基于二进制防碰撞算法的RFID定位系统的设计

摘要：设计了一种以PIC16F877A为主控芯片的RFID定位系统，以低成本、低功耗的2．4 GHz CC2500作为射频收发芯片。从硬件电路设计和软件设计实现方面阐述了RFID定位系统设计的基本流程，并在CC2500的硬件功能基础之上，采用二进制搜索法有效地解决了多标签识别防碰撞的问题。通过接收标签的RSSI值，采用LANDMARC定位算法实现精确定位。
关键词：CC2500；RSSI；RFID；LANDMARC；读写器；标签

引言
目前，有很多定位技术都可以对物体进行定位，但在小区域(如室内)定位服务中，现有的定位技术存在着一定的缺陷，如GPS技术用于停车场这种小区域的定位服务中，成本太高而且定位精度不高。其他技术如超声波技术、射频识别(Radio Frequency Identication，RFID)技术、IEEE802．11、超宽带(UWB)等，应用于室内定位服务，各有优劣。射频识别定位技术以其非接触、非视距、灵敏度高和成本低的优点，正成为定位系统的优选技术。然而，在实际应用中不可能只对一个标签定位，多标签定位必然会造成标签之间的碰撞，为了解决标签之间的碰撞问题，目前国内外所研究的防碰撞算法如下：多址技术(SDMA、TDMA、CDMA、FDMA)，ALOHA防碰撞算法，二进制防碰撞算法。其中二进制防碰撞算法易于实现且效率和精度高，近几年得到广泛运用。

1 设计方案
阅读器采用的是PIC16F877A微控制器，阅读器与标签都是利用模拟SPI口与CC2500射频模块的数字接口进行通信。作为阅读器部分的PIC 16F877A则用其TXD与RXD引脚通过MAX3232实现电平转换后，与PC机的串口相连以实现读写器读取数据的功能。
读写器与标签之间的射频信号通过空间耦合实现无线信息传递，读写器通过与标签的无线通信，获得接收信号强度指示(RSSI)值，再采用LANDMAR定位算法，就可以计算出目标的相对坐标位置，实现精确定位。在大多数情况下读写器在识别标签时难免会出现碰撞的问题，为了解决这一问题，利用二进制搜索法来防止多标签识别时发生碰撞。系统框图如图1所示。

1．1 微控制器
本系统读写器和标签都采用PIC16F877A作为微控制器。PIC16F877A是8位的高性价比微控制器，并且采用不同的宽度，便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度。此外，数据存储空间比较大，拥有8K×14个字节Flash程序存储器、368×8个字节数据存储(RAM)空间、256×8个字节EEPROM数据存储空间。还具有8级的硬件堆栈、内部看门狗定时器、低功耗休眠模式、25 mA的吸入／拉出电流。外部具有3个定时器模块。它还具有2个16位捕捉器、2个16位比较器、2个10位PWM模块、10位多通道A／D转换器、通用同步异步接收／发送器等功能模块。它具有功耗低、驱动能力强、外接电路简单、寻址简单、指令条数少等优点。
微控制器PIC16F877A通过SPI接口与CC2500射频收发芯片实现数据的接收与发送。PC机可以利用串口调试助手发送命令，通过RS232串口连接读写器，控制读写器与标签之间的一切操作。
1．2 射频收发芯片
无线通信的通信距离、通信效率与其主芯片密切相关。CC2500是一种低成本的2．4 GHz射频收发芯片，为低功耗无线应用而设计。电路工作在2 400～2 483．5 Hz的ISM(工业、科学及医学)和SRD(短距离设备)频率波段。
射频收发芯片集成了一个数据传输可达500 kbps的高度可配置的调制解调器。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，使性能得到提升。CC2500为数据处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC2500在通信中空中接口的数据是以一个固定格式传输，读写器和标签之间的数据传输必须严格按照这个格式进行，否则无法通信。
导言、同步字与CRC校验在发送数据时是由CC2500硬件自动添加，在接收时由硬件自动去除。在信道特性较好的场合，为了提高识别速度，可设定16位的导言与16位的同步字。CC2500在固定长度通信模式下，可删去长度域；在可变长度通信模式，需要8位的长度域给出除去导言与同步字外所有数据负载的字节数。其数据格式如图2所示。

CC2500与MCU之间的接口通过SPI接口相连，MCU通过SPI接口向CC2500发送操作命令，配置其调制方式、工作频率等参数，通过命令配置其为接收状态、发送状态、空闲状态或休眠状态。
1．3 低功耗设计
本定位系统的标签采用电池供电，是有源标签。而电池是一种消耗性的电源，工作时间短。为了延长车载卡的工作时间，需要进行电源管理，以降低功耗。当前大多数的电源管理方法采用一种周密设计的唤醒、休眠方法。但大多数情况下，唤醒周期的大部分时间是无用的，消耗能量。本系统中采用一种无线触发唤醒的电源管理方法。在这种方法中，有源标签进入休眠模式后就会一直保持睡眠状态，在读写器没有发送出特定频率的无线信号时，它是不会被唤醒的。当然，这个特定频率的无线信号会立即唤醒休眠的标签。这样，就节省了在唤醒前和监测期间的电源消耗。唤醒脉冲通过特定频率传送，而数据通信采用另外的无线频率传送。一旦读写器与标签建立通信连接后，双方便跳到由读写器指定的固定频率上工作，这样即使车场中其他标签在无线通信范围内也不会被唤醒，避免了同频干扰。无线触发唤醒电路主要由无源元件构成，其基本电路如图3所示。