引言
現(xiàn)代生活中越來(lái)越多地借助電子技術(shù)來(lái)完成信息的查詢,，常見的技術(shù)主要是條形碼技術(shù)和RFID(radio frequency identification)技術(shù)。條形碼技術(shù)廣泛應(yīng)用,，但局限性也非常突出,，如：條碼標(biāo)簽的內(nèi)容無(wú)法修改，條碼標(biāo)簽必須清潔無(wú)磨損,，閱讀器讀／寫條碼時(shí)應(yīng)保持適當(dāng)角度,，閱讀器與條形碼之間必須可視。RFID是射頻識(shí)別的簡(jiǎn)稱,，它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),，其利用無(wú)線電技術(shù)在讀寫器和電子標(biāo)簽之間建立通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的?，F(xiàn)在RFID技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn),、物流、交通,、醫(yī)療,、跟蹤等應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)收集和處理。RFID技術(shù)的優(yōu)勢(shì)則較為突出,，如：標(biāo)簽信息可修改,，能在惡劣的環(huán)境下較遠(yuǎn)距離進(jìn)行讀取，可同時(shí)處理多個(gè)標(biāo)簽,。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)的方式不同,，RFID技術(shù)可分為無(wú)源RFID技術(shù)和有源RFlD技術(shù)。無(wú)源RFlD技術(shù)研究和應(yīng)用都較為成熟,，系統(tǒng)中電子標(biāo)簽工作所需要的全部電源都依靠轉(zhuǎn)換接收到的讀寫器發(fā)送的電磁波而獲得,。讀寫器的發(fā)射功率一般較大。有源RFID技術(shù)系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽具備電池,，可提供全部器件工作的電源,；讀寫器的發(fā)射功率要求較低，而且有效閱讀距離也較前者有所增加,，在追蹤和識(shí)別高價(jià)值商品時(shí)非常有用,。
l 有源RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
有源RFID系統(tǒng)由有源電子標(biāo)簽(tag)、讀寫器(reader)和計(jì)算機(jī)3部分組成,；有源電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成,，每個(gè)標(biāo)簽具有惟一的電子編碼(EPC)，保存有約定格式的電子數(shù)據(jù),；讀寫器讀取電子標(biāo)簽信息的設(shè)備,，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式；計(jì)算機(jī)(上位機(jī))用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理,，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
在實(shí)際應(yīng)用中，讀寫器發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào),，附在待識(shí)別物體表面中電子標(biāo)簽接收射頻信號(hào)后,，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。通常讀寫器與計(jì)算機(jī)相連,，電子標(biāo)簽回送的信息被讀寫器讀取解碼后送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步處理,，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別體的目的。
1．2 硬件設(shè)計(jì)
RFID系統(tǒng)依照不同的標(biāo)準(zhǔn),，可以分為不同的類型,。根據(jù)RFID系統(tǒng)使用的工作頻率可分為4類：低頻(LF,，30～300 kHz)、高頻(HF,，3～30 MHz),、超高頻(UHF，300～968 MHz)和微波(UWF,，2．4～5．8 GHz),。根據(jù)文獻(xiàn)以及對(duì)不同頻段RFID系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，再結(jié)合課題的要求,，能在50 m范圍內(nèi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)標(biāo)簽,，并能讀寫數(shù)據(jù)，選用工作頻率為2．4 GHz的微波頻段的RFID系統(tǒng)進(jìn)行研究,。2．4 GHz頻率具有衰減較小,，傳輸距離遠(yuǎn)．傳輸數(shù)據(jù)快，數(shù)據(jù)吞吐量高,，識(shí)別多目標(biāo)能力強(qiáng)的特點(diǎn),。同時(shí)，2．4 GHz的ISM頻段寬度超過(guò)83 MHz,，具有125個(gè)頻道,，能滿足多頻及跳頻的需要，增加無(wú)線通信的抗干擾能力,。
有源電子標(biāo)簽和讀寫器主芯片選用德州儀器公司的CC2510。該器件包含了高性能,、低功耗的8051微控制器(MCU)和UHF RF收發(fā)器,，集成了32 KB在系統(tǒng)可編程FLASH和內(nèi)嵌4 KB SRAM，并具有功率放大器(PA),、低噪聲放大器(LNA),、調(diào)制解調(diào)器(MODEM)等功能，QLP封裝,，體積小(6 mm×6 mm),，支持流行的跳頻技術(shù)，可程序控制數(shù)據(jù)傳輸率大小,，最快能夠使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到500 Kb／s,。在系統(tǒng)中使用CC2510，具有功耗小,，成本低,，外圍電路簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。此外,，CC2510可設(shè)置的跳頻通信方式,、發(fā)射功率和存儲(chǔ)程序,，可以實(shí)現(xiàn)頻率更改、讀寫距離控制和多種安全協(xié)議,，以適用于多種安全級(jí)別,。
有源電子標(biāo)簽由CC2510無(wú)線收發(fā)及控制模塊和天線組成。通過(guò)電磁波與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,。讀寫器由CC2510無(wú)線收發(fā)及控制模塊,、天線、USB接口轉(zhuǎn)換模塊和接口電路組成,。讀寫器通過(guò)USB接口與上位機(jī)相連,，用來(lái)接收有源電子標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)。
1．3 軟件設(shè)計(jì)
在整個(gè)有源RFID系統(tǒng)中軟件起到控制作用,，是協(xié)調(diào)硬件各部分的靈魂,。主要涉及到PC機(jī)的人機(jī)界面接口和RFID系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、PC機(jī)與讀寫器的通信軟件設(shè)計(jì),、讀寫器射頻與有源電子標(biāo)簽射頻的通信軟件設(shè)計(jì),。
PC機(jī)端軟件主要對(duì)RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，使用C"編制,，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Setver 2005,。PC機(jī)通過(guò)接口電路對(duì)讀寫器進(jìn)行操作。該部分使用VB編制,。讀寫器與標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)通信則采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言和匯編混合編制,。在單片機(jī)中類似PC機(jī)與單片機(jī)的通信軟件設(shè)計(jì)敘述很多，在此不再贅述,。本文重點(diǎn)講述讀寫器與有源電子標(biāo)簽可靠通信的設(shè)計(jì)了研究,。
2 可靠通信研究
在有源RFID系統(tǒng)中，可靠通信是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié),，幾乎左右了整個(gè)系統(tǒng)的性能,。這里分別從幀標(biāo)識(shí)替換算法，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),、防沖突處理和重傳機(jī)制等4個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)可靠通信進(jìn)行了研究,。
2．1 幀標(biāo)識(shí)替換算法
在通信協(xié)議中采用Ox76(0x表示16進(jìn)制計(jì)數(shù))作為幀標(biāo)識(shí)符。為了保證幀標(biāo)識(shí)符的惟一性,，對(duì)幀內(nèi)容中的Ox76采用了替代算法,，使幀中的內(nèi)容不再出現(xiàn)Ox76，解決了接收端的同步問(wèn)題,，亦可提高接收的可靠性,。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)為0x76，則用Ox77,，Ox77兩個(gè)字節(jié)替代,；如果發(fā)送的數(shù)據(jù)為Ox77,，則用Ox77，0x78兩個(gè)字節(jié)替代,。算法流程如圖2所示,。
2．2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)
讀寫器對(duì)標(biāo)簽的操作為讀／寫，電子標(biāo)簽器件內(nèi)建有MCU和FLASH,，可以存儲(chǔ)比較復(fù)雜的程序,，并由程序控制標(biāo)簽工作。為了加強(qiáng)有源RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性和高效性,，對(duì)指令格式進(jìn)行規(guī)格化,，對(duì)數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計(jì)亦采用簡(jiǎn)單和固定的規(guī)格，以提高通信效率,。
在通信時(shí),，數(shù)據(jù)的幀格式如下：
引導(dǎo)區(qū)包含導(dǎo)言、同步字,，在信道特性較好的場(chǎng)合,，為提高識(shí)別速度，可設(shè)定16位的導(dǎo)言與16位的同步字,。校驗(yàn)區(qū)通過(guò)CRC算法進(jìn)行校驗(yàn),，引導(dǎo)區(qū)和校驗(yàn)區(qū)由CC2510硬件自動(dòng)添加，在接收時(shí)由硬件自動(dòng)去除,。該設(shè)計(jì)中,，地址區(qū)用于電子標(biāo)簽的識(shí)別，命令區(qū)中的命令用于完成數(shù)據(jù)查詢功能或完成標(biāo)簽信息的生成,。數(shù)據(jù)區(qū)用于數(shù)據(jù)凈荷存儲(chǔ),。在發(fā)送模式下，地址區(qū),、命令區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)被送入RAM中的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的打包操作，CC2510添加4字節(jié)的導(dǎo)言和同步字,，加入CRC校驗(yàn)并發(fā)送出去,。在接收模式時(shí)，包處理支持將會(huì)分解數(shù)據(jù)包,，即首先進(jìn)行同步字檢測(cè),，接著檢測(cè)地址、進(jìn)行數(shù)據(jù)長(zhǎng)度匹配并計(jì)算和檢查CRC,，最后將操作命令和數(shù)據(jù)凈荷提交上層進(jìn)行處理,，從而完成1次發(fā)送和接收交互。
2．3 防沖突處理
有源RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是防碰撞算法的實(shí)現(xiàn),。目前,。這類算法的實(shí)現(xiàn)方法有空分多址(SDMA),、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)和時(shí)分多址(TD-MA)等,。該設(shè)計(jì)方案中采用ETSI 302 208標(biāo)準(zhǔn)中基于載波偵聽(CSMA)的方法,。CSMA是一種分布式介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議，在讀寫器覆蓋范圍內(nèi),，各有源電子標(biāo)簽都能獨(dú)立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接受,。
每個(gè)有源電子標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進(jìn)行載波監(jiān)聽,，只有介質(zhì)空閑時(shí),，才允許發(fā)送幀，與FDMA和TDMA相比,，能更好地利用資源,。因?yàn)檫@種通信方式在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，一直在檢測(cè)空氣中是否存在相同頻率的載波,，如果有相同頻率的載波,，就不發(fā)送數(shù)據(jù)；如果空氣中沒有相同頻率的載波,，則表明現(xiàn)在的空間資源沒有被占用,，可以發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣,，不僅提高了空間資源的利用效率,，同時(shí)也提高了通信的可靠性。
利用CC2510支持傳輸前自動(dòng)清理信道訪問(wèn)(CCA)的功能,，實(shí)現(xiàn)CSMA,。電子標(biāo)簽初始化完成后，程序進(jìn)入主循環(huán)程序,。電子標(biāo)簽開始載波監(jiān)聽,，當(dāng)CCA不為1時(shí)，表示空氣中沒有相同的載波數(shù)據(jù)時(shí)便發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù),，各個(gè)電子標(biāo)簽采用競(jìng)爭(zhēng)的方式發(fā)送,。CSMA發(fā)送流程圖如圖3所示。
2．4 重傳機(jī)制
重傳機(jī)制主要采用ACK(acknowledge)方式,，即發(fā)送方為發(fā)送的每一數(shù)據(jù)包設(shè)置緩存和相應(yīng)的重發(fā)定時(shí)器,，若在定時(shí)器超時(shí)之前收到來(lái)自目的節(jié)點(diǎn)對(duì)此數(shù)據(jù)包的ACK控制包，則認(rèn)為此數(shù)據(jù)包已經(jīng)成功地傳送,。此時(shí),，取消對(duì)該數(shù)據(jù)包的緩存和定時(shí)，否則,，將重發(fā)此數(shù)據(jù)包,，并重新設(shè)置定時(shí)器,。對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)包，接收方都需要反饋ACK,。
重傳機(jī)制主要由以下功能函數(shù)實(shí)現(xiàn),。Init()函數(shù)用于設(shè)備初始化，設(shè)置DMA,、時(shí)鐘等,；Send()函數(shù)用于發(fā)送數(shù)據(jù)包；ackTimeolJt()函數(shù)用于沒有在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到ACK,，而重發(fā)數(shù)據(jù)包,；waitForAck()函數(shù)用于等待接受ACK，既定時(shí)間內(nèi),，收到ACK標(biāo)示為T,，反之標(biāo)示為F；aekReceived()函數(shù)用于收到ACK,，取消重傳,；Receive()函數(shù)用于接收規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包；dataCheck()函數(shù)用于檢測(cè)數(shù)據(jù)的完整和可靠,；sendAck()函數(shù)用于送ACK反饋給發(fā)送方,。重傳機(jī)制程序流程圖如圖4所示。
3 測(cè)試結(jié)果
在實(shí)際環(huán)境中,，對(duì)有源RFID系統(tǒng)的讀寫器和有源電子標(biāo)簽進(jìn)行讀／寫測(cè)試,，調(diào)制方式為MSK，數(shù)據(jù)傳輸率60 Kb／s,，濾波帶寬540 kHz,。分別在不同距離上放置10個(gè)有源電子標(biāo)簽進(jìn)行20O B收發(fā)操作。讀寫器的識(shí)讀結(jié)果如表1和表2所示,。
從以上數(shù)據(jù)可以看出：
(1)在25 m可視距離內(nèi)系統(tǒng)識(shí)別效果良好,；
(2)加入可靠通信機(jī)制后，在可視通信距離60 m內(nèi),，標(biāo)簽與讀寫器之間的協(xié)議識(shí)別效果良好,；隨著通信距離的加大。在70 m處標(biāo)簽與讀寫器正常通信信號(hào)中CRC校驗(yàn)出錯(cuò)增多,，但仍可識(shí)別大多數(shù)標(biāo)簽,；
(3)遇到障礙物的時(shí)候,，通信距離迅速減少,，丟包率和CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤數(shù)增多。
4 結(jié)語(yǔ)
有源RFID技術(shù)與無(wú)源RFID技術(shù)相比,，在技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)非常明顯,，具有通信距離長(zhǎng),，傳輸數(shù)據(jù)量大，低發(fā)射功率等特點(diǎn),。有源RFID系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠傳輸是最為重要的部分,。本文為有源RFID系統(tǒng)的可靠傳輸提出了一種解決思路，較好地處理了這一問(wèn)題,。
未來(lái)有源RFID技術(shù)不僅會(huì)在各行業(yè)中被廣泛采用,，而且還將會(huì)與傳感器網(wǎng)絡(luò)(wSN)等普通計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，這將對(duì)信息化社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,。