一种基于智能身份识别的电子标识装置及其实现方法

专利名称：：一种基于智能身份识别的电子标识装置及其实现方法
技术领域：
：本发明涉及了一种短距离低功耗的无线身份识别通信系统的设计方案，给出了基于智能身份识别的电子标识装置的实例，主要解决了高频通信条件下的智能无线身份识别的问题，属于嵌入式系统、无线通信和身份识别的交叉领域。
背景技术：
：如何准确鉴定一个人的身份，保障信息、资源被有秩序地应用是当今信息时代必须解决的社会问题。由于传统的身份鉴别方法，如钥匙、证件等物件身份标识已落伍，寻找能够支持数字虚拟技术的身份认证方法也就成为了身份管理需求产生初期的重要工作。伴随着基于网络技术应用的产生，用户名/密码身份识别和验证方式逐渐占据了主流。但是，这种方式的安全性一直受到质疑。特别是当企业内部应用系统愈来愈多时，记忆如此多密码无疑给企业员工带来了许多负担。许多用户为防止忘记这些密码，经常采用诸如生日、电话号码等容易被窃取的字符串作为密码，或者把密码记录在轻易可以拿到的地方。从技术角度上看，无论账号还是密码都可能会在网络通信过程被监听，或者被驻留用户计算机的间谍软件破解。这给企业身份管理工作提出了巨大挑战。比尔*盖茨曾说过，"在身份识别方面，口令的保护能力已变得微弱，因此我们不能够依靠用户名/密码这种简单的身份认证办法。"口令将渐渐成为历史，并被更安全、更先进、更智能化的新型身份识别技术所取代。本发明给出的电子标识装置是在无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,简称WSN)下实现。无线传感器网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代计算机网络技术及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种先进技术，网络中的电子标识能够相互协作地进行实时监测、感知和釆集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送给上位机以实现身份识别和监控。
发明内容技术问题本发明的目的是提供一种在无线传感器网络中基于智能身份识别的电子标识装置及其实现方法。该方法构建一种高性能低功耗的无线电子身份标识的硬件载体，电子标识的设计和实现不仅在功能上满足了传感器网络的一般的数据传输，状态控制，实时监控，自主定位等一系列功能，同时，在系统集成度方面有了很大提高，进一步降低了电子标识的能耗，加强了电子标识的自主定位能力，改进了电子标识的自我性能监控和自我维护的方式与方法。最终目的是开发出高性能，较强自适应能力，极高集成度的片上系统(SoC)。技术方案作为电子标识装置硬件载体的ID(本发明电子标识装置的命名)电子标识，包括标识器(ID—1)和定位器(ID—2)，集成了高性能微处理器部件，高频无线收发部件等多种嵌入式芯片。拥有多功能信息传递，高速数据信息采集，信号处理，无线数据传输，高精度自主定位和实时监控等多种功能。实用性强，应用范围广泛。该电子标识通过多功能综合化的外围传感模块感知需要观察的信息量，并自动传入内部的主控模块，进行信号分析和处理，并将处理后的信息送至无线发送模块。射频模块在一定的频段内，按照预先设定的数据传输率和编码方式，进行身份信息的传递，从而实现身份识别的功能。本发明提出了一种实时感知外部传感信息并能够进行传感数据传输和控制的无线传感器网络电子标识的实现方法。整个电子标识装置包括了中央主控处理模块，短距离高频无线通信模块和底层能量供应模块。上述三个模块通过片上系统软件有机调用，进行传感数据的采集，数据传递，信息处理，状态监控，实时控制等一系列工作。整个系统的模块组成图如图1所示。中央主控处理模块是整个电子标识装置的核心部分，负责整个ID电子标识的设备控制，任务分配与调度，数据的整合与转储等多个关键任务，包括控制电子标识数据和信息的收发操作以及对收发速率，编码格式，收发频率等进行有效控制；对外部信息传感模块采集到的各项数据(人的身份信息)进行过滤和处理；数据加密和安全保障；功耗的管理与控制以及模式转换等。本发明中，采用了高集成，低功耗，精简指令集的8位微处理器，采用了先进的Harvard总线技术，使得整个电子标识的处理速度和准确度大为提高。短距离高频无线通信模块主要负责无线信号的收发，即与其他ID电子标识进行无线通信，将本标识器(ID—1)采集到的相关数据和接收到的相关信息与其他标识器(ID—1)进行交换。为了实现高频传输的高可靠性，低误码率，高实时性以及传输距离的要求，本发明采用了符合IEEE802.15.4标准的无线射频芯片作为通信模块的主要部分。工作频段为300MHZ-1GHZ之间，并可以通过其内部的寄存器设置，灵活调整工作频段，适应性强。ID电子标识设计的工作频段为900MHZ,并可以根据实际情况做相应调整。采用FSK调制方式，NRZ,曼彻斯特，UART可选编码方式，以0.6Kbaud/s-76.8Kbaud/s的可选数据传输率。模块外部使用SPI接口和中央主控处理模块相连。底层能量供应模块为ID电子标识提供运行所需要的全部能量。其中标识器(ID—1)作为使用者的身份标识，可以使用自带的小巧方便的锂电池供电；定位器(ID—2)通过USB接口由计算机直接提供5V的电压。本发明的该电子标识以中央主控处理模块为中心，外部信息传感模块、底层能量供应模块的输出端分别接中央主控处理模块的输入端，短距离高频无线通信模块与中央主控处理模块双向联通，中央主控处理模块的输出端接外部接口模块；其中，短距离高频无线通信模块包括射频芯片、外部天线，外部接口模块包括USB总线转接芯片、USB接口，底层能量供应模块包括JTAG供电、USB接口供电。电子标识装置的实现方法所包含的步骤为步骤l)规划电子标识装置所需完成的总体功能和基本性能指标电子标识需完成实时数据采集、实时监控、信号处理、数据传输、信息融合、预警控制、自主定位多种功能，要求具有高系统可靠性和高集成度，较好的实时分析与处理能力，数据传输精确性，并具备长时间低能耗的工作条件；步骤2)确定电子标识装置的输入输出定位器(ID—2)将从网络内标识器(ID—1)传送过来的数据作为输入，将传感结果在用户终端显示作为输出；步骤3)明确电子标识装置信号类型与数据特性身份信号传输于可变频的300MHZ-IOOOMHZ的通用高频段，拥有多个固定的频点；频率调制通过编程改变频率字寄存器的值来实现，采用0.6KBaud/s-76.8KBaud/s的可调数据传输率，内部数据采用并行传输模式，曼彻斯特编码；步骤4)电子标识装置的基本构架设计和方案电子标识基本构架由四个层面组成，自下而上分别是功能部件层、设备驱动层、嵌入式系统内核、应用系统层；采用自顶向下的方法将本电子标识的功能部件层进行模块划分，主要包括中央主控处理模块、用户界面接口、高频无线通信模块以及能量供应模块；步骤5)设计中央主控处理模块中央主控处理模块通过SPI通信子模块，与高频无线通信模块进行数据通信与信号传输，同时，利用A/D转换子模块，将信息传感模块采集到的各种传感信息转化为电信号的形式，并通过异步串行子模块传输到作为主控处理的用户界面，从而实现定量定性传感信息的显示；步骤6)用户界面接口模块用户界面接口为用户提供了选择、控制身份信息采集以及信号传输方式的选取等诸多服务；通过与中央主控模块的交互，实现用户的多种功能需要；步骤7)设计高频无线通信模块电子标识的高频无线通信模块包括了低噪声放大器、混频器、滤波电路、分频器、调制解调器、鉴相器、低通滤波器，模块将传感信息，以无线频谱的方式，在300MHZ-IOOOMHZ的频段上进行传输，同时，接收来自自组网络内其它标识器(ID—1)的信息，并实时与基站定位器(ID—2)进行沟通；步骤8)设计能量供应模块能量供应模块为上述各个模块提供能源供给，针对系统的发送、接收、休眠、待机四种不同的工作方式，提供了相对应的能源供给方式；步骤9)电子标识装置的电路设计与实现电子标识的电路采用数字化标准设计，元件均采用0603型的贴片式封装，定位器(ID—2)与PC机USB接口的连接并通过CH341T芯片的电平转换，将USB口模拟成串口，实现利用USB接口传输信号；标识器和定位器建立了高速信号和低速信号之间的缓冲，节点采用四层板布线的策略，通过手动布线和自动布线相结合的方式进行；步骤IO)电子标识外围器件的选取根据电子标识自身特点和无线传感器网络的自身要求，电子标识的外围器件，实现了作为自组无线网络中身份标识的功能，这些器件包括可数字化1/0器件、外部存储器件、A/D转换器件、外部晶振系统、有源天线；步骤ll)电子标识装置模块间的接口设计电子标识接口主要由三大部分组成，分别是串行配置总线连接部分，双向同步数据信号连接部分，以及可选的测试部分；步骤12)电子标识装置的电源设计标识器(ID—1)提供了4种可变的工作模式，分别是睡眠模式，发送模式，接收模式，省电模式，同时，设计了一种较为精确的电源预警机制，可以完成对于自身供电电压的实时监控；定位器(ID—2)通过USB接口获得电能；步骤13)电子标识装置的功耗管理设计电子标识的功耗管理主要包括了系统级功耗管理，软件代码级优化，寄存器传输优化和后端综合布线优化；步骤14)电子标识装置的可靠性与抗干扰性设计电子标识在高频部分设计加载滤波电容，在IC上并接高频电容，采用密集布线以减少高频噪声发射；在传播路径抑制方面，电子标识设计出带有滤波电路的稳定电源，在I/0口与噪声源之间加以隔离，同时将干扰源与敏感器件分离；步骤15)电子标识装置的软件可靠性设计电子标识设计中采用抑制迭加在信号通路上噪声的数字滤波和减少冗余指令的方法，采用精简指令系统；步骤16)电子标识装置的软件调试电子标识使用AVRStudio进行软件调试，允许用户进行AVR在线实时仿真或模拟，支持.hex,.elf,.cof，.ihex，.srec多种文件格式；步骤17)电子标识的系统级软件仿真电子标识采用VMLAB进行系统级软件仿真，在软件仿真阶段，通过软硬件平台的搭建，虚拟了一个电子标识实际运行的仿真环境，通过仿真环境，可以明确电子标识装置的功能实现；步骤18)电子标识的系统级硬件仿真电子标识使用JTAG在线仿真器完成硬件仿真，通过烧制平台，将应用程序烧制到节点中，完成应用功能；步骤19)电子标识装置的执行方式与功能实现采用JTAG编程器进行系统程序的在线仿真与调试，同时提供串口ISP，并口ISP,以及USB下载方式，电子标识下载了应用程序以后，即可执行操作，并在终端控制平台的控制与监视下，完成应用任务。有益效果电子标识装置承担了大部分的控制，传输和监控工作。具有以下一些优点和有益成果较高的系统集成度作为智能电子身份标识，为追求电子标识的小巧、便携，采用了较高的集成性设计策略。电子标识采用了8位RISC结构的高性能，低功耗的微处理器，集成了电子标识的大部分关键部件，包括动静态存储器，ADC转换器，定时计数器等，实时时钟，异步串行模块等，拥有很强的可扩展性。电子标识的系统集成情况如图1所示。同时，在系统及应用软件设计方面，电子标识内所有的模块都尽可能做到了精简，基本没有冗余代码。较低的系统能量消耗作为整个电子标识的关键部件，处理器的功耗一般很大。而在无线网络中，没有持续的能源供给，这就要求电子标识的设计必须将节能作为一个重要因素来考虑。电子标识的能量供给采用了外部电源和基站供电相结合的方式，提供了包括空闲模式，ADC降噪模式，掉电模式，省电模式，等待模式等多种电源管理方式。并且能够使电子标识在整个运行过程中，主动地进行状态的转换，从而十分有效地降低了电子标识的能耗，延长了电子标识的使用寿命。同时，电子标识在设计与实现的过程中，广泛采用了低功耗的硬件资源，在保证电子标识正常工作的同时，把能耗降到最低值。针对无线传感器网络数据转发的特点与数据交换的实现方式，本发明充分利用了电子标识的收发状态，达到了节能的目的。由于不需要中央处理机的参与，大大降低了能耗。标识器(ID—1)各个模块的能量消耗情况如图2所示。较快的运行速度由于在无线传感器网络对于电子标识的实时性要求很高，这就需要处理器实时处理的能力要强大。包括处理器内部的总线结构，寻址方式，指令流水线等的设计都需要以此为目标。电子标识的处理器采用了程序存储器与数据存储器使用不同的存储空间和存取总线的Harvard结构，取指令和程序执行同时进行，大大节约了开销。同时，硬件乘法器只需要两个时钟周期，工作于16MHz时，性能可以高达16MIPS。系统ALU与32个通用工作寄存器直接连接，在一个系统时钟周期内，ALU即可完成一次运算操作。较强的抗干扰设计本发明的标识器(ID—O作为人的身份标识，由于工作在各种复杂的环境中，在较高性能要求的同时，也对系统的抗干扰能力提出了越来越高的要求。标识器从抑制干扰源，切断传播路径和提高敏感元器件的抗干扰能力等多方面降低千扰，提高平台的可靠性。标识器所采用的抑制干扰源的措施有高频部分加载滤波电容；IC上并接高频电容，布线密集短小平滑以减少高频噪声发射等。在传播路径抑制方面，考虑了电源对于片上系统的噪声影响，设计出带有滤波电路的稳定电源，在1/0口与噪声源之间同样加以隔离，同时，注意了晶振布线与接地，电路板合理分区，将干扰源与敏感器件分离。系统为提高敏感元器件的抗干扰能力，进行了多方面改进，包括了减少回路环的面积，降低偶合噪声，配置闲置端口，使用电源监控和看门狗电路，降低晶振和使用低速传播等。较低的硬件制作成本作为网络化的身份识别设备，标识器(ID-1)应当遍布于网络各处，并具有很大的流动性，本发明的标识器的主要部分采用四层板布线策略，整体布线合理，内部元件具有较高的性能价格比，使得标识器整体的制作成本降低。图1表示整个ID电子标识装置基本模块组成，其中图l一l是标识器(ID—1)的模块组成图，图l一2是定位器(ID—2)的模块组成图。图2是标识器(ID—1)各个模块的能量消耗情况对比图。显示了组成本发明的各个能耗部分的耗能情况和对比。图3是本发明的电路设计原理图，其中图3—1—1为中央处理器模块和JTAG模块原理图、3—1一2为无线通信模块原理图、3—1一3为能量供应模块原理图、3—2—1为中央处理器模块和JTAG模块原理图、3—2—2为外部接口和能量供应模块原理图、3—2—3为无线通信模块原理图。图4是程序的总体流程图。图中反映了电子标识从上电自检到初始化，到状态转换的一系列过程，清楚地表明了系统的运行流程。图5是本发明详细的结构划分图。表示了电子标识详细的模块结构和各个部分之间的协同关系。图6是本发明的基本构架设计,反映了电子标识的基本层次结构。图7电子标识装置的总体结构设计。具体实施例方式本发明的电子标识以中央主控处理模块1为中心，外部信息传感模块5、底层能量供应模块4的输出端分别接中央主控处理模块1的输入端，短距离高频无线通信模块2与中央主控处理模块l双向联通；其中，短距离高频无线通信模块2包括射频芯片2-1、外部天线2-2，外部信息传感模块5，底层能量供应模块4包括JTAG供电4-1、外部电源供电4-2、USB接口供电4-3。电子标识装置具体实现方式和开发实现步骤为(1)明确电子标识装置所需要完成的总体功能和基本的性能指标。针对实际应用的需求，电子标识需要完成实时数据采集，实时监控，信号处理，数据传输，信息融合，预警控制，电子标识自主定位等多种功能。为了达到上述的各项基本功能，电子标识具有了较高的系统可靠性和集成度，较好的实时分析与处理能力，准确的数据传输精确性，并具备长时间低能耗的工作条件。(2)明确电子标识装置应用所必须达到的技术指标。a)系统的输入输出电子标识装置为用户提供方便灵活的输入输出控制功能，电子标识的输入包括程序烧制，功能选择与终端控制，电子标识的输出包括数据采集，信息显示。b)电子标识信号类型与数据特性电子标识信号传输于可变频的300MHZ-1OOOMHZ的通用高频段，具体的工作频点可以通过软件来实现。采用0.6KBaud/s—76.8KBaud/s的可调数据传输率。内部数据采用并行传输模式，曼彻斯特编码。(3)电子标识装置的基本构架设计。电子标识的基本构架遵循了一般嵌入式产品的基本模式，同时，基于实际应用的需要，在各个层面上都有所扩展。电子标识基本构架由四个层面组成，自下而上分别是功能部件层，设备驱动层，嵌入式系统内核，应用系统层。a)功能部件层功能部件层是整个电子标识的底层平台与硬件基础。包括了电子标识所有的硬件模块组成与系统底层调用的集合，将电子标识的各个组成模块进行综合并协调工作。b)设备驱动层设备驱动层为底层物理部件提供设备驱动功能与策略。实际应用中的电子标识需要工作于多种模式下，状态转换频繁，能耗控制要求高。本层的作用就是以设备驱动模块的形式，对电子标识的部件运行做全面调度。c)嵌入式系统内核嵌入式系统内核在设备与应用之间建立连接，提供软硬件系统调用的方式方法，同时为上层应用提供功能服务。系统内核基于实时操作系统的管理调度策略，同时针对标识器的特殊需要，改进了中断控制策略，进程调度策略以及存储管理策略。d)应用系统层应用系统层为终端用户提供了面向身份识别的系统控制方式与工作方法。完成电子标识的启动，运行，状态迁移，数据采集，信息处理，信号传输，能耗预警，程序下载等一系列应用功能。电子标识的基本构架设计如图6所示。(4)进行电子标识装置功能部件层设计方案的描述。系统采用自顶向下的方法，将电子标识的功能部件进行模块划分。主要包括中央主控处理模块，用户界面接口，高频无线通信模块，信息传感模块以及能量供应模块。a)中央主控处理模块电子标识的中央主控处理模块是整个标识器的核心模块，进行系统全局调度以及与用户进行交互。模块通过SPI通信子模块，与高频无线通信模块进行数据通信与信号传输。同时，利用A/D转换子模块，将信息传感模块采集到的各种传感信息转化为电信号的形式，并通过异步串行子模块传输到作为主控处理的用户界面，从而实现定量定性传感信息的显示。b)用户界面接口用户界面接口为用户提供了选择、控制传感信息采集以及信号传输方式的选取等诸多服务。通过与中央主控模块的交互，实现用户的多种功能需要。c)高频无线通信模块高频无线通信模块包括了低噪声放大，混频，滤波，调制解调等多个操作步骤，将传感信息，以无线频谱的方式，在相应的频段上进行传输，同时，接收来自自组网络内其它标识器的传感信息传递，并实时与基站定位器的沟通。d)能量供应模块能量供应模块为上述所有模块提供能源供给，针对系统的四种工作方式，提供了相对应的能源供给方式。在用户切换标识器的工作状态时，系统将自动调用相应的能量供给方式，使标识器工作在相应的模式下。标识器内各个模块的层次划分与相互调用关系如图5所示。(5)实施ID电子标识的总体结构设计。根据系统的规模和硬件平台的复杂程度，采用了分块式的结构设计方式。将系统整体按照功能进行划分。包括了微处理器模块，无线射频收发模块，传感信息采集模块，外部接口模块和电源供给模块。在实际设计过程中，每一个模块都对应了相应的集成电路系统，并最终通过系统总线相连接，完成ID电子标识的整体功能的实现。电子标识装置的总体结构设计如图7所示。(6)接下来的步骤是进行系统的硬件结构的设计。在实际操作中，采用了软硬件并行开发的协同设计技术。硬件结构设计中包括了这样几个方面与步骤a)微处理器的选择微处理器是整个电子标识装置的核心部件，直接决定了整个系统的功能和性能。同时，不同封装形式的处理器芯片，也会直接影响到系统的物理尺寸和重量。因此，在微处理器的选择上，本发明主要考虑了性能和封装两个方面的因素。ID电子标识采用了Atmel的先进的8位RISC微处理器~~ATmegal28L作为电子标识的处理器芯片。在AT90系列处理器的基础上增加了2个时钟的硬件乘法器，并且可以通过芯片上的BOOT区实现程序的在线自编程，具有2线的IC接口和8路10位的A/D转换器，并且增加了JTAG仿真，下载接口，提高了系统的开发效率。b)外围器件的选择根据本发明电子标识自身的特点和无线传感器网络的自身要求，本发明的外围器件的选择,基本实现了作为自组无线网络中的电子标识的所有功能。这些器件包括可数字化i/o器件，外部存储器件，A/D转换器件以及其他功能部件。c)高集成，高效率的电路设计在电子标识装置的电路设计中，充分体现了软硬结合的观点。为了提高系统的可靠性以及为后续开发做准备，标识器中许多使用硬件可以完成的功能也可以由软件来完成。用软件来实现硬件的功能可以有效地减少硬件开发电路，但是响应时间比单独使用硬件的实现要长，而且占用CPU的执行，算法的实现往往比较复杂。在本发明的电子标识开发过程中，充分考虑了软硬件的综合与衔接情况。本发明在电路设计中，从集成模块，到基本元件，都尽可能采用典型的器件，促进了硬件系统的标准化和模块化。同时，全面规划了系统的软硬件资源，在进行开发的过程中充分考虑了系统的可扩展性，从而有利于系统的二次开发。由于涉及了基站定位器与PC之间的通信等一系列不同单元电路之间的接口连接与数据传输，本发明在这些方面充分考虑了信号的兼容性。定位器(ID—2)与计算机USB口的连接之间实现了TTL信号和CH341信号之间的转换；主控定位器由于需要实时处理和分析来自分布在网络中的各个标识器的信息和数据，因此也建立了高速信号和低速信号之间的缓冲。d)模块间的接口设计本发明的两大基本模块——无线通信模块与中央主控模块的接口设计主要由三大部分组成。分别是串行配置总线连接部分(主要用来设置与改变无线通信芯片的工作模式与参数设置)，双向同步数据信号连接部分(主要用于数据通信与信息传输)，以及可选的测试部分(主要用于监测标识器工作状态及测试信号强度)。e)硬件平台的计算机辅助设计本发明采用了一系列较为先进的电路CAD软件进行系统结构和较大规模集成电路的设计。通用性强，开发效率高。系统的主要模块均采用了ProtelDXP完成硬件电路的设计与绘制。鉴于本产品的部分高端元器件并没有预定义的封装形式，在开发过程中，加入了对于这些器件的封装的定义，并已经打包到了其封装库当中，以便今后扩展使用。考虑到集成性，抗干扰能力，以及系统各项性能指标的要求，本发明采用了四层板布线的策略，通过手动布线和自动布线相结合的方式进行。本发明的部分原理图如图3所示。f)电子标识的电源设计与功耗管理作为身份标识的标识器(ID—1)随身携带，能量的节约显得十分重要。在本发明中，电源模块需要给上层的中央主控模块和无线射频收发模块供给工作所需要的能量。经过实际测量计算，节点在非节能模式的运行中，上述两个模块的工作电流可以高达25mA。对于大部分时间采用内部电源供给的标识器(ID—1)而言，电源的设计与管理显得尤为重要。本发明在电源的设计与管理中，充分考虑了节能的要求，不仅在软件上，为标识器提供了4种可变的工作模式，同时，采用了相当数量的低损耗的系统元器件。标识器的设计中，提供了一种较为精确的电源预警机制，可以完成对于自身供电电压的实时监控，当电压低于系统工作所允许的最低门限要求的时候，标识器会产生报警机制，并迅速使标识器切换到休眠或等待模式。定位器(ID—2)通过USB口直接与PC机连接，从而可以有效的利用PC机USB口的5V电压作为自身的能量来源。本发明的功耗管理主要包括了系统级功耗管理，软件代码级优化，寄存器传输优化和后端综合布线优化等。系统级功耗管理将在标识器没有操作的时候，使之进入睡眠状态，在预设时间来临的时候，即产生中断唤醒；对于本发明而言，编码风格与代码效率对于片上系统而言非常重要，标识器采用了良好的编码风格，优化后的代码使功耗大为降低；在寄存器传输方面，本发明采用了硬件结构优化和系统流水线处理并行的优化策略，同时降低寄存器电容的片内存储器模块划分，降低活动因子的信号门控，减少Glitch(毛刺)的传播速度等，以此使寄存器传输功耗大为降低；在后端综合布线方面，本发明采用了优化电路，减少操作，修改信号相关关系等方式，进一步减少了综合毛刺的产生概率。g)硬件平台的可靠性设计和抗干扰性能实际应用中的电子标识，工作于各种不同的环境中，在较高性能要求的同时，也对系统的可靠性提出了越来越高的要求，特别是在工业控制以及通信要求的实时性较高的领域。本发明从抑制干扰源，切断传播路径和提高敏感元器件的抗千扰能力等多方面降低干扰，提高平台的可靠性。电子标识所采用的抑制干扰源的措施有高频部分加载滤波电容；IC上并接高频电容，布线密集短小平滑以减少高频噪声发射等。在传播路径抑制方面，本发明充分考虑了电源对于片上系统的噪声影响，设计出带有滤波电路的稳定电源，在i/o口与噪声源之间同样加以隔离，同时，注意了晶振布线与接地，电路板合理分区，将干扰源与敏感器件分离。本发明为提高敏感元器件的抗干扰能力，进行了多方面改进，包括了减少回路环的面积，降低偶合噪声，配置闲置端口，使用电源监控和看门狗电路，降低晶振和使用低速传播等。CO与系统的硬件设计同时开展的是系统的软件功能设计。对于ID电子标识开发平台而言，软件设计主要包括了底层系统软件的设计和上层应用软件的设计。a)系统的功能定义本发明需要完成从传感信息采集，信息转换，信号处理，数据传播与接收，控制台监控，实时预警等一系列任务。输入输出数据复杂，传输方式多样。b)系统软件的结构设计本发明的系统软件基于RTOS(ReaI-TimeOperationSystem实时操作系统)，能够及时响应外部事件请求，并在规定时间内完成处理。系统控制所有实时任务协调一致运行，具有独立性，可靠性和实时性特点。系统根据任务要求，进行资源管理，消息处理，任务调度，异常处理等工作，并分配优先级，系统能够根据各个任务的优先级，进行动态切换和调度。c)系统的程序流程由于本发明的系统软件为基于片上系统的嵌入式软件，因此，在程序流程方面不仅要考虑到功能的完整性和准确性，也要保证硬件初始化和运转的正常。鉴于本发明的实时性要求较高，因此中断系统的控制与产生在系统的设计中占有十分重要的地位，系统提供了包括软中断，硬件中断以及嵌套中断在内的多种中断方式，同时采用了动态实时调度算法(包括速率单调算法，最早截止时间优先算法，最小松弛时间优先算法)。系统的总体程序流程图如图4所示d)系统的模块设计根据ID电子标识的功能实现要求，把整个系统划分为如下几个模块中央主控处理模块，短距离高频无线通信模块，外部信息传感模块、外部接口模块和底层能量供应模块。各个模块中还细分出更具体的功能模块。系统的详细模块设计图如图5所示。e)软件可靠性设计为了使本发明稳定运行，在提高硬件性能和可靠性的基础上，还需要保证软件的可靠性，以使得整个电子标识装置稳定运行于工作环境。本发明中的软件可靠性设计主要包括了抗干扰设计和容错设计。软件抗干扰设计是硬件抗干扰设计的辅助方法，为保证身份识别过程中身份信息的安全性，我们将身份数据采取加密处理，并在接收端进行解密。本发明中，使用了抑制迭加在信号通路上噪声的数字滤波和减少冗余指令的方法。数字滤波有多种方式，系统使用了加权平均滤波法，即对目标参量采样N次，并将每次的采样值乘以一个小于1的加权系数，再将加权后的采样值累加作为本次的采样值。每次采样值的加权系数均不相同，以突出此后的若干次采样效果，加强系统对参数变化趋势的识别能力。f)通信软件设计AVRATmel-128单片机有一个全双工的串口。它不仅具有双机之间的串行通信能力，而且还可实现多机通信。由ATmel-128构成的多机系统通常采用主从式结构，主机和各从机可实现全双工通信。在多机系统中，要保证主机与从机实现可靠的通信，必须保证通信接口具有识别能力。通信协议的设计，当主机能寻址从机后，要保证通信的准确可靠，必须遵循一定的通信协议。在本系统中，帧的格式分为地址帧、数据帧、命令帧、和应答帧。通信均有主机发起，并遵循以下协议。数据帧格式-<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>(8)在完成了软硬件的协同设计之后，需要利用现有的软硬件开发工具，进行功能部件级和系统级的仿真和调试。这样既有利于找出系统存在的问题，也进一步明确了系统的运行流程和结构组合。本发明在这一阶段主要采用了软件调试，软件系统仿真和硬件系统仿真三个过程。a)软件调试本产品使用AVRStudio进行软件调试。这是一个集项目管理，程序编译，程序调试，程序下载，JTAG仿真等功能于一身的集成开发环境。允许用户进行AVR在线实时仿真或模拟。在进行仿真之前，需要使用第三方编译器将源文件编译为可仿真的.co纹件。b)系统级软件仿真本发明采用VMLAB进行系统级软件仿真。在软件仿真阶段，通过软硬件平台的搭建，虚拟了一个节点实际运行的仿真环境。通过仿真环境，可以明确本发明电子标识的功能实现。c)系统级硬件仿真本发明使用JTAG(JointTestActionGro叩)在线仿真器实现硬件仿真。通过烧制平台，将本发明的应用程序烧制到电子标识中，完成相应的应用功能。(9)完成了软硬件的仿真调试后，就可将系统程序下载到ID电子标识之中了。本发明主要为用户提供了两种下载方法，分别是ISP下载和JTAG下载。AVR系列产品都支持ISP，在实际应用中，可以通过本发明附带的特制下载线，进行ISP的编程，既省去了专门的编程器，也有利于今后的系统升级和后续开发。JTAG下载主要通过JTAGICE进行。不需要额外的器件即可以实现目标文件的下载执行。权利要求1.一种基于智能身份识别的电子标识装置，其特征在于该电子标识以中央主控处理模块(1)为中心，外部信息传感模块(5)、底层能量供应模块(4)的输出端分别接中央主控处理模块(1)的输入端，短距离高频无线通信模块(2)与中央主控处理模块(1)双向联通，中央主控处理模块(1)的输出端接外部接口模块(3)；其中，短距离高频无线通信模块(2)包括射频芯片(2-1)、外部天线(2-2)，外部接口模块(3)包括USB总线转接芯片(3-1)、USB接口(3-2)，底层能量供应模块(4)包括JTAG供电(4-1)、USB接口供电(4—3)。2.—种如权利要求1所述的基于智能身份识别的电子标识装置的实现方法，其特征在于实现所包含的步骤为步骤l)规划电子标识装置所需完成的总体功能和基本性能指标电子标识需完成实时数据采集、实时监控、信号处理、数据传输、信息融合、预警控制、自主定位多种功能，要求具有高系统可靠性和高集成度，较好的实时分析与处理能力，数据传输精确性，并具备长时间低能耗的工作条件；步骤2)确定电子标识装置的输入输出定位器(ID—2)将从网络内标识器(ID一l)传送过来的数据作为输入，将传感结果在用户终端显示作为输出；步骤3)明确电子标识装置信号类型与数据特性身份信号传输于可变频的300MHZ-1000MHZ的通用高频段，拥有多个固定的频点；频率调制通过编程改变频率字寄存器的值来实现，采用0.6KBaud/s-76.8KBaud/s的可调数据传输率，内部数据采用并行传输模式，曼彻斯特编码；步骤4)电子标识装置的基本构架设计和方案电子标识基本构架由四个层面组成，自下而上分别是功能部件层、设备驱动层、嵌入式系统内核、应用系统层；采用自顶向下的方法将本电子标识的功能部件层进行模块划分，主要包括中央主控处理模块、用户界面接口、高频无线通信模块以及能量供应模块；步骤5)设计中央主控处理模块中央主控处理模块通过SPI通信子模块，与高频无线通信模块进行数据通信与信号传输，同时，利用A/D转换子模块，将信息传感模块采集到的各种传感信息转化为电信号的形式，并通过异步串行子模块传输到作为主控处理的用户界面，从而实现定量定性传感信息的显示；步骤6)用户界面接口模块用户界面接口为用户提供了选择、控制身份信息采集以及信号传输方式的选取等诸多服务；通过与中央主控模块的交互，实现用户的多种功能需要；步骤7)设计高频无线通信模块电子标识的高频无线通信模块包括了低噪声放大器、混频器、滤波电路、分频器、调制解调器、鉴相器、低通滤波器，模块将传感信息，以无线频谱的方式，在300MHZ-1000MHZ的频段上进行传输，同时，接收来自自组网络内其它标识器(ID—1)的信息，并实时与基站定位器(ID—2)进行沟通；步骤8)设计能量供应模块能量供应模块为上述各个模块提供能源供给，针对系统的发送、接收、休眠、待机四种不同的工作方式，提供了相对应的能源供给方式；步骤9)电子标识装置的电路设计与实现电子标识的电路采用数字化标准设计，元件均采用0603型的贴片式封装，定位器(ID—2)与PC机USB接口的连接并通过CH341T芯片的电平转换，将USB口模拟成串口，实现利用USB接口传输信号；标识器和定位器建立了高速信号和低速信号之间的缓冲，节点采用四层板布线的策略，通过手动布线和自动布线相结合的方式进行；步骤IO)电子标识外围器件的选取:根据电子标识自身特点和无线传感器网络的自身要求，电子标识的外围器件，实现了作为自组无线网络中身份标识的功能，这些器件包括可数字化I/0器件、外部存储器件、A/D转换器件、外部晶振系统、有源天线；步骤ll)电子标识装置模块间的接口设计电子标识接口主要由三大部分组成，分别是串行配置总线连接部分，双向同步数据信号连接部分，以及可选的测试部分；步骤12)电子标识装置的电源设计标识器(ID—1)提供了4种可变的工作模式，分别是睡眠模式，发送模式，接收模式，省电模式，同时，设计了一种较为精确的电源预警机制，可以完成对于自身供电电压的实时监控；定位器(ID—2)通过USB接口获得电能；步骤13)电子标识装置的功耗管理设计电子标识的功耗管理主要包括了系统级功耗管理，软件代码级优化，寄存器传输优化和后端综合布线优化；步骤14)电子标识装置的可靠性与抗干扰性设计电子标识在高频部分设计加载滤波电容，在IC上并接高频电容，采用密集布线以减少高频噪声发射；在传播路径抑制方面，电子标识设计出带有滤波电路的稳定电源，在I/0口与噪声源之间加以隔离，同时将干扰源与敏感器件分离；步骤15)电子标识装置的软件可靠性设计电子标识设计中采用抑制迭加在信号通路上噪声的数字滤波和减少冗余指令的方法，采用精简指令系统；步骤16)电子标识装置的软件调试电子标识使用AVRStudio进行软件调试，允许用户进行AVR在线实时仿真或模拟，支持.hex，.elf，.cof，.ihex,.srec多种文件格式；步骤17)电子标识的系统级软件仿真电子标识采用VMLAB进行系统级软件仿真，在软件仿真阶段，通过软硬件平台的搭建，虚拟了一个电子标识实际运行的仿真环境，通过仿真环境，可以明确电子标识装置的功能实现；步骤18)电子标识的系统级硬件仿真电子标识使用JTAG在线仿真器完成硬件仿真，通过烧制平台，将应用程序烧制到节点中，完成应用功能；步骤19)电子标识装置的执行方式与功能实现:釆用JTAG编程器进行系统程序的在线仿真与调试，同时提供串口ISP，并口ISP，以及USB下载方式，电子标识下载了应用程序以后，即可执行操作，并在终端控制平台的控制与监视下，完成应用任务。全文摘要基于智能身份识别的电子标识装置及其实现方法涉及了一种短距离低功耗的无线身份识别通信系统的设计方案，给出了基于智能身份识别的电子标识装置的实例，主要解决了高频通信条件下的智能无线身份识别的问题，该电子标识以中央主控处理模块(1)为中心，外部信息传感模块(5)、底层能量供应模块(4)的输出端分别接中央主控处理模块(1)的输入端，短距离高频无线通信模块(2)与中央主控处理模块(1)双向联通，中央主控处理模块(1)的输出端接外部接口模块(3)；其中，短距离高频无线通信模块(2)包括射频芯片(2-1)、外部天线(2-2)，外部接口模块(3)包括USB总线转接芯片(3-1)、USB接口(3-2)，底层能量供应模块(4)包括JTAG供电(4-1)、USB接口供电(4-3)。文档编号G06K17/00GK101377823SQ20081015617公开日2009年3月4日申请日期2008年10月6日优先权日2008年10月6日发明者凡高娟,宁叶,晨唐,孙力娟,汤友东,超沙,王汝传,王玉斐,志陈,陈友武,黄俊杰,黄海平申请人:南京邮电大学