有源RFID系統(tǒng)中可靠通信的

有源RFID系統(tǒng)中可靠通信的研究引言

現(xiàn)代生活中越來(lái)越多地借助電子技術(shù)來(lái)完成信息的查詢，常見(jiàn)的技術(shù)主要是條形碼技術(shù)和RFID(radiofrequencyidentification)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(wú)法修改，條碼標(biāo)簽必須清潔無(wú)磨損，閱讀器讀／寫(xiě)條碼時(shí)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(shí)別的簡(jiǎn)稱，它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其利用無(wú)線電技術(shù)在讀寫(xiě)器和電子標(biāo)簽之間建立通信，實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞，并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)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技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(shí)處理多個(gè)標(biāo)簽。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)的方式不同，RFID技術(shù)可分為無(wú)源RFID技術(shù)和有源RFlD技術(shù)。無(wú)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(xiě)器發(fā)送的電磁波而獲得。讀寫(xiě)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(xiě)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(shí)別高價(jià)值商品時(shí)非常有用。

l有源RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有源RFID系統(tǒng)由有源電子標(biāo)簽(tag)、讀寫(xiě)器(reader)和計(jì)算機(jī)3部分組成；有源電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)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(xiě)器讀取電子標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式；計(jì)算機(jī)(上位機(jī))用來(lái)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(shí)際應(yīng)用中，讀寫(xiě)器發(fā)送出一定頻率的射頻信號(hào)，附在待識(shí)別物體表面中電子標(biāo)簽接收射頻信號(hào)后，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。通常讀寫(xiě)器與計(jì)算機(jī)相連，電子標(biāo)簽回送的信息被讀寫(xiě)器讀取解碼后送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步處理，從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別體的目的。

1．2硬件設(shè)計(jì)

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，30～300kHz)、高頻(HF，3～30MHz)、超高頻(UHF，300～968MHz)和微波(UWF，2．4～5．8GHz)。根據(jù)文獻(xiàn)以及對(duì)不同頻段RFID系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的分析比較，再結(jié)合課題的要求，能在50m范圍內(nèi)自動(dòng)監(jiān)測(cè)標(biāo)簽，并能讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，選用工作頻率為2．4GHz的微波頻段的RFID系統(tǒng)進(jìn)行研究。2．4GHz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(shí)別多目標(biāo)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，2．4GHz的ISM頻段寬度超過(guò)83MHz，具有125個(gè)頻道，能滿足多頻及跳頻的需要，增加無(wú)線通信的抗干擾能力。

有源電子標(biāo)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UHFRF收發(fā)器，集成了32KB在系統(tǒng)可編程FLASH和內(nèi)嵌4KBSRAM，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(6mm×6mm)，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500Kb／s。在系統(tǒng)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(shè)置的跳頻通信方式、發(fā)射功率和存儲(chǔ)程序，可以實(shí)現(xiàn)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(jí)別。

有源電子標(biāo)簽由CC2510無(wú)線收發(fā)及控制模塊和天線組成。通過(guò)電磁波與讀寫(xiě)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。讀寫(xiě)器由CC2510無(wú)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(xiě)器通過(guò)USB接口與上位機(jī)相連，用來(lái)接收有源電子標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)。

1．3軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)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(jì)、PC機(jī)與讀寫(xiě)器的通信軟件設(shè)計(jì)、讀寫(xiě)器射頻與有源電子標(biāo)簽射頻的通信軟件設(shè)計(jì)。

PC機(jī)端軟件主要對(duì)RFID系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，使用C"編制，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLSetver2005。PC機(jī)通過(guò)接口電路對(duì)讀寫(xiě)器進(jìn)行操作。該部分使用VB編制。讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)通信則采用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)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(jì)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(biāo)簽可靠通信的設(shè)計(jì)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(gè)環(huán)節(jié)，幾乎左右了整個(gè)系統(tǒng)的性能。這里分別從幀標(biāo)識(shí)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(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)可靠通信進(jìn)行了研究。木堂羊2．倒1討幀標(biāo)帶識(shí)替楊換算規(guī)法蒸迷布在通灑信協(xié)生議中引采用餡Ox退76扯(0拉x表今示1掃6進(jìn)竭制計(jì)扁數(shù))瞎作為煩幀標(biāo)枝識(shí)符栗。為凍了保牌證幀擁標(biāo)識(shí)將符的焰惟一倦性，石對(duì)幀須內(nèi)容紗中的辭Ox尾76趟采用縣了替瞎代算袍法，伴使幀醋中的欲內(nèi)容類不再濕出現(xiàn)煎Ox損76或，解萍決了焰接收渣端的茫同步贏問(wèn)題蠻，亦約可提侵高接括收的漂可靠膝性。受如果件發(fā)送望的數(shù)篩據(jù)為崗0x曉76販，則繳用O狼x7術(shù)7，時(shí)Ox從77伍兩個(gè)侮字節(jié)皮替代繩；如懼果發(fā)柏送的他數(shù)據(jù)角為O姥x7家7，籃則用予Ox取77央，0坊x7封8兩缸個(gè)字賽節(jié)替暴代。突算法蹦流程卷如圖胡2所朝示。倒劣鞭2．偏2姑數(shù)據(jù)種幀結(jié)映構(gòu)聞宴梳讀寫(xiě)悶器對(duì)偵標(biāo)簽譽(yù)的操羞作為牽讀／狗寫(xiě)，但電子帽標(biāo)簽跡器件櫻內(nèi)建曲有M榮CU屠和F異LA瓦SH落，可續(xù)以存進(jìn)儲(chǔ)比齊較復(fù)煌雜的勢(shì)程序址，并戒由程積序控?zé)┲茦?biāo)松簽工敘作。碼為了碰加強(qiáng)緞?dòng)性吹諶F絮ID浴系統(tǒng)附結(jié)構(gòu)誘的簡(jiǎn)宮單性襯和高嗚效性網(wǎng)，對(duì)驚指令減格式酷進(jìn)行碧規(guī)格宮化，抬對(duì)數(shù)淚據(jù)幀喜格式跟的設(shè)保計(jì)亦勁采用訴簡(jiǎn)單聞和固季定的現(xiàn)規(guī)格虧，以曾提高蔑通信頂效率數(shù)。茄笛隆在通駐信時(shí)供，數(shù)竹據(jù)的挎幀格按式如如下：薦哲晉引導(dǎo)群區(qū)包優(yōu)含導(dǎo)撓言、襲同步昏字，樹(shù)在信挺道特泳性較皺好的露場(chǎng)合曾，為禽提高小識(shí)別謊速度牢，可唇設(shè)定勤16止位的墾導(dǎo)言晃與1享6位拾的同速步字它。校沙驗(yàn)區(qū)御通過(guò)賀CR烈C算庸法進(jìn)星行校零驗(yàn)，綿引導(dǎo)昏區(qū)和道校驗(yàn)稱區(qū)由革CC餓25緩10珠硬件厘自動(dòng)箱添加脾，在茅接收凝時(shí)由謊硬件甲自動(dòng)艇去除鈔。該塔設(shè)計(jì)煉中，艷地址障區(qū)用拒于電艘子標(biāo)澤簽的瘋識(shí)別鉛，命平令區(qū)退中的暴命令蠅用于沫完成楊數(shù)據(jù)糊查詢磨功能核或完譽(yù)成標(biāo)痛簽信盯息的丑生成動(dòng)。數(shù)隸據(jù)區(qū)慢用于騎數(shù)據(jù)珠凈荷鋤存儲(chǔ)僻。在陣發(fā)送產(chǎn)模式灣下，欺地址螞區(qū)、籍命令額區(qū)和擋數(shù)據(jù)嫂區(qū)的軟數(shù)據(jù)良被送悔入R搖AM勝中的窯緩存免區(qū)進(jìn)敘行相聲應(yīng)的前打包膠操作君，C壯C2旗51模0添慮加4顏?zhàn)止?jié)斑的導(dǎo)保言和山同步謊字，駱加入體CR術(shù)C校佩驗(yàn)并矛發(fā)送痛出去循。在要接收因模式豪時(shí)，酬包處役理支遷持將帝會(huì)分街解數(shù)孟據(jù)包戒，即禽首先傾進(jìn)行參同步梢字檢拘測(cè)，腔接著遣檢測(cè)或地址奉、進(jìn)川行數(shù)浸據(jù)長(zhǎng)麗度匹愛(ài)配并疑計(jì)算滑和檢蛇查C下RC齡，最召后將只操作末命令茂和數(shù)侍據(jù)凈輛荷提好交上誦層進(jìn)些行處胖理，病從而拜完成騾1次埋發(fā)送溫和接轎收交梢互。暑于疑2．旬3掌防沖付突處手理御幫贏有源樂(lè)RF撥ID音系統(tǒng)蠻實(shí)現(xiàn)荷的重飛點(diǎn)是認(rèn)防碰種撞算姑法的返實(shí)現(xiàn)遣。目捉前。晝這類去算法廁的實(shí)外現(xiàn)方伶法有情空分恒多址傍(S內(nèi)DM升A)圍、頻護(hù)分多洋址(箏FD枝MA笑)、叔碼分箭多址繳(C形DM載A)渴和時(shí)無(wú)分多戰(zhàn)址(郵TD兆-M跡A)千等。屠該設(shè)從計(jì)方干案中凈采用略ET勤SI襖3電02糕2淹08鐵標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)中基歷于載上波偵脾聽(tīng)(式CS遇MA堤)的爆方法處。C五SM筑A是恰一種始分布讀式介樣質(zhì)訪練問(wèn)控樂(lè)制協(xié)歲議，垃在讀窗寫(xiě)器霧覆蓋裹范圍頑內(nèi)，魯各有幕源電休子標(biāo)仍簽都翼能獨(dú)灑立地蔽決定詠數(shù)據(jù)駕幀的愈發(fā)送忽和接煩受。拌腹旨每個(gè)兆有源律電子甘標(biāo)簽花在發(fā)熊送數(shù)刺據(jù)幀喂之前梨，首抬先要雄進(jìn)行承載波提*，城只有版介質(zhì)甘空閑喚時(shí)，漫才允淘許發(fā)厚送幀皺，與蟲(chóng)FD拾MA究和T拋DM慣A相怒比，僵能更習(xí)好地更利用棉資源租。因科為這參種通鏈信方洋式在民發(fā)送罵數(shù)據(jù)矩之前持，一眼直在貞檢測(cè)買空氣供中是酸否存稍在相誦同頻絲率的咳載波牽，如皮果有狗相同嗚頻率御的載拍波，磨就不瞇發(fā)送筆數(shù)據(jù)屋；如做果空爸氣中兇沒(méi)有翠相同榨頻率輔的載累波，束則表抹明現(xiàn)絨在的攤空間派資源敏沒(méi)有苦被占躁用，判可以題發(fā)送地?cái)?shù)據(jù)嶼。這嫁樣，博不僅臨提高漂了空個(gè)間資箱源的網(wǎng)利用貼效率者，同獵時(shí)也深提高販了通飽信的拳可靠防性。頭塔叫利用酒CC愉25城10龜支持橫傳輸源前自蘆動(dòng)清易理信回道訪傲問(wèn)(秀CC克A)銳的功萬(wàn)能，研實(shí)現(xiàn)軍CS娛MA吩。電包子標(biāo)良簽初浸始化鄭完成仰后，濕程序顛進(jìn)入遣主循攝環(huán)程臭序。鴿電子蘋(píng)標(biāo)簽讓開(kāi)始列載波剪*，薄當(dāng)C飲CA硬不為回1時(shí)美，表秤示空倦氣中折沒(méi)有親相同枯的載釋波數(shù)古據(jù)時(shí)宵便發(fā)敗送相仿應(yīng)的仇數(shù)據(jù)遣，各除個(gè)電菠子標(biāo)盯簽采勝用競(jìng)引爭(zhēng)的鼻方式爹發(fā)送礎(chǔ)。C晶SM絞A發(fā)姿送流拼程圖蜂如圖錢3所疾示。鈔縱詢2．年4抗重傳核機(jī)制知稍摧重傳應(yīng)機(jī)制述主要逝采用生AC暖K(叼ac而kn蓬ow額le遍dg哲e)間方式裳，即廟發(fā)送票方為叛發(fā)送底的每證一數(shù)妖據(jù)包杯設(shè)置裙緩存螺和相結(jié)應(yīng)的明重發(fā)不定時(shí)惠器，仁若在補(bǔ)定時(shí)扭器超我時(shí)之顆前收斧到來(lái)急自目罵的節(jié)建點(diǎn)對(duì)逗此數(shù)質(zhì)據(jù)包妙的A香CK印控制傳包，豐則認(rèn)宮為此者數(shù)據(jù)梢包已幣經(jīng)成手功地故傳送請(qǐng)。此爆時(shí)，迷取消鹽對(duì)該惜數(shù)據(jù)勢(shì)包的飾緩存輔和定管時(shí)，醉否則飾，將知重發(fā)產(chǎn)此數(shù)完據(jù)包錯(cuò)，并狡重新偽設(shè)置肝定時(shí)攔器。鎮(zhèn)對(duì)于編每個(gè)巖數(shù)據(jù)音包，蜘接收賴方都憶需要害反饋兩AC職K。柿像提重傳繪機(jī)制親主要封由以窯下功閱能函雖數(shù)實(shí)是現(xiàn)。虜In扇it飼()提函數(shù)倆用于武設(shè)備蘭初始蛙化，咐設(shè)置脖DM對(duì)A、鹽時(shí)鐘糠等；倡Se威nd壇()傻函數(shù)徐用于夜發(fā)送扛數(shù)據(jù)拾包；衛(wèi)ac毒kT栽im惱eo掩lJ諷t(其)函施數(shù)用托于沒(méi)奮有在軌規(guī)定平時(shí)間往內(nèi)收凳到A莫CK蕩，而援重發(fā)巴數(shù)據(jù)緒包；醫(yī)wa害it絮Fo域rA輸ck蠢()載函數(shù)稿用于腰等待斤接受驕AC處K，椅既定姻時(shí)間瑞內(nèi)，社收到圍AC疏K標(biāo)宣示為怒T，軋反之或標(biāo)示柿為F形；a沿ek霞Re載ce結(jié)iv獲ed些()告函數(shù)某用于盤(pán)收到齊AC娛K，補(bǔ)取消紐重傳掉；R學(xué)ec葉ei醫(yī)ve妥()諒函數(shù)澡用于取接收窯規(guī)定地格式閱的數(shù)滴據(jù)包美；d敲at距aC抗he棋ck漏()截函數(shù)題用于傷檢測(cè)嶺數(shù)據(jù)弟的完旦整和鍋可靠勞；s結(jié)en木dA遙ck攝()縫函數(shù)奸用于裂送A循CK莊反饋姨給發(fā)騎送方構(gòu)。重弓傳機(jī)別制程憐序流乖程圖援如圖免4所燒示。糾抄道3里測(cè)試改結(jié)果眨扮孩在實(shí)經(jīng)際環(huán)統(tǒng)境中秘，對(duì)貴有源吳RF行ID是系統(tǒng)芒的讀職寫(xiě)器匙和有遙源電茅子標(biāo)踐簽進(jìn)難行讀夸／寫(xiě)倦測(cè)試贊，調(diào)田制方區(qū)式為誤MS剛K，愁數(shù)據(jù)書(shū)傳輸鞋率6藏0橋Kb總／s咬，濾篩波帶出寬5立40魂k滔Hz勒。分革別在齡不同惕距離效上放顛置1諸0個(gè)煮有源多電子插標(biāo)簽米進(jìn)行蛾20芽O銜B收繩發(fā)操倚作。無(wú)讀寫(xiě)盾器的脅識(shí)讀勢(shì)結(jié)果絲如表呈1和辭表2經(jīng)所示購(gòu)。旱成極從以而上數(shù)戒據(jù)可狗以看泛出：素騰擱(1庸)在權(quán)25案m愈可視準(zhǔn)距離把內(nèi)系元統(tǒng)識(shí)簡(jiǎn)別效老果良膜好；歸令申(2糧)加屈入可幫靠通息信機(jī)顧制后毫，在噴可視鑒通信執(zhí)距離音60潮m微內(nèi)，狡標(biāo)簽酒與讀家寫(xiě)器宴之間童的協(xié)罰議識(shí)篩別效腎果良爛好；郵隨著汁通信喉距離獲的加稿大。瓜在寬70擋m虧處標(biāo)怖簽與橋讀寫(xiě)量器正嬌常通抬信信曬號(hào)中薦CR促C校林驗(yàn)出勝錯(cuò)增棗多，岸但仍夕可識(shí)探別大居多數(shù)廢標(biāo)簽稿；殿斤桑(3滴)遇雁到障剝礙物緩的時(shí)械候，贏通信焰距離琴迅速株減少候，丟牌包率三和C眨RC杠校驗(yàn)若錯(cuò)誤癢數(shù)增符多。鹽蜂腹4笑結(jié)語(yǔ)訪偶大有源健RF頂ID尺技術(shù)洪與無(wú)疫源R瞞FI希D技濕