??? 摘 要：設(shè)計(jì)一種工作于2.4 GHz 頻段的微功耗有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),，描述了閱讀器與射頻標(biāo)簽的工作流程。射頻標(biāo)簽工作模式為休眠喚醒模式,，大大延長(zhǎng)了射頻標(biāo)簽的使用壽命,。
??? 關(guān)鍵詞：有源；射頻識(shí)別,；閱讀器,；射頻標(biāo)簽
?
??? 射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性,，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別,。作為快速、實(shí)時(shí),、準(zhǔn)確的高效采集與信息處理技術(shù),，已被公認(rèn)為本世紀(jì)十大重要技術(shù)之一。根據(jù)供電方式不同,，RFID可分為有源和無(wú)源2類,。其中有源RFID射頻標(biāo)簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源,。正是因?yàn)槿绱?，有源RFID才具備有低發(fā)射功率、通信距離長(zhǎng),、傳輸數(shù)據(jù)量大,、可靠性高和兼容性好等特點(diǎn)。隨著技術(shù)的愈加成熟,，被廣泛地應(yīng)用到公路收費(fèi),、港口貨運(yùn)等管理中[1-4]。
??? 本文提出了一種RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì),，與以往的RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)相比,，這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了一種微功耗無(wú)線射頻收發(fā)芯片，且該芯片將MCU和射頻模塊集成在一起,，這樣就使系統(tǒng)簡(jiǎn)單化,、小型化、模塊化,。
1 有源RFID系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)
1.1? 系統(tǒng)工作原理
??? 在有源RFID系統(tǒng)中,，標(biāo)簽和讀寫器處于遠(yuǎn)磁場(chǎng)區(qū)，通過(guò)電磁耦合方式傳輸信號(hào)。由于電子標(biāo)簽自帶電池,，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的識(shí)別范圍后,，電子標(biāo)簽不需要讀寫器發(fā)出激活信號(hào)，而是主動(dòng)地將存儲(chǔ)的識(shí)別信息(ID)以電磁波的形式傳給讀寫器[3-4],。
1.2? 系統(tǒng)組成
??? 如圖1所示,，有源RFID系統(tǒng)主要由讀寫器、有源電子標(biāo)簽,、計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)組成,。該系統(tǒng)中，射頻標(biāo)簽存儲(chǔ)著要被識(shí)別物品的相關(guān)信息,，通常放在被識(shí)別物品上,；讀寫器負(fù)責(zé)讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息；計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)用于對(duì)數(shù)據(jù)的管理,，完成通信傳輸功能,。
?
?
1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.3.1芯片選擇
??? 目前用于低功耗的無(wú)線射頻收發(fā)芯片很多，考慮到設(shè)計(jì)成本及系統(tǒng)的功能特點(diǎn),，本文設(shè)計(jì)的微功耗有源RFID系統(tǒng)采用Chipcon公司的無(wú)線低功耗射頻收發(fā)芯片CC2510,。CC2510為2.4 GHz單芯片系統(tǒng)，用于低功耗及低電壓無(wú)線通信,?？商峁?種功耗模式，用于降低電流損耗,，適用于需求超低功耗的系統(tǒng),；同時(shí)CC2510芯片把MCU和射頻模塊集成在一起，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性[5],。
1.3.2 讀寫器的硬件構(gòu)成
??? 如圖2所示，讀寫器主要是由數(shù)據(jù)接口,、主控制器(8051 MCU內(nèi)核),、無(wú)線收發(fā)模塊、天線幾部分構(gòu)成,。數(shù)據(jù)接口的主要功能是通過(guò)USB接口把讀寫器與PC機(jī)連接起來(lái),，實(shí)現(xiàn)高頻模塊與PC的通信；主控制器采用芯片CC2510內(nèi)部自帶的微處理器8051 MCU,，用于處理無(wú)線收發(fā)模塊收到的數(shù)據(jù),；無(wú)線收發(fā)模塊由芯片CC2510自身的射頻發(fā)射部分與外圍電路組成，用于完成與射頻標(biāo)簽的無(wú)線數(shù)據(jù)通信,；天線采用PCB天線,，與無(wú)線收發(fā)模塊相連，是讀寫器與射頻標(biāo)簽通信的橋梁。
?
?
1.3.3 射頻標(biāo)簽硬件構(gòu)成
??? 與讀寫器一樣,，射頻標(biāo)簽同樣通過(guò)CC2510來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信,。如圖3所示，其主要由主控制器(8051 CPU內(nèi)核),、無(wú)線收發(fā)模塊,、天線、電源幾部分構(gòu)成,。不同的是,，射頻標(biāo)簽的工作電源由電池或者電子提供，而讀寫器的電源由PC機(jī)提供,。
?
?
2? 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)
??? 通信協(xié)議設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的部分,，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的雙方必須遵守相互約定的通信協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)安全、可靠,、有效的數(shù)據(jù)通信,。在此系統(tǒng)中主要設(shè)計(jì)PC與讀寫器之間的通信協(xié)議，以及讀寫器與射頻標(biāo)簽之間的通信協(xié)議,。
2.1 PC與讀寫器之間的通信協(xié)議
??? 讀寫器與后臺(tái)PC機(jī)采用RS485 串口通信,，工作在異步方式，傳輸速率為57 600 b/s,。
2.2 讀寫器與射頻標(biāo)簽之間的通信協(xié)議
??? 讀寫器與射頻標(biāo)簽在初始化建立通信過(guò)程中以數(shù)據(jù)幀的形式封裝,。一般采用需要4種幀，即尋卡命令幀,、通信成功確認(rèn)幀,、通信失敗確認(rèn)幀以及標(biāo)簽信息幀。根據(jù)芯片CC2510自身規(guī)定好的通信協(xié)議可以定義其幀結(jié)構(gòu)[5],，如圖4所示,。
?
??? 導(dǎo)言字段：導(dǎo)言采用交替序列1010…1010開(kāi)始；
??? 同步字段：占用2 B,，由芯片自身實(shí)現(xiàn),；
??? 長(zhǎng)度字段：表明幀的長(zhǎng)度，用二進(jìn)制數(shù)表示,，占用1 B,；
??? 地址字段：在此字段標(biāo)示幀的序號(hào)，即可以表示1～255(除去00000000情況,，即全零情況),，占1 B(由讀卡器循環(huán)生成和管理，并在一次認(rèn)證中保持不變),。目的是在多標(biāo)簽的情況下防止碰撞,。其原理為：讀卡器與射頻標(biāo)簽之間在通信的過(guò)程中,，按第一時(shí)間收到的幀的序號(hào)來(lái)排隊(duì)，只有等此幀通信結(jié)束,，才去處理下一個(gè)幀號(hào),。如此就可以避免碰撞，實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽識(shí)別,。
??? 數(shù)據(jù)字段：在尋卡命令幀,、通信成功確認(rèn)幀和通信失敗確認(rèn)幀這3種幀中，數(shù)據(jù)字段包含對(duì)應(yīng)的命令數(shù)據(jù),；在標(biāo)簽信息幀中,，數(shù)據(jù)字段包含的是標(biāo)簽的信息。
??? 校驗(yàn)字段：采用CRC-16校驗(yàn),。
3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 讀寫器軟件及流程
??? 讀卡器工作過(guò)程中,，首先上電復(fù)位初始化，然后開(kāi)始發(fā)送尋卡命令,，等待標(biāo)簽響應(yīng),。當(dāng)有標(biāo)簽響應(yīng)時(shí)，收到標(biāo)簽發(fā)來(lái)的標(biāo)簽信息,，首先判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤,。如果有，就返回一個(gè)確認(rèn)失敗信息給標(biāo)簽,，并等待標(biāo)簽重新發(fā)送數(shù)據(jù),；若檢驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)，則開(kāi)始向主機(jī)發(fā)送標(biāo)簽信息驗(yàn)證請(qǐng)求,。未得到PC返回的信息時(shí),，則繼續(xù)向PC發(fā)送標(biāo)簽信息請(qǐng)求驗(yàn)證(如果連續(xù)3次沒(méi)有得到驗(yàn)證結(jié)果返回，就向標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)驗(yàn)證失敗信息);有驗(yàn)證信息返回時(shí),，判斷驗(yàn)證結(jié)果,。成功，則向標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)確認(rèn)成功信息,；若失敗,，向標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)確認(rèn)失敗信息。其流程如圖5所示,。
?
3.2? 標(biāo)簽軟件及流程圖
??? 標(biāo)簽工作過(guò)程中，首先是標(biāo)簽冒頭探測(cè)有無(wú)讀卡器發(fā)送過(guò)來(lái)的尋卡命令,；若無(wú),，則轉(zhuǎn)入休眠；若有,，則發(fā)送自身信息至讀卡器,，然后等待讀卡器返回信息,；若沒(méi)有得到讀卡器返回信息，需要重新發(fā)送標(biāo)簽信息至讀卡器,；若有確認(rèn)信息,，要注意是否是讀卡器直接發(fā)現(xiàn)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)錯(cuò)誤而給標(biāo)簽的確認(rèn)失敗信息，其錯(cuò)誤位標(biāo)識(shí)為0,，這時(shí)需要重新傳送標(biāo)簽信息至讀卡器,；若確認(rèn)信息是讀寫器轉(zhuǎn)發(fā)PC的驗(yàn)證結(jié)果，要判斷驗(yàn)證結(jié)果,，然后根據(jù)不同的結(jié)果發(fā)送標(biāo)簽不同的確認(rèn)信息,。此次通信結(jié)束，轉(zhuǎn)入休眠,，準(zhǔn)備下次通信,。其流程圖如圖6所示。???
?
?????????????????????????????
4? 射頻標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì)
??? 提高有源射頻標(biāo)簽的使用壽命,，必須要盡量減少不必要的功耗,，充分利用電池中的能量，這樣才能實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的使用周期,。
??? 為降低功耗,，射頻標(biāo)簽采用休眠工作方式。休眠時(shí),，芯片CC2510中除MCU 定時(shí)器外,，所有器件均停止工作，只消耗極小的電流,。并且在進(jìn)入休眠狀態(tài)前,，微控制器將所有I/O 腳置成輸出狀態(tài)，以避免其處于高阻態(tài)時(shí)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電流損耗,。
??? 在芯片CC2510中睡眠定時(shí)器用來(lái)控制芯片從睡眠模式PM0/PM1/PM2中退出,，返回到主動(dòng)模式(active mode)?？梢詫?duì)睡眠定時(shí)器定義一個(gè)0事件(Event 0),，當(dāng)0事件發(fā)生時(shí)，芯片從PM0/PM1/PM2返回到激活模式,。睡眠定時(shí)器不能在PM3模式和激活模式下工作,。2次連續(xù)的0事件之間的時(shí)間tEvent0由下面的公式?jīng)Q定[5]。
??? 若使用低功耗RC振蕩器：
??? tEvent0＝750/fref×EVENT0 ×25×WOR_RES
??? 若使用晶振：
??? tEvent0＝1/32768 × EVENT0×25×WOR_RES
??? 使芯片CC2510休眠的參考主函數(shù)程序：
??? void main( )
??? {
???? ? uchar count = 0,；
????? ?Initial( ),；
????? ?Init_clocks(0，0,，0,，4),；
????? ?led1 = 0； //開(kāi)紅色LED,，系統(tǒng)工作指示
????? ?Delay( ),；??? //延時(shí)
????? ?Delay( )；
????? ?Delay( ),；
????? ?Delay( ),；
????? ?while(1)
????? ?{
??????????? ??led2 = !led2；
??????????? ??count++,；
????????????? if(count == 20)PowerMode(3),；//10次閃爍后進(jìn)入睡眠狀態(tài)
????????????? Delay( )；
?????? ?};
??? }
??? 低功耗無(wú)線射頻收發(fā)芯片應(yīng)用于RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì),，不但降低了功耗,，實(shí)現(xiàn)RFID 產(chǎn)品的小型化、模塊化和智能化,，同時(shí)降低了系統(tǒng)成本,，增大了系統(tǒng)識(shí)別距離，促進(jìn)了RFID技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,。希望有源RFID技術(shù)能夠越來(lái)越受重視,，使其蓬勃發(fā)展，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn),。
參考文獻(xiàn)
[1]?周曉光,，王曉華.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2006.
[2]?游站清,，劉克勝.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)規(guī)劃與實(shí)施[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2005.
[3]?鄭賢忠.基于有源RFID技術(shù)的車輛識(shí)別與控制終端系統(tǒng)研究[D].武漢理工大學(xué)，2008.
[4]?HYUNTAE C,，YUNJU B.Design and implementation of an active RFID system platform.IEEE 2005.
[5]?霍宏偉,，牛延超，徐曉羽.基于RF芯片CC2510的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件,，2006(9)：44-47.