有源RFID系統(tǒng)中可靠通信的研究

1、有源rfid系統(tǒng)中可靠通信的研究引言 現(xiàn)代生活中越來越多地借助電子技術(shù)來完成信息的查詢，常見的技術(shù)主要是條形碼技術(shù)和rfid(radio frequency identification)技術(shù)。條形碼技術(shù)廣泛應(yīng)用，但局限性也非常突出，如：條碼標(biāo)簽的內(nèi)容無法修改，條碼標(biāo)簽必須清潔無磨損，閱讀器讀寫條碼時應(yīng)保持適當(dāng)角度，閱讀器與條形碼之間必須可視。rfid是射頻識別的簡稱，它是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其利用無線電技術(shù)在讀寫器和電子標(biāo)簽之間建立通信，實現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的?，F(xiàn)在rfid技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、物流、交通、醫(yī)療、跟蹤等應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)收集和處理。rfid技

2、術(shù)的優(yōu)勢則較為突出，如：標(biāo)簽信息可修改，能在惡劣的環(huán)境下較遠(yuǎn)距離進(jìn)行讀取，可同時處理多個標(biāo)簽。 根據(jù)實現(xiàn)的方式不同，rfid技術(shù)可分為無源rfid技術(shù)和有源rfld技術(shù)。無源rfld技術(shù)研究和應(yīng)用都較為成熟，系統(tǒng)中電子標(biāo)簽工作所需要的全部電源都依靠轉(zhuǎn)換接收到的讀寫器發(fā)送的電磁波而獲得。讀寫器的發(fā)射功率一般較大。有源rfid技術(shù)系統(tǒng)中的電子標(biāo)簽具備電池，可提供全部器件工作的電源；讀寫器的發(fā)射功率要求較低，而且有效閱讀距離也較前者有所增加，在追蹤和識別高價值商品時非常有用。 l 有源rfid系統(tǒng)的設(shè)計 11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 有源rfid系統(tǒng)由有源電子標(biāo)簽(tag)、讀寫器(reader)和計算機(jī)3部分組

3、成；有源電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有惟一的電子編碼(epc)，保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)；讀寫器讀取電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式；計算機(jī)(上位機(jī))用來進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 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(jī)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(jī)進(jìn)行下一步處理，從而達(dá)到自動識別體的目的。 12 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，30300 khz)、高頻(hf，330

4、 mhz)、超高頻(uhf，300968 mhz)和微波(uwf，2458 ghz)。根據(jù)文獻(xiàn)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24 ghz的微波頻段的rfid系統(tǒng)進(jìn)行研究。24 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(qiáng)的特點。同時，24 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

5、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 mm6 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 kbs。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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。讀寫器由cc2510無線收發(fā)及控

6、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(jī)相連，用來接收有源電子標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)。 13 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(jī)的人機(jī)界面接口和rfid系統(tǒng)軟件設(shè)計、pc機(jī)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(jī)端軟件主要對rfid系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，使用c編制，數(shù)據(jù)庫采用sql setver 2005。pc機(jī)通過接口電路對讀寫器進(jìn)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(jī)中類似pc機(jī)與單片機(jī)的通信軟件設(shè)計敘述很多，在此不

7、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(jī)制等4個方面對數(shù)據(jù)可靠通信進(jìn)行了研究。 21 幀標(biāo)識替換算法 在通信協(xié)議中采用ox76(0x表示16進(jìn)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。

8、算法流程如圖2所示。 22 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(qiáng)有源rfid系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡單性和高效性，對指令格式進(jìn)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(jìn)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)

9、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(jìn)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(jìn)行同步字檢測，接著檢測地址、進(jìn)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(jìn)行處理，從而完成1次發(fā)送和接收交互。 23 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

10、)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(jìn)行載波*，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(jìn)入主循

11、環(huán)程序。電子標(biāo)簽開始載波*，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。 24 重傳機(jī)制 重傳機(jī)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(jī)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)

12、包；acktimeoljt()函數(shù)用于沒有在規(guī)定時間內(nèi)收到ack，而重發(fā)數(shù)據(jù)包；waitforack()函數(shù)用于等待接受ack，既定時間內(nèi)，收到ack標(biāo)示為t，反之標(biāo)示為f；aekreceived()函數(shù)用于收到ack，取消重傳；receive()函數(shù)用于接收規(guī)定格式的數(shù)據(jù)包；datacheck()函數(shù)用于檢測數(shù)據(jù)的完整和可靠；sendack()函數(shù)用于送ack反饋給發(fā)送方。重傳機(jī)制程序流程圖如圖4所示。 3 測試結(jié)果 在實際環(huán)境中，對有源rfid系統(tǒng)的讀寫器和有源電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫測試，調(diào)制方式為msk，數(shù)據(jù)傳輸率60 kbs，濾波帶寬540 khz。分別在不同距離上放置10個有源電子標(biāo)簽進(jìn)行20o b收發(fā)操作。讀寫器的識讀結(jié)果如表1和表2所示。 從以上數(shù)據(jù)可以看出： (1)在25 m可視距離內(nèi)系統(tǒng)識別效果良好； (2)加入可靠通信機(jī)制后，在可視通信距離60 m內(nèi)，標(biāo)簽與讀寫器之間的協(xié)議識別效果良好；隨著通信距離的加大。在70 m處標(biāo)簽與讀寫器正常通信信號中crc校驗出錯增多，但仍可識別大多數(shù)標(biāo)簽； (3)遇到障礙物的時候，通信距離迅速減少，丟包率和crc校