有源RFID系統(tǒng)中可靠通信的研究

 引言
    現(xiàn)代生活中越來越多地借助電子技術(shù)來完成信息的查詢，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)容無法修改，條碼標(biāo)簽必須清潔無磨損，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是射頻識別的簡稱，它是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其利用無線電技術(shù)在讀寫器和電子標(biāo)簽之間建立通信，實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的?，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)可分為無源RFID技術(shù)和有源RFlD技術(shù)。無源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)。[!--empirenews.page--]
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硬件自動添加，在接收時(shí)由硬件自動去除。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。[!--empirenews.page--]
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。[!--empirenews.page--]

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)不僅會在各行業(yè)中被廣泛采用，而且還將會與傳感器網(wǎng)絡(luò)(wSN)等普通計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，這將對信息化社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。