- 有源RFID系統(tǒng)的可靠傳輸研究新思路分析

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(xiě)器對(duì)標(biāo)簽的操作為讀／寫(xiě)，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(tīng)（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(xiě)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(tīng)，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(méi)有相同頻率的載波，則表明現(xiàn)在的空間資源沒(méi)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(kāi)始載波監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)CCA不為1時(shí)，表示空氣中沒(méi)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(méi)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(mén)，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(xiě)器和有源電子標(biāo)簽進(jìn)行讀／寫(xiě)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(xiě)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(xiě)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(xiě)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。