l 有源RFID系統的設計
1．1 系統結構
   
有源RFID系統由有源電子標簽(tag)、讀寫器(reader)和計算機3部分組成；有源電子標簽由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有惟一的電子編碼(EPC)，保存有約定格式的電子數據；讀寫器讀取電子標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式；計算機(上位機)用來進行數據管理和數據處理，其系統結構如圖1所示。

   
在實際應用中，讀寫器發送出一定頻率的射頻信號，附在待識別物體表面中電子標簽接收射頻信號后，執行相應動作。通常讀寫器與計算機相連，電子標簽回送的信息被讀寫器讀取解碼后送至計算機進行下一步處理，從而達到自動識別體的目的。
1．2 硬件設計
    RFID系統依照不同的標準，可以分為不同的類型。根據RFID系統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)。根據文獻以及對不同頻段RFID系統優缺點的分析比較，再結合課題的要求，能在50 m范圍內自動監測標簽，并能讀寫數據，選用工作頻率為2．4 GHz的微波頻段的RFID系統進行研究。2．4 GHz頻率具有衰減較小，傳輸距離遠．傳輸數據快，數據吞吐量高，識別多目標能力強的特點。同時，2．4 GHz的ISM頻段寬度超過83 MHz，具有125個頻道，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8051微控制器(MCU)和UHF RF收發器，集成了32 KB在系統可編程FLASH和內嵌4 KB SRAM，并具有功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、調制解調器(MODEM)等功能，QLP封裝，體積小(6 mm×6 mm)，支持流行的跳頻技術，可程序控制數據傳輸率大小，最快能夠使數據傳輸率達到500 Kb／s。在系統中使用CC2510，具有功耗小，成本低，外圍電路簡單可靠等優點。此外，CC2510可設置的跳頻通信方式、發射功率和存儲程序，可以實現頻率更改、讀寫距離控制和多種安全協議，以適用于多種安全級別。
   
有源電子標簽由CC2510無線收發及控制模塊和天線組成。通過電磁波與讀寫器進行數據交換。讀寫器由CC2510無線收發及控制模塊、天線、USB接口轉換模塊和接口電路組成。讀寫器通過USB接口與上位機相連，用來接收有源電子標簽發送的數據。

1．3 軟件設計
   
在整個有源RFID系統中軟件起到控制作用，是協調硬件各部分的靈魂。主要涉及到PC機的人機界面接口和RFID系統軟件設計、PC機與讀寫器的通信軟件設計、讀寫器射頻與有源電子標簽射頻的通信軟件設計。
PC機端軟件主要對RFID系統數據庫進行管理，使用C"編制，數據庫采用SQL Setver 2005。PC機通過接口電路對讀寫器進行操作。該部分使用VB編制。讀寫器與標簽之間的數據通信則采用標準C語言和匯編混合編制。在單片機中類似PC機與單片機的通信軟件設計敘述很多，在此不再贅述。本文重點講述讀寫器與有源電子標簽可靠通信的設計了研究。

2 可靠通信研究
   
在有源RFID系統中，可靠通信是最重要的一個環節，幾乎左右了整個系統的性能。這里分別從幀標識替換算法，數據幀結構、防沖突處理和重傳機制等4個方面對數據可靠通信進行了研究。
2．1 幀標識替換算法
   
在通信協議中采用Ox76(0x表示16進制計數)作為幀標識符。為了保證幀標識符的惟一性，對幀內容中的Ox76采用了替代算法，使幀中的內容不再出現Ox76，解決了接收端的同步問題，亦可提高接收的可靠性。如果發送的數據為0x76，則用Ox77，Ox77兩個字節替代；如果發送的數據為Ox77，則用Ox77，0x78兩個字節替代。算法流程如圖2所示。

 

2．2 數據幀結構
    讀寫器對標簽的操作為讀／寫，電子標簽器件內建有MCU和FLASH，可以存儲比較復雜的程序，并由程序控制標簽工作。為了加強有源RFID系統結構的簡單性和高效性，對指令格式進行規格化，對數據幀格式的設計亦采用簡單和固定的規格，以提高通信效率。
    在通信時，數據的幀格式如下：

   
引導區包含導言、同步字，在信道特性較好的場合，為提高識別速度，可設定16位的導言與16位的同步字。校驗區通過CRC算法進行校驗，引導區和校驗區由CC2510硬件自動添加，在接收時由硬件自動去除。該設計中，地址區用于電子標簽的識別，命令區中的命令用于完成數據查詢功能或完成標簽信息的生成。數據區用于數據凈荷存儲。在發送模式下，地址區、命令區和數據區的數據被送入RAM中的緩存區進行相應的打包操作，CC2510添加4字節的導言和同步字，加入CRC校驗并發送出去。在接收模式時，包處理支持將會分解數據包，即首先進行同步字檢測，接著檢測地址、進行數據長度匹配并計算和檢查CRC，最后將操作命令和數據凈荷提交上層進行處理，從而完成1次發送和接收交互。

2．3 防沖突處理
   
有源RFID系統實現的重點是防碰撞算法的實現。目前。這類算法的實現方法有空分多址(SDMA)、頻分多址(FDMA)、碼分多址(CDMA)和時分多址(TD-MA)等。該設計方案中采用ETSI 302 208標準中基于載波偵聽(CSMA)的方法。CSMA是一種分布式介質訪問控制協議，在讀寫器覆蓋范圍內，各有源電子標簽都能獨立地決定數據幀的發送和接受。
   
每個有源電子標簽在發送數據幀之前，首先要進行載波監聽，只有介質空閑時，才允許發送幀，與FDMA和TDMA相比，能更好地利用資源。因為這種通信方式在發送數據之前，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，就不發送數據；如果空氣中沒有相同頻率的載波，則表明現在的空間資源沒有被占用，可以發送數據。這樣，不僅提高了空間資源的利用效率，同時也提高了通信的可靠性。
   
利用CC2510支持傳輸前自動清理信道訪問(CCA)的功能，實現CSMA。電子標簽初始化完成后，程序進入主循環程序。電子標簽開始載波監聽，當CCA不為1時，表示空氣中沒有相同的載波數據時便發送相應的數據，各個電子標簽采用競爭的方式發送。CSMA發送流程圖如圖3所示。

 

2．4 重傳機制
   
重傳機制主要采用ACK(acknowledge)方式，即發送方為發送的每一數據包設置緩存和相應的重發定時器，若在定時器超時之前收到來自目的節點對此數據包的ACK控制包，則認為此數據包已經成功地傳送。此時，取消對該數據包的緩存和定時，否則，將重發此數據包，并重新設置定時器。對于每個數據包，接收方都需要反饋ACK。
   
重傳機制主要由以下功能函數實現。Init()函數用于設備初始化，設置DMA、時鐘等；Send()函數用于發送數據包；ackTimeolJt()函數用于沒有在規定時間內收到ACK，而重發數據包；waitForAck()函數用于等待接受ACK，既定時間內，收到ACK標示為T，反之標示為F；aekReceived()函數用于收到ACK，取消重傳；Receive()函數用于接收規定格式的數據包；dataCheck()函數用于檢測數據的完整和可靠；sendAck()函數用于送ACK反饋給發送方。重傳機制程序流程圖如圖4所示。

3 測試結果
    在實際環境中，對有源RFID系統的讀寫器和有源電子標簽進行讀／寫測試，調制方式為MSK，數據傳輸率60 Kb／s，濾波帶寬540 kHz。分別在不同距離上放置10個有源電子標簽進行20O B收發操作。讀寫器的識讀結果如表1和表2所示。

    從以上數據可以看出：
    (1)在25 m可視距離內系統識別效果良好；
    (2)加入可靠通信機制后，在可視通信距離60 m內，標簽與讀寫器之間的協議識別效果良好；隨著通信距離的加大。在70 m處標簽與讀寫器正常通信信號中CRC校驗出錯增多，但仍可識別大多數標簽；
    (3)遇到障礙物的時候，通信距離迅速減少，丟包率和CRC校驗錯誤數增多。

4 結語
   
有源RFID技術與無源RFID技術相比，在技術上的優勢非常明顯，具有通信距離長，傳輸數據量大，低發射功率等特點。有源RFID系統中數據的可靠傳輸是最為重要的部分。本文為有源RFID系統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技術不僅會在各行業中被廣泛采用，而且還將會與傳感器網絡(wSN)等普通計算機技術相結合，這將對信息化社會產生深遠影響。