有源RFID系統(tǒng)中可靠通信的研究

摘 要:有源RFID是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在追蹤和識(shí)別高價(jià)值商品方面具有突出優(yōu)勢。針對(duì)通信距離的增加，有源RFID系統(tǒng)出現(xiàn)識(shí)讀不可靠、數(shù)據(jù)出錯(cuò)等問題。構(gòu)建了基于CC2510的有源RFID系統(tǒng)，并結(jié)合硬件特性，重點(diǎn)對(duì)讀寫器與有源電子標(biāo)簽之間的通信數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、標(biāo)簽防沖突處理和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤重傳機(jī)制等方面進(jìn)行探討和設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的通信機(jī)制對(duì)不同的測試環(huán)境具有一定的適應(yīng)能力，表現(xiàn)出較好的可靠性。

關(guān)鍵詞:有源RFID; 可靠通信; 重傳機(jī)制; 測試環(huán)境

中圖分類號(hào):TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)10-0001-04

Research on Reliable Communication in Active RFID System

CAO Zhi-yong1， CAO Zhi-juan2， ZHOU Lü3， ZHAO Jia-song1

(1. College of Computer Science， Yunnan Agriculture University， Kunming 650201， China;

2. College of Information， Yunnan University of Finance and Economics， Kunming 650221， China;

3. College of Economics and Management， Yunnan Agriculture University， Kunming 650201， China)

Abstract: Active RFID is an automatic identification technology， which has advantages in tracking and identifying high-value commodities. The problems of identification unreliability and data error are easily occurred in active RFID system with the increase of communication distance. The active RFID system based on CC2510 was designed， the communication data frame ID， data frame structure， anti-collision handling tag and retransmission mechanism for data errors between reader and active electronic tag are designed by hardware charcteristics. The test results show that the improved communication construction is reliable and the RFID system is available in different test environments.

Keywords: active RFID; reliable communication; retransmission; test environment

0 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(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)別的簡稱，它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)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(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。現(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)可分為無源RFID技術(shù)和有源RFID技術(shù)。無源RFID技術(shù)研究[1]和應(yīng)用[2]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(shí)別高價(jià)值商品時(shí)非常有用。

1 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)、讀寫器(reader)和計(jì)算機(jī)3部分組成;有源電子標(biāo)簽[3]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。通常讀寫器與計(jì)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(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。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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，30～300 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(xiàn)[4-5]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50 m范圍內(nèi)自動(dòng)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(jìn)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(shí)別多目標(biāo)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，2.4 GHz的ISM頻段寬度超過83 MHz，具有125個(gè)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805l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[6]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(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、讀寫距離控制和多種安全協(xié)議，以適用于多種安全級(jí)別[7]。

有源電子標(biāo)簽[8]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[9]進(jìn)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(jī)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(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)與讀寫器的通信軟件設(shè)計(jì)、讀寫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)庫進(jìn)行管理，使用C#編制，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2005。PC機(jī)通過接口電路對(duì)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(jì)敘述很多，在此不再贅述。本文重點(diǎn)講述讀寫器與有源電子標(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。

2.1 幀標(biāo)識(shí)替換算法

在通信協(xié)議中采用0x76(0x表示16進(jìn)制計(jì)數(shù))作為幀標(biāo)識(shí)符。為了保證幀標(biāo)識(shí)符的惟一性，對(duì)幀內(nèi)容中的0x76采用了替代算法，使幀中的內(nèi)容不再出現(xiàn)0x76，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0x77，0x77 兩個(gè)字節(jié)替代;如果發(fā)送的數(shù)據(jù)為0x77，則用0x77，0x78兩個(gè)字節(jié)替代。算法流程如圖2所示。

圖2 替代算法流程圖

2.2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

讀寫器對(duì)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(chǔ)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(duì)指令格式進(jìn)行規(guī)格化，對(duì)數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計(jì)亦采用簡單和固定的規(guī)格，以提高通信效率。

在通信時(shí)，數(shù)據(jù)的幀格式如下:

引導(dǎo)區(qū)地址區(qū)命令區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)校驗(yàn)區(qū)

4 B4 B4 B120 B2 B

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(shí)別速度，可設(shè)定16位的導(dǎo)言與16位的同步字。校驗(yàn)區(qū)通過CRC算法進(jìn)行校驗(yàn)，引導(dǎo)區(qū)和校驗(yàn)區(qū)由CC2510硬件自動(dòng)添加，在接收時(shí)由硬件自動(dòng)去除。該設(shè)計(jì)中，地址區(qū)用于電子標(biāo)簽的識(shí)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(chǔ)。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(yàn)并發(fā)送出去。在接收模式時(shí)，包處理支持將會(huì)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(jì)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。

2.3 防沖突處理

有源RFID系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是防碰撞算法的實(shí)現(xiàn)。目前，這類算法的實(shí)現(xiàn)方法有空分多址(SDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)和時(shí)分多址(TDMA)等。該設(shè)計(jì)方案中采用ETSI 302 208標(biāo)準(zhǔn)[10]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(dú)立地決定數(shù)據(jù)幀的發(fā)送和接受。

每個(gè)有源電子標(biāo)簽在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進(jìn)行載波監(jiān)聽，只有介質(zhì)空閑時(shí)，才允許發(fā)送幀，與FDMA和TDMA相比，能更好地利用資源。因?yàn)檫@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(shí)也提高了通信的可靠性。

利用CC2510支持傳輸前自動(dòng)清理信道訪問(CCA)的功能，實(shí)現(xiàn)CSMA。電子標(biāo)簽初始化完成后，程序進(jìn)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(shí)，表示空氣中沒有相同的載波數(shù)據(jù)時(shí)便發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，各個(gè)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(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(shí)器，若在定時(shí)器超時(shí)之前收到來自目的節(jié)點(diǎn)對(duì)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(shí)，取消對(duì)該數(shù)據(jù)包的緩存和定時(shí)，否則，將重發(fā)此數(shù)據(jù)包，并重新設(shè)置定時(shí)器。對(duì)于每個(gè)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(shí)現(xiàn)。Init()函數(shù)用于設(shè)備初始化，設(shè)置DMA、時(shí)鐘等;Send()函數(shù)用于發(fā)送數(shù)據(jù)包;ackTimeout()函數(shù)用于沒有在規(guī)定時(shí)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(shí)間內(nèi)，收到ACK標(biāo)示為T，反之標(biāo)示為F;ackReceived()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。

圖3 CSMA發(fā)送流程圖

圖4 重傳機(jī)制程序流程圖

3 測試結(jié)果

在實(shí)際環(huán)境中，對(duì)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 Kb/s，濾波帶寬540 kHz。分別在不同距離上放置10個(gè)有源電子標(biāo)簽進(jìn)行200 B收發(fā)操作。讀寫器的識(shí)讀結(jié)果如表1和表2所示。

(1) 在25 m可視距離內(nèi)系統(tǒng)識(shí)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(shí)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(hào)中CRC校驗(yàn)出錯(cuò)增多，但仍可識(shí)別大多數(shù)標(biāo)簽;

(3) 遇到障礙物的時(shí)候，通信距離迅速減少，丟包率和CRC校驗(yàn)錯(cuò)誤數(shù)增多。

4 結(jié) 語

有源RFID技術(shù)與無源RFID技術(shù)相比，在技術(shù)上的優(yōu)勢非常明顯，具有通信距離長，傳輸數(shù)據(jù)量大，低發(fā)射功率等特點(diǎn)。有源RFID系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可靠傳輸是最為重要的部分。本文為有源RFID系統(tǒng)的可靠傳輸提出了一種解決思路，較好地處理了這一問題。

未來有源RFID技術(shù)不僅會(huì)在各行業(yè)中被廣泛采用，而且還將會(huì)與傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)等普通計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，這將對(duì)信息化社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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