基于RFID技術(shù)的兵員集結(jié)指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓?，? 王金輝

【摘要】高效率的通信指揮是戰(zhàn)場(chǎng)上人員和裝備快速集結(jié)、分散作戰(zhàn)的有力保障，而定位和敵我識(shí)別又是野戰(zhàn)通信的重要內(nèi)容。本文以基于RFID的測(cè)量技術(shù)為依托，針對(duì)野戰(zhàn)環(huán)境下人員識(shí)別、調(diào)配、集結(jié)和簡(jiǎn)單的通信指揮的要求，尤其針對(duì)空降兵快速集結(jié)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種空降兵單兵手持式RFID終端，并介紹了這套終端設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、軟硬件組成以及改進(jìn)思路。整個(gè)系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，功耗低，通信距離遠(yuǎn)，能較好的滿足野戰(zhàn)工作環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】RFID;測(cè)量;空降兵

引言

高技術(shù)條件下的現(xiàn)代化戰(zhàn)場(chǎng)上，高效率的通信指揮是人員和裝備快速集結(jié)、分散作戰(zhàn)的有力保障。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我軍野戰(zhàn)通信經(jīng)歷了從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)的階段，但和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍然處于相對(duì)落后的狀態(tài)。定位和敵我識(shí)別是野戰(zhàn)通信的重要內(nèi)容，如美國(guó)的GPS定位系統(tǒng)就被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，我國(guó)目前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)也處在了實(shí)驗(yàn)和測(cè)試階段，但離裝備部隊(duì)還需要一定的時(shí)間。因此，如何利用現(xiàn)有的一些民用技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)上的局部的、相對(duì)的定位就更加具有現(xiàn)實(shí)的意義。RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)是一種利用無(wú)線射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID具有容量大、識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快等特點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，RFID技術(shù)除了在無(wú)線識(shí)別上大顯身手外，還在無(wú)線電測(cè)量方面嶄露頭角，例如RFID測(cè)向、測(cè)距、測(cè)速以及定位等等[1]。本文以基于RFID的測(cè)量技術(shù)為依托，針對(duì)野戰(zhàn)環(huán)境下人員識(shí)別、調(diào)配、集結(jié)和簡(jiǎn)單的通信指揮的要求，尤其針對(duì)空降兵快速集結(jié)的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種空降兵單兵手持式RFID終端，并介紹這套終端設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、軟硬件組成以及改進(jìn)思路。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

RFID系統(tǒng)一般包括標(biāo)簽和閱讀器2個(gè)部分，閱讀器通過(guò)接收標(biāo)簽發(fā)射的無(wú)線數(shù)字信號(hào)以進(jìn)行識(shí)別。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用了一體式設(shè)計(jì)，即標(biāo)簽和閱讀器集成在一套終端內(nèi)，該終端既能發(fā)射自身ID表明身份，又能接收其他設(shè)備ID用于識(shí)別。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中，標(biāo)簽和閱讀器的射頻模塊相互獨(dú)立，互不干擾，射頻前端安裝了不同類(lèi)型的天線;標(biāo)簽和閱讀器共用一套控制模塊，既提高了控制芯片的利用率，又能降低系統(tǒng)功耗，節(jié)約成本。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)設(shè)定的工作頻段為2.4GHz微波波段，2.4G全球ISM頻段廣泛的應(yīng)用于無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等民用無(wú)線設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用背景和成熟的技術(shù)支撐，因此，采用2.4GHz單片數(shù)字信號(hào)射頻收發(fā)芯片既節(jié)省開(kāi)發(fā)成本又有利于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。另外2.4GHz頻段具有較大的數(shù)字帶寬和較短的傳輸距離，前者能顯著提高信道容量，避免多標(biāo)簽識(shí)別下碰撞的發(fā)生;后者可以實(shí)現(xiàn)傳輸距離的可控性，滿足一定的保密性。

1.2 系統(tǒng)功能

1.2.1 敵我識(shí)別

RFID技術(shù)最早源于軍事中的敵我識(shí)別，可見(jiàn)其在敵我識(shí)別上的優(yōu)越性。本系統(tǒng)為每位空降兵配發(fā)一個(gè)特殊的數(shù)字32字節(jié)ID用于表征身份，這個(gè)ID被存放于控制芯片片內(nèi)Flash中，所有這些ID組成的數(shù)據(jù)庫(kù)存放于片外大容量Flash中用于查詢;控制模塊將ID加密后傳送給射頻模塊，射頻模塊將該ID發(fā)射出去;同時(shí)，系統(tǒng)也能收到周?chē)渌战当腎D，接收到的ID經(jīng)過(guò)控制模塊解密后進(jìn)行驗(yàn)證與識(shí)別，識(shí)別結(jié)果顯示在終端LCD上。

1.2.2 RFID測(cè)向

定向天線的應(yīng)用是無(wú)線電測(cè)向的基礎(chǔ)，采用方向圖主瓣較窄的定向接收天線可以有效檢測(cè)出信號(hào)源的方向，而當(dāng)這個(gè)信號(hào)源是一個(gè)RFID標(biāo)簽時(shí)，這種無(wú)線電測(cè)向簡(jiǎn)稱(chēng)為RFID測(cè)向。終端采用了標(biāo)簽、閱讀器一體式設(shè)計(jì)，兩組射頻前端的天線接口處于互相垂直狀態(tài)，標(biāo)簽部分采用全向發(fā)射天線廣播ID，閱讀器部分采用電纜導(dǎo)出的的手持式定向接收天線，士兵通過(guò)手持定向天線搜索其他終端所在方向并獲取其數(shù)字ID。

1.2.3 集結(jié)對(duì)象選擇

配發(fā)的數(shù)字ID劃分為不同等級(jí)，指揮官等級(jí)最高，副指揮官、班長(zhǎng)等等依次類(lèi)推，當(dāng)部隊(duì)在集結(jié)地附近降落后，每個(gè)士兵隨即打開(kāi)終端進(jìn)行識(shí)別和搜索，當(dāng)搜索到級(jí)別高于自己的ID后，優(yōu)先向其方向靠攏，依次類(lèi)推，指揮官則主動(dòng)向目標(biāo)集結(jié)點(diǎn)靠近，這種集結(jié)路線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且最終匯聚于一點(diǎn)，即指揮官所在的目標(biāo)集結(jié)點(diǎn)。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

作為一款電池供電的手持終端，低功耗、高效率也就成為硬件設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)?？刂颇K的核心是控制芯片，本系統(tǒng)采用的控制芯片是TI的MSP430F149單片機(jī)，該單片機(jī)是一款16位Flash型RISC指令集單片機(jī)，以超低功耗聞名，工作電壓僅為1.8～3.6V[2-3]。MSP430F149有多個(gè)時(shí)鐘源可供選擇，由于主時(shí)鐘頻率決定著性能和功耗，本設(shè)計(jì)采用了高/低速、內(nèi)/外部振蕩器切換的方式來(lái)進(jìn)行功耗和性能間的協(xié)調(diào)。

射頻芯片采用的是Nordic公司的nRF24L01單片2.4GHz超低功耗無(wú)線收發(fā)芯片。芯片有125個(gè)頻點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線通信，最大傳輸速率2Mbps[4]。如圖2所示。

圖2 核心電路圖

nRF24L01工作電壓為1.9～3.6V，與MCU通信采用了3線SPI接口[5]，通信能實(shí)現(xiàn)低速進(jìn)高速出，即MCU將數(shù)據(jù)低速（如10Kbps）送入nRF24L01，卻以1Mbps或2Mbps高速發(fā)射出去。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選用了IAR Embedded Workbench V4.11B平臺(tái)下的C語(yǔ)言編程環(huán)境，設(shè)計(jì)中綜合考慮了低功耗性能、穩(wěn)定性和程序執(zhí)行效率。

3.1 軟件流程

當(dāng)打開(kāi)終端設(shè)備的電源后，MSP430F149對(duì)自身及nRF24L01進(jìn)行初始化配置，然后進(jìn)入低功耗4模式（LPM4），等待中斷喚醒;進(jìn)入收發(fā)模式時(shí)，通過(guò)按鍵中斷喚醒MSP430F149，此時(shí)閱讀器部分首先被激活，其射頻模塊處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，隨后系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)時(shí)間寬度為500ms的循環(huán)發(fā)送周期;Timer_A定時(shí)器開(kāi)始500ms定時(shí)后，先加密本機(jī)ID;本機(jī)ID經(jīng)過(guò)一個(gè)隨機(jī)延時(shí)后通過(guò)SPI傳輸并被發(fā)送一次;隨后判斷閱讀器是否接收到ID信號(hào)（CRC由nRF24L01自動(dòng)判斷），如果接收到則通過(guò)SPI將ID讀入MSP430F149，解密，查詢外部flash數(shù)據(jù)庫(kù)，判斷ID的正確性;其間，還將進(jìn)入指令系統(tǒng)進(jìn)行指令校驗(yàn)，具體流程將在下文介紹;整個(gè)流程完成后判斷500ms定時(shí)器是否超時(shí)，一旦超時(shí)則產(chǎn)生中斷進(jìn)入下個(gè)循環(huán)周期。流程圖如圖3所示。

圖3 標(biāo)簽部分軟件流程圖

3.2 指令系統(tǒng)軟件流程

在接收到ID并解密后，首先提取后5個(gè)字節(jié)的指令保留位，判斷其是否被賦值，然后判斷其為何種指令，并將指令內(nèi)容顯示在LCD上，同時(shí)，為了繼續(xù)向其他終端廣播指令，首先將本機(jī)ID的指令保留位賦相同值，并從下個(gè)周期開(kāi)始循環(huán)發(fā)送更新的ID。指令系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 ?指令系統(tǒng)流程圖

3.3 防碰撞算法

通信中常用的多路傳輸方式包括FDMA、TDMA、SDMA和CDMA，與一般的RFID系統(tǒng)不同的是，本系統(tǒng)閱讀器部分配備了手持定向天線，從而簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)了SDMA，但實(shí)際應(yīng)用中仍可能出現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)位于定向天線接收區(qū)域內(nèi)的情況，因此，系統(tǒng)采用了一種基于純ALOHA算法的隨機(jī)延時(shí)算法，算法主要通過(guò)一個(gè)隨機(jī)延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，延時(shí)時(shí)長(zhǎng)服從區(qū)間為0～100ms的均勻分布，延時(shí)結(jié)束立即發(fā)送一次ID以降低碰撞概率。

4.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)創(chuàng)新性的將RFID標(biāo)簽和閱讀器集成在一套手持終端內(nèi)，以基于RFID的測(cè)量技術(shù)為依托，實(shí)現(xiàn)了野戰(zhàn)環(huán)境下空降兵部隊(duì)的快速定位和集結(jié)。系統(tǒng)在硬件上采用了較為成熟的RFID電路設(shè)計(jì)方案，且用單個(gè)控制模塊（MCU）同時(shí)控制收發(fā)，提高了芯片的利用率。軟件上，系統(tǒng)充分調(diào)動(dòng)了控制芯片和射頻芯片的低功耗性能，把整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)壓縮在單個(gè)周期內(nèi)循環(huán)執(zhí)行，提高了程序的執(zhí)行效率。整個(gè)系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，功耗低，通過(guò)良好匹配的天線在野外空曠環(huán)境下通信距離可達(dá)1km左右，較好的滿足了既定的工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

韓?，摚?987—），女，河北衡水人，大學(xué)本科，助工，現(xiàn)供職于天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，主要從事礦用監(jiān)控類(lèi)產(chǎn)品輔助開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)品防爆標(biāo)志、安全標(biāo)志認(rèn)證工作。