一種基于RFID的移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，基于位置的服務(wù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。無(wú)線定位及監(jiān)控技術(shù)以其高速移動(dòng)物體識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)別等特點(diǎn)，顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間。目前，無(wú)線監(jiān)控、定位系統(tǒng)的具體應(yīng)用主要集中在物流供應(yīng)、交通領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)、礦井管理和公共管理領(lǐng)域，如井下人員監(jiān)控系統(tǒng)、城市公交管理系統(tǒng)、動(dòng)物野外活動(dòng)定位系統(tǒng)等[1-2]。
    射頻識(shí)別技術(shù)覆蓋了整個(gè)UHF頻段，工作頻率可選擇433 MHz、868/915 MHz和2.45 GHz，且具有非視距、非接觸式的特點(diǎn)[3]?？紤]到多徑效應(yīng)和室內(nèi)定位技術(shù)的特點(diǎn)，本文提出一種基于2.45 GHz的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的方案。參考ISO18000-7標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)通信協(xié)議進(jìn)行了規(guī)劃，設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)和基于C++的上位機(jī)及電子地圖系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)標(biāo)簽掃描、標(biāo)簽容量和識(shí)別效率進(jìn)行了優(yōu)化和改善，使系統(tǒng)的可靠性和適用性得到了增強(qiáng)。
1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1.1 復(fù)用段保護(hù)環(huán)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)
    系統(tǒng)由一臺(tái)中央監(jiān)控設(shè)備（主閱讀器）和一系列遠(yuǎn)程終端設(shè)備（從閱讀器）構(gòu)成了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多任務(wù)無(wú)線通信系統(tǒng)。主閱讀器與從閱讀器，以及各從閱讀器之間通過(guò)雙絞線進(jìn)行連接， 從閱讀器可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，起到暫存數(shù)據(jù)和距離延伸的作用，各個(gè)中轉(zhuǎn)站之間以單向通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。各從閱讀器由主閱讀器通過(guò)雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)程供電，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本。為了保證數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)供電的可靠性，各從閱讀器之間組成了一個(gè)復(fù)用段環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)較鏈狀結(jié)構(gòu)的可靠性有大幅度的提高。
1.2 硬件平臺(tái)
     系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要包括主閱讀器和從閱讀器兩部分[4]。從閱讀器負(fù)責(zé)從標(biāo)簽讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包處理后逐次傳遞，發(fā)給主閱讀器，最后送到PC主機(jī)。考慮到室內(nèi)定位所要求的通信距離、發(fā)射功率、成本以及功耗等，這里選擇有源電子標(biāo)簽進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建。閱讀器和電子標(biāo)簽的基本構(gòu)成包括微控制模塊、射頻模塊、電源及外圍電路等[5]。為了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的收發(fā)穩(wěn)定、信號(hào)檢測(cè)靈敏度高以及低發(fā)射功率等要求，本系統(tǒng)選擇了NRF2401無(wú)線傳輸芯片和以Atmega8L為主的微控制模塊。
　　控制單元由MCU和編碼電路構(gòu)成，主要完成以下任務(wù)：①與應(yīng)用系統(tǒng)軟件PC端進(jìn)行通信并執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)來(lái)的指令;②控制電子標(biāo)簽的通信過(guò)程;③信號(hào)的編碼與解碼;④執(zhí)行反碰撞算法;⑤對(duì)電子標(biāo)簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密;⑥進(jìn)行讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽之間的身份驗(yàn)證。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    圖2為單元系統(tǒng)硬件平臺(tái)模塊，系統(tǒng)具有工作狀態(tài)指示和電源控制、移動(dòng)目標(biāo)位置識(shí)別、信息監(jiān)控等功能，查詢互控性較好。

2 系統(tǒng)通信協(xié)議的規(guī)劃
    為了保證閱讀器與電子標(biāo)簽通信的穩(wěn)定性，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩痉桨敢罁?jù)協(xié)議ISO/IEC18000-7對(duì)系統(tǒng)通信協(xié)議進(jìn)行了規(guī)劃。
2.1通信協(xié)議的格式
　系統(tǒng)采用的NRF2401芯片有兩種收發(fā)模式，分別是突發(fā)模式和直接模式，這里采用突發(fā)模式。在突發(fā)模式下，NRF2401使用片內(nèi)先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)可低速?gòu)奈⒖刂破鬏斎氩⒏咚侔l(fā)射出去。NRF2401自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼，即在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)， 一旦檢測(cè)到符合本機(jī)硬件地址的數(shù)據(jù)幀，便自動(dòng)將字頭和CRC碼移除。突發(fā)模式下具體數(shù)據(jù)幀格式如表1所示，表2、表3為閱讀器與標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)通信格式。

　為了能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整標(biāo)簽容量，適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求，根據(jù)系統(tǒng)MCU的處理能力，設(shè)置了4個(gè)標(biāo)簽容量值：16(10000)、64(1000000)、128(10000000)、256(100000000)。在數(shù)據(jù)幀中，標(biāo)簽ID號(hào)預(yù)留10個(gè)二進(jìn)制位，最高位用來(lái)表示標(biāo)簽是否被激活，其余9位用來(lái)表示標(biāo)簽的ID，在ID號(hào)的分配過(guò)程中，首先由111111111與對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽容量作“與”運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為該容量下的編碼范圍。
2.2 軟件流程
　電子標(biāo)簽攜帶著相關(guān)信息，當(dāng)微控制器接收到觸發(fā)信號(hào)后，標(biāo)簽被激活，向閱讀器發(fā)出呼叫請(qǐng)求，在定時(shí)器規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，不斷地向距離最近的閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求命令，直到收到閱讀器發(fā)出的應(yīng)答命令。在標(biāo)簽收到應(yīng)答命令后，將攜帶的消息發(fā)送出去，判斷閱讀器的反饋信息，如果反饋信息與校驗(yàn)碼相符，表示閱讀器正確收到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。閱讀器與標(biāo)簽的通信過(guò)程如圖3所示。

　從閱讀器與標(biāo)簽進(jìn)行通信的同時(shí)，還可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，其工作流程如圖4。中轉(zhuǎn)站通信鏈路采用令牌環(huán)的傳輸方式，只有握有令牌的一方才有發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)利。中轉(zhuǎn)站每10 ms切換一次，具有執(zhí)行中轉(zhuǎn)站和與標(biāo)簽通信的雙重作用。

2.3 防碰撞設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)所涉及的干擾主要有兩個(gè)方面，一方面是閱讀器與標(biāo)簽之間通信時(shí)，標(biāo)簽與標(biāo)簽之間的碰撞問(wèn)題，當(dāng)有較多的標(biāo)簽同時(shí)出現(xiàn)在閱讀器的范圍之內(nèi)時(shí)，各標(biāo)簽之間傳輸?shù)男盘?hào)互相干擾，閱讀器將收不到正確的信息。為此，閱讀器與標(biāo)簽之間采用了幀時(shí)隙ALOHA算法，進(jìn)行防碰撞設(shè)計(jì)。通過(guò)明確的分組，有效地限制每次響應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)量，使每次響應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)都與幀時(shí)隙算法的幀長(zhǎng)相匹配，從而獲得較高的標(biāo)簽識(shí)別效率。另一方向就是當(dāng)2個(gè)以上的從閱讀器同時(shí)向主閱讀器傳送數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生干擾，出現(xiàn)錯(cuò)誤信息。本文采用了時(shí)分多路法來(lái)解決，時(shí)分多路法的主要特點(diǎn)是利用不同的時(shí)隙來(lái)傳送各路不同的信號(hào)，每路信號(hào)在時(shí)域上是分開(kāi)的。
3  監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)
   軟件系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、地圖編輯器、操作界面。軟件界面的開(kāi)發(fā)基于Visual Studio 2005，電子地圖的二維顯示框架主要使用了DirectX開(kāi)發(fā)包。PC機(jī)通過(guò)RS232與主閱讀器進(jìn)行通信，獲得的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在基于Excel的數(shù)據(jù)庫(kù)中。
　電子地圖信息系統(tǒng)的一大特點(diǎn)就是支持多場(chǎng)合的應(yīng)用，為了提高軟件的通用性，設(shè)計(jì)了輔助軟件——地圖編輯器，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，靈活地繪制、修改應(yīng)用場(chǎng)景的地圖。
　通過(guò)對(duì)Excel的調(diào)用，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、查詢調(diào)用功能，結(jié)果用數(shù)據(jù)表格和地圖信息的方式進(jìn)行顯示。這樣就可以對(duì)攜帶電子標(biāo)簽的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。
4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析
　實(shí)驗(yàn)中使用了3個(gè)閱讀器，2個(gè)電子標(biāo)簽。主要對(duì)標(biāo)簽與閱讀器通信的誤碼率、閱讀器的通信距離兩方面進(jìn)行了測(cè)試。另外根據(jù)MCU的數(shù)據(jù)處理速度，估算了閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽容量，綜合分析了單標(biāo)簽掃描次數(shù)與系統(tǒng)效率、標(biāo)簽容量之間的關(guān)系。
　經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，標(biāo)簽與閱讀器數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率與NRF2401芯片的工作頻率選擇有很大關(guān)系， NRF2401在2 400 MHz~2 570 MHz之間共有157個(gè)頻點(diǎn)可供選擇，選擇適當(dāng)?shù)闹行念l率可以降低系統(tǒng)誤碼率，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

　由圖5可知，在某一固定頻率下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率隨著閱讀器和標(biāo)簽之間距離的增大而逐漸升高；在相同距離下，當(dāng)NRF2401的中心頻率選擇在2 450 MHz附近時(shí)，誤碼率較高，在偏離2 450 MHz時(shí)，誤碼率較低。另外，為了降低誤碼率保證數(shù)據(jù)的傳輸效率，中心頻率點(diǎn)的尾數(shù)要盡可能的精確，這樣可以大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。這主要是在ISM頻段，WLAN、Bluetooth、Zigbee等設(shè)備的工作頻率都集中在2 450 MHz附近,相互之間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。因此，設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要首先測(cè)試該環(huán)境下的空間電磁頻譜分布情況，采用合適的中心頻率盡量避免外界的電磁干擾，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。
　實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)試了閱讀器在不同接收功率下，系統(tǒng)的最大通信距離。
　圖6是電子標(biāo)簽接發(fā)射率為0 dBm，閱讀器的接收功率分別為0 dBm、-5 dBm、-10 dBm、-20 dBm時(shí)，標(biāo)簽與閱讀器的有效通信距離。經(jīng)測(cè)試，在定向天線方向性最優(yōu)的情況下，系統(tǒng)最大通信距離為33 m。這與公式(1)描述的2.45 GHz短距離無(wú)線通信的路徑損耗模型基本吻合：

 
　系統(tǒng)中閱讀器使用的是12 MHz的晶振，經(jīng)測(cè)試，在閱讀器范圍內(nèi)，單標(biāo)簽單次掃描時(shí)間為32 ms，為了避免因外界干擾及系統(tǒng)誤報(bào)造成的誤判，閱讀器采用固定門限值多次判別的方法來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。閱讀器對(duì)同一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行多次掃描，只有成功掃描達(dá)到一定次數(shù)以后才會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣提高了系統(tǒng)的可靠性，但降低了閱讀器范圍內(nèi)的標(biāo)簽容量。假設(shè)標(biāo)簽與閱讀器的有效通信距離為S，攜帶標(biāo)簽的移動(dòng)目標(biāo)的移動(dòng)速度為V,閱讀器單標(biāo)簽掃描的時(shí)間間隔為T，單標(biāo)簽掃描次數(shù)為N,則可以估算出閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽容量n的估算式為：

　根據(jù)閱讀器與標(biāo)簽的通信距離、單標(biāo)簽的掃描時(shí)間以及移動(dòng)目標(biāo)的移動(dòng)速度，可以推導(dǎo)出標(biāo)簽掃描次數(shù)N、標(biāo)簽容量n及系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率三者之間的關(guān)系，仿真曲線如圖7所示。

　 圖7是在標(biāo)簽發(fā)射功率為0 dBm、閱讀器接收功率為-20 dBm、，移動(dòng)目標(biāo)的速度為1 m/s的情況下，標(biāo)簽掃描次數(shù)與標(biāo)簽容量及系統(tǒng)效率的關(guān)系圖。由圖可知，隨著單標(biāo)簽掃描次數(shù)的增大，閱讀器的正確識(shí)別率隨之提高，而最大可識(shí)別標(biāo)簽數(shù)卻急劇下降。在掃描次數(shù)為4~6次時(shí)，標(biāo)簽容量和系統(tǒng)識(shí)別效率都可以達(dá)到一個(gè)相對(duì)合理的值。因此，在接收功率和發(fā)射功率一定的情況下，要綜合考慮標(biāo)簽容量和系統(tǒng)誤碼率，折衷設(shè)定一定的標(biāo)簽掃描次數(shù)，才能使系統(tǒng)性能最優(yōu)化。
    在高速發(fā)展的信息時(shí)代，射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用正滲透各個(gè)領(lǐng)域，要應(yīng)用于各種復(fù)雜的工作環(huán)境，其信息的安全可靠傳輸是人們所關(guān)注的熱點(diǎn)。本文對(duì)2.4 GHz頻段下的RFID進(jìn)行研究和應(yīng)用實(shí)驗(yàn),較好地解決了系統(tǒng)頻率、標(biāo)簽掃描、標(biāo)簽容量和識(shí)別效率的關(guān)系，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用性較強(qiáng)，采用這種模式建立的RFID網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，通信效率高。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于城市公交、地鐵等運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的監(jiān)控管理,也可以應(yīng)用于物流、礦井人員管理等多標(biāo)簽識(shí)別的場(chǎng)合。
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