有源射頻識別系統的設計與實現

譚元華

摘? ?要：文章主要針對有源射頻系統進行研究分析，在分析有源射頻識別系統原理及構成的基礎上，以實證案例分析有源射頻識別系統的硬件設計和軟件設計，并分析其應用實證和未來發展趨勢。

關鍵詞：有源射頻識別系統;硬件設計;軟件設計;發展趨勢

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）系統按照供電方式不同，有源射頻識別系統和無源射頻識別系統兩種類型。和無源射頻識別系統相比，有源射頻識別系統配備給器件提供電源的電池，使其具備通信距離長、發射功率低、可靠性高、兼容性好、傳輸數據量大的優越性，在港口貨運、軍事物流及公路收費等領域中應用。進行有源射頻識別系統的研究，提升有源射頻識別系統水平，對其發展具有重要意義。

1? ? 有源RFID系統原理及構成

1.1? 有源RFID系統組成

有源RFID由有源射頻標簽（應答器，Tag/Responder）、讀寫器（查詢器，Reader）、計算機管理系統3部分構成。有源射頻標簽主要存儲待識別對象的具體信息，置于被識別物品位置，讀寫器主要實現標簽信息的寫入與讀取，PC管理系統的主要功能是數據管理，保證通信傳輸的正常進行。

1.2? 有源RFID系統工作原理

有源RFID系統中，讀寫器和標簽位于遠磁場區，兩者之間信號傳輸以電磁耦合方式實現。和無源RFID的區別是其射頻標簽自帶電池，射頻標簽能夠以電磁波形式自主發射信號傳遞給讀寫器，讀寫器直接讀取射頻標簽信息并進行存儲。

2? ? 有源射頻識別系統的設計

2.1? 有源射頻識別系統硬件設計

前面指出RFID系統由讀寫器、標簽以及后臺計算機3部分構成。標簽要想實現識別對象信息的功能，需要相關芯片與耦合元件配合實現功能，射頻標簽直接將各種信息存儲在物體上，以非接觸射頻的方式進行信息傳遞。讀寫器充分利用射頻技術，實現標簽信息的讀取與寫入，在讀寫器和標簽之間需要耦合元件天線、線圈的配合。通過這些電子元器件配合能在空間進行射頻信號的無接觸耦合，實現信息和數據的傳遞、交換。下面就有源射頻系統硬件設計實證進行分析。

有源RFID系統和讀寫器功能的實現，采用低頻通信單元和高頻通信單元協調配合的方式設計，擬采用芯片ATMega128 實現開工至功能。采用ATA5275和ATA5282兩種芯片作為低頻線圈驅動芯片，該芯片最初應用于胎壓監測系統的低頻通信芯片，載波頻率范圍為100～125 kHz。采用低成本CC2420通信芯片作為高頻通信芯片，在2.4 GHz頻段工作，且符合IEEE802.15.4標準，能實現超過百米距離的有效通信。

ATA5275在讀寫器低頻通信端實現功能，需要和低頻電磁場配合實現。ATA5282能接收125 GHz的載波信號，激活系統并在低頻磁場中進行發送傳輸。ATA5282是低頻通信功能實現的基礎，其能對讀寫器發出的信號進行感知，主要是低頻電磁場信號，該芯片的工作電流在2～4 μA，系統采用ATA5282與ATMega128兩線接口連接的方式，這種連接方式保證了不需要通信的時候，CC2420和ATMega128能夠處于低功耗的休眠狀態。省電模式下的ATMega1288系統以微安級電流進行工作，系統功能實現過程中，讀寫器中的ATA5275能給出相應低頻信號，設計中的ATA5282自動檢測ATA5275給出的信號，當檢測到信號之后能夠喚醒ATMega128控制器，以外部中斷方式進行喚醒。為簡化系統運算復雜程度實現系統功能，讀寫器在低頻磁場下簡化讀寫器識別數據，并向有源RFID中寫入。在低頻通信基礎上進行高頻通信，與特定RFID完成高速數據交換。

2.2? 有源射頻識別系統軟件設計

為提高有源射頻識別系統功能，采用TinyOS操作系統進行有源射頻識別系統程序設計，建立與系統相匹配的軟件。TinyOS操作系統最早由美國加州大學提出，希望通過該操作系統實現傳感器網絡的開發與利用，該操作系統由NesC語言（C語言變體）實現，該系統和其他系統相比進行了簡化，僅需要396 Byte的存儲空間就能夠實現功能。TinyOS操作系統的特點是采用模塊化設計，同時還采用了事件驅動的體系結構，這種設計和結構模式為系統程序設計提供了良好的組件庫和編程框架。有源射頻識別系統相匹配的應用程序主要由TinyOS自帶的組件實現，同時輔以應用實現的組件。用戶要想實現功能，僅需將應用組件和服務組件進行連接，就能夠實現功能。通過TinyOS調度器實現有源射頻識別系統程序的任務調度，整個系統程序結構如圖1所示。高頻通信利用了TinyOS中已有的組件。ATMega128通過SPI總線讀寫CC2420的RAM，數據通信率為250 Kb/s。通過以上的有源射頻識別系統程序設計方式進行實際應用，發現有源射頻識別系統能很好地實現其功能。

3? ? 有源射頻識別系統實際應用實證及展望分析

3.1? 高速公路自動收費

在高速公路自動收費中引入RFID系統，當有攜帶標簽的車輛經過高速收費站的時候，系統自動檢測并完成收費，這種方式和傳統收費方式相比更加快速便捷、高效，對交通擁擠問題以及收費監管問題的解決具有重要作用。目前廣州很多過往關口開始改革，通過速通卡（駕易通）進行車輛檢測，加快了通關速度。最早在2001年7月的上海虹橋國際機場實行改革，進行不停車電子收費系統（Electronic Toll Collection，ETC）試驗，作為“高等級公路電子收費系統技術開發和產業化創新”項目，也拉開了有源射頻識別系統RFID在高速公路自動收費中應用的序幕。

3.2? 門禁控制

有源RFID系統開始在監控領域中應用，包括門禁安保、財產監控、考勤、出入口安全檢查等。該系統的引入簡化了出入手續，對工作效率、安全保護水平的提高具有重要作用。最早在1996年的亞特蘭大奧運會中就引入了RFID系統，和生物測定學技術相結合，實現了高水平安保。

3.3? 生產自動化

目前，很多高水平企業生產線中引入有源RFID技術，該技術對生產過程進行監視并實現自動控制，改變了傳統生產方式，提高了生產效率，節約企業生產成本。以我國奇瑞汽車裝配流水線為代表的很多企業都采用該技術，尤其對用戶定制汽車的生產具有重要作用。

3.4? 倉儲管理

目前倉儲貨物管理中也引入有源RFID系統，通過該系統監測貨物流動相關信息，實現信息的動態管理。尤其是很多大型倉儲基地，倉儲管理中心利用RFID技術能隨時了解貨物存儲情況以及貨物位置和貨物信息，對產品生產指導、倉儲管理效率提升具有重要意義。

3.5? 鐵路運營管理

在鐵路運營管理中引入有源RFID技術，能夠保證列車按照規定路線運行，監測列車運行的狀態，包括車次、運行速度、運行時間等信息，車站和監控中心能夠利用這些信息實現車輛重新編組和調度安排。我國鐵道部在1999年就開始著手開發研制自動車號識別系統，經過開發，于2000年投入使用，取得了較好的效果。

3.6? 集裝箱跟蹤管理

集裝箱貨物吞吐量大，因此在運輸使用過程中需要進行跟蹤和管理。有源射頻RFID系統以其識別速度快、傳輸距離長的優勢，被應用于集裝箱跟蹤管理當中，成為目前比較理想的方式之一。通過集裝箱跟蹤管理能夠有效防止集裝箱的損壞和丟失，對集裝箱周轉率提升具有重要作用。

3.7? 軍事物流

以美軍為代表的現代化部隊十分重視后勤管理和供應，這也成為現代化部隊建設的關鍵內容之一。美軍在海灣戰爭中就利用了有源射頻RFID技術進行軍事物流管理，結合衛星技術和定位技術，實現物資運輸途中的可視性，保證了后勤高效管理。

4? ? 結語

RFID技術因其傳輸距離遠、傳輸速度快的優勢，具有巨大的發展潛力，我國在未來發展中也必須充分重視RFID發展機遇，同時，也應該應對挑戰。我國科技部也將RFID技術開發研究納入日程，希望提高該技術水平，希望該技術促進我國發展，為我國發展提供推動力。

[參考文獻]

[1]王紹春.一種基于無源射頻識別的智能門禁系統[J].機械與電子，2018（10）：77-80.

[2]凌康杰，岳學軍，王林惠，等.基于有源射頻識別的應急車輛交通引導系統[J].計算機應用，2016（S1）：273-277.