1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 主動式超高頻射頻識別系統(tǒng)設(shè)計 射頻識別（RFID）是一種利用射頻信號開展識別的技術(shù)，它的基本原理是利用應(yīng)答器直接發(fā)射或反射的電磁波來開展通信。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)答器向讀寫器通信方式可以分為主動式和被動式兩種。主動式射頻就識別系統(tǒng)由于其通信距離遠、可靠性強、通信速率高等優(yōu)點適用于軍事、物流、交通、物品實時跟蹤定位等領(lǐng)域。過去由于主動式射頻識別系統(tǒng)的應(yīng)答器體積和功耗較大、電池壽命有限等因素,嚴重限制了主動式RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用和普及；近年來射頻和數(shù)字集成電路以及高容量小體積電池技術(shù)的快速發(fā)展，使主動式射頻識別系統(tǒng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域進入實用化階段。 1 系統(tǒng)的硬件組成與通信協(xié)議設(shè)

2、計 基于RFIC 的主動式射頻識別系統(tǒng)設(shè)計有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，低功耗，可靠性和靈活性，本文采用Chipcon 公司的CC1100 作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，開展系統(tǒng)設(shè)計。 1.1系統(tǒng)組成和原理 1.1.1 應(yīng)答器與讀寫器組成 系統(tǒng)由應(yīng)答器和讀寫器兩部分組成，如圖1 所示，應(yīng)答器部分由無線傳輸單元、控制單元和供電單元組成；讀寫器部分由無線傳輸單元、控制單元和數(shù)據(jù)傳輸單元組成。 圖 1 系統(tǒng)組成原理圖 讀寫器中數(shù)據(jù)傳輸單元由兩塊 CC1100 組成，其中一片工作于315MHz，用于發(fā)射單頻點載波，形成激活場區(qū)，另一片工作于433MHz，用于與應(yīng)答器開展半雙工通信；控制單元采用TI 的超低功耗單片機

3、MSP430，降低了系統(tǒng)功耗。控制單元用于配置CC1100 存放器，處理CC1100 接收到的數(shù)據(jù)，并向外提供RS232/485 接口。應(yīng)答器中數(shù)據(jù)傳輸單元為一片CC1100，用來與讀寫器開展無線通信；控制單元用于配置CC1100 存放器，并對CC1100 的狀態(tài)開展管理。 1.1.2 控制單元與無線傳輸單元接口 CC1100 與MSP430 采用SPI 接口連接，圖1 中已經(jīng)給出了它們之間的連接方式。SPI 總線接口技術(shù)是一種高速、高效率的串行接口技術(shù)，主要用于擴展外設(shè)和開展數(shù)據(jù)交換。MSP430控制CC1100 開展數(shù)據(jù)發(fā)射和接收數(shù)據(jù)的流程如圖2 所示。 圖 2 數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收流程 1

4、.2系統(tǒng)通信協(xié)議 應(yīng)答器與讀寫器的非接觸數(shù)據(jù)交換構(gòu)成一個無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),數(shù)據(jù)通過CC1100 在讀寫器和應(yīng)答器之間無線傳輸,本文設(shè)計了以CC1100 作為射頻接口的主動式RFID 系統(tǒng)的通信協(xié)議,可以將基本控制,通信等功能函數(shù)編程寫入控制系統(tǒng),通過調(diào)用函數(shù)功能模塊以完成通信功能。 1.2.1 物理層協(xié)議 系統(tǒng)的通信協(xié)議的物理層與ISO/IEC 18000-7標準兼容，載波頻率為433.92MHz；調(diào)制方式為2FSK；調(diào)制深度為+/-60KHz；數(shù)據(jù)速率為38.4Kbps；喚醒頻率為315MHz。 1.2.2 數(shù)據(jù)幀格式 讀寫器與應(yīng)答器之間的通信數(shù)據(jù)以幀的方式打包，從而提高系統(tǒng)通信的可靠性。讀

5、寫器與應(yīng)答器之間通信幀包括前導(dǎo)碼、同步頭、數(shù)據(jù)長度、傳輸數(shù)據(jù)和CRC 校驗幾部分組成。其中前導(dǎo)碼和同步頭由CC1100 自動產(chǎn)生，用來開展接收和發(fā)射數(shù)據(jù)同步；數(shù)據(jù)長度為數(shù)據(jù)部分總的字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)部分為要傳輸?shù)挠杏眯畔ⅲ赡馨ㄗx寫器向應(yīng)答器發(fā)送的命令或它們之間相互交換的數(shù)據(jù)，CRC 校驗為符合CRC-CCITT 的2 字節(jié)校驗位，同樣由CC1100 硬件電路自動產(chǎn)生，并緊跟數(shù)據(jù)部分。 2 系統(tǒng)的工作流程與軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件分為三部分：主機軟件、讀寫器控制程序和應(yīng)答器程序，主機軟件向上層提供API 接口，并通過RS232 接口與下層讀寫器開展數(shù)據(jù)交換；讀寫器程序和應(yīng)答器程序分別用來控制讀寫器和應(yīng)

6、答器的工作流程。這里主要介紹讀寫器部分程序流程和應(yīng)答器部分程序流程。讀寫器與應(yīng)答器為主從關(guān)系：通信過程由讀寫器發(fā)起，讀寫器向應(yīng)答器發(fā)送命令，然后等待應(yīng)答器的應(yīng)答。 2.1讀寫器軟件流程 讀寫器部分軟件的工作流程如圖 3(a)所示，讀寫器一直等待主機命令，接收到主機命令后，根據(jù)主機需求將命令解析成讀寫器對應(yīng)答器相應(yīng)操作，例如：提取場內(nèi)所有應(yīng)答器ID，對場內(nèi)某些應(yīng)答器的存儲器開展讀寫等。命令發(fā)送后，讀寫器等待應(yīng)答器的應(yīng)答數(shù)據(jù)，與應(yīng)答器開展無線通信。當讀寫器執(zhí)行完主機命令，完成于應(yīng)答器的通信后，將需要返回的數(shù)據(jù)或狀態(tài)通過讀寫器與主機之間的接口上傳主機，繼續(xù)等待新的主機命令。 2.2應(yīng)答器軟件流程 圖

7、 3(b)說明了應(yīng)答器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，應(yīng)答器平時處于休眠狀態(tài)，當進入讀寫器的載波喚醒場內(nèi)時，被載波喚醒，進入激活狀態(tài)，如果1s 之內(nèi)沒有接收到命令則重新返回休眠狀態(tài)。應(yīng)答器接收到讀寫器命令后，對命令開展初步解析和操作對象判斷，如果應(yīng)答器確定讀寫器此次操作對象包含自己，則隨機選擇一個時隙做出相應(yīng)的應(yīng)答。 圖3 讀寫器與應(yīng)答器的工作流程 讀寫器向應(yīng)答器發(fā)送的消息分為兩種形式：廣播消息和點對點消息。廣播命令用來收集所有場內(nèi)應(yīng)答器的ID，或向所有場內(nèi)應(yīng)答器開展同一個操作。而點對點消息是針對某一個應(yīng)答器開展讀存儲器、寫存儲器等操作。讀寫器發(fā)送廣播命令后，如何分配各個應(yīng)答器對信道的占用是一個十分重要的問題，

8、第3 部分將對這個問題開展討論。 3 系統(tǒng)防碰撞算法設(shè)計與實現(xiàn) 當兩個或兩個應(yīng)答器同時對讀寫器的命令做出響應(yīng)時會彼此產(chǎn)生干擾，使讀寫器無法正確接收，這種現(xiàn)象為“碰撞”。為了提高系統(tǒng)的可靠性和效率，必須盡量防止應(yīng)答器碰撞的發(fā)生。系統(tǒng)采用基于時隙的ALOHA 算法作為系統(tǒng)的防碰撞算法。 時隙 ALOHA 算法的基本步驟為：每次應(yīng)答器響應(yīng)循環(huán)的時間被分為N 個時隙，應(yīng)答器隨機選擇時隙應(yīng)答，當不同的應(yīng)答器選擇同一個時隙開展應(yīng)答時，則發(fā)生了碰撞，碰撞的應(yīng)答器與讀寫器通信失敗，應(yīng)答器在下一個通信循環(huán)中重新與讀寫器建立通信。 3.1時隙ALOHA算法分析 1）時隙數(shù) 一個時隙內(nèi)應(yīng)答的應(yīng)答器數(shù)目服從二項分布，

9、對于給定的時隙數(shù)N 和場內(nèi)應(yīng)答器數(shù)n，對于選定的某一時隙，讀寫器能正確接收應(yīng)答器應(yīng)答的概率為 2）場內(nèi)應(yīng)答器數(shù)估計 在實際應(yīng)用中，場內(nèi)應(yīng)答器數(shù)目是未知的，因此必須對場內(nèi)應(yīng)答器數(shù)開展估計。圖中可以看出每個時隙可能有三種狀態(tài)：空時隙、正常通信時隙和碰撞時隙。可以根據(jù)式（5）對應(yīng)答器數(shù)開展估計。 3.2防碰撞算法的實現(xiàn) 考慮到實際應(yīng)用場景以及讀寫器的復(fù)雜程度，防碰撞算法的執(zhí)行過程為： 1）讀寫器發(fā)送命令，命令內(nèi)容包含時隙數(shù)，初始時隙數(shù)可根據(jù)具體應(yīng)用場景由上位機設(shè)置。 2）應(yīng)答器接收到命令后，隨機選擇總時隙數(shù)內(nèi)的一個時隙應(yīng)答；讀寫器接收應(yīng)答器應(yīng)答信息并根據(jù)此次循環(huán)內(nèi)的三種時隙個數(shù)按照公式（5）估計出場

10、內(nèi)未讀應(yīng)答器個數(shù)，如果場內(nèi)沒有未讀應(yīng)答器則讀寫過程結(jié)束，否則進入第3 步。 3）讀寫器發(fā)送命令，選擇第2 步估計的應(yīng)答器數(shù)作為下次循環(huán)的時隙數(shù)，繼續(xù)執(zhí)行第2 步。 4 系統(tǒng)性能 4.1應(yīng)答器工作時間 由于應(yīng)答器靠電池供電，因此應(yīng)答器的工作時間是系統(tǒng)重要指標。MSP430 和CC1100 在不工作時刻已處于休眠狀態(tài)，從而到達低功耗的目的。表1(a)和(b)分別說明了MSP430 和CC1100 在不同狀態(tài)下的耗電量。假設(shè)應(yīng)答器有1%的時間處于場內(nèi)應(yīng)答，則可以計算，應(yīng)答器工作時間為2 年，滿足應(yīng)用要求。 4.2多應(yīng)答器讀取 按照第 3 部分中的防碰撞算法，對系統(tǒng)開展測試。結(jié)果如下表1(c)所示,可見系統(tǒng)能夠有效的對多個應(yīng)答器開展識別。 5 結(jié)論 本文介紹了一種主動式超高頻射頻識別系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。本系統(tǒng)具有低功耗、超長的應(yīng)答器的工作時間，在多應(yīng)答器環(huán)境下具有很高的讀取