有源RFID系统中可靠通信的研究

引言

现代生活中越来越多地借助电子技术来完成信息的查询，常见的技术主要是条形码技术和RFID(radio frequency identification)技术。条形码技术广泛应用，但局限性也非常突出，如：条码标签的内容无法修改，条码标签必须清洁无磨损，阅读器读／写条码时应保持适当角度，阅读器与条形码之间必须可视。RFID是射频识别的简称，它是一种非接触式的自动识别技术，其利用无线电技术在读写器和电子标签之间建立通信，实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的。现在RFID技术已被广泛应用于生产、物流、交通、医疗、跟踪等应用领域的数据收集和处理。RFID技术的优势则较为突出，如：标签信息可修改，能在恶劣的环境下较远距离进行读取，可同时处理多个标签。

根据实现的方式不同，RFID技术可分为无源RFID技术和有源RFlD技术。无源RFlD技术研究和应用都较为成熟，系统中电子标签工作所需要的全部电源都依靠转换接收到的读写器发送的电磁波而获得。读写器的发射功率一般较大。有源RFID技术系统中的电子标签具备电池，可提供全部器件工作的电源；读写器的发射功率要求较低，而且有效阅读距离也较前者有所增加，在追踪和识别高价值商品时非常有用。

l 有源RFID系统的设计

1．1 系统结构

有源RFID系统由有源电子标签(tag)、读写器(reader)和计算机3部分组成；有源电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有惟一的电子编码(EPC)，保存有约定格式的电子数据；读写器读取电子标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；计算机(上位机)用来进行数据管理和数据处理，其系统结构如图1所示。

在实际应用中，读写器发送出一定频率的射频信号，附在待识别物体表面中电子标签接收射频信号后，执行相应动作。通常读写器与计算机相连，电子标签回送的信息被读写器读取解码后送至计算机进行下一步处理，从而达到自动识别体的目的。

1．2 硬件设计

RFID系统依照不同的标准，可以分为不同的类型。根据RFID系统使用的工作频率可分为4类：低频(LF，30～300 kHz)、高频(HF，3～30 MHz)、超高频(UHF，300～968 MHz)和微波(UWF，2．4～5．8 GHz)。根据文献以及对不同频段RFID系统优缺点的分析比较，再结合课题的要求，能在50 m范围内自动监测标签，并能读写数据，选用工作频率为2．4 GHz的微波频段的RFID系统进行研究。2．4 GHz频率具有衰减较小，传输距离远．传输数据快，数据吞吐量高，识别多目标能力强的特点。同时，2．4 GHz的ISM频段宽度超过83 MHz，具有125个频道，能满足多频及跳频的需要，增加无线通信的抗干扰能力。

有源电子标签和读写器主芯片选用德州仪器公司的CC2510。该器件包含了高性能、低功耗的8051微控制器(MCU)和UHF RF收发器，集成了32 KB在系统可编程FLASH和内嵌4 KB SRAM，并具有功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、调制解调器(MODEM)等功能，QLP封装，体积小(6 mm×6 mm)，支持流行的跳频技术，可程序控制数据传输率大小，最快能够使数据传输率达到500 Kb／s。在系统中使用CC2510，具有功耗小，成本低，外围电路简单可靠等优点。此外，CC2510可设置的跳频通信方式、发射功率和存储程序，可以实现频率更改、读写距离控制和多种安全协议，以适用于多种安全级别。

有源电子标签由CC2510无线收发及控制模块和天线组成。通过电磁波与读写器进行数据交换。读写器由CC2510无线收发及控制模块、天线、USB接口转换模块和接口电路组成。读写器通过USB接口与上位机相连，用来接收有源电子标签发送的数据。

1．3 软件设计

在整个有源RFID系统中软件起到控制作用，是协调硬件各部分的灵魂。主要涉及到PC机的人机界面接口和RFID系统软件设计、PC机与读写器的通信软件设计、读写器射频与有源电子标签射频的通信软件设计。

PC机端软件主要对RFID系统数据库进行管理，使用C"编制，数据库采用SQL Setver 2005。PC机通过接口电路对读写器进行操作。该部分使用VB编制。读写器与标签之间的数据通信则采用标准C语言和汇编混合编制。在单片机中类似PC机与单片机的通信软件设计叙述很多，在此不再赘述。本文重点讲述读写器与有源电子标签可靠通信的设计了研究。

2 可靠通信研究

在有源RFID系统中，可靠通信是最重要的一个环节，几乎左右了整个系统的性能。这里分别从帧标识替换算法，数据帧结构、防冲突处理和重传机制等4个方面对数据可靠通信进行了研究。

2．1 帧标识替换算法

在通信协议中采用Ox76(0x表示16进制计数)作为帧标识符。为了保证帧标