有源RFID系統技術(shù)及數據的可靠傳輸

在實(shí)際應用中，讀寫(xiě)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，執行相應動(dòng)作。通常讀寫(xiě)器與計算機相連，電子標簽回送的信息被讀寫(xiě)器讀取解碼后送至計算機進(jìn)行下一步處理，從而達到自動(dòng)識別體的目的。
1．2 硬件設計
RFID系統依照不同的標準，可以分為不同的類(lèi)型。根據RFID系統使用的工作頻率可分為4類(lèi)：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)。根據文獻以及對不同頻段RFID系統優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，再結合課題的要求，能在50 m范圍內自動(dòng)監測標簽，并能讀寫(xiě)數據，選用工作頻率為2．4 GHz的微波頻段的RFID系統進(jìn)行研究。2．4 GHz頻率具有衰減較小，傳輸距離遠．傳輸數據快，數據吞吐量高，識別多目標能力強的特點(diǎn)。同時(shí)，2．4 GHz的ISM頻段寬度超過(guò)83 MHz，具有125個(gè)頻道，能滿(mǎn)足多頻及跳頻的需要，增加無(wú)線(xiàn)通信的抗干擾能力。
有源電子標簽和讀寫(xiě)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在系統可編程FLASH和內嵌4 KB SRAM，并具有功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、調制解調器(MODEM)等功能，QLP封裝，體積小(6 mm×6 mm)，支持流行的跳頻技術(shù)，可程序控制數據傳輸率大小，最快能夠使數據傳輸率達到500 Kb／s。在系統中使用CC2510，具有功耗小，成本低，外圍電路簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現頻率更改、讀寫(xiě)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(wú)線(xiàn)收發(fā)及控制模塊和天線(xiàn)組成。通過(guò)電磁波與讀寫(xiě)器進(jìn)行數據交換。讀寫(xiě)器由CC2510無(wú)線(xiàn)收發(fā)及控制模塊、天線(xiàn)、USB接口轉換模塊和接口電路組成。讀寫(xiě)器通過(guò)USB接口與上位機相連，用來(lái)接收有源電子標簽發(fā)送的數據。1．3 軟件設計
在整個(gè)有源RFID系統中軟件起到控制作用，是協(xié)調硬件各部分的靈魂。主要涉及到PC機的人機界面接口和RFID系統軟件設計、PC機與讀寫(xiě)器的通信軟件設計、讀寫(xiě)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系統數據庫進(jìn)行管理，使用C"編制，數據庫采用SQL Setver 2005。PC機通過(guò)接口電路對讀寫(xiě)器進(jìn)行操作。該部分使用VB編制。讀寫(xiě)器與標簽之間的數據通信則采用標準C語(yǔ)言和匯編混合編制。在單片機中類(lèi)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(diǎn)講述讀寫(xiě)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系統中，可靠通信是最重要的一個(gè)環(huán)節，幾乎左右了整個(gè)系統的性能。這里分別從幀標識替換算法，數據幀結構、防沖突處理和重傳機制等4個(gè)方面對數據可靠通信進(jìn)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(jìn)制計數)作為幀標識符。為了保證幀標識符的惟一性，對幀內容中的Ox76采用了替代算法，使幀中的內容不再出現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)送的數據為0x76，則用Ox77，Ox77兩個(gè)字節替代；如果發(fā)送的數據為Ox77，則用Ox77，0x78兩個(gè)字節替代。算法流程如圖2所示。

2．2 數據幀結構
讀寫(xiě)器對標簽的操作為讀／寫(xiě)，電子標簽器件內建有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系統結構的簡(jiǎn)單性和高效性，對指令格式進(jìn)行規格化，對數據幀格式的設計亦采用簡(jiǎn)單和固定的規格，以提高通信效率。
在通信時(shí)，數據的幀格式如下：

引導區包含導言、同步字，在信道特性較好的場(chǎng)合，為提高識別速度，可設定16位的導言與16位的同步字。校驗區通過(guò)CRC算法進(jìn)行校驗，引導區和校驗區由CC2510硬件自動(dòng)添加，在接收時(shí)由硬件自動(dòng)去除。該設計中，地址區用于電子標簽的識別，命令區中的命令用于完成數據查詢(xún)功能或完成標簽信息的生成。數據區用于數據凈荷存儲。在發(fā)送模式下，地址區、命令區和數據區的數據被送入RAM中的緩存區進(jìn)行相應的打包操作，CC2510添加4字節的導言和同步字，加入CRC校驗并發(fā)送出去。在接收模式時(shí)，包處理支持將會(huì )分解數據包，即首先進(jìn)行同步字檢測，接著(zhù)檢測地址、進(jìn)行數據長(cháng)度匹配并計算和檢查CRC，最后將操作命令和數據凈荷提交上層進(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系統實(shí)現的重點(diǎn)是防碰撞算法的實(shí)現。目前。這類(lèi)算法的實(shí)現方法有空分多址(SDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)和時(shí)分多址(TD-MA)等。該設計方案中采用ETSI 302 208標準中基于載波偵聽(tīng)(CSMA)的方法。CSMA是一種分布式介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議，在讀寫(xiě)器覆蓋范圍內，各有源電子標簽都能獨立地決定數據幀的發(fā)送和接受。
每個(gè)有源電子標簽在發(fā)送數據幀之前，首先要進(jìn)行載波監聽(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。因為這種通信方式在發(fā)送數據之前，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)送數據；如果空氣中沒(méi)有相同頻率的載波，則表明現在的空間資源沒(méi)有被占用，可以發(fā)送數據。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(fǎng)問(wèn)(CCA)的功能，實(shí)現CSMA。電子標簽初始化完成后，程序進(jìn)入主循環(huán)程序。電子標簽開(kāi)始載波監聽(tīng)，當CCA不為1時(shí)，表示空氣中沒(méi)有相同的載波數據時(shí)便發(fā)送相應的數據，各個(gè)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)送的每一數據包設置緩存和相應的重發(fā)定時(shí)器，若在定時(shí)器超時(shí)之前收到來(lái)自目的節點(diǎn)對此數據包的ACK控制包，則認為此數據包已經(jīng)成功地傳送。此時(shí)，取消對該數據包的緩存和定時(shí)，否則，將重發(fā)此數據包，并重新設置定時(shí)器。對于每個(gè)數據包，接收方都需要反饋ACK。
重傳機制主要由以下功能函數實(shí)現。Init()函數用于設備初始化，設置DMA、時(shí)鐘等；Send()函數用于發(fā)送數據包；ackTimeolJt()函數用于沒(méi)有在規定時(shí)間