一種基于RFID的移動目標監(jiān)控系統(tǒng)的設計

杜俊宇,何 寧,廖 欣

（桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

隨著無線通信技術的發(fā)展，基于位置的服務受到越來越多的關注。無線定位及監(jiān)控技術以其高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應用空間。目前，無線監(jiān)控、定位系統(tǒng)的具體應用主要集中在物流供應、交通領域、工業(yè)生產(chǎn)、礦井管理和公共管理領域，如井下人員監(jiān)控系統(tǒng)、城市公交管理系統(tǒng)、動物野外活動定位系統(tǒng)等[1-2]。

射頻識別技術覆蓋了整個UHF頻段，工作頻率可選擇 433 MHz、868/915 MHz和 2.45 GHz，且具有非視距、非接觸式的特點[3]?？紤]到多徑效應和室內(nèi)定位技術的特點，本文提出一種基于2.45 GHz的有源射頻識別系統(tǒng)的方案。參考ISO18000-7標準對系統(tǒng)通信協(xié)議進行了規(guī)劃，設計了硬件系統(tǒng)和基于C++的上位機及電子地圖系統(tǒng),在實驗室環(huán)境下對系統(tǒng)標簽掃描、標簽容量和識別效率進行了優(yōu)化和改善，使系統(tǒng)的可靠性和適用性得到了增強。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 復用段保護環(huán)點對多點系統(tǒng)

系統(tǒng)由一臺中央監(jiān)控設備（主閱讀器）和一系列遠程終端設備（從閱讀器）構成了點對多點的多任務無線通信系統(tǒng)。主閱讀器與從閱讀器，以及各從閱讀器之間通過雙絞線進行連接，從閱讀器可以作為一個數(shù)據(jù)中轉站，起到暫存數(shù)據(jù)和距離延伸的作用，各個中轉站之間以單向通信方式進行數(shù)據(jù)傳遞。各從閱讀器由主閱讀器通過雙絞線進行遠程供電，簡化了系統(tǒng)結構，降低了成本。為了保證數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)供電的可靠性，各從閱讀器之間組成了一個復用段環(huán)狀結構，這種結構較鏈狀結構的可靠性有大幅度的提高。

1.2 硬件平臺

系統(tǒng)的硬件平臺主要包括主閱讀器和從閱讀器兩部分[4]。從閱讀器負責從標簽讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包處理后逐次傳遞，發(fā)給主閱讀器，最后送到PC主機。考慮到室內(nèi)定位所要求的通信距離、發(fā)射功率、成本以及功耗等，這里選擇有源電子標簽進行系統(tǒng)構建。閱讀器和電子標簽的基本構成包括微控制模塊、射頻模塊、電源及外圍電路等[5]。為了滿足系統(tǒng)設計所要求的收發(fā)穩(wěn)定、信號檢測靈敏度高以及低發(fā)射功率等要求，本系統(tǒng)選擇了NRF2401無線傳輸芯片和以Atmega8L為主的微控制模塊。

控制單元由MCU和編碼電路構成，主要完成以下任務：①與應用系統(tǒng)軟件PC端進行通信并執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)來的指令;②控制電子標簽的通信過程;③信號的編碼與解碼;④執(zhí)行反碰撞算法;⑤對電子標簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密;⑥進行讀寫器和電子標簽之間的身份驗證。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖2為單元系統(tǒng)硬件平臺模塊，系統(tǒng)具有工作狀態(tài)指示和電源控制、移動目標位置識別、信息監(jiān)控等功能，查詢互控性較好。

2 系統(tǒng)通信協(xié)議的規(guī)劃

為了保證閱讀器與電子標簽通信的穩(wěn)定性，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩痉桨敢罁?jù)協(xié)議ISO/IEC18000-7對系統(tǒng)通信協(xié)議進行了規(guī)劃。

2.1 通信協(xié)議的格式

系統(tǒng)采用的NRF2401芯片有兩種收發(fā)模式，分別是突發(fā)模式和直接模式，這里采用突發(fā)模式。在突發(fā)模式下，NRF2401使用片內(nèi)先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)可低速從微控制器輸入并高速發(fā)射出去。NRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼，即在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時，一旦檢測到符合本機硬件地址的數(shù)據(jù)幀，便自動將字頭和CRC碼移除。突發(fā)模式下具體數(shù)據(jù)幀格式如表1所示，表2、表 3為閱讀器與標簽之間的數(shù)據(jù)通信格式。

表1 NRF2401數(shù)據(jù)幀格式

表2 閱讀器到標簽的數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)格式

表3 標簽響應閱讀器的數(shù)據(jù)通信方式

為了能夠動態(tài)調整標簽容量，適應不同應用場合的要求，根據(jù)系統(tǒng)MCU的處理能力，設置了4個標簽容量值：16(10000)、64(1000000)、128(10000000)、256(100000000)。 在數(shù)據(jù)幀中，標簽ID號預留10個二進制位，最高位用來表示標簽是否被激活，其余9位用來表示標簽的ID，在ID號的分配過程中，首先由111111111與對應的標簽容量作“與”運算，運算結果作為該容量下的編碼范圍。

2.2 軟件流程

電子標簽攜帶著相關信息，當微控制器接收到觸發(fā)信號后，標簽被激活，向閱讀器發(fā)出呼叫請求，在定時器規(guī)定的時間內(nèi)，不斷地向距離最近的閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請求命令，直到收到閱讀器發(fā)出的應答命令。在標簽收到應答命令后，將攜帶的消息發(fā)送出去，判斷閱讀器的反饋信息，如果反饋信息與校驗碼相符，表示閱讀器正確收到標簽的數(shù)據(jù)。閱讀器與標簽的通信過程如圖3所示。

從閱讀器與標簽進行通信的同時，還可以作為一個數(shù)據(jù)中轉站進行數(shù)據(jù)傳遞，其工作流程如圖 4。中轉站通信鏈路采用令牌環(huán)的傳輸方式，只有握有令牌的一方才有發(fā)送數(shù)據(jù)的權利。中轉站每10 ms切換一次，具有執(zhí)行中轉站和與標簽通信的雙重作用。

2.3 防碰撞設計

系統(tǒng)所涉及的干擾主要有兩個方面，一方面是閱讀器與標簽之間通信時，標簽與標簽之間的碰撞問題，當有較多的標簽同時出現(xiàn)在閱讀器的范圍之內(nèi)時，各標簽之間傳輸?shù)男盘柣ハ喔蓴_，閱讀器將收不到正確的信息。為此，閱讀器與標簽之間采用了幀時隙ALOHA算法，進行防碰撞設計。通過明確的分組，有效地限制每次響應的標簽數(shù)量，使每次響應的標簽數(shù)都與幀時隙算法的幀長相匹配，從而獲得較高的標簽識別效率。另一方向就是當2個以上的從閱讀器同時向主閱讀器傳送數(shù)據(jù)時，將會產(chǎn)生干擾，出現(xiàn)錯誤信息。本文采用了時分多路法來解決，時分多路法的主要特點是利用不同的時隙來傳送各路不同的信號，每路信號在時域上是分開的。

3 監(jiān)控軟件的開發(fā)

軟件系統(tǒng)主要由三部分構成：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、地圖編輯器、操作界面。軟件界面的開發(fā)基于Visual Studio 2005，電子地圖的二維顯示框架主要使用了DirectX開發(fā)包。PC機通過RS232與主閱讀器進行通信，獲得的數(shù)據(jù)儲存在基于Excel的數(shù)據(jù)庫中。

電子地圖信息系統(tǒng)的一大特點就是支持多場合的應用，為了提高軟件的通用性，設計了輔助軟件——地圖編輯器，可以根據(jù)不同的應用場合，靈活地繪制、修改應用場景的地圖。

通過對Excel的調用，完成數(shù)據(jù)的實時存儲、查詢調用功能，結果用數(shù)據(jù)表格和地圖信息的方式進行顯示。這樣就可以對攜帶電子標簽的移動目標進行實時的監(jiān)控。

4 系統(tǒng)測試與結果分析

實驗中使用了3個閱讀器，2個電子標簽。主要對標簽與閱讀器通信的誤碼率、閱讀器的通信距離兩方面進行了測試。另外根據(jù)MCU的數(shù)據(jù)處理速度，估算了閱讀器識別范圍內(nèi)的標簽容量，綜合分析了單標簽掃描次數(shù)與系統(tǒng)效率、標簽容量之間的關系。

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，標簽與閱讀器數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率與NRF2401芯片的工作頻率選擇有很大關系，NRF2401在2 400 MHz～2 570 MHz之間共有157個頻點可供選擇，選擇適當?shù)闹行念l率可以降低系統(tǒng)誤碼率，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。測試結果如圖5所示。

由圖5可知，在某一固定頻率下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率隨著閱讀器和標簽之間距離的增大而逐漸升高；在相同距離下，當NRF2401的中心頻率選擇在2 450 MHz附近時，誤碼率較高，在偏離2 450 MHz時，誤碼率較低。另外，為了降低誤碼率保證數(shù)據(jù)的傳輸效率，中心頻率點的尾數(shù)要盡可能的精確，這樣可以大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。這主要是在ISM頻段，WLAN、Bluetooth、Zigbee等設備的工作頻率都集中在2 450 MHz附近,相互之間會產(chǎn)生嚴重的干擾。因此，設備在實際應用時，需要首先測試該環(huán)境下的空間電磁頻譜分布情況，采用合適的中心頻率盡量避免外界的電磁干擾，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。

實驗中分別測試了閱讀器在不同接收功率下，系統(tǒng)的最大通信距離。

圖6是電子標簽接發(fā)射率為0 dBm，閱讀器的接收功率分別為 0 dBm、-5 dBm、-10 dBm、-20 dBm時，標簽與閱讀器的有效通信距離。經(jīng)測試，在定向天線方向性最優(yōu)的情況下，系統(tǒng)最大通信距離為33 m。這與公式(1)描述的2.45 GHz短距離無線通信的路徑損耗模型基本吻合：

Lp,RFID=-147.6+20log(d)+20log(f)-10log(GTGR) (1)其中，d表示以m為單位的RFID閱讀器到標簽之間的距離，f是以 Hz為單位的載波頻率，GT和 GR分別為閱讀器和標簽的天線增益。

系統(tǒng)中閱讀器使用的是12 MHz的晶振，經(jīng)測試，在閱讀器范圍內(nèi)，單標簽單次掃描時間為32 ms，為了避免因外界干擾及系統(tǒng)誤報造成的誤判，閱讀器采用固定門限值多次判別的方法來提高系統(tǒng)的可靠性。閱讀器對同一個標簽進行多次掃描，只有成功掃描達到一定次數(shù)以后才會進行數(shù)據(jù)采集，這樣提高了系統(tǒng)的可靠性，但降低了閱讀器范圍內(nèi)的標簽容量。假設標簽與閱讀器的有效通信距離為S，攜帶標簽的移動目標的移動速度為V,閱讀器單標簽掃描的時間間隔為T，單標簽掃描次數(shù)為N,則可以估算出閱讀器識別范圍內(nèi)的標簽容量n的估算式為：

根據(jù)閱讀器與標簽的通信距離、單標簽的掃描時間以及移動目標的移動速度，可以推導出標簽掃描次數(shù)N、標簽容量n及系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率三者之間的關系，仿真曲線如圖7所示。

圖7是在標簽發(fā)射功率為0 dBm、閱讀器接收功率為-20 dBm、，移動目標的速度為1 m/s的情況下，標簽掃描次數(shù)與標簽容量及系統(tǒng)效率的關系圖。由圖可知，隨著單標簽掃描次數(shù)的增大，閱讀器的正確識別率隨之提高，而最大可識別標簽數(shù)卻急劇下降。在掃描次數(shù)為4～6次時，標簽容量和系統(tǒng)識別效率都可以達到一個相對合理的值。因此，在接收功率和發(fā)射功率一定的情況下，要綜合考慮標簽容量和系統(tǒng)誤碼率，折衷設定一定的標簽掃描次數(shù)，才能使系統(tǒng)性能最優(yōu)化。

在高速發(fā)展的信息時代，射頻識別技術應用正滲透各個領域，要應用于各種復雜的工作環(huán)境，其信息的安全可靠傳輸是人們所關注的熱點。本文對2.4 GHz頻段下的RFID進行研究和應用實驗,較好地解決了系統(tǒng)頻率、標簽掃描、標簽容量和識別效率的關系，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，適用性較強，采用這種模式建立的RFID網(wǎng)絡穩(wěn)定可靠，通信效率高。該系統(tǒng)可以應用于城市公交、地鐵等運營系統(tǒng)的監(jiān)控管理,也可以應用于物流、礦井人員管理等多標簽識別的場合。

[1]劉寶杰，許勇，李柏.RFID技術在倉儲管理中的應用[J].技術與創(chuàng)新管理，2007,28(1):90-93.

[2]張益強,鄭銘,張其善.遠距離無源射頻識別系統(tǒng)設計[J].遙測遙控,2004,25(4):45-49.

[3]游戰(zhàn)清，李蘇劍.無線射頻識別技術(RFID)理論與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004:29-32，70-71.

[4]全晶.射頻識別系統(tǒng)中若干關鍵技術的研究[D].上海：華東師范大學信息學院電子系,2006:53-56.

[5]張宏海，劉志峰，王建華，等.RFID系統(tǒng)中識讀器的設計與研究[J].微計算機信息，2006,22(7-2):238-240.

[6]FINKENZELLER K[德].射頻識別（RFID）技術——無線電感應的應答器和非接觸IC卡的原理與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:19-20，89-90，122-124.