主動(dòng)式超高頻射頻識別系統設計

　　1.2.1 物理層協(xié)議

　　系統的通信協(xié)議的物理層與ISO/IEC 18000-7[3]標準兼容，載波頻率為433.92MHz；調制方式為2FSK；調制深度為+/-60KHz；數據速率為38.4Kbps；喚醒頻率為315MHz。

　　1.2.2 數據幀格式

　　讀寫(xiě)器與應答器之間的通信數據以幀的方式打包，從而提高系統通信的可靠性。讀寫(xiě)器與應答器之間通信幀包括前導碼、同步頭、數據長(cháng)度、傳輸數據和CRC 校驗幾部分組成。其中前導碼和同步頭由CC1100 自動(dòng)產(chǎn)生，用來(lái)進(jìn)行接收和發(fā)射數據同步；數據長(cháng)度為數據部分總的字節數；數據部分為要傳輸的有用信息，它可能包括讀寫(xiě)器向應答器發(fā)送的命令或它們之間相互交換的數據，CRC 校驗為符合CRC-CCITT 的2 字節校驗位，同樣由CC1100 硬件電路自動(dòng)產(chǎn)生，并緊跟數據部分。

　　2 系統的工作流程與軟件設計

　　系統軟件分為三部分：主機軟件、讀寫(xiě)器控制程序和應答器程序，主機軟件向上層提供API 接口，并通過(guò)RS232 接口與下層讀寫(xiě)器進(jìn)行數據交換；讀寫(xiě)器程序和應答器程序分別用來(lái)控制讀寫(xiě)器和應答器的工作流程。這里主要介紹讀寫(xiě)器部分程序流程和應答器部分程序流程。讀寫(xiě)器與應答器為主從關(guān)系：通信過(guò)程由讀寫(xiě)器發(fā)起，讀寫(xiě)器向應答器發(fā)送命令，然后等待應答器的應答。

　　2.1讀寫(xiě)器軟件流程

　　讀寫(xiě)器部分軟件的工作流程如圖 3(a)所示，讀寫(xiě)器一直等待主機命令，接收到主機命令后，根據主機需求將命令解析成讀寫(xiě)器對應答器相應操作，例如：提取場(chǎng)內所有應答器ID，對場(chǎng)內某些應答器的存儲器進(jìn)行讀寫(xiě)等。命令發(fā)送后，讀寫(xiě)器等待應答器的應答數據，與應答器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。當讀寫(xiě)器執行完主機命令，完成于應答器的通信后，將需要返回的數據或狀態(tài)通過(guò)讀寫(xiě)器與主機之間的接口上傳主機，繼續等待新的主機命令。

　　2.2應答器軟件流程

　　圖 3(b)說(shuō)明了應答器的狀態(tài)轉移圖，應答器平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當進(jìn)入讀寫(xiě)器的載波喚醒場(chǎng)內時(shí)，被載波喚醒，進(jìn)入激活狀態(tài)，如果1s 之內沒(méi)有接收到命令則重新返回休眠狀態(tài)。應答器接收到讀寫(xiě)器命令后，對命令進(jìn)行初步解析和操作對象判斷，如果應答器確定讀寫(xiě)器此次操作對象包含自己，則隨機選擇一個(gè)時(shí)隙做出相應的應答。

　　圖3 讀寫(xiě)器與應答器的工作流程

　　讀寫(xiě)器向應答器發(fā)送的消息分為兩種形式：廣播消息和點(diǎn)對點(diǎn)消息。廣播命令用來(lái)收集所有場(chǎng)內應答器的ID，或向所有場(chǎng)內應答器進(jìn)行同一個(gè)操作。而點(diǎn)對點(diǎn)消息是針對某一個(gè)應答器進(jìn)行讀存儲器、寫(xiě)存儲器等操作。讀寫(xiě)器發(fā)送廣播命令后，如何分配各個(gè)應答器對信道的占用是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，第3 部分將對這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論。

　　3 系統防碰撞算法設計與實(shí)現

　　當兩個(gè)或兩個(gè)應答器同時(shí)對讀寫(xiě)器的命令做出響應時(shí)會(huì )彼此產(chǎn)生干擾，使讀寫(xiě)器無(wú)法正確接收，這種現象為“碰撞”。為了提高系統的可靠性和效率，必須盡量避免應答器碰撞的發(fā)生。系統采用基于時(shí)隙的ALOHA 算法作為系統的防碰撞算法。

　　時(shí)隙 ALOHA 算法的基本步驟為：每次應答器響應循環(huán)的時(shí)間被分為N 個(gè)時(shí)隙，應答器隨機選擇時(shí)隙應答，當不同的應答器選擇同一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行應答時(shí)，則發(fā)生了碰撞，碰撞的應答器與讀寫(xiě)器通信失敗，應答器在下一個(gè)通信循環(huán)中重新與讀寫(xiě)器建立通信。

　　3.1時(shí)隙ALOHA算法分析

　　1）最佳時(shí)隙數

　　一個(gè)時(shí)隙內應答的應答器數目服從二項分布，對于給定的時(shí)隙數N 和場(chǎng)內應答器數n，對于選定的某一時(shí)隙，讀寫(xiě)器能正確接收應答器應答的概率為

　　2）場(chǎng)內應答器數估計

　　在實(shí)際應用中，場(chǎng)內應答器數目是未知的，因此必須對場(chǎng)內應答器數進(jìn)行估計。圖中可以看出每個(gè)時(shí)隙可能有三種狀態(tài)：空時(shí)隙、正常通信時(shí)隙和碰撞時(shí)隙?？梢愿鶕剑?）對應答器數進(jìn)行估計[4]。