基于RFID物品防盜系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：如今貴重物品小型化導(dǎo)致丟失不易被找尋，以及物品功能的集成化導(dǎo)致丟失或忘帶一件物品可能會耽誤好多事情。本文采用RFID技術(shù)設(shè)計了一套隨身物品防盜系統(tǒng)，可以實現(xiàn)電子標簽的注冊、注銷、監(jiān)視、搜索及物品失聯(lián)的警告等功能，方便人們更好地管理隨身必備物品。

關(guān)鍵詞：RFID；物品防盜；無源標簽；防沖突

1 前言

射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是通過無線射頻方式傳輸和獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并對物體加以識別。RFID解決了無源（卡中無電源）和免接觸兩大難題，可實現(xiàn)運動目標識別、多目標識別，其突出優(yōu)點是環(huán)境適應(yīng)性強，能夠穿透非金屬材質(zhì)，數(shù)據(jù)存儲量大，抗干擾能力強。目前已廣泛用于學(xué)校、公共交通、門禁、物流、醫(yī)療等領(lǐng)域，已成為21世紀最熱門的技術(shù)之一[1]。

典型的RFID系統(tǒng)由電子標簽、閱讀器、應(yīng)用系統(tǒng)等組成，電子標簽有主動標簽、半主動標簽與被動標簽之分，電子標簽有著全球唯一的電子編碼，且有一定的存儲空間，可以存儲所標識物體的一些信息。電子標簽可通過讀寫設(shè)備重新寫入信息，來實現(xiàn)標簽的重復(fù)利用[2]。

現(xiàn)如今人們出門在外通常會攜帶一些必備物品，手機、平板電腦、錢包及各種卡片，如信用卡、身份證、公交卡等。這些物品基本上是日常生活離不開的，更有一些物品是集多功能于一身的。但若出門忘帶或者不小心丟失這些東西則會給人們帶來不便甚至?xí)斐蓳p失；還有一些貴重物品趨于袖珍化，被不法分子順走也不易被發(fā)現(xiàn)。因此如果有一套系統(tǒng)將這些物品管理起來，當物品脫離系統(tǒng)范圍就發(fā)出報警，這樣人們就會很輕松地管理隨身物品，為防盜提供可靠保障。

2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計的思路是將要管理的物品貼上無源電子標簽，設(shè)計一個易攜帶、低功耗的閱讀器來管理這些標簽從而實現(xiàn)防盜。因系統(tǒng)采用電池供電，對低功耗要求比較嚴格，因此采用超低功耗的MSP430芯片作為主控芯片，閱讀器芯片采用AS3991，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

AS3991是奧地利微系統(tǒng)公司研制的一款用于超高頻（860MHz～960MHz）RFID閱讀器的專用芯片，內(nèi)部集成了射頻的發(fā)射與接收，支持EPC Class1 GEN2協(xié)議，但芯片對ISO18000-6A/B協(xié)議的支持并不完全，只能直接串行輸出碼流，因此解碼與校驗必須由MCU完成[3]。AS3991內(nèi)部可輸出最高為0dBm左右的已調(diào)射頻載波信號，這一功率遠遠不夠驅(qū)動遠距離的無源標簽，需增加外部功放電路來提高發(fā)射功率。功放芯片采用RF5110G，其典型工作頻率為800-950MHz，還可以通過調(diào)整控制電壓來改變輸出功率。因為射頻部分的電路設(shè)計復(fù)雜且要求較高，系統(tǒng)采用已設(shè)計好的閱讀器電路，只留有電源接口及數(shù)據(jù)接口。通過控制器GPIO就可以實現(xiàn)對閱讀器的編程及數(shù)據(jù)收發(fā)，電路原理圖如圖2所示。

系統(tǒng)采用超高頻（UHF）閱讀器及標簽，是因為其可以實現(xiàn)遠距離傳輸，也具有一定的穿透性，而常用到的高頻（13.56MHz）只有幾厘米到十幾厘米的作用距離[4]。該系統(tǒng)可以將電子標簽進行注冊，然后將注冊在案的標簽進行保護，當標簽不在系統(tǒng)的閱讀范圍內(nèi)，則可以發(fā)出聲音報警的功能，提醒主人。還可以通過搜索的功能在系統(tǒng)閱讀范圍內(nèi)尋找指定的在冊的標簽，若發(fā)現(xiàn)，則發(fā)出聲音提醒。

系統(tǒng)有三大主要功能：

⑴注冊標簽功能。將重要物品貼上電子標簽，將撥動開關(guān)撥到注冊端，這時系統(tǒng)就啟動了注冊功能，此時的閱讀器發(fā)射功率低，只能激發(fā)厘米級范圍內(nèi)的標簽，近距離可以避免在公共場所內(nèi)搜索到附近他人的標簽。此時系統(tǒng)掃描到電子標簽，會與存儲器中的信息比較，如果是一個新的標簽，將會提示是否注冊，注冊成功后，標簽信息將保存在芯片24C08中。24C08是一種電可擦可編程只讀存儲器，其保存的數(shù)據(jù)在掉電后不會丟失。

⑵標簽防盜功能。將撥動開關(guān)撥到防盜端，系統(tǒng)即啟動防盜功能，此時的閱讀器發(fā)射功率較高，閱讀距離可達1米左右。系統(tǒng)會定時去掃描已被注冊的電子標簽，若在掃描過程中找不到某個標簽，系統(tǒng)會發(fā)出報警聲，提醒主人；若在掃描過程中發(fā)現(xiàn)所有的標簽都在閱讀范圍內(nèi)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為睡眠模式，以便節(jié)電。一段時間后，系統(tǒng)通過定時喚醒進行下一輪的掃描。

⑶搜索標簽功能。當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)標簽不在閱讀范圍內(nèi)時發(fā)出報警。用戶可以檢查物品是否丟失，若發(fā)現(xiàn)真的不見了，用戶可以按下搜索按鈕，此時系統(tǒng)的發(fā)射功率又可以增強，閱讀范圍可達到1-3米。這樣當標簽進入閱讀器范圍時，系統(tǒng)同樣會有聲音提示。這個功能可以為公安人員搜查盜竊嫌疑人提供手段。

3 軟件部分

MSP430與AS3991構(gòu)成一套主從設(shè)備，由MSP430控制完成與AS3991的通信。AS3991內(nèi)部已嵌入了對EPC GEN2協(xié)議的支持，集成了很多直接命令，用戶只需直接調(diào)用相應(yīng)的代碼就可以了。軟件流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)軟件的設(shè)計除了要實現(xiàn)對標簽的讀取外，還要實現(xiàn)兩個功能，第一，通過軟件控制閱讀器的發(fā)射功率，從而改變其閱讀距離；第二，標簽及閱讀器的防沖突問題。

3.1 控制發(fā)射功率

系統(tǒng)采用無源電子標簽作為信息載體，它只有靠接收到來自閱讀器的激發(fā)才能與閱讀器進行通信。閱讀器向標簽傳遞能量時存在路徑損耗，所謂路徑損耗是指傳輸?shù)介喿x器發(fā)射天線的功率與標簽接收天線獲得的功率之差。因此應(yīng)先做件鏈路預(yù)算的工作，包括前向鏈路與反向鏈路兩個方向的預(yù)算，確保標簽與閱讀器能在指定距離處穩(wěn)定通信[5]。因為系統(tǒng)有三種不同閱讀距離，單靠硬件來實現(xiàn)這種功能比較復(fù)雜，可以通過程序來控制硬件實現(xiàn)三種不同的發(fā)射功率，從而實現(xiàn)不同的閱讀距離。

如圖2所示，Rf5100的ACP1與ACP2管腳的電壓可以控制PA的輸出增益。配置AS3991的8位寄存器（地址為0x18）來控制DAC端的輸出電壓，可以實現(xiàn)0～3.2V的變化，步階是：3.2/256=0.0125V。DAC端的可變電壓能夠控制PA的變化輸出。

3.2 防沖突算法

在RFID系統(tǒng)中，標簽和閱讀器之間的通信是通過共享的無線信道進行的，在多個閱讀器或者多個標簽同時發(fā)送信號的時候，必然會引起發(fā)送信號相互之間的沖突。因此在RFID系統(tǒng)中存在兩種類型的沖突：標簽沖突和閱讀器沖突[6]。而對于本系統(tǒng)來講，所管理的標簽數(shù)量不是很大，且標簽ID都是已知的，閱讀器要激活標簽時，只需發(fā)送指定的ID號就可以了。本系統(tǒng)面臨的沖突問題可能是閱讀器的沖突，因為閱讀器是每個人都隨身攜帶，且其閱讀距離有些近，容易造成在某一個小范圍內(nèi)，同一個標簽處于好幾個閱讀器的閱讀范圍，尤其在擁擠的公交車等公共場所，因此解決閱讀器的沖突是本系統(tǒng)的重點。

閱讀器防沖突的方法有：基于控制閱讀器發(fā)射功率方法、基于時序的方法、基于載波偵聽方法以及其它方法[7]。本文采用了基于載波偵聽的方法，其思想是：將通信信道分為兩部分，控制信道和數(shù)據(jù)信道?？刂菩诺烙糜陂喿x器之間的通信來偵聽是否有閱讀器在工作；數(shù)據(jù)信道用于閱讀器和標簽之間的通信?？刂菩诺朗钦麄€RFID系統(tǒng)頻段的一部分，控制信道和數(shù)據(jù)信道相互之間不會產(chǎn)生干擾[6]。

4 結(jié)束語

本設(shè)計采用超低功耗的MSP430為主控制芯片，以超高頻RFID為技術(shù)手段設(shè)計了一套隨身物品防盜系。用戶只需將要保護的物品貼上超高頻電子標簽就可以被系統(tǒng)保護，或者直接將超高頻射頻卡作為保護的對象。該系統(tǒng)可以程控閱讀距離實現(xiàn)不同的功能，系統(tǒng)多數(shù)時間處于休眠模式，真正實現(xiàn)低功耗。該系統(tǒng)的不足之處是沒能實現(xiàn)標簽的通用性，尤其是不能識別身份證、門禁系統(tǒng)等常用的高頻（13.56MHz）射頻卡。

[參考文獻]

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[3]郭曉峰.UHF RFID閱讀器芯片功率放大器設(shè)計[D].北京：北京交通大學(xué).2009.

[4]游戰(zhàn)清，劉克勝，吳翔.無線射頻識別（RFID）與條碼技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2006.

[5]佐磊，何怡剛，李兵，等.無源超高頻射頻識別系統(tǒng)路徑損耗研究[J].物理學(xué)報.2013，62（14）：150-157.

[6]魏欣.RFID標簽及閱讀器防沖突算法研究[D].成都：電子科技大學(xué).2009.

[7]劉磊安，賴聲禮，劉暢，等.RFID系統(tǒng)閱讀器防沖突算法研究與分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程.2007，7（9）：1890-1893.