專利名稱：：一種基于智能身份識別的電子標識裝置及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領域：
：本發(fā)明涉及了一種短距離低功耗的無線身份識別通信系統(tǒng)的設計方案，給出了基于智能身份識別的電子標識裝置的實例，主要解決了高頻通信條件下的智能無線身份識別的問題，屬于嵌入式系統(tǒng)、無線通信和身份識別的交叉領域。
背景技術(shù)：
：如何準確鑒定一個人的身份，保障信息、資源被有秩序地應用是當今信息時代必須解決的社會問題。由于傳統(tǒng)的身份鑒別方法，如鑰匙、證件等物件身份標識已落伍，尋找能夠支持數(shù)字虛擬技術(shù)的身份認證方法也就成為了身份管理需求產(chǎn)生初期的重要工作。伴隨著基于網(wǎng)絡技術(shù)應用的產(chǎn)生，用戶名/密碼身份識別和驗證方式逐漸占據(jù)了主流。但是，這種方式的安全性一直受到質(zhì)疑。特別是當企業(yè)內(nèi)部應用系統(tǒng)愈來愈多時，記憶如此多密碼無疑給企業(yè)員工帶來了許多負擔。許多用戶為防止忘記這些密碼，經(jīng)常采用諸如生日、電話號碼等容易被竊取的字符串作為密碼，或者把密碼記錄在輕易可以拿到的地方。從技術(shù)角度上看，無論賬號還是密碼都可能會在網(wǎng)絡通信過程被監(jiān)聽，或者被駐留用戶計算機的間諜軟件破解。這給企業(yè)身份管理工作提出了巨大挑戰(zhàn)。比爾*蓋茨曾說過，"在身份識別方面，口令的保護能力已變得微弱，因此我們不能夠依靠用戶名/密碼這種簡單的身份認證辦法。"口令將漸漸成為歷史，并被更安全、更先進、更智能化的新型身份識別技術(shù)所取代。本發(fā)明給出的電子標識裝置是在無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetwork,簡稱WSN)下實現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡綜合了微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡技術(shù)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種先進技術(shù)，網(wǎng)絡中的電子標識能夠相互協(xié)作地進行實時監(jiān)測、感知和釆集網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理，處理后的信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送給上位機以實現(xiàn)身份識別和監(jiān)控。
發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種在無線傳感器網(wǎng)絡中基于智能身份識別的電子標識裝置及其實現(xiàn)方法。該方法構(gòu)建一種高性能低功耗的無線電子身份標識的硬件載體，電子標識的設計和實現(xiàn)不僅在功能上滿足了傳感器網(wǎng)絡的一般的數(shù)據(jù)傳輸，狀態(tài)控制，實時監(jiān)控，自主定位等一系列功能，同時，在系統(tǒng)集成度方面有了很大提高，進一步降低了電子標識的能耗，加強了電子標識的自主定位能力，改進了電子標識的自我性能監(jiān)控和自我維護的方式與方法。最終目的是開發(fā)出高性能，較強自適應能力，極高集成度的片上系統(tǒng)(SoC)。技術(shù)方案作為電子標識裝置硬件載體的ID(本發(fā)明電子標識裝置的命名)電子標識，包括標識器(ID—1)和定位器(ID—2)，集成了高性能微處理器部件，高頻無線收發(fā)部件等多種嵌入式芯片。擁有多功能信息傳遞，高速數(shù)據(jù)信息采集，信號處理，無線數(shù)據(jù)傳輸，高精度自主定位和實時監(jiān)控等多種功能。實用性強，應用范圍廣泛。該電子標識通過多功能綜合化的外圍傳感模塊感知需要觀察的信息量，并自動傳入內(nèi)部的主控模塊，進行信號分析和處理，并將處理后的信息送至無線發(fā)送模塊。射頻模塊在一定的頻段內(nèi)，按照預先設定的數(shù)據(jù)傳輸率和編碼方式，進行身份信息的傳遞，從而實現(xiàn)身份識別的功能。本發(fā)明提出了一種實時感知外部傳感信息并能夠進行傳感數(shù)據(jù)傳輸和控制的無線傳感器網(wǎng)絡電子標識的實現(xiàn)方法。整個電子標識裝置包括了中央主控處理模塊，短距離高頻無線通信模塊和底層能量供應模塊。上述三個模塊通過片上系統(tǒng)軟件有機調(diào)用，進行傳感數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)傳遞，信息處理，狀態(tài)監(jiān)控，實時控制等一系列工作。整個系統(tǒng)的模塊組成圖如圖1所示。中央主控處理模塊是整個電子標識裝置的核心部分，負責整個ID電子標識的設備控制，任務分配與調(diào)度，數(shù)據(jù)的整合與轉(zhuǎn)儲等多個關鍵任務，包括控制電子標識數(shù)據(jù)和信息的收發(fā)操作以及對收發(fā)速率，編碼格式，收發(fā)頻率等進行有效控制；對外部信息傳感模塊采集到的各項數(shù)據(jù)(人的身份信息)進行過濾和處理；數(shù)據(jù)加密和安全保障；功耗的管理與控制以及模式轉(zhuǎn)換等。本發(fā)明中，采用了高集成，低功耗，精簡指令集的8位微處理器，采用了先進的Harvard總線技術(shù)，使得整個電子標識的處理速度和準確度大為提高。短距離高頻無線通信模塊主要負責無線信號的收發(fā)，即與其他ID電子標識進行無線通信，將本標識器(ID—1)采集到的相關數(shù)據(jù)和接收到的相關信息與其他標識器(ID—1)進行交換。為了實現(xiàn)高頻傳輸?shù)母呖煽啃?，低誤碼率，高實時性以及傳輸距離的要求，本發(fā)明采用了符合IEEE802.15.4標準的無線射頻芯片作為通信模塊的主要部分。工作頻段為300MHZ-1GHZ之間，并可以通過其內(nèi)部的寄存器設置，靈活調(diào)整工作頻段，適應性強。ID電子標識設計的工作頻段為900MHZ,并可以根據(jù)實際情況做相應調(diào)整。采用FSK調(diào)制方式，NRZ,曼徹斯特，UART可選編碼方式，以0.6Kbaud/s-76.8Kbaud/s的可選數(shù)據(jù)傳輸率。模塊外部使用SPI接口和中央主控處理模塊相連。底層能量供應模塊為ID電子標識提供運行所需要的全部能量。其中標識器(ID—1)作為使用者的身份標識，可以使用自帶的小巧方便的鋰電池供電；定位器(ID—2)通過USB接口由計算機直接提供5V的電壓。本發(fā)明的該電子標識以中央主控處理模塊為中心，外部信息傳感模塊、底層能量供應模塊的輸出端分別接中央主控處理模塊的輸入端，短距離高頻無線通信模塊與中央主控處理模塊雙向聯(lián)通，中央主控處理模塊的輸出端接外部接口模塊；其中，短距離高頻無線通信模塊包括射頻芯片、外部天線，外部接口模塊包括USB總線轉(zhuǎn)接芯片、USB接口，底層能量供應模塊包括JTAG供電、USB接口供電。電子標識裝置的實現(xiàn)方法所包含的步驟為步驟l)規(guī)劃電子標識裝置所需完成的總體功能和基本性能指標電子標識需完成實時數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、信息融合、預警控制、自主定位多種功能，要求具有高系統(tǒng)可靠性和高集成度，較好的實時分析與處理能力，數(shù)據(jù)傳輸精確性，并具備長時間低能耗的工作條件；步驟2)確定電子標識裝置的輸入輸出定位器(ID—2)將從網(wǎng)絡內(nèi)標識器(ID—1)傳送過來的數(shù)據(jù)作為輸入，將傳感結(jié)果在用戶終端顯示作為輸出；步驟3)明確電子標識裝置信號類型與數(shù)據(jù)特性身份信號傳輸于可變頻的300MHZ-IOOOMHZ的通用高頻段，擁有多個固定的頻點；頻率調(diào)制通過編程改變頻率字寄存器的值來實現(xiàn)，采用0.6KBaud/s-76.8KBaud/s的可調(diào)數(shù)據(jù)傳輸率，內(nèi)部數(shù)據(jù)采用并行傳輸模式，曼徹斯特編碼；步驟4)電子標識裝置的基本構(gòu)架設計和方案電子標識基本構(gòu)架由四個層面組成，自下而上分別是功能部件層、設備驅(qū)動層、嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核、應用系統(tǒng)層；采用自頂向下的方法將本電子標識的功能部件層進行模塊劃分，主要包括中央主控處理模塊、用戶界面接口、高頻無線通信模塊以及能量供應模塊；步驟5)設計中央主控處理模塊中央主控處理模塊通過SPI通信子模塊，與高頻無線通信模塊進行數(shù)據(jù)通信與信號傳輸，同時，利用A/D轉(zhuǎn)換子模塊，將信息傳感模塊采集到的各種傳感信息轉(zhuǎn)化為電信號的形式，并通過異步串行子模塊傳輸?shù)阶鳛橹骺靥幚淼挠脩艚缑?，從而實現(xiàn)定量定性傳感信息的顯示；步驟6)用戶界面接口模塊用戶界面接口為用戶提供了選擇、控制身份信息采集以及信號傳輸方式的選取等諸多服務；通過與中央主控模塊的交互，實現(xiàn)用戶的多種功能需要；步驟7)設計高頻無線通信模塊電子標識的高頻無線通信模塊包括了低噪聲放大器、混頻器、濾波電路、分頻器、調(diào)制解調(diào)器、鑒相器、低通濾波器，模塊將傳感信息，以無線頻譜的方式，在300MHZ-IOOOMHZ的頻段上進行傳輸，同時，接收來自自組網(wǎng)絡內(nèi)其它標識器(ID—1)的信息，并實時與基站定位器(ID—2)進行溝通；步驟8)設計能量供應模塊能量供應模塊為上述各個模塊提供能源供給，針對系統(tǒng)的發(fā)送、接收、休眠、待機四種不同的工作方式，提供了相對應的能源供給方式；步驟9)電子標識裝置的電路設計與實現(xiàn)電子標識的電路采用數(shù)字化標準設計，元件均采用0603型的貼片式封裝，定位器(ID—2)與PC機USB接口的連接并通過CH341T芯片的電平轉(zhuǎn)換，將USB口模擬成串口，實現(xiàn)利用USB接口傳輸信號；標識器和定位器建立了高速信號和低速信號之間的緩沖，節(jié)點采用四層板布線的策略，通過手動布線和自動布線相結(jié)合的方式進行；步驟IO)電子標識外圍器件的選取根據(jù)電子標識自身特點和無線傳感器網(wǎng)絡的自身要求，電子標識的外圍器件，實現(xiàn)了作為自組無線網(wǎng)絡中身份標識的功能，這些器件包括可數(shù)字化1/0器件、外部存儲器件、A/D轉(zhuǎn)換器件、外部晶振系統(tǒng)、有源天線；步驟ll)電子標識裝置模塊間的接口設計電子標識接口主要由三大部分組成，分別是串行配置總線連接部分，雙向同步數(shù)據(jù)信號連接部分，以及可選的測試部分；步驟12)電子標識裝置的電源設計標識器(ID—1)提供了4種可變的工作模式，分別是睡眠模式，發(fā)送模式，接收模式，省電模式，同時，設計了一種較為精確的電源預警機制，可以完成對于自身供電電壓的實時監(jiān)控；定位器(ID—2)通過USB接口獲得電能；步驟13)電子標識裝置的功耗管理設計電子標識的功耗管理主要包括了系統(tǒng)級功耗管理，軟件代碼級優(yōu)化，寄存器傳輸優(yōu)化和后端綜合布線優(yōu)化；步驟14)電子標識裝置的可靠性與抗干擾性設計電子標識在高頻部分設計加載濾波電容，在IC上并接高頻電容，采用密集布線以減少高頻噪聲發(fā)射；在傳播路徑抑制方面，電子標識設計出帶有濾波電路的穩(wěn)定電源，在I/0口與噪聲源之間加以隔離，同時將干擾源與敏感器件分離；步驟15)電子標識裝置的軟件可靠性設計電子標識設計中采用抑制迭加在信號通路上噪聲的數(shù)字濾波和減少冗余指令的方法，采用精簡指令系統(tǒng)；步驟16)電子標識裝置的軟件調(diào)試電子標識使用AVRStudio進行軟件調(diào)試，允許用戶進行AVR在線實時仿真或模擬，支持.hex,.elf,.cof，.ihex，.srec多種文件格式；步驟17)電子標識的系統(tǒng)級軟件仿真電子標識采用VMLAB進行系統(tǒng)級軟件仿真，在軟件仿真階段，通過軟硬件平臺的搭建，虛擬了一個電子標識實際運行的仿真環(huán)境，通過仿真環(huán)境，可以明確電子標識裝置的功能實現(xiàn)；步驟18)電子標識的系統(tǒng)級硬件仿真電子標識使用JTAG在線仿真器完成硬件仿真，通過燒制平臺，將應用程序燒制到節(jié)點中，完成應用功能；步驟19)電子標識裝置的執(zhí)行方式與功能實現(xiàn)采用JTAG編程器進行系統(tǒng)程序的在線仿真與調(diào)試，同時提供串口ISP，并口ISP,以及USB下載方式，電子標識下載了應用程序以后，即可執(zhí)行操作，并在終端控制平臺的控制與監(jiān)視下，完成應用任務。有益效果電子標識裝置承擔了大部分的控制，傳輸和監(jiān)控工作。具有以下一些優(yōu)點和有益成果較高的系統(tǒng)集成度作為智能電子身份標識，為追求電子標識的小巧、便攜，采用了較高的集成性設計策略。電子標識采用了8位RISC結(jié)構(gòu)的高性能，低功耗的微處理器，集成了電子標識的大部分關鍵部件，包括動靜態(tài)存儲器，ADC轉(zhuǎn)換器，定時計數(shù)器等，實時時鐘，異步串行模塊等，擁有很強的可擴展性。電子標識的系統(tǒng)集成情況如圖1所示。同時，在系統(tǒng)及應用軟件設計方面，電子標識內(nèi)所有的模塊都盡可能做到了精簡，基本沒有冗余代碼。較低的系統(tǒng)能量消耗作為整個電子標識的關鍵部件，處理器的功耗一般很大。而在無線網(wǎng)絡中，沒有持續(xù)的能源供給，這就要求電子標識的設計必須將節(jié)能作為一個重要因素來考慮。電子標識的能量供給采用了外部電源和基站供電相結(jié)合的方式，提供了包括空閑模式，ADC降噪模式，掉電模式，省電模式，等待模式等多種電源管理方式。并且能夠使電子標識在整個運行過程中，主動地進行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而十分有效地降低了電子標識的能耗，延長了電子標識的使用壽命。同時，電子標識在設計與實現(xiàn)的過程中，廣泛采用了低功耗的硬件資源，在保證電子標識正常工作的同時，把能耗降到最低值。針對無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的特點與數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)方式，本發(fā)明充分利用了電子標識的收發(fā)狀態(tài)，達到了節(jié)能的目的。由于不需要中央處理機的參與，大大降低了能耗。標識器(ID—1)各個模塊的能量消耗情況如圖2所示。較快的運行速度由于在無線傳感器網(wǎng)絡對于電子標識的實時性要求很高，這就需要處理器實時處理的能力要強大。包括處理器內(nèi)部的總線結(jié)構(gòu)，尋址方式，指令流水線等的設計都需要以此為目標。電子標識的處理器采用了程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器使用不同的存儲空間和存取總線的Harvard結(jié)構(gòu)，取指令和程序執(zhí)行同時進行，大大節(jié)約了開銷。同時，硬件乘法器只需要兩個時鐘周期，工作于16MHz時，性能可以高達16MIPS。系統(tǒng)ALU與32個通用工作寄存器直接連接，在一個系統(tǒng)時鐘周期內(nèi)，ALU即可完成一次運算操作。較強的抗干擾設計本發(fā)明的標識器(ID—O作為人的身份標識，由于工作在各種復雜的環(huán)境中，在較高性能要求的同時，也對系統(tǒng)的抗干擾能力提出了越來越高的要求。標識器從抑制干擾源，切斷傳播路徑和提高敏感元器件的抗干擾能力等多方面降低千擾，提高平臺的可靠性。標識器所采用的抑制干擾源的措施有高頻部分加載濾波電容；IC上并接高頻電容，布線密集短小平滑以減少高頻噪聲發(fā)射等。在傳播路徑抑制方面，考慮了電源對于片上系統(tǒng)的噪聲影響，設計出帶有濾波電路的穩(wěn)定電源，在1/0口與噪聲源之間同樣加以隔離，同時，注意了晶振布線與接地，電路板合理分區(qū)，將干擾源與敏感器件分離。系統(tǒng)為提高敏感元器件的抗干擾能力，進行了多方面改進，包括了減少回路環(huán)的面積，降低偶合噪聲，配置閑置端口，使用電源監(jiān)控和看門狗電路，降低晶振和使用低速傳播等。較低的硬件制作成本作為網(wǎng)絡化的身份識別設備，標識器(ID-1)應當遍布于網(wǎng)絡各處，并具有很大的流動性，本發(fā)明的標識器的主要部分采用四層板布線策略，整體布線合理，內(nèi)部元件具有較高的性能價格比，使得標識器整體的制作成本降低。圖1表示整個ID電子標識裝置基本模塊組成，其中圖l一l是標識器(ID—1)的模塊組成圖，圖l一2是定位器(ID—2)的模塊組成圖。圖2是標識器(ID—1)各個模塊的能量消耗情況對比圖。顯示了組成本發(fā)明的各個能耗部分的耗能情況和對比。圖3是本發(fā)明的電路設計原理圖，其中圖3—1—1為中央處理器模塊和JTAG模塊原理圖、3—1一2為無線通信模塊原理圖、3—1一3為能量供應模塊原理圖、3—2—1為中央處理器模塊和JTAG模塊原理圖、3—2—2為外部接口和能量供應模塊原理圖、3—2—3為無線通信模塊原理圖。圖4是程序的總體流程圖。圖中反映了電子標識從上電自檢到初始化，到狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一系列過程，清楚地表明了系統(tǒng)的運行流程。圖5是本發(fā)明詳細的結(jié)構(gòu)劃分圖。表示了電子標識詳細的模塊結(jié)構(gòu)和各個部分之間的協(xié)同關系。圖6是本發(fā)明的基本構(gòu)架設計,反映了電子標識的基本層次結(jié)構(gòu)。圖7電子標識裝置的總體結(jié)構(gòu)設計。具體實施例方式本發(fā)明的電子標識以中央主控處理模塊1為中心，外部信息傳感模塊5、底層能量供應模塊4的輸出端分別接中央主控處理模塊1的輸入端，短距離高頻無線通信模塊2與中央主控處理模塊l雙向聯(lián)通；其中，短距離高頻無線通信模塊2包括射頻芯片2-1、外部天線2-2，外部信息傳感模塊5，底層能量供應模塊4包括JTAG供電4-1、外部電源供電4-2、USB接口供電4-3。電子標識裝置具體實現(xiàn)方式和開發(fā)實現(xiàn)步驟為(1)明確電子標識裝置所需要完成的總體功能和基本的性能指標。針對實際應用的需求，電子標識需要完成實時數(shù)據(jù)采集，實時監(jiān)控，信號處理，數(shù)據(jù)傳輸，信息融合，預警控制，電子標識自主定位等多種功能。為了達到上述的各項基本功能，電子標識具有了較高的系統(tǒng)可靠性和集成度，較好的實時分析與處理能力，準確的數(shù)據(jù)傳輸精確性，并具備長時間低能耗的工作條件。(2)明確電子標識裝置應用所必須達到的技術(shù)指標。a)系統(tǒng)的輸入輸出電子標識裝置為用戶提供方便靈活的輸入輸出控制功能，電子標識的輸入包括程序燒制，功能選擇與終端控制，電子標識的輸出包括數(shù)據(jù)采集，信息顯示。b)電子標識信號類型與數(shù)據(jù)特性電子標識信號傳輸于可變頻的300MHZ-1OOOMHZ的通用高頻段，具體的工作頻點可以通過軟件來實現(xiàn)。采用0.6KBaud/s—76.8KBaud/s的可調(diào)數(shù)據(jù)傳輸率。內(nèi)部數(shù)據(jù)采用并行傳輸模式，曼徹斯特編碼。(3)電子標識裝置的基本構(gòu)架設計。電子標識的基本構(gòu)架遵循了一般嵌入式產(chǎn)品的基本模式，同時，基于實際應用的需要，在各個層面上都有所擴展。電子標識基本構(gòu)架由四個層面組成，自下而上分別是功能部件層，設備驅(qū)動層，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，應用系統(tǒng)層。a)功能部件層功能部件層是整個電子標識的底層平臺與硬件基礎。包括了電子標識所有的硬件模塊組成與系統(tǒng)底層調(diào)用的集合，將電子標識的各個組成模塊進行綜合并協(xié)調(diào)工作。b)設備驅(qū)動層設備驅(qū)動層為底層物理部件提供設備驅(qū)動功能與策略。實際應用中的電子標識需要工作于多種模式下，狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁，能耗控制要求高。本層的作用就是以設備驅(qū)動模塊的形式，對電子標識的部件運行做全面調(diào)度。c)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核在設備與應用之間建立連接，提供軟硬件系統(tǒng)調(diào)用的方式方法，同時為上層應用提供功能服務。系統(tǒng)內(nèi)核基于實時操作系統(tǒng)的管理調(diào)度策略，同時針對標識器的特殊需要，改進了中斷控制策略，進程調(diào)度策略以及存儲管理策略。d)應用系統(tǒng)層應用系統(tǒng)層為終端用戶提供了面向身份識別的系統(tǒng)控制方式與工作方法。完成電子標識的啟動，運行，狀態(tài)遷移，數(shù)據(jù)采集，信息處理，信號傳輸，能耗預警，程序下載等一系列應用功能。電子標識的基本構(gòu)架設計如圖6所示。(4)進行電子標識裝置功能部件層設計方案的描述。系統(tǒng)采用自頂向下的方法，將電子標識的功能部件進行模塊劃分。主要包括中央主控處理模塊，用戶界面接口，高頻無線通信模塊，信息傳感模塊以及能量供應模塊。a)中央主控處理模塊電子標識的中央主控處理模塊是整個標識器的核心模塊，進行系統(tǒng)全局調(diào)度以及與用戶進行交互。模塊通過SPI通信子模塊，與高頻無線通信模塊進行數(shù)據(jù)通信與信號傳輸。同時，利用A/D轉(zhuǎn)換子模塊，將信息傳感模塊采集到的各種傳感信息轉(zhuǎn)化為電信號的形式，并通過異步串行子模塊傳輸?shù)阶鳛橹骺靥幚淼挠脩艚缑?，從而實現(xiàn)定量定性傳感信息的顯示。b)用戶界面接口用戶界面接口為用戶提供了選擇、控制傳感信息采集以及信號傳輸方式的選取等諸多服務。通過與中央主控模塊的交互，實現(xiàn)用戶的多種功能需要。c)高頻無線通信模塊高頻無線通信模塊包括了低噪聲放大，混頻，濾波，調(diào)制解調(diào)等多個操作步驟，將傳感信息，以無線頻譜的方式，在相應的頻段上進行傳輸，同時，接收來自自組網(wǎng)絡內(nèi)其它標識器的傳感信息傳遞，并實時與基站定位器的溝通。d)能量供應模塊能量供應模塊為上述所有模塊提供能源供給，針對系統(tǒng)的四種工作方式，提供了相對應的能源供給方式。在用戶切換標識器的工作狀態(tài)時，系統(tǒng)將自動調(diào)用相應的能量供給方式，使標識器工作在相應的模式下。標識器內(nèi)各個模塊的層次劃分與相互調(diào)用關系如圖5所示。(5)實施ID電子標識的總體結(jié)構(gòu)設計。根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模和硬件平臺的復雜程度，采用了分塊式的結(jié)構(gòu)設計方式。將系統(tǒng)整體按照功能進行劃分。包括了微處理器模塊，無線射頻收發(fā)模塊，傳感信息采集模塊，外部接口模塊和電源供給模塊。在實際設計過程中，每一個模塊都對應了相應的集成電路系統(tǒng)，并最終通過系統(tǒng)總線相連接，完成ID電子標識的整體功能的實現(xiàn)。電子標識裝置的總體結(jié)構(gòu)設計如圖7所示。(6)接下來的步驟是進行系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)的設計。在實際操作中，采用了軟硬件并行開發(fā)的協(xié)同設計技術(shù)。硬件結(jié)構(gòu)設計中包括了這樣幾個方面與步驟a)微處理器的選擇微處理器是整個電子標識裝置的核心部件，直接決定了整個系統(tǒng)的功能和性能。同時，不同封裝形式的處理器芯片，也會直接影響到系統(tǒng)的物理尺寸和重量。因此，在微處理器的選擇上，本發(fā)明主要考慮了性能和封裝兩個方面的因素。ID電子標識采用了Atmel的先進的8位RISC微處理器~~ATmegal28L作為電子標識的處理器芯片。在AT90系列處理器的基礎上增加了2個時鐘的硬件乘法器，并且可以通過芯片上的BOOT區(qū)實現(xiàn)程序的在線自編程，具有2線的IC接口和8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，并且增加了JTAG仿真，下載接口，提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。b)外圍器件的選擇根據(jù)本發(fā)明電子標識自身的特點和無線傳感器網(wǎng)絡的自身要求，本發(fā)明的外圍器件的選擇,基本實現(xiàn)了作為自組無線網(wǎng)絡中的電子標識的所有功能。這些器件包括可數(shù)字化i/o器件，外部存儲器件，A/D轉(zhuǎn)換器件以及其他功能部件。c)高集成，高效率的電路設計在電子標識裝置的電路設計中，充分體現(xiàn)了軟硬結(jié)合的觀點。為了提高系統(tǒng)的可靠性以及為后續(xù)開發(fā)做準備，標識器中許多使用硬件可以完成的功能也可以由軟件來完成。用軟件來實現(xiàn)硬件的功能可以有效地減少硬件開發(fā)電路，但是響應時間比單獨使用硬件的實現(xiàn)要長，而且占用CPU的執(zhí)行，算法的實現(xiàn)往往比較復雜。在本發(fā)明的電子標識開發(fā)過程中，充分考慮了軟硬件的綜合與銜接情況。本發(fā)明在電路設計中，從集成模塊，到基本元件，都盡可能采用典型的器件，促進了硬件系統(tǒng)的標準化和模塊化。同時，全面規(guī)劃了系統(tǒng)的軟硬件資源，在進行開發(fā)的過程中充分考慮了系統(tǒng)的可擴展性，從而有利于系統(tǒng)的二次開發(fā)。由于涉及了基站定位器與PC之間的通信等一系列不同單元電路之間的接口連接與數(shù)據(jù)傳輸，本發(fā)明在這些方面充分考慮了信號的兼容性。定位器(ID—2)與計算機USB口的連接之間實現(xiàn)了TTL信號和CH341信號之間的轉(zhuǎn)換；主控定位器由于需要實時處理和分析來自分布在網(wǎng)絡中的各個標識器的信息和數(shù)據(jù)，因此也建立了高速信號和低速信號之間的緩沖。d)模塊間的接口設計本發(fā)明的兩大基本模塊——無線通信模塊與中央主控模塊的接口設計主要由三大部分組成。分別是串行配置總線連接部分(主要用來設置與改變無線通信芯片的工作模式與參數(shù)設置)，雙向同步數(shù)據(jù)信號連接部分(主要用于數(shù)據(jù)通信與信息傳輸)，以及可選的測試部分(主要用于監(jiān)測標識器工作狀態(tài)及測試信號強度)。e)硬件平臺的計算機輔助設計本發(fā)明采用了一系列較為先進的電路CAD軟件進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和較大規(guī)模集成電路的設計。通用性強，開發(fā)效率高。系統(tǒng)的主要模塊均采用了ProtelDXP完成硬件電路的設計與繪制。鑒于本產(chǎn)品的部分高端元器件并沒有預定義的封裝形式，在開發(fā)過程中，加入了對于這些器件的封裝的定義，并已經(jīng)打包到了其封裝庫當中，以便今后擴展使用?？紤]到集成性，抗干擾能力，以及系統(tǒng)各項性能指標的要求，本發(fā)明采用了四層板布線的策略，通過手動布線和自動布線相結(jié)合的方式進行。本發(fā)明的部分原理圖如圖3所示。f)電子標識的電源設計與功耗管理作為身份標識的標識器(ID—1)隨身攜帶，能量的節(jié)約顯得十分重要。在本發(fā)明中，電源模塊需要給上層的中央主控模塊和無線射頻收發(fā)模塊供給工作所需要的能量。經(jīng)過實際測量計算，節(jié)點在非節(jié)能模式的運行中，上述兩個模塊的工作電流可以高達25mA。對于大部分時間采用內(nèi)部電源供給的標識器(ID—1)而言，電源的設計與管理顯得尤為重要。本發(fā)明在電源的設計與管理中，充分考慮了節(jié)能的要求，不僅在軟件上，為標識器提供了4種可變的工作模式，同時，采用了相當數(shù)量的低損耗的系統(tǒng)元器件。標識器的設計中，提供了一種較為精確的電源預警機制，可以完成對于自身供電電壓的實時監(jiān)控，當電壓低于系統(tǒng)工作所允許的最低門限要求的時候，標識器會產(chǎn)生報警機制，并迅速使標識器切換到休眠或等待模式。定位器(ID—2)通過USB口直接與PC機連接，從而可以有效的利用PC機USB口的5V電壓作為自身的能量來源。本發(fā)明的功耗管理主要包括了系統(tǒng)級功耗管理，軟件代碼級優(yōu)化，寄存器傳輸優(yōu)化和后端綜合布線優(yōu)化等。系統(tǒng)級功耗管理將在標識器沒有操作的時候，使之進入睡眠狀態(tài)，在預設時間來臨的時候，即產(chǎn)生中斷喚醒；對于本發(fā)明而言，編碼風格與代碼效率對于片上系統(tǒng)而言非常重要，標識器采用了良好的編碼風格，優(yōu)化后的代碼使功耗大為降低；在寄存器傳輸方面，本發(fā)明采用了硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和系統(tǒng)流水線處理并行的優(yōu)化策略，同時降低寄存器電容的片內(nèi)存儲器模塊劃分，降低活動因子的信號門控，減少Glitch(毛刺)的傳播速度等，以此使寄存器傳輸功耗大為降低；在后端綜合布線方面，本發(fā)明采用了優(yōu)化電路，減少操作，修改信號相關關系等方式，進一步減少了綜合毛刺的產(chǎn)生概率。g)硬件平臺的可靠性設計和抗干擾性能實際應用中的電子標識，工作于各種不同的環(huán)境中，在較高性能要求的同時，也對系統(tǒng)的可靠性提出了越來越高的要求，特別是在工業(yè)控制以及通信要求的實時性較高的領域。本發(fā)明從抑制干擾源，切斷傳播路徑和提高敏感元器件的抗千擾能力等多方面降低干擾，提高平臺的可靠性。電子標識所采用的抑制干擾源的措施有高頻部分加載濾波電容；IC上并接高頻電容，布線密集短小平滑以減少高頻噪聲發(fā)射等。在傳播路徑抑制方面，本發(fā)明充分考慮了電源對于片上系統(tǒng)的噪聲影響，設計出帶有濾波電路的穩(wěn)定電源，在i/o口與噪聲源之間同樣加以隔離，同時，注意了晶振布線與接地，電路板合理分區(qū)，將干擾源與敏感器件分離。本發(fā)明為提高敏感元器件的抗干擾能力，進行了多方面改進，包括了減少回路環(huán)的面積，降低偶合噪聲，配置閑置端口，使用電源監(jiān)控和看門狗電路，降低晶振和使用低速傳播等。CO與系統(tǒng)的硬件設計同時開展的是系統(tǒng)的軟件功能設計。對于ID電子標識開發(fā)平臺而言，軟件設計主要包括了底層系統(tǒng)軟件的設計和上層應用軟件的設計。a)系統(tǒng)的功能定義本發(fā)明需要完成從傳感信息采集，信息轉(zhuǎn)換，信號處理，數(shù)據(jù)傳播與接收，控制臺監(jiān)控，實時預警等一系列任務。輸入輸出數(shù)據(jù)復雜，傳輸方式多樣。b)系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)設計本發(fā)明的系統(tǒng)軟件基于RTOS(ReaI-TimeOperationSystem實時操作系統(tǒng))，能夠及時響應外部事件請求，并在規(guī)定時間內(nèi)完成處理。系統(tǒng)控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致運行，具有獨立性，可靠性和實時性特點。系統(tǒng)根據(jù)任務要求，進行資源管理，消息處理，任務調(diào)度，異常處理等工作，并分配優(yōu)先級，系統(tǒng)能夠根據(jù)各個任務的優(yōu)先級，進行動態(tài)切換和調(diào)度。c)系統(tǒng)的程序流程由于本發(fā)明的系統(tǒng)軟件為基于片上系統(tǒng)的嵌入式軟件，因此，在程序流程方面不僅要考慮到功能的完整性和準確性，也要保證硬件初始化和運轉(zhuǎn)的正常。鑒于本發(fā)明的實時性要求較高，因此中斷系統(tǒng)的控制與產(chǎn)生在系統(tǒng)的設計中占有十分重要的地位，系統(tǒng)提供了包括軟中斷，硬件中斷以及嵌套中斷在內(nèi)的多種中斷方式，同時采用了動態(tài)實時調(diào)度算法(包括速率單調(diào)算法，最早截止時間優(yōu)先算法，最小松弛時間優(yōu)先算法)。系統(tǒng)的總體程序流程圖如圖4所示d)系統(tǒng)的模塊設計根據(jù)ID電子標識的功能實現(xiàn)要求，把整個系統(tǒng)劃分為如下幾個模塊中央主控處理模塊，短距離高頻無線通信模塊，外部信息傳感模塊、外部接口模塊和底層能量供應模塊。各個模塊中還細分出更具體的功能模塊。系統(tǒng)的詳細模塊設計圖如圖5所示。e)軟件可靠性設計為了使本發(fā)明穩(wěn)定運行，在提高硬件性能和可靠性的基礎上，還需要保證軟件的可靠性，以使得整個電子標識裝置穩(wěn)定運行于工作環(huán)境。本發(fā)明中的軟件可靠性設計主要包括了抗干擾設計和容錯設計。軟件抗干擾設計是硬件抗干擾設計的輔助方法，為保證身份識別過程中身份信息的安全性，我們將身份數(shù)據(jù)采取加密處理，并在接收端進行解密。本發(fā)明中，使用了抑制迭加在信號通路上噪聲的數(shù)字濾波和減少冗余指令的方法。數(shù)字濾波有多種方式，系統(tǒng)使用了加權(quán)平均濾波法，即對目標參量采樣N次，并將每次的采樣值乘以一個小于1的加權(quán)系數(shù)，再將加權(quán)后的采樣值累加作為本次的采樣值。每次采樣值的加權(quán)系數(shù)均不相同，以突出此后的若干次采樣效果，加強系統(tǒng)對參數(shù)變化趨勢的識別能力。f)通信軟件設計AVRATmel-128單片機有一個全雙工的串口。它不僅具有雙機之間的串行通信能力，而且還可實現(xiàn)多機通信。由ATmel-128構(gòu)成的多機系統(tǒng)通常采用主從式結(jié)構(gòu)，主機和各從機可實現(xiàn)全雙工通信。在多機系統(tǒng)中，要保證主機與從機實現(xiàn)可靠的通信，必須保證通信接口具有識別能力。通信協(xié)議的設計，當主機能尋址從機后，要保證通信的準確可靠，必須遵循一定的通信協(xié)議。在本系統(tǒng)中，幀的格式分為地址幀、數(shù)據(jù)幀、命令幀、和應答幀。通信均有主機發(fā)起，并遵循以下協(xié)議。數(shù)據(jù)幀格式-<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>(8)在完成了軟硬件的協(xié)同設計之后，需要利用現(xiàn)有的軟硬件開發(fā)工具，進行功能部件級和系統(tǒng)級的仿真和調(diào)試。這樣既有利于找出系統(tǒng)存在的問題，也進一步明確了系統(tǒng)的運行流程和結(jié)構(gòu)組合。本發(fā)明在這一階段主要采用了軟件調(diào)試，軟件系統(tǒng)仿真和硬件系統(tǒng)仿真三個過程。a)軟件調(diào)試本產(chǎn)品使用AVRStudio進行軟件調(diào)試。這是一個集項目管理，程序編譯，程序調(diào)試，程序下載，JTAG仿真等功能于一身的集成開發(fā)環(huán)境。允許用戶進行AVR在線實時仿真或模擬。在進行仿真之前，需要使用第三方編譯器將源文件編譯為可仿真的.co紋件。b)系統(tǒng)級軟件仿真本發(fā)明采用VMLAB進行系統(tǒng)級軟件仿真。在軟件仿真階段，通過軟硬件平臺的搭建，虛擬了一個節(jié)點實際運行的仿真環(huán)境。通過仿真環(huán)境，可以明確本發(fā)明電子標識的功能實現(xiàn)。c)系統(tǒng)級硬件仿真本發(fā)明使用JTAG(JointTestActionGro叩)在線仿真器實現(xiàn)硬件仿真。通過燒制平臺，將本發(fā)明的應用程序燒制到電子標識中，完成相應的應用功能。(9)完成了軟硬件的仿真調(diào)試后，就可將系統(tǒng)程序下載到ID電子標識之中了。本發(fā)明主要為用戶提供了兩種下載方法，分別是ISP下載和JTAG下載。AVR系列產(chǎn)品都支持ISP，在實際應用中，可以通過本發(fā)明附帶的特制下載線，進行ISP的編程，既省去了專門的編程器，也有利于今后的系統(tǒng)升級和后續(xù)開發(fā)。JTAG下載主要通過JTAGICE進行。不需要額外的器件即可以實現(xiàn)目標文件的下載執(zhí)行。權(quán)利要求1.一種基于智能身份識別的電子標識裝置，其特征在于該電子標識以中央主控處理模塊(1)為中心，外部信息傳感模塊(5)、底層能量供應模塊(4)的輸出端分別接中央主控處理模塊(1)的輸入端，短距離高頻無線通信模塊(2)與中央主控處理模塊(1)雙向聯(lián)通，中央主控處理模塊(1)的輸出端接外部接口模塊(3)；其中，短距離高頻無線通信模塊(2)包括射頻芯片(2-1)、外部天線(2-2)，外部接口模塊(3)包括USB總線轉(zhuǎn)接芯片(3-1)、USB接口(3-2)，底層能量供應模塊(4)包括JTAG供電(4-1)、USB接口供電(4—3)。2.—種如權(quán)利要求1所述的基于智能身份識別的電子標識裝置的實現(xiàn)方法，其特征在于實現(xiàn)所包含的步驟為步驟l)規(guī)劃電子標識裝置所需完成的總體功能和基本性能指標電子標識需完成實時數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、信息融合、預警控制、自主定位多種功能，要求具有高系統(tǒng)可靠性和高集成度，較好的實時分析與處理能力，數(shù)據(jù)傳輸精確性，并具備長時間低能耗的工作條件；步驟2)確定電子標識裝置的輸入輸出定位器(ID—2)將從網(wǎng)絡內(nèi)標識器(ID一l)傳送過來的數(shù)據(jù)作為輸入，將傳感結(jié)果在用戶終端顯示作為輸出；步驟3)明確電子標識裝置信號類型與數(shù)據(jù)特性身份信號傳輸于可變頻的300MHZ-1000MHZ的通用高頻段，擁有多個固定的頻點；頻率調(diào)制通過編程改變頻率字寄存器的值來實現(xiàn)，采用0.6KBaud/s-76.8KBaud/s的可調(diào)數(shù)據(jù)傳輸率，內(nèi)部數(shù)據(jù)采用并行傳輸模式，曼徹斯特編碼；步驟4)電子標識裝置的基本構(gòu)架設計和方案電子標識基本構(gòu)架由四個層面組成，自下而上分別是功能部件層、設備驅(qū)動層、嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核、應用系統(tǒng)層；采用自頂向下的方法將本電子標識的功能部件層進行模塊劃分，主要包括中央主控處理模塊、用戶界面接口、高頻無線通信模塊以及能量供應模塊；步驟5)設計中央主控處理模塊中央主控處理模塊通過SPI通信子模塊，與高頻無線通信模塊進行數(shù)據(jù)通信與信號傳輸，同時，利用A/D轉(zhuǎn)換子模塊，將信息傳感模塊采集到的各種傳感信息轉(zhuǎn)化為電信號的形式，并通過異步串行子模塊傳輸?shù)阶鳛橹骺靥幚淼挠脩艚缑妫瑥亩鴮崿F(xiàn)定量定性傳感信息的顯示；步驟6)用戶界面接口模塊用戶界面接口為用戶提供了選擇、控制身份信息采集以及信號傳輸方式的選取等諸多服務；通過與中央主控模塊的交互，實現(xiàn)用戶的多種功能需要；步驟7)設計高頻無線通信模塊電子標識的高頻無線通信模塊包括了低噪聲放大器、混頻器、濾波電路、分頻器、調(diào)制解調(diào)器、鑒相器、低通濾波器，模塊將傳感信息，以無線頻譜的方式，在300MHZ-1000MHZ的頻段上進行傳輸，同時，接收來自自組網(wǎng)絡內(nèi)其它標識器(ID—1)的信息，并實時與基站定位器(ID—2)進行溝通；步驟8)設計能量供應模塊能量供應模塊為上述各個模塊提供能源供給，針對系統(tǒng)的發(fā)送、接收、休眠、待機四種不同的工作方式，提供了相對應的能源供給方式；步驟9)電子標識裝置的電路設計與實現(xiàn)電子標識的電路采用數(shù)字化標準設計，元件均采用0603型的貼片式封裝，定位器(ID—2)與PC機USB接口的連接并通過CH341T芯片的電平轉(zhuǎn)換，將USB口模擬成串口，實現(xiàn)利用USB接口傳輸信號；標識器和定位器建立了高速信號和低速信號之間的緩沖，節(jié)點采用四層板布線的策略，通過手動布線和自動布線相結(jié)合的方式進行；步驟IO)電子標識外圍器件的選取:根據(jù)電子標識自身特點和無線傳感器網(wǎng)絡的自身要求，電子標識的外圍器件，實現(xiàn)了作為自組無線網(wǎng)絡中身份標識的功能，這些器件包括可數(shù)字化I/0器件、外部存儲器件、A/D轉(zhuǎn)換器件、外部晶振系統(tǒng)、有源天線；步驟ll)電子標識裝置模塊間的接口設計電子標識接口主要由三大部分組成，分別是串行配置總線連接部分，雙向同步數(shù)據(jù)信號連接部分，以及可選的測試部分；步驟12)電子標識裝置的電源設計標識器(ID—1)提供了4種可變的工作模式，分別是睡眠模式，發(fā)送模式，接收模式，省電模式，同時，設計了一種較為精確的電源預警機制，可以完成對于自身供電電壓的實時監(jiān)控；定位器(ID—2)通過USB接口獲得電能；步驟13)電子標識裝置的功耗管理設計電子標識的功耗管理主要包括了系統(tǒng)級功耗管理，軟件代碼級優(yōu)化，寄存器傳輸優(yōu)化和后端綜合布線優(yōu)化；步驟14)電子標識裝置的可靠性與抗干擾性設計電子標識在高頻部分設計加載濾波電容，在IC上并接高頻電容，采用密集布線以減少高頻噪聲發(fā)射；在傳播路徑抑制方面，電子標識設計出帶有濾波電路的穩(wěn)定電源，在I/0口與噪聲源之間加以隔離，同時將干擾源與敏感器件分離；步驟15)電子標識裝置的軟件可靠性設計電子標識設計中采用抑制迭加在信號通路上噪聲的數(shù)字濾波和減少冗余指令的方法，采用精簡指令系統(tǒng)；步驟16)電子標識裝置的軟件調(diào)試電子標識使用AVRStudio進行軟件調(diào)試，允許用戶進行AVR在線實時仿真或模擬，支持.hex，.elf，.cof，.ihex,.srec多種文件格式；步驟17)電子標識的系統(tǒng)級軟件仿真電子標識采用VMLAB進行系統(tǒng)級軟件仿真，在軟件仿真階段，通過軟硬件平臺的搭建，虛擬了一個電子標識實際運行的仿真環(huán)境，通過仿真環(huán)境，可以明確電子標識裝置的功能實現(xiàn)；步驟18)電子標識的系統(tǒng)級硬件仿真電子標識使用JTAG在線仿真器完成硬件仿真，通過燒制平臺，將應用程序燒制到節(jié)點中，完成應用功能；步驟19)電子標識裝置的執(zhí)行方式與功能實現(xiàn):釆用JTAG編程器進行系統(tǒng)程序的在線仿真與調(diào)試，同時提供串口ISP，并口ISP，以及USB下載方式，電子標識下載了應用程序以后，即可執(zhí)行操作，并在終端控制平臺的控制與監(jiān)視下，完成應用任務。全文摘要基于智能身份識別的電子標識裝置及其實現(xiàn)方法涉及了一種短距離低功耗的無線身份識別通信系統(tǒng)的設計方案，給出了基于智能身份識別的電子標識裝置的實例，主要解決了高頻通信條件下的智能無線身份識別的問題，該電子標識以中央主控處理模塊(1)為中心，外部信息傳感模塊(5)、底層能量供應模塊(4)的輸出端分別接中央主控處理模塊(1)的輸入端，短距離高頻無線通信模塊(2)與中央主控處理模塊(1)雙向聯(lián)通，中央主控處理模塊(1)的輸出端接外部接口模塊(3)；其中，短距離高頻無線通信模塊(2)包括射頻芯片(2-1)、外部天線(2-2)，外部接口模塊(3)包括USB總線轉(zhuǎn)接芯片(3-1)、USB接口(3-2)，底層能量供應模塊(4)包括JTAG供電(4-1)、USB接口供電(4-3)。文檔編號G06K17/00GK101377823SQ20081015617公開日2009年3月4日申請日期2008年10月6日優(yōu)先權(quán)日2008年10月6日發(fā)明者凡高娟,寧葉,晨唐,孫力娟,湯友東,超沙,王汝傳,王玉斐,志陳,陳友武,黃俊杰,黃海平申請人:南京郵電大學