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1.引言 RFID(RadioFrequeneyIdentification)射頻識別是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號自動(dòng)識別目標對象并獲取相關(guān)數據，識別工作無(wú)須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。射頻識別系統主要由閱讀器和電子標簽兩部分組成，數據存儲在電子標簽中，當電子標簽進(jìn)入閱讀器有效作用距離內，雙方即可按照一定的協(xié)議進(jìn)行通信。RFID技術(shù)可識別高速運動(dòng)物體并可同時(shí)識別多個(gè)標簽， 操作快捷方便。 短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠(chǎng)的流水線(xiàn)上跟蹤物體。長(cháng)距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動(dòng)收費或識別車(chē)輛身份等。另外，由于該技術(shù)很難被仿冒、侵入，使電子標簽具備了極高的安全防護能力。RFID的應用非常廣泛，目前典型應用有動(dòng)物晶片、汽車(chē)晶片防盜器、門(mén)禁管制、停車(chē)場(chǎng)管制、生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化、物料管理。各國及相關(guān)國際組織都在積極推進(jìn)RFID 技術(shù)標準的制定。目前，還未形成完善的關(guān)于RFID的國際和國內標準。當前主要的RFID 相關(guān)規范有歐美的EPC 規范、日本的UID(UbiquitousID)規范和ISO 18000系列標準。 RFID電子標簽種類(lèi)很多，分類(lèi)方式多樣。按照供電方式可分為有源和無(wú)源的電子標簽;按照載波頻率可分為低頻(134.2kHz)、高頻(13.56MHz)、超高頻(433MHz和915MHz)，以及微波電子標簽(2.45GHz以上);RFID電子標簽的單項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但不管在物流業(yè)還是制造業(yè)的實(shí)際應用中還存在大量的技術(shù)難題。如：經(jīng)濟性、信號干擾、識別率的提高、信息安全和隱私保護、標準化等問(wèn)題。 基本 RFID 系統由 RFID 標簽(Tag)、RFID 閱讀器(Reader)及應用支撐軟件等幾部分組成。CC2430芯片以強大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境作為支持，內部線(xiàn)路的交互式調試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持，得到嵌入式機構很高的認可。同時(shí)也適用2.4 GHz頻率的設備。CC2430芯片采用O.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封裝，共有48個(gè)引腳。全部引腳可分為I/O端口線(xiàn)引腳、電源線(xiàn)引腳和控制線(xiàn)引腳三類(lèi)。CC2430的休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(cháng)的應用。特別適合應用于RFID系統的設計。本文以TI公司的CC2430為核心，設計有源RFID標簽。使用3。3-4。5V�？墒褂眉~扣電池供電，該芯片功耗低。所需外圍電路少，高頻元件全部集成于芯片內其工作性能穩定不受外界影響。非常適合于對低功耗，高性能要求的應用環(huán)境。 2．標簽的硬件設計 2．1 硬件電路結構 典型的有源RFID標簽由天線(xiàn)，射頻模塊，控制模塊，存儲器，喚醒電路，電池模塊等組成如圖1所示。其中射頻模塊完成調制和解調標簽和讀寫(xiě)器之間的控制信號和應答信號�？刂破鲌绦凶x寫(xiě)器的指令。存儲器存儲標簽的相關(guān)信息和單片機的控制程序�？刂破鲗Υ鎯ζ鬟M(jìn)行讀寫(xiě)操作。射頻模塊包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分主要有調制器，功放，帶通濾波器，混頻器和本振等組成。接收部分由低噪放，帶通濾波器，解調器，檢波整形等組成。TI公司的CC2430芯片集成了所有的無(wú)線(xiàn)通信系統部分只需添加少數的外圍電路即可使之構成無(wú)線(xiàn)通信模塊，這樣降低了系統成本和簡(jiǎn)化了標簽的設計。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封裝，共有48個(gè)腳。全部引腳可分為I／O端口線(xiàn)引腳、電源線(xiàn)引腳和控制線(xiàn)引腳三類(lèi)。CC2430的休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(cháng)的應用。特別適合應用于RFID系統的設計。本標簽設計匹配電路使輸出匹配50歐的微帶貼片天線(xiàn)。PCB設計中全采用表貼元件，這樣簡(jiǎn)化了系統的復雜度和標簽的尺寸大小。整個(gè)PCB控制在10CM*5CM內，滿(mǎn)足了標簽小型化的設計。標簽的電路圖如圖2所示。 2．2 標簽的低功耗設計 對于有源標簽，由于其使用電池供電，所以標簽的工作壽命有限這就要求標簽要節能并且其功耗要低。從而節省電池的能量達到延長(cháng)標簽的工作壽命。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25 mA。在標簽的設計過(guò)程中加入一定的控制程序可使得標簽僅在讀寫(xiě)器的工作范圍內才進(jìn)入工作狀態(tài)響應讀寫(xiě)器的查詢(xún)請求。從而最大程度的節省了能量。 2．3 讀寫(xiě)器的設計 讀寫(xiě)器要與計算機應用網(wǎng)絡(luò )連接。我們采用串行通信方式。其最大傳輸距離30米．通信速率一般低于20kbps。由于大多數MCU計算機上的串行口都是RS-232C標準的９芯接口．而MCU的引腳一般輸入／輸出使用TTL電平，距離短傳輸質(zhì)量差．所以我們要轉換這兩種不同的電平才能正確的實(shí)現讀寫(xiě)器與計算機的通信連接．讀寫(xiě)器的電路圖如圖3所示。 3．標簽的軟件設計 3．1 寄存器的設置 芯片射頻部分的重要參數，如：接收地址，收發(fā)頻率，無(wú)線(xiàn)傳輸速率，收發(fā)模式等均要在其相應的寄存器配置字里面設置。正確的設置這些參數可以提高標簽的工作效率和可靠性。 3．2 標簽工作流程 標簽在平時(shí)處于斷電狀態(tài)，當標簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的工作區域內。喚醒信號的能量使功率比較器輸出高電平激活觸發(fā)器使之控制電源芯片為主電路供電。這樣標簽控制器按照防碰撞算法程序在適當時(shí)機從存儲器讀出標簽的信息，然后將其通過(guò)射頻模塊調制，放大通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。當讀寫(xiě)器正確識別標簽后將發(fā)送該標簽的關(guān)閉信號。標簽收到后進(jìn)行判斷，如果為本標簽的關(guān)閉信號，則標簽不再向讀寫(xiě)器發(fā)送信息。當標簽離開(kāi)了讀寫(xiě)器的工作范圍時(shí)。觸發(fā)器控制電源開(kāi)關(guān)芯片使標簽主工作電路斷電。從而達到節能的目的。標簽的工作流程圖如圖4所示。 3．3 計算機端軟件設計 計算機端設計的軟件界面如圖所示，它由串口設置區，通信狀態(tài)區，接收和發(fā)送區，ID 信息顯示區組成。當標簽收到讀寫(xiě)器的請求后，發(fā)送自身的信息給讀寫(xiě)器，通過(guò)天線(xiàn)接收讀寫(xiě)器對信息進(jìn)行處理相應，然后通過(guò)串口發(fā)送給計算機。計算機在數據庫中查詢(xún)相應的信息進(jìn)行處理后。將其對應的信息顯示在軟件界面上如圖5 所示。 4. RFID 系統的關(guān)鍵技術(shù) 完整的RFID 系統的關(guān)鍵技術(shù)有數據傳輸方法，數據傳輸的完整性，數據傳輸的安全性，安全與隱私，反碰撞算法。RFID 系統的信息安全是極為重要的部分，它涉及通信的安全保密、存儲數據的安全及工作狀態(tài)的控制三個(gè)方面。通信的安全就是要保證信息交換過(guò)程數據的機密性、完整性、有效性和真實(shí)性。數據的完整性，可通過(guò)校驗和糾錯的方法實(shí)現，而數據的機密性和有效性是通過(guò)對消息鑒權來(lái)實(shí)現的。 在讀寫(xiě)器與電子標簽進(jìn)行射頻通信的過(guò)程中，存在許多干擾數據通信的因素，其中最主要的兩個(gè)因素是信道噪聲和多卡操作(即有多張卡在讀寫(xiě)器的天線(xiàn)感應范圍內)引起的數據干擾。因此，需要采用信道編碼和訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)，以保證讀寫(xiě)器和電子標簽之間數據傳輸的完整、可靠和快速。為了提高系統的抗噪聲能力，就需要采用信道編碼技術(shù)，對可能或已經(jīng)出現的差錯進(jìn)行控制，RFID 標簽應能予以防范以下攻擊:非法訪(fǎng)問(wèn)和修改TAG 信息，用特殊設備假冒和欺騙系統，竊聽(tīng)無(wú)線(xiàn)電通信并重放數據。 5. 標簽的防碰撞設計 射頻識別讀寫(xiě)器是通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻信號與電子標簽進(jìn)行通信、數據交換的，其工作模式一般是單頻率點(diǎn)、半雙工。要同時(shí)與多張電子標簽進(jìn)行通信，必然會(huì )發(fā)生信道爭奪、數據干擾、通信沖撞等問(wèn)題。在射頻識別系統工作時(shí)，讀寫(xiě)器與電子標簽之間的無(wú)線(xiàn)通信沖撞問(wèn)題，一般可分為以下兩大類(lèi):1)讀寫(xiě)器之間的沖撞2)電子標簽之間的沖撞。在讀寫(xiě)器的作用范圍內存在多張電子標簽，它們同時(shí)對讀寫(xiě)器做出響應、同時(shí)發(fā)送數據，就會(huì )出現通信沖撞，數據相互干擾(沖撞)。有時(shí)也有可能多個(gè)電子標簽處在多個(gè)讀寫(xiě)器的工作范圍之內，它們之間的數據通信也會(huì )引起數據干擾[16]。為了防止這些沖撞的發(fā)生，射頻識別系統需要設置一定的相關(guān)指令，解決沖撞問(wèn)題，這些指令被稱(chēng)為防沖撞指令或算法(Anti-collision algorithms)。在通信系統中解決這種多路存取的主要方法有：空分多址（SDMA），頻分多址（FDMA)，碼分多址法（CDMA），時(shí)分多址法（TDMA）。但對RFID 系統來(lái)說(shuō)空分多址的天線(xiàn)系統非常復雜、實(shí)施費用相當高。頻分多址讀寫(xiě)器的費用相當高，碼分多址法則由于通信頻帶及其技術(shù)復雜性等，很難在RFID 系統中應用。時(shí)分多址法是把整個(gè)可供使用的信道容量按時(shí)間分配給多個(gè)用戶(hù)的技術(shù)。對射頻識別系統而言，TDMA 分為標簽驅動(dòng)法和閱讀器驅動(dòng)法。標簽驅動(dòng)法主要代表性的算法是ALOHA 算法。閱讀器驅動(dòng)需要準確的同步進(jìn)而無(wú)錯誤的檢測出碰撞位。它再劃分為“輪詢(xún)法和二進(jìn)制搜索算法”。目前的算法基本上是基于A(yíng)LOHA算法和二進(jìn)搜索算法的改進(jìn)。 ALOHA 算法是采取“標簽先發(fā)言”的方式，即標簽一進(jìn)入閱讀器作用區域就自動(dòng)向閱讀器發(fā)送其自身的信息，對同一個(gè)標簽來(lái)說(shuō)它的發(fā)送數據幀的時(shí)間也是隨機的。如果在標簽信息發(fā)送過(guò)程中有其它標簽也在發(fā)送數據，那么發(fā)生信號重疊從而導致部分沖突或者完全沖突，閱讀器檢測信號判斷有無(wú)沖突，一旦發(fā)生沖突，閱讀器發(fā)送命令讓標簽停止發(fā)送，標簽隨機延遲一段時(shí)間再發(fā)送，則因為延遲的隨機數不同，避開(kāi)了沖突。如果沒(méi)有沖突，閱讀器發(fā)送一個(gè)應答信號給標簽，標簽從此轉入休眠狀態(tài)，不再響應讀寫(xiě)器的查詢(xún)請求。直到識別過(guò)程結束。ALOHA 算法的示意圖如圖6 所示。 ALOHA 算法應用于實(shí)時(shí)性不高的場(chǎng)合，實(shí)現起來(lái)比較容易。對標簽的要求不高。經(jīng)過(guò)模擬可知用ALOHA 算法可以在很短時(shí)間內識別幾十張標簽。本文用VC++仿真了一種改進(jìn)型的ALOHA 算法(Grouping ALOHA)�？商岣逜LOHA 算法的識別效率。ALOHA 算法能高效快速的識別標簽但是隨著(zhù)標簽數量的增加其識別效率將會(huì )急速惡化。因此我們可以先將待識別的標簽隨機的分成不同的組中。依次對每個(gè)組中的標簽進(jìn)行ALOHA 算法識別。這期間其他各組的標簽不響應讀寫(xiě)器的查詢(xún)請求。待該組識別時(shí)間結束，進(jìn)入下一組的識別。至到所有的組結束識別，如果還有標簽未被識別則再次進(jìn)行分組識別。至到所有標簽被識別出來(lái)。 下面是ALOHA 和Grouping ALOHA 仿真的一些結果。從表1 和圖8、圖9，中可以看出采用了Grouping ALOHA 后。識別的時(shí)間減小了并且發(fā)生碰撞的次數也大幅減小。對于有很多標簽的場(chǎng)合Grouping ALOHA 比起ALOHA 有明顯的優(yōu)勢。 表1 ALOHA 和Grouping ALOHA 算法仿真比較 6．總結 本文介紹了一種以低功耗射頻收發(fā)芯片CC2430 為核心，可工作于2。4GHz 的國際通用ISM 頻段的有源RFID 系統。帶片上系統（SOC）的芯片使系統簡(jiǎn)化，增強了無(wú)線(xiàn)通信的數據安全性和可靠性，同時(shí)使得開(kāi)發(fā)變的簡(jiǎn)單，降低了成本，在室外標簽和讀寫(xiě)器的識別距離可達80 米，如果有良好的天線(xiàn)匹配設計或者外加功放可進(jìn)一步提高工作距離。本設計中的防碰撞算法加入到標簽與配套設計的讀寫(xiě)器中即可實(shí)現系統在體積小，功耗低，可靠性高要求較高的環(huán)境當中。 |
