有源RFID系統(tǒng)的可靠傳輸研究新思路分析 - 全文

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)廣泛應用，但局限性也非常突出，如：條碼標簽的內(nèi)容無法修改，條碼標簽必須清潔無磨損，閱讀器讀／寫條碼時應保持適當角度，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)在讀寫器和電子標簽之間建立通信，實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目的?，F(xiàn)在RFID技術(shù)已被廣泛應用于生產(chǎn)、物流、交通、醫(yī)療、跟蹤等應用領(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：標簽信息可修改，能在惡劣的環(huán)境下較遠距離進行讀取，可同時處理多個標簽。

根據(jù)實現(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)研究和應用都較為成熟，系統(tǒng)中電子標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，在追蹤和識別高價值商品時非常有用。

l 有源RFID系統(tǒng)的設計

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有源RFID系統(tǒng)由有源電子標簽（tag）、讀寫器（reader）和計算機3部分組成；有源電子標簽由耦合元件及芯片組成，每個標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)；讀寫器讀取電子標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；計算機（上位機）用來進行數(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。

在實際應用中，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簽接收射頻信號后，執(zhí)行相應動作。通常讀寫器與計算機相連，電子標簽回送的信息被讀寫器讀取解碼后送至計算機進行下一步處理，從而達到自動識別體的目的。

1．2 硬件設計

RFID系統(tǒng)依照不同的標準，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)文獻以及對不同頻段RFID系統(tǒng)優(yōu)缺點的分析比較，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)進行研究。2．4 GHz頻率具有衰減較小，傳輸距離遠．傳輸數(shù)據(jù)快，數(shù)據(jù)吞吐量高，識別多目標能力強的特點。同時，2．4 GHz的ISM頻段寬度超過83 MHz，具有125個頻道，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。此外，CC2510可設置的跳頻通信方式、發(fā)射功率和存儲程序，可以實現(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接口與上位機相連，用來接收有源電子標簽發(fā)送的數(shù)據(jù)。

1．3 軟件設計

在整個有源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機的人機界面接口和RFID系統(tǒng)軟件設計、PC機與讀寫器的通信軟件設計、讀寫器射頻與有源電子標簽射頻的通信軟件設計。

PC機端軟件主要對RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行管理，使用C“編制，數(shù)據(jù)庫采用SQL Setver 2005。PC機通過接口電路對讀寫器進行操作。該部分使用VB編制。讀寫器與標簽之間的數(shù)據(jù)通信則采用標準C語言和匯編混合編制。在單片機中類似PC機與單片機的通信軟件設計敘述很多，在此不再贅述。本文重點講述讀寫器與有源電子標簽可靠通信的設計了研究。

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環(huán)節(jié)，幾乎左右了整個系統(tǒng)的性能。這里分別從幀標識替換算法，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、防沖突處理和重傳機制等4個方面對數(shù)據(jù)可靠通信進行了研究。

2．1 幀標識替換算法

在通信協(xié)議中采用Ox76（0x表示16進制計數(shù)）作為幀標識符。為了保證幀標識符的惟一性，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，Ox77兩個字節(jié)替代；如果發(fā)送的數(shù)據(jù)為Ox77，則用Ox77，0x78兩個字節(jié)替代。算法流程如圖2所示。

2．2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

讀寫器對標簽的操作為讀／寫，電子標簽器件內(nèi)建有MCU和FLASH，可以存儲比較復雜的程序，并由程序控制標簽工作。為了加強有源RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡單性和高效性，對指令格式進行規(guī)格化，對數(shù)據(jù)幀格式的設計亦采用簡單和固定的規(guī)格，以提高通信效率。

在通信時，數(shù)據(jù)的幀格式如下：

引導區(qū)包含導言、同步字，在信道特性較好的場合，為提高識別速度，可設定16位的導言與16位的同步字。校驗區(qū)通過CRC算法進行校驗，引導區(qū)和校驗區(qū)由CC2510硬件自動添加，在接收時由硬件自動去除。該設計中，地址區(qū)用于電子標簽的識別，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)進行相應的打包操作，CC2510添加4字節(jié)的導言和同步字，加入CRC校驗并發(fā)送出去。在接收模式時，包處理支持將會分解數(shù)據(jù)包，即首先進行同步字檢測，接著檢測地址、進行數(shù)據(jù)長度匹配并計算和檢查CRC，最后將操作命令和數(shù)據(jù)凈荷提交上層進行處理，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)實現(xiàn)的重點是防碰撞算法的實現(xiàn)。目前。這類算法的實現(xiàn)方法有空分多址（SDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）和時分多址（TD-MA）等。該設計方案中采用ETSI 302 208標準中基于載波偵聽（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)，各有源電子標簽都能獨立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接受。

每個有源電子標簽在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進行載波監(jiān)聽，只有介質(zhì)空閑時，才允許發(fā)送幀，與FDMA和TDMA相比，能更好地利用資源。因為這種通信方式在發(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，實現(xiàn)CSMA。電子標簽初始化完成后，程序進入主循環(huán)程序。電子標簽開始載波監(jiān)聽，當CCA不為1時，表示空氣中沒有相同的載波數(shù)據(jù)時便發(fā)送相應的數(shù)據(jù)，各個電子標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 重傳機制

重傳機制主要采用ACK（acknowledge）方式，即發(fā)送方為發(fā)送的每一數(shù)據(jù)包設置緩存和相應的重發(fā)定時器，若在定時器超時之前收到來自目的節(jié)點對此數(shù)據(jù)包的ACK控制包，則認為此數(shù)據(jù)包已經(jīng)成功地傳送。此時，取消對該數(shù)據(jù)包的緩存和定時，否則，將重發(fā)此數(shù)據(jù)包，并重新設置定時器。對于每個數(shù)據(jù)包，接收方都需要反饋ACK。

重傳機制主要由以下功能函數(shù)實現(xiàn)。Init（）函數(shù)用于設備初始化，設置DMA、時鐘等；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，既定時間內(nèi)，收到ACK標示為T，反之標示為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。重傳機制程序流程圖如圖4所示。

3 測試結(jié)果

在實際環(huán)境中，對有源RFID系統(tǒng)的讀寫器和有源電子標簽進行讀／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個有源電子標簽進行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）加入可靠通信機制后，在可視通信距離60 m內(nèi)，標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處標簽與讀寫器正常通信信號中CRC校驗出錯增多，但仍可識別大多數(shù)標簽；

（3）遇到障礙物的時候，通信距離迅速減少，丟包率和CRC校驗錯誤數(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。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（wSN）等普通計算機技術(shù)相結(jié)合，這將對信息化社會產(chǎn)生深遠影響。