有源RFID系統(tǒng)技術(shù)及數(shù)據(jù)的可靠傳輸

在實際應(yīng)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(biāo)簽接收射頻信號后，執(zhí)行相應(yīng)動作。通常讀寫器與計算機相連，電子標(biāo)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(dá)到自動識別體的目的。
1．2 硬件設(shè)計
RFID系統(tǒng)依照不同的標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)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(yuǎn)．傳輸數(shù)據(jù)快，數(shù)據(jù)吞吐量高，識別多目標(biāo)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(biāo)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(dá)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(shè)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(biāo)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(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)。1．3 軟件設(shè)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(shè)計、PC機與讀寫器的通信軟件設(shè)計、讀寫器射頻與有源電子標(biāo)簽射頻的通信軟件設(shè)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(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)通信則采用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(biāo)簽可靠通信的設(shè)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(biāo)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(biāo)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(biāo)識符。為了保證幀標(biāo)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(biāo)簽的操作為讀／寫，電子標(biāo)簽器件內(nèi)建有MCU和FLASH，可以存儲比較復(fù)雜的程序，并由程序控制標(biāo)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(shè)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(dǎo)區(qū)包含導(dǎo)言、同步字，在信道特性較好的場合，為提高識別速度，可設(shè)定16位的導(dǎo)言與16位的同步字。校驗區(qū)通過CRC算法進行校驗，引導(dǎo)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(shè)計中，地址區(qū)用于電子標(biāo)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(biāo)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(yīng)的打包操作，CC2510添加4字節(jié)的導(dǎo)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(shè)計方案中采用ETSI 302 208標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽初始化完成后，程序進入主循環(huán)程序。電子標(biāo)簽開始載波監(jiān)聽，當(dāng)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(yīng)的數(shù)據(jù)，各個電子標(biāo)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(shè)置緩存和相應(yīng)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(rèn)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(shè)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(shè)備初始化，設(shè)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