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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:藍清俊
研究生(外文):Lan, Chingchun
論文名稱:個人近端無線監控系統硬體架構之研製
論文名稱(外文):The Hardware Structure Design Of Personal Area Monitoring System Using RFID
指導教授:林偉誠林偉誠引用關係
指導教授(外文):Lin, Weicheng
口試委員:李長脩潘宗龍林偉誠
口試委員(外文):Lee, ChunshoPan, ChunglongLin, Weicheng
口試日期:2012-06-27
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:個人近端監控系統(PAMS)射頻辨識(RFID)被動式認證機制
外文關鍵詞:Personal Area Monitoring System(PAMS)Radio Frequency Identification (RFID)PassiveAuthenticationSub-1GHz
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隨著人們對於高品質生活的追求、科技快速進展以及精緻工藝興起,各式個人隨身物品如新穎消費性電子產品(智慧手機、平板電腦)、手錶皮包精品、鑰匙以及重要文件資料等等皆具備質輕、體積小以及高附加經濟價值之特性,但易因個人一時疏失而遺落他處或遭偷竊,造成重大財物經濟損失以及重要資料遺失與洩密之困擾。著眼於個人隨身物品自動化監控訴求,未來近身監控系統必須能以無線方式即時地感知個人隨身物品所在位置,並動態地提供適時警示或提醒,且此近身無線感知環境需易於建構與維護,以提供最佳近身監控系統解決方案。本計畫目的為發展以被動式RFID技術為基礎之個人近端監控系統(Personal Area Monitoring System, PAMS),將輕薄且無須電源之被動式電子標籤內嵌於各式個人隨身物品,搭配內嵌嚴密認證協議之微型化讀取器建構一點對點近距離辨識網路,而非如WPAN主動式短距無線通訊技術複雜且耗能之感知節點與網路拓樸架構。
本研究所研製之監控系統符合ISO18000-6C通訊規範,分為sub-1GHz讀取器(interrogator)以及無須電源之EPC Class-1 Gen-2標籤(tag)兩部分,讀取器主要由一嵌入式CPU作為控制指令收發的決策者搭配RFIC發射符合ISO 18000-6C規範之UHF RFID訊號進行辨識功能,標籤則是以銅蝕刻的一般商用電子標籤,用於商業時可以容易的嵌入不含電池的標籤於任何個人物品當中,其特色是讀取器能在室內對個人近身2m範圍內讀取被標記物之標籤;此外,讀取器內建符合ISO 9798-2之三回合認證(3-pass authentication)機制,幫助建立一個簡單的點對點近身識別網路來進行個人物品歸屬辨別,這將使PAMS優於其他主動式技術(如Bluetooth, ZigBee, UWB, Wi-Fi等)所建構而成的系統。為模擬真實監控情境以驗證系統效能,讀取器搭配5.7dBi圓極化天線(Antenna)與1.7dBi線性極化天線以功率最大至1W進行個人近端範圍辨識效能量測。實驗顯示在無阻礙情況下(line-of-sight),篩選出三款標籤測量其讀取範圍與最可靠讀取距離,以及在2m內被嵌入標籤的四種個人物品之讀取效能。
Owing to the fast development of manufacturing, communication and embedded system, the miniature electronic device can now concurrently carry out sensing, computing and wireless communication leading to a variety of applications in wireless personal area network (WPAN). The ubiquitous monitoring of personal valuable belongings, such as the delicate consumer electronics (smart phones and tablets), famous-brand wallets/purses, luxurious watches, signed contracts/documents and a variety of keys, is a new type of WPAN application especially for travelers and tourism. To respond this need, a miniature personal-carried monitoring device with salient features of high connectivity, seamless sensing and tracking and lightweight authentication protocol is developed to form a dedicated communication network in the vicinity of personal area. Hence, in this paper, a brand new hardware framework of low-cost, tiny and power-efficient wireless monitoring system is presented.
The framework of personal area monitoring system (PAMS) consists of sub-1GHz RFID interrogator subsystem and passive RFID transponder subsystem. Compare to other interrogators, sub-1GHz interrogator achieves larger communication range and suffers fewer reflections in the indoor space. The sophisticated commercial transponder can be easily embedded in the personal belongings without any battery inside. In addition, a lightweight three-pass authentication process helps to form a simple point-to-point short-range identification network which makes our monitoring system is superior to other monitoring systems using active communication technologies, such as Bluetooth, ZigBee, UWB, Wi-Fi, and so on. Six experimental scenarios have been developed to demonstrate the performance on identification. By connecting 5.7dBi right-hand circularly polarized commercial antenna and 1.7dBi linear polarized antenna, under 1 watt power limitation, the proposed PAMS has successfully identified all the items within 2-meter range.
摘要i
ABSTRACT ii
目錄iv
圖目錄vi
表目錄viii
第一章 序論1
1.1 研究動機與背景1
1.2 研究目標3
1.3 論文架構6
第二章 無線個人區域網路短距無線通訊技術7
2.1 主動式通訊技術7
2.2 被動式通訊技術12
2.3 認證機制17
2.4 商用模組介紹18
2.4.1 實驗商用模組介紹18
2.4.2 其他商用模組介紹18
第三章 PAMS系統架構20
3.1 硬體架構20
3.1.1 商用硬體規格21
3.1.2 PAMS硬體規格23
3.1.3 PAMS電路解析24
3.2 軟韌體架構33
3.3 系統整合36
第四章 系統驗證與效能分析44
4.1 實驗天線44
4.2 實驗設計與模擬46
4.2.1 標籤配對實驗46
4.2.2 標籤範圍實驗47
4.2.3 最可靠讀取距離54
4.2.4 側邊感測個人物品57
4.2.5 地面感測個人物品59
4.2.6 PAMS天線讀取範圍60
4.3 效能評比61
第五章 結論與未來展望63
5.1 結論63
5.2 未來展望63
參考文獻64
附錄A 軟體程式範例67
圖目錄
Fig.1.1 個人近端監控系統(PAMS)示意圖4
Fig.2.1 Zigbee通訊協定架構圖9
Fig.2.2 ZigBee無線通訊協定之應用範疇10
Fig.2.3 RFID系統架構圖12
Fig.2.4 3-PASS認證機制流程17
Fig.3.1 商用模組操作流程21
Fig.3.2 AWID MPR-1712 22
Fig.3.3 Indy R1000 Dev Platform 22
Fig.3.4 PAMS讀取器電路23
Fig.3.5 PAMS硬體架構24
Fig.3.6 AT91SAM7S256內部方塊圖26
Fig.3.7 R1000 Top Level RF區塊圖 28
Fig.3.8 PAMS硬體架構29
Fig.3.9 DSP控制電路圖31
Fig.3.10 R1000電路圖31
Fig.3.11 R1000前端電路圖32
Fig.3.12 商用模組軟體架構33
Fig.3.13 商用模組介面34
Fig.3.14 PAMS軟體架構35
Fig.3.15 PAMS讀取器通訊架構35
Fig.3.16 PAMS操作流程36
Fig.3.17 PAMS初期介面37
Fig.4.1 ANT-915CPS 44
Fig.4.2 PAMS天線45
Fig.4.3 測試環境與標籤擺放模式48
Fig.4.4 三種標籤使用AWID模組0.25W時最大讀取範圍50
Fig.4.5 三種標籤使用Indy模組0.25W時最大讀取範圍51
Fig.4.6 三種標籤使用Indy模組1W時最大讀取範圍52
Fig.4.7 AWID與Indy模組在0.25W時的標籤接收功率強度53
Fig.4.8 Indy模組在1W時的標籤接收功率強度53
Fig.4.9 天線從側邊感測物品58
Fig.4.10 側邊感測距離58
Fig.4.11 天線從地面感測物品59
Fig.4.12 PAMS讀取範圍測試環境60
Fig.4.13 商用天線與PAMS天線最大讀取範圍61
表目錄
Table 1.1 PAMS模組規格4
Table 2.1 WPAN短距主動式無線通訊技術7
Table 2.2 被動式RFID通訊技術規格13
Table 2.3 實驗商用模組規格18
Table 2.4 其他商用模組規格19
Table 3.1 DSP比較表20
Table 3.2 RFIC比較表21
Table 3.3 R1000電源供應腳位30
Table 3.4 PAMS與商用模組比較43
Table 4.1 ANT-915CPS規格45
Table 4.2 PAMS天線規格46
Table 4.3 實驗標籤篩選47
Table 4.4 頻譜分析儀與功率感測器規格48
Table 4.5 輸出功率由0.25W至1W讀取距離增加百分比49
Table 4.6 商用模組在0.25W的最大與最可靠讀取距離比較表55
Table 4.7 Indy模組在1W的最大與最可靠讀取距離比較表56
Table 4.8 地面感測效能60
Table 4.9 效能比較表62
中文部份
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[2]台揚科技, http://www.mti.com.tw/index_c.php
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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