库、装箱点等处的电波传播特性,建立了集装箱RFID电波衍射损耗模型,实测表明,该模型能较准确预测电波的路径损耗。并在该模型的基础上,仿真分析了系统最大识别距离、发射功率、极化方式、读写可靠性之间的关系,为射频识别系统的设计提供理论依据。还分析了多径传播和金属干扰对集装箱RFID系统的影响,给出了可以忽略多经时延和多普勒效应的理论依据,提出了解决集装箱RFID系统中金属干扰问题的技术措施。 再接着分析了CY(Container Yard)to CY和CFS(Container Freight Station)to CFS两种集装箱生产工艺流程,指出了在集装箱物流过程中电子标签的读写具有离散性、固定性和特殊性。总结出了集装箱电子标签低功耗策略及其优化方法,提出了一种无源激活机制及其实现方案,并给出利用无源激活机制解决道口邻道干扰与定位问题的技术方案。分析了定时激活机制和无源激活机制下的电子标签功耗与实时性,据此提出了一种新的基于双激活机制的通信模式。实验证明,这种双激活机制较好地满足了集装箱电子标签系统的性能要求。 然后针对集装箱电子标签发生冲突的特点,重点分析了常用的时隙ALOHA法,引进马尔可夫链对其识别过程进行建模,得出系统成功识别率与时隙数、标签数量之间的关系。针对时隙Aloha算法在标签数量较大或未知时,冲突概率增加,成功识别率急剧减小的特点,提出了基于子集划分与动态匹配机制的防冲突算法。仿真分析表明,该防冲突识别算法具有自适应的优点以及较高的识别效率和成功率。 最后,在前面几章研究分析的基础上,结合实际工程应用,从硬件和软件设计两方面,对集装箱固定式读写器关键技术进行了研究与开发。给出了固定式读写器的总体设计方案,对读写器的几个关键部分给出了设计思路和具体实现方法,并对读写器工作性能进行了实测验证。 解决以上几项关键技术,可以增强集装箱RFID系统的可靠性,提高电子标签的识别速度,延长电子标签的使用寿命,降低系统应用成本。


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