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,，附在待識別物體表面中電子標(biāo)簽接收射頻信號后，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83 MHz，具有125個(gè)頻道,，能滿足多頻及跳頻的需要,，增加無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別。
   
有源電子標(biāo)簽由CC2510無線收發(fā)及控制模塊和天線組成,。通過電磁波與讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,。讀寫器由CC2510無線收發(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USB接口與上位機(jī)相連，用來接收有源電子標(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RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理,，使用C"編制,，數(shù)據(jù)庫采用SQL Setver 2005。PC機(jī)通過接口電路對讀寫器進(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)方面對數(shù)據(jù)可靠通信進(jìn)行了研究。
2．1 幀標(biāo)識替換算法
   
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)識符,。為了保證幀標(biāo)識符的惟一性,，對幀內(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)的簡單性和高效性，對指令格式進(jìn)行規(guī)格化,，對數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計(jì)亦采用簡單和固定的規(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合,，為提高識別速度,，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,。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，接著檢測地址,、進(jìn)行數(shù)據(jù)長度匹配并計(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(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)簽采用競爭的方式發(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)之前收到來自目的節(jié)點(diǎn)對此數(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 測試結(jié)果
    在實(shí)際環(huán)境中，對有源RFID系統(tǒng)的讀寫器和有源電子標(biāo)簽進(jìn)行讀／寫測試,，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中CRC校驗(yàn)出錯(cuò)增多，但仍可識別大多數(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
   
有源RFID技術(shù)與無源RFID技術(shù)相比,，在技術(shù)上的優(yōu)勢非常明顯,，具有通信距離長，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題,。
    未來有源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,，這將對信息化社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,。