射頻識(shí)別(RFID)是一種利用射頻信號(hào)進(jìn)行識(shí)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(lái)進(jìn)行通信。根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)答器向讀寫器通信方式可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式射頻就識(shí)別系統(tǒng)由于其通信距離遠(yuǎn)、可靠性強(qiáng)、通信速率高等優(yōu)點(diǎn)適用于軍事、物流、交通、物品實(shí)時(shí)跟蹤定位等領(lǐng)域[1]。過(guò)去由于主動(dòng)式射頻識(shí)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(yán)重限制了主動(dòng)式RFID 系統(tǒng)的應(yīng)用和普及；近年來(lái)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(dòng)式射頻識(shí)別系統(tǒng)在很多應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)入實(shí)用化階段。

1、系統(tǒng)的硬件組成與通信協(xié)議設(shè)計(jì)

基于RFID 的主動(dòng)式射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)有利于實(shí)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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(wú)線傳輸單元、控制單元和供電單元組成；讀寫器部分由無(wú)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(diǎn)載波，形成激活場(chǎng)區(qū)，另一片工作于433MHz，用于與應(yīng)答器進(jìn)行半雙工通信；控制單元采用TI 的超低功耗單片機(jī)MSP430，降低了系統(tǒng)功耗?？刂茊卧糜谂渲肅C1100 寄存器，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(lái)與讀寫器進(jìn)行無(wú)線通信；控制單元用于配置CC1100 寄存器，并對(duì)CC1100 的狀態(tài)進(jìn)行管理。

1.1.2、控制單元與無(wú)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(kuò)展外設(shè)和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。MSP430控制CC1100 進(jìn)行數(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

1.2、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(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通過(guò)CC1100 在讀寫器和應(yīng)答器之間無(wú)線傳輸，本文設(shè)計(jì)了以CC1100 作為射頻接口的主動(dòng)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(guò)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[3]標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)度、傳輸數(shù)據(jù)和CRC 校驗(yàn)幾部分組成。其中前導(dǎo)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(shù)據(jù)同步；數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(yàn)為符合CRC-CCITT 的2 字節(jié)校驗(yàn)位，同樣由CC1100 硬件電路自動(dòng)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(jì)

系統(tǒng)軟件分為三部分：主機(jī)軟件、讀寫器控制程序和應(yīng)答器程序，主機(jī)軟件向上層提供API 接口，并通過(guò)RS232 接口與下層讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；讀寫器程序和應(yīng)答器程序分別用來(lái)控制讀寫器和應(yīng)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(guò)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(jī)命令，接收到主機(jī)命令后，根據(jù)主機(jī)需求將命令解析成讀寫器對(duì)應(yīng)答器相應(yīng)操作，例如：提取場(chǎng)內(nèi)所有應(yīng)答器ID，對(duì)場(chǎng)內(nèi)某些應(yīng)答器的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫等。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)答器進(jìn)行無(wú)線通信。當(dāng)讀寫器執(zhí)行完主機(jī)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(guò)讀寫器與主機(jī)之間的接口上傳主機(jī)，繼續(xù)等待新的主機(jī)命令。

2.2、應(yīng)答器軟件流程

圖3(b)說(shuō)明了應(yīng)答器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，應(yīng)答器平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入讀寫器的載波喚醒場(chǎng)內(nèi)時(shí)，被載波喚醒，進(jìn)入激活狀態(tài)，如果1s 之內(nèi)沒(méi)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(duì)命令進(jìn)行初步解析和操作對(duì)象判斷，如果應(yīng)答器確定讀寫器此次操作對(duì)象包含自己，則隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息。廣播命令用來(lái)收集所有場(chǎng)內(nèi)應(yīng)答器的ID，或向所有場(chǎng)內(nèi)應(yīng)答器進(jìn)行同一個(gè)操作。而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息是針對(duì)某一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行讀存儲(chǔ)器、寫存儲(chǔ)器等操作。讀寫器發(fā)送廣播命令后，如何分配各個(gè)應(yīng)答器對(duì)信道的占用是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，第3 部分將對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論。

3、系統(tǒng)防碰撞算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)應(yīng)答器同時(shí)對(duì)讀寫器的命令做出響應(yīng)時(shí)會(huì)彼此產(chǎn)生干擾，使讀寫器無(wú)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，必須盡量避免應(yīng)答器碰撞的發(fā)生。系統(tǒng)采用基于時(shí)隙的ALOHA 算法作為系統(tǒng)的防碰撞算法。

時(shí)隙ALOHA 算法的基本步驟為：每次應(yīng)答器響應(yīng)循環(huán)的時(shí)間被分為N 個(gè)時(shí)隙，應(yīng)答器隨機(jī)選擇時(shí)隙應(yīng)答，當(dāng)不同的應(yīng)答器選擇同一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行應(yīng)答時(shí)，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(gè)通信循環(huán)中重新與讀寫器建立通信。

3.1、時(shí)隙ALOHA算法分析

1)、最佳時(shí)隙數(shù)

一個(gè)時(shí)隙內(nèi)應(yīng)答的應(yīng)答器數(shù)目服從二項(xiàng)分布，對(duì)于給定的時(shí)隙數(shù)N 和場(chǎng)內(nèi)應(yīng)答器數(shù)n，對(duì)于選定的某一時(shí)隙，讀寫器能正確接收應(yīng)答器應(yīng)答的概率為

2)、場(chǎng)內(nèi)應(yīng)答器數(shù)估計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，場(chǎng)內(nèi)應(yīng)答器數(shù)目是未知的，因此必須對(duì)場(chǎng)內(nèi)應(yīng)答器數(shù)進(jìn)行估計(jì)。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。可以根據(jù)式(5)對(duì)應(yīng)答器數(shù)進(jìn)行估計(jì)[4]。

3.2、防碰撞算法的實(shí)現(xiàn)

考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景以及讀寫器的復(fù)雜程度，防碰撞算法的執(zhí)行過(guò)程為：

1)、讀寫器發(fā)送命令，命令內(nèi)容包含時(shí)隙數(shù)，初始時(shí)隙數(shù)可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景由上位機(jī)設(shè)置。
2)、應(yīng)答器接收到命令后，隨機(jī)選擇總時(shí)隙數(shù)內(nèi)的一個(gè)時(shí)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(shí)隙個(gè)數(shù)按照公式(5)估計(jì)出場(chǎng)內(nèi)未讀應(yīng)答器個(gè)數(shù)，如果場(chǎng)內(nèi)沒(méi)有未讀應(yīng)答器則讀寫過(guò)程結(jié)束，否則進(jìn)入第3 步。
3)、讀寫器發(fā)送命令，選擇第2 步估計(jì)的應(yīng)答器數(shù)作為下次循環(huán)的時(shí)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(shí)間

由于應(yīng)答器靠電池供電，因此應(yīng)答器的工作時(shí)間是系統(tǒng)重要指標(biāo)。MSP430 和CC1100 在不工作時(shí)刻已處于休眠狀態(tài)，從而達(dá)到低功耗的目的。表1(a)和(b)分別說(shuō)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(shí)間處于場(chǎng)內(nèi)應(yīng)答，則可以計(jì)算，應(yīng)答器工作時(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如表1(c)所示，可見(jiàn)系統(tǒng)能夠有效的對(duì)多個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行識(shí)別。

5、結(jié)論

本文介紹了一種主動(dòng)式超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)具有低功耗、超長(zhǎng)的應(yīng)答器的工作時(shí)間，在多應(yīng)答器環(huán)境下具有很高的讀取率。由于系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計(jì)上都很靈活，因此，可以針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)協(xié)議進(jìn)行升級(jí)。本系統(tǒng)已經(jīng)在礦井定位考勤系統(tǒng)中得到驗(yàn)證。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):設(shè)計(jì)了一種基于RFID 的、具有載波喚醒功能的主動(dòng)式射頻識(shí)別系統(tǒng)；將動(dòng)態(tài)時(shí)隙數(shù)的時(shí)隙ALOHA 防碰撞算法應(yīng)用于此系統(tǒng)中；對(duì)系統(tǒng)的功耗和應(yīng)答器的讀寫性能分別進(jìn)行了理論評(píng)估和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。