1.引言
RFID(RadioFrequeneyIdentification)射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由閱讀器和電子標(biāo)簽兩部分組成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子標(biāo)簽中，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器有效作用距離內(nèi)，雙方即可按照一定的協(xié)議進(jìn)行通信。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)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，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識(shí)別距離可達(dá)幾十米，如自動(dòng)收費(fèi)或識(shí)別車輛身份等[6]。另外，由于該技術(shù)很難被仿冒、侵入，使電子標(biāo)簽具備了極高的安全防護(hù)能力。RFID的應(yīng)用非常廣泛，目前典型應(yīng)用有動(dòng)物晶片、汽車晶片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產(chǎn)線自動(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(biāo)準(zhǔn)的制定。目前，還未形成完善的關(guān)于RFID的國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)前主要的RFID 相關(guān)規(guī)范有歐美的EPC規(guī)范、日本的UID(UbiquitousID)規(guī)范和ISO 18000系列標(biāo)準(zhǔn)。
RFID電子標(biāo)簽種類很多，分類方式多樣。按照供電方式可分為有源和無源的電子標(biāo)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(biāo)簽(2.45GHz以上)[6];RFID電子標(biāo)簽的單項(xiàng)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(yīng)用中還存在大量的技術(shù)難題。如：經(jīng)濟(jì)性、信號(hào)干擾、識(shí)別率的提高、信息安全和隱私保護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)化等問題。
基本 RFID 系統(tǒng)由 RFID 標(biāo)簽(Tag)、RFID 閱讀器(Reader)及應(yīng)用支撐軟件等幾部分組成。CC2430芯片以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可。同時(shí)也適用2.4 GHz頻率的設(shè)備。CC2430芯片采用O.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27mA;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端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類[5]。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)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的應(yīng)用。特別適合應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文以TI公司的CC2430為核心，設(shè)計(jì)有源RFID標(biāo)簽。使用3。3-4。5V。可使用紐扣電池供電，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(nèi)其工作性能穩(wěn)定不受外界影響。非常適合于對低功耗，高性能要求的應(yīng)用環(huán)境。
2．標(biāo)簽的硬件設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路結(jié)構(gòu)
典型的有源RFID標(biāo)簽由天線，射頻模塊，控制模塊，存儲(chǔ)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(diào)制和解調(diào)標(biāo)簽和讀寫器之間的控制信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)?？刂破鲌?zhí)行讀寫器的指令。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)標(biāo)簽的相關(guān)信息和單片機(jī)的控制程序?？刂破鲗Υ鎯?chǔ)器進(jìn)行讀寫操作。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(diào)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(diào)器，檢波整形等組成。TI公司的CC2430芯片集成了所有的無線通信系統(tǒng)部分只需添加少數(shù)的外圍電路即可使之構(gòu)成無線通信模塊，這樣降低了系統(tǒng)成本和簡化了標(biāo)簽的設(shè)計(jì)。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×7mmQLP封裝，共有48個(gè)腳。全部引腳可分為I／O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)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的應(yīng)用。特別適合應(yīng)用于RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本標(biāo)簽設(shè)計(jì)匹配電路使輸出匹配50歐的微帶貼片天線。PCB設(shè)計(jì)中全采用表貼元件，這樣簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度和標(biāo)簽的尺寸大小。整個(gè)PCB控制在10CM*5CM內(nèi)，滿足了標(biāo)簽小型化的設(shè)計(jì)。標(biāo)簽的電路圖如圖2所示。
2．2 標(biāo)簽的低功耗設(shè)計(jì)
對于有源標(biāo)簽，由于其使用電池供電，所以標(biāo)簽的工作壽命有限這就要求標(biāo)簽要節(jié)能并且其功耗要低。從而節(jié)省電池的能量達(dá)到延長標(biāo)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27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25 mA。在標(biāo)簽的設(shè)計(jì)過程中加入一定的控制程序可使得標(biāo)簽僅在讀寫器的工作范圍內(nèi)才進(jìn)入工作狀態(tài)響應(yīng)讀寫器的查詢請求。從而最大程度的節(jié)省了能量。
2．3 讀寫器的設(shè)計(jì)
讀寫器要與計(jì)算機(jī)應(yīng)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[7]。由于大多數(shù)MCU計(jì)算機(jī)上的串行口都是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換這兩種不同的電平才能正確的實(shí)現(xiàn)讀寫器與計(jì)算機(jī)的通信連接．讀寫器的電路圖如圖3所示。
3．1 寄存器的設(shè)置
芯片射頻部分的重要參數(shù)，如：接收地址，收發(fā)頻率，無線傳輸速率，收發(fā)模式等均要在其相應(yīng)的寄存器配置字里面設(shè)置。正確的設(shè)置這些參數(shù)可以提高標(biāo)簽的工作效率和可靠性。
3．2 標(biāo)簽工作流程
標(biāo)簽在平時(shí)處于斷電狀態(tài)，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的工作區(qū)域內(nèi)。喚醒信號(hào)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(biāo)簽控制器按照防碰撞算法程序在適當(dāng)時(shí)機(jī)從存儲(chǔ)器讀出標(biāo)簽的信息，然后將其通過射頻模塊調(diào)制，放大通過天線發(fā)射出去。當(dāng)讀寫器正確識(shí)別標(biāo)簽后將發(fā)送該標(biāo)簽的關(guān)閉信號(hào)。標(biāo)簽收到后進(jìn)行判斷，如果為本標(biāo)簽的關(guān)閉信號(hào)，則標(biāo)簽不再向讀寫器發(fā)送信息。當(dāng)標(biāo)簽離開了讀寫器的工作范圍時(shí)。觸發(fā)器控制電源開關(guān)芯片使標(biāo)簽主工作電路斷電。從而達(dá)到節(jié)能的目的。標(biāo)簽的工作流程圖如圖4所示。
計(jì)算機(jī)端設(shè)計(jì)的軟件界面如圖所示，它由串口設(shè)置區(qū)，通信狀態(tài)區(qū)，接收和發(fā)送區(qū)，ID信息顯示區(qū)組成。當(dāng)標(biāo)簽收到讀寫器的請求后，發(fā)送自身的信息給讀寫器，通過天線接收讀寫器對信息進(jìn)行處理相應(yīng)，然后通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)庫中查詢相應(yīng)的信息進(jìn)行處理后。將其對應(yīng)的信息顯示在軟件界面上如圖5 所示。
4. RFID系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
完整的RFID 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有數(shù)據(jù)傳輸方法，數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，?shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，安全與隱私，反碰撞算法。RFID 系統(tǒng)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(chǔ)數(shù)據(jù)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程數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、有效性和真實(shí)性。數(shù)據(jù)的完整性，可通過校驗(yàn)和糾錯(cuò)的方法實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)的機(jī)密性和有效性是通過對消息鑒權(quán)來實(shí)現(xiàn)的。
在讀寫器與電子標(biāo)簽進(jìn)行射頻通信的過程中，存在許多干擾數(shù)據(jù)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(即有多張卡在讀寫器的天線感應(yīng)范圍內(nèi))引起的數(shù)據(jù)干擾。因此，需要采用信道編碼和訪問控制技術(shù)，以保證讀寫器和電子標(biāo)簽之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?、可靠和快速。為了提高系統(tǒng)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(xiàn)的差錯(cuò)進(jìn)行控制，RFID 標(biāo)簽應(yīng)能予以防范以下攻擊:非法訪問和修改TAG 信息，用特殊設(shè)備假冒和欺騙系統(tǒng)，竊聽無線電通信并重放數(shù)據(jù)。
5. 標(biāo)簽的防碰撞設(shè)計(jì)
射頻識(shí)別讀寫器是通過無線射頻信號(hào)與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)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(biāo)簽進(jìn)行通信，必然會(huì)發(fā)生信道爭奪、數(shù)據(jù)干擾、通信沖撞等問題。在射頻識(shí)別系統(tǒng)工作時(shí)，讀寫器與電子標(biāo)簽之間的無線通信沖撞問題，一般可分為以下兩大類:1)讀寫器之間的沖撞2)電子標(biāo)簽之間的沖撞。在讀寫器的作用范圍內(nèi)存在多張電子標(biāo)簽，它們同時(shí)對讀寫器做出響應(yīng)、同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，就會(huì)出現(xiàn)通信沖撞，數(shù)據(jù)相互干擾(沖撞)。有時(shí)也有可能多個(gè)電子標(biāo)簽處在多個(gè)讀寫器的工作范圍之內(nèi)，它們之間的數(shù)據(jù)通信也會(huì)引起數(shù)據(jù)干擾[16]。為了防止這些沖撞的發(fā)生，射頻識(shí)別系統(tǒng)需要設(shè)置一定的相關(guān)指令，解決沖撞問題，這些指令被稱為防沖撞指令或算法(Anti-collision algorithms)。在通信系統(tǒng)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(tǒng)來說空分多址的天線系統(tǒng)非常復(fù)雜、實(shí)施費(fèi)用相當(dāng)高。頻分多址讀寫器的費(fèi)用相當(dāng)高，碼分多址法則由于通信頻帶及其技術(shù)復(fù)雜性等，很難在RFID 系統(tǒng)中應(yīng)用[6]。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)用戶的技術(shù)。對射頻識(shí)別系統(tǒng)而言，TDMA 分為標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)法和閱讀器驅(qū)動(dòng)法。標(biāo)簽驅(qū)動(dòng)法主要代表性的算法是ALOHA 算法。閱讀器驅(qū)動(dòng)需要準(zhǔn)確的同步進(jìn)而無錯(cuò)誤的檢測出碰撞位。它再劃分為“輪詢法和二進(jìn)制搜索算法”。目前的算法基本上是基于ALOHA算法和二進(jìn)搜索算法的改進(jìn)。
表1 ALOHA 和Grouping ALOHA 算法仿真比較
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(tǒng)。帶片上系統(tǒng)（SOC）的芯片使系統(tǒng)簡化，增強(qiáng)了無線通信的數(shù)據(jù)安全性和可靠性，同時(shí)使得開發(fā)變的簡單，降低了成本，在室外標(biāo)簽和讀寫器的識(shí)別距離可達(dá)80 米，如果有良好的天線匹配設(shè)計(jì)或者外加功放可進(jìn)一步提高工作距離。本設(shè)計(jì)中的防碰撞算法加入到標(biāo)簽與配套設(shè)計(jì)的讀寫器中即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在體積小，功耗低，可靠性高要求較高的環(huán)境當(dāng)中。