1、有源 RFID 系统中可靠通信的研究引言 现代生活中越来越多地借助电子技术来完成信息的查询，常见的技术主要是条形码技术和 RFID(radio frequency identification)技术。条形码技术广泛应用，但局限性也非常突出，如：条码标签的内容无法修改，条码标签必须清洁无磨损，阅读器读写条码时应保持适当角度，阅读器与条形码之间必须可视。RFID 是射频识别的简称，它是一种非接触式的自动识别技术，其利用无线电技术在读写器和电子标签之间建立通信，实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的。现在 RFID 技术已被广泛应用于生产、物流、交通、医疗、跟踪等应用领域的数据收集和处理
2、。RFID 技术的优势则较为突出，如：标签信息可修改，能在恶劣的环境下较远距离进行读取，可同时处理多个标签。根据实现的方式不同，RFID 技术可分为无源 RFID 技术和有源 RFlD 技术。无源 RFlD技术研究和应用都较为成熟，系统中电子标签工作所需要的全部电源都依靠转换接收到的读写器发送的电磁波而获得。读写器的发射功率一般较大。有源 RFID 技术系统中的电子标签具备电池，可提供全部器件工作的电源；读写器的发射功率要求较低，而且有效阅读距离也较前者有所增加，在追踪和识别高价值商品时非常有用。1.有源 RFID 系统的设计 1.1 系统结构有源 RFID 系统由有源电子标签(tag)、读写
3、器(reader)和计算机 3 部分组成；有源电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有惟一的电子编码(EPC)，保存有约定格式的电子数据；读写器读取电子标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；计算机(上位机) 用来进行数据管理和数据处理，其系统结构如图 1 所示。在实际应用中，读写器发送出一定频率的射频信号，附在待识别物体表面中电子标签接收射频信号后，执行相应动作。通常读写器与计算机相连，电子标签回送的信息被读写器读取解码后送至计算机进行下一步处理，从而达到自动识别体的目的。1.2 硬件设计RFID 系统依照不同的标准，可以分为不同的类型。根据 RFID 系统使用的工作频率可分为 4 类：低
4、频(LF，30300 kHz)、高频(HF，330 MHz)、超高频(UHF，300968 MHz)和微波(UWF，2458 GHz)。根据文献以及对不同频段 RFID 系统优缺点的分析比较，再结合课题的要求，能在 50 m 范围内自动监测标签，并能读写数据，选用工作频率为 24 GHz 的微波频段的 RFID 系统进行研究。24 GHz 频率具有衰减较小，传输距离远传输数据快，数据吞吐量高，识别多目标能力强的特点。同时，24 GHz 的 ISM 频段宽度超过 83 MHz，具有 125 个频道，能满足多频及跳频的需要，增加无线通信的抗干扰能力。有源电子标签和读写器主芯片选用德州仪器公司的 C
5、C2510。该器件包含了高性能、低功耗的 8051 微控制器(MCU)和 UHF RF 收发器，集成了 32 KB 在系统可编程 FLASH 和内嵌 4 KB SRAM，并具有功率放大器(PA)、低噪声放大器 (LNA)、调制解调器(MODEM)等功能，QLP 封装，体积小(6 mm6 mm)，支持流行的跳频技术，可程序控制数据传输率大小，最快能够使数据传输率达到 500 Kbs。在系统中使用 CC2510，具有功耗小，成本低，外围电路简单可靠等优点。此外，CC2510 可设置的跳频通信方式、发射功率和存储程序，可以实现频率更改、读写距离控制和多种安全协议，以适用于多种安全级别。有源电子标签由
6、 CC2510 无线收发及控制模块和天线组成。通过电磁波与读写器进行数据交换。读写器由 CC2510 无线收发及控制模块、天线、 USB 接口转换模块和接口电路组成。读写器通过 USB 接口与上位机相连，用来接收有源电子标签发送的数据。1.3 软件设计在整个有源 RFID 系统中软件起到控制作用，是协调硬件各部分的灵魂。主要涉及到PC 机的人机界面接口和 RFID 系统软件设计、PC 机与读写器的通信软件设计、读写器射频与有源电子标签射频的通信软件设计。PC 机端软件主要对 RFID 系统数据库进行管理，使用 C“编制，数据库采用 SQL Setver 2005。PC 机通过接口电路对读写器进
7、行操作。该部分使用 VB 编制。读写器与标签之间的数据通信则采用标准 C 语言和汇编混合编制。在单片机中类似 PC 机与单片机的通信软件设计叙述很多，在此不再赘述。本文重点讲述读写器与有源电子标签可靠通信的设计了研究。2 .可靠通信研究在有源 RFID 系统中，可靠通信是最重要的一个环节，几乎左右了整个系统的性能。这里分别从帧标识替换算法，数据帧结构、防冲突处理和重传机制等 4 个方面对数据可靠通信进行了研究。2.1 帧标识替换算法在通信协议中采用 Ox76(0x 表示 16 进制计数) 作为帧标识符。为了保证帧标识符的惟一性，对帧内容中的 Ox76 采用了替代算法，使帧中的内容不再出现 Ox
8、76，解决了接收端的同步问题，亦可提高接收的可靠性。如果发送的数据为 0x76，则用 Ox77，Ox77 两个字节替代；如果发送的数据为 Ox77，则用 Ox77，0x78 两个字节替代。算法流程如图 2 所示。2.2 数据帧结构读写器对标签的操作为读写，电子标签器件内建有 MCU 和 FLASH，可以存储比较复杂的程序，并由程序控制标签工作。为了加强有源 RFID 系统结构的简单性和高效性，对指令格式进行规格化，对数据帧格式的设计亦采用简单和固定的规格，以提高通信效率。在通信时，数据的帧格式如下：引导区包含导言、同步字，在信道特性较好的场合，为提高识别速度，可设定 16 位的导言与 16 位的同步字。校验区通过 CRC 算法进行校验，引导区和校验区由 CC2510 硬件自动添加，在接收时由硬件自动去除。该设计中，地址区用于电子标签的识别，命令区中的命令用于完成数据查询功能或完成标签信息的生成。数据区用于数据净荷存储。在发送模式下，地址区、命令区和数据区的数据被送入 RAM 中的缓存区进行相应的打包操作，CC2510 添加 4 字节的导言和同步字，加入 CRC 校验并发送出去。在接收模式时，包处理支持将会分解数据包，即首先进行同步字检测，接着检测地址、进行数据长度匹配并计算和检查 CRC，最后将操作命令和数据净荷提交上层进行处理，从而完成 1 次发送和接收交互。
