有源射頻識別系統(tǒng)的設計與實現

譚元華

摘? ?要：文章主要針對有源射頻系統(tǒng)進行研究分析，在分析有源射頻識別系統(tǒng)原理及構成的基礎上，以實證案例分析有源射頻識別系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，并分析其應用實證和未來發(fā)展趨勢。

關鍵詞：有源射頻識別系統(tǒng);硬件設計;軟件設計;發(fā)展趨勢

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）系統(tǒng)按照供電方式不同，有源射頻識別系統(tǒng)和無源射頻識別系統(tǒng)兩種類型。和無源射頻識別系統(tǒng)相比，有源射頻識別系統(tǒng)配備給器件提供電源的電池，使其具備通信距離長、發(fā)射功率低、可靠性高、兼容性好、傳輸數據量大的優(yōu)越性，在港口貨運、軍事物流及公路收費等領域中應用。進行有源射頻識別系統(tǒng)的研究，提升有源射頻識別系統(tǒng)水平，對其發(fā)展具有重要意義。

1? ? 有源RFID系統(tǒng)原理及構成

1.1? 有源RFID系統(tǒng)組成

有源RFID由有源射頻標簽（應答器，Tag/Responder）、讀寫器（查詢器，Reader）、計算機管理系統(tǒng)3部分構成。有源射頻標簽主要存儲待識別對象的具體信息，置于被識別物品位置，讀寫器主要實現標簽信息的寫入與讀取，PC管理系統(tǒng)的主要功能是數據管理，保證通信傳輸的正常進行。

1.2? 有源RFID系統(tǒng)工作原理

有源RFID系統(tǒng)中，讀寫器和標簽位于遠磁場區(qū)，兩者之間信號傳輸以電磁耦合方式實現。和無源RFID的區(qū)別是其射頻標簽自帶電池，射頻標簽能夠以電磁波形式自主發(fā)射信號傳遞給讀寫器，讀寫器直接讀取射頻標簽信息并進行存儲。

2? ? 有源射頻識別系統(tǒng)的設計

2.1? 有源射頻識別系統(tǒng)硬件設計

前面指出RFID系統(tǒng)由讀寫器、標簽以及后臺計算機3部分構成。標簽要想實現識別對象信息的功能，需要相關芯片與耦合元件配合實現功能，射頻標簽直接將各種信息存儲在物體上，以非接觸射頻的方式進行信息傳遞。讀寫器充分利用射頻技術，實現標簽信息的讀取與寫入，在讀寫器和標簽之間需要耦合元件天線、線圈的配合。通過這些電子元器件配合能在空間進行射頻信號的無接觸耦合，實現信息和數據的傳遞、交換。下面就有源射頻系統(tǒng)硬件設計實證進行分析。

有源RFID系統(tǒng)和讀寫器功能的實現，采用低頻通信單元和高頻通信單元協(xié)調配合的方式設計，擬采用芯片ATMega128 實現開工至功能。采用ATA5275和ATA5282兩種芯片作為低頻線圈驅動芯片，該芯片最初應用于胎壓監(jiān)測系統(tǒng)的低頻通信芯片，載波頻率范圍為100～125 kHz。采用低成本CC2420通信芯片作為高頻通信芯片，在2.4 GHz頻段工作，且符合IEEE802.15.4標準，能實現超過百米距離的有效通信。

ATA5275在讀寫器低頻通信端實現功能，需要和低頻電磁場配合實現。ATA5282能接收125 GHz的載波信號，激活系統(tǒng)并在低頻磁場中進行發(fā)送傳輸。ATA5282是低頻通信功能實現的基礎，其能對讀寫器發(fā)出的信號進行感知，主要是低頻電磁場信號，該芯片的工作電流在2～4 μA，系統(tǒng)采用ATA5282與ATMega128兩線接口連接的方式，這種連接方式保證了不需要通信的時候，CC2420和ATMega128能夠處于低功耗的休眠狀態(tài)。省電模式下的ATMega1288系統(tǒng)以微安級電流進行工作，系統(tǒng)功能實現過程中，讀寫器中的ATA5275能給出相應低頻信號，設計中的ATA5282自動檢測ATA5275給出的信號，當檢測到信號之后能夠喚醒ATMega128控制器，以外部中斷方式進行喚醒。為簡化系統(tǒng)運算復雜程度實現系統(tǒng)功能，讀寫器在低頻磁場下簡化讀寫器識別數據，并向有源RFID中寫入。在低頻通信基礎上進行高頻通信，與特定RFID完成高速數據交換。

2.2? 有源射頻識別系統(tǒng)軟件設計

為提高有源射頻識別系統(tǒng)功能，采用TinyOS操作系統(tǒng)進行有源射頻識別系統(tǒng)程序設計，建立與系統(tǒng)相匹配的軟件。TinyOS操作系統(tǒng)最早由美國加州大學提出，希望通過該操作系統(tǒng)實現傳感器網絡的開發(fā)與利用，該操作系統(tǒng)由NesC語言（C語言變體）實現，該系統(tǒng)和其他系統(tǒng)相比進行了簡化，僅需要396 Byte的存儲空間就能夠實現功能。TinyOS操作系統(tǒng)的特點是采用模塊化設計，同時還采用了事件驅動的體系結構，這種設計和結構模式為系統(tǒng)程序設計提供了良好的組件庫和編程框架。有源射頻識別系統(tǒng)相匹配的應用程序主要由TinyOS自帶的組件實現，同時輔以應用實現的組件。用戶要想實現功能，僅需將應用組件和服務組件進行連接，就能夠實現功能。通過TinyOS調度器實現有源射頻識別系統(tǒng)程序的任務調度，整個系統(tǒng)程序結構如圖1所示。高頻通信利用了TinyOS中已有的組件。ATMega128通過SPI總線讀寫CC2420的RAM，數據通信率為250 Kb/s。通過以上的有源射頻識別系統(tǒng)程序設計方式進行實際應用，發(fā)現有源射頻識別系統(tǒng)能很好地實現其功能。

3? ? 有源射頻識別系統(tǒng)實際應用實證及展望分析

3.1? 高速公路自動收費

在高速公路自動收費中引入RFID系統(tǒng)，當有攜帶標簽的車輛經過高速收費站的時候，系統(tǒng)自動檢測并完成收費，這種方式和傳統(tǒng)收費方式相比更加快速便捷、高效，對交通擁擠問題以及收費監(jiān)管問題的解決具有重要作用。目前廣州很多過往關口開始改革，通過速通卡（駕易通）進行車輛檢測，加快了通關速度。最早在2001年7月的上海虹橋國際機場實行改革，進行不停車電子收費系統(tǒng)（Electronic Toll Collection，ETC）試驗，作為“高等級公路電子收費系統(tǒng)技術開發(fā)和產業(yè)化創(chuàng)新”項目，也拉開了有源射頻識別系統(tǒng)RFID在高速公路自動收費中應用的序幕。

3.2? 門禁控制

有源RFID系統(tǒng)開始在監(jiān)控領域中應用，包括門禁安保、財產監(jiān)控、考勤、出入口安全檢查等。該系統(tǒng)的引入簡化了出入手續(xù)，對工作效率、安全保護水平的提高具有重要作用。最早在1996年的亞特蘭大奧運會中就引入了RFID系統(tǒng)，和生物測定學技術相結合，實現了高水平安保。

3.3? 生產自動化

目前，很多高水平企業(yè)生產線中引入有源RFID技術，該技術對生產過程進行監(jiān)視并實現自動控制，改變了傳統(tǒng)生產方式，提高了生產效率，節(jié)約企業(yè)生產成本。以我國奇瑞汽車裝配流水線為代表的很多企業(yè)都采用該技術，尤其對用戶定制汽車的生產具有重要作用。

3.4? 倉儲管理

目前倉儲貨物管理中也引入有源RFID系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)監(jiān)測貨物流動相關信息，實現信息的動態(tài)管理。尤其是很多大型倉儲基地，倉儲管理中心利用RFID技術能隨時了解貨物存儲情況以及貨物位置和貨物信息，對產品生產指導、倉儲管理效率提升具有重要意義。

3.5? 鐵路運營管理

在鐵路運營管理中引入有源RFID技術，能夠保證列車按照規(guī)定路線運行，監(jiān)測列車運行的狀態(tài)，包括車次、運行速度、運行時間等信息，車站和監(jiān)控中心能夠利用這些信息實現車輛重新編組和調度安排。我國鐵道部在1999年就開始著手開發(fā)研制自動車號識別系統(tǒng)，經過開發(fā)，于2000年投入使用，取得了較好的效果。

3.6? 集裝箱跟蹤管理

集裝箱貨物吞吐量大，因此在運輸使用過程中需要進行跟蹤和管理。有源射頻RFID系統(tǒng)以其識別速度快、傳輸距離長的優(yōu)勢，被應用于集裝箱跟蹤管理當中，成為目前比較理想的方式之一。通過集裝箱跟蹤管理能夠有效防止集裝箱的損壞和丟失，對集裝箱周轉率提升具有重要作用。

3.7? 軍事物流

以美軍為代表的現代化部隊十分重視后勤管理和供應，這也成為現代化部隊建設的關鍵內容之一。美軍在海灣戰(zhàn)爭中就利用了有源射頻RFID技術進行軍事物流管理，結合衛(wèi)星技術和定位技術，實現物資運輸途中的可視性，保證了后勤高效管理。

4? ? 結語

RFID技術因其傳輸距離遠、傳輸速度快的優(yōu)勢，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，我國在未來發(fā)展中也必須充分重視RFID發(fā)展機遇，同時，也應該應對挑戰(zhàn)。我國科技部也將RFID技術開發(fā)研究納入日程，希望提高該技術水平，希望該技術促進我國發(fā)展，為我國發(fā)展提供推動力。

[參考文獻]

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