??? 摘 要：設(shè)計一種工作于2.4 GHz 頻段的微功耗有源射頻識別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，描述了閱讀器與射頻標簽的工作流程。射頻標簽工作模式為休眠喚醒模式，大大延長了射頻標簽的使用壽命。
??? 關(guān)鍵詞：有源；射頻識別；閱讀器；射頻標簽
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??? 射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。作為快速、實時、準確的高效采集與信息處理技術(shù)，已被公認為本世紀十大重要技術(shù)之一。根據(jù)供電方式不同，RFID可分為有源和無源2類。其中有源RFID射頻標簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源。正是因為如此，有源RFID才具備有低發(fā)射功率、通信距離長、傳輸數(shù)據(jù)量大、可靠性高和兼容性好等特點。隨著技術(shù)的愈加成熟，被廣泛地應(yīng)用到公路收費、港口貨運等管理中[1-4]。
??? 本文提出了一種RFID系統(tǒng)設(shè)計，與以往的RFID系統(tǒng)設(shè)計相比，這個系統(tǒng)設(shè)計采用了一種微功耗無線射頻收發(fā)芯片，且該芯片將MCU和射頻模塊集成在一起，這樣就使系統(tǒng)簡單化、小型化、模塊化。
1 有源RFID系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計
1.1? 系統(tǒng)工作原理
??? 在有源RFID系統(tǒng)中，標簽和讀寫器處于遠磁場區(qū)，通過電磁耦合方式傳輸信號。由于電子標簽自帶電池，當電子標簽進入讀寫器的識別范圍后，電子標簽不需要讀寫器發(fā)出激活信號，而是主動地將存儲的識別信息(ID)以電磁波的形式傳給讀寫器[3-4]。
1.2? 系統(tǒng)組成
??? 如圖1所示，有源RFID系統(tǒng)主要由讀寫器、有源電子標簽、計算機管理系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)中，射頻標簽存儲著要被識別物品的相關(guān)信息，通常放在被識別物品上；讀寫器負責讀取或?qū)懭霕撕炐畔ⅲ挥嬎銠C管理系統(tǒng)用于對數(shù)據(jù)的管理，完成通信傳輸功能。
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1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.3.1芯片選擇
??? 目前用于低功耗的無線射頻收發(fā)芯片很多，考慮到設(shè)計成本及系統(tǒng)的功能特點，本文設(shè)計的微功耗有源RFID系統(tǒng)采用Chipcon公司的無線低功耗射頻收發(fā)芯片CC2510。CC2510為2.4 GHz單芯片系統(tǒng)，用于低功耗及低電壓無線通信。可提供4種功耗模式，用于降低電流損耗，適用于需求超低功耗的系統(tǒng)；同時CC2510芯片把MCU和射頻模塊集成在一起，大大降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性[5]。
1.3.2 讀寫器的硬件構(gòu)成
??? 如圖2所示，讀寫器主要是由數(shù)據(jù)接口、主控制器(8051 MCU內(nèi)核)、無線收發(fā)模塊、天線幾部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)接口的主要功能是通過USB接口把讀寫器與PC機連接起來，實現(xiàn)高頻模塊與PC的通信；主控制器采用芯片CC2510內(nèi)部自帶的微處理器8051 MCU，用于處理無線收發(fā)模塊收到的數(shù)據(jù)；無線收發(fā)模塊由芯片CC2510自身的射頻發(fā)射部分與外圍電路組成，用于完成與射頻標簽的無線數(shù)據(jù)通信；天線采用PCB天線，與無線收發(fā)模塊相連，是讀寫器與射頻標簽通信的橋梁。
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1.3.3 射頻標簽硬件構(gòu)成
??? 與讀寫器一樣，射頻標簽同樣通過CC2510來實現(xiàn)無線通信。如圖3所示，其主要由主控制器(8051 CPU內(nèi)核)、無線收發(fā)模塊、天線、電源幾部分構(gòu)成。不同的是，射頻標簽的工作電源由電池或者電子提供，而讀寫器的電源由PC機提供。
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2? 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計
??? 通信協(xié)議設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要的部分，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的雙方必須遵守相互約定的通信協(xié)議才能實現(xiàn)安全、可靠、有效的數(shù)據(jù)通信。在此系統(tǒng)中主要設(shè)計PC與讀寫器之間的通信協(xié)議，以及讀寫器與射頻標簽之間的通信協(xié)議。
2.1 PC與讀寫器之間的通信協(xié)議
??? 讀寫器與后臺PC機采用RS485 串口通信，工作在異步方式，傳輸速率為57 600 b/s。
2.2 讀寫器與射頻標簽之間的通信協(xié)議
??? 讀寫器與射頻標簽在初始化建立通信過程中以數(shù)據(jù)幀的形式封裝。一般采用需要4種幀，即尋卡命令幀、通信成功確認幀、通信失敗確認幀以及標簽信息幀。根據(jù)芯片CC2510自身規(guī)定好的通信協(xié)議可以定義其幀結(jié)構(gòu)[5]，如圖4所示。
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??? 導(dǎo)言字段：導(dǎo)言采用交替序列1010…1010開始；
??? 同步字段：占用2 B，由芯片自身實現(xiàn)；
??? 長度字段：表明幀的長度，用二進制數(shù)表示，占用1 B；
??? 地址字段：在此字段標示幀的序號，即可以表示1～255(除去00000000情況，即全零情況)，占1 B(由讀卡器循環(huán)生成和管理，并在一次認證中保持不變)。目的是在多標簽的情況下防止碰撞。其原理為：讀卡器與射頻標簽之間在通信的過程中，按第一時間收到的幀的序號來排隊，只有等此幀通信結(jié)束，才去處理下一個幀號。如此就可以避免碰撞，實現(xiàn)多標簽識別。
??? 數(shù)據(jù)字段：在尋卡命令幀、通信成功確認幀和通信失敗確認幀這3種幀中，數(shù)據(jù)字段包含對應(yīng)的命令數(shù)據(jù)；在標簽信息幀中，數(shù)據(jù)字段包含的是標簽的信息。
??? 校驗字段：采用CRC-16校驗。
3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 讀寫器軟件及流程
??? 讀卡器工作過程中，首先上電復(fù)位初始化，然后開始發(fā)送尋卡命令，等待標簽響應(yīng)。當有標簽響應(yīng)時，收到標簽發(fā)來的標簽信息，首先判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯誤。如果有，就返回一個確認失敗信息給標簽，并等待標簽重新發(fā)送數(shù)據(jù)；若檢驗數(shù)據(jù)無錯，則開始向主機發(fā)送標簽信息驗證請求。未得到PC返回的信息時，則繼續(xù)向PC發(fā)送標簽信息請求驗證(如果連續(xù)3次沒有得到驗證結(jié)果返回，就向標簽發(fā)送一個驗證失敗信息);有驗證信息返回時，判斷驗證結(jié)果。成功，則向標簽發(fā)送一個確認成功信息；若失敗，向標簽發(fā)送一個確認失敗信息。其流程如圖5所示。
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3.2? 標簽軟件及流程圖
??? 標簽工作過程中，首先是標簽冒頭探測有無讀卡器發(fā)送過來的尋卡命令；若無，則轉(zhuǎn)入休眠；若有，則發(fā)送自身信息至讀卡器，然后等待讀卡器返回信息；若沒有得到讀卡器返回信息，需要重新發(fā)送標簽信息至讀卡器；若有確認信息，要注意是否是讀卡器直接發(fā)現(xiàn)傳輸過程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)錯誤而給標簽的確認失敗信息，其錯誤位標識為0，這時需要重新傳送標簽信息至讀卡器；若確認信息是讀寫器轉(zhuǎn)發(fā)PC的驗證結(jié)果，要判斷驗證結(jié)果，然后根據(jù)不同的結(jié)果發(fā)送標簽不同的確認信息。此次通信結(jié)束，轉(zhuǎn)入休眠，準備下次通信。其流程圖如圖6所示。???
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4? 射頻標簽低功耗設(shè)計
??? 提高有源射頻標簽的使用壽命，必須要盡量減少不必要的功耗，充分利用電池中的能量，這樣才能實現(xiàn)較長的使用周期。
??? 為降低功耗，射頻標簽采用休眠工作方式。休眠時，芯片CC2510中除MCU 定時器外，所有器件均停止工作，只消耗極小的電流。并且在進入休眠狀態(tài)前，微控制器將所有I/O 腳置成輸出狀態(tài)，以避免其處于高阻態(tài)時產(chǎn)生開關(guān)電流損耗。
??? 在芯片CC2510中睡眠定時器用來控制芯片從睡眠模式PM0/PM1/PM2中退出，返回到主動模式(active mode)。可以對睡眠定時器定義一個0事件(Event 0)，當0事件發(fā)生時，芯片從PM0/PM1/PM2返回到激活模式。睡眠定時器不能在PM3模式和激活模式下工作。2次連續(xù)的0事件之間的時間tEvent0由下面的公式?jīng)Q定[5]。
??? 若使用低功耗RC振蕩器：
??? tEvent0＝750/fref×EVENT0 ×25×WOR_RES
??? 若使用晶振：
??? tEvent0＝1/32768 × EVENT0×25×WOR_RES
??? 使芯片CC2510休眠的參考主函數(shù)程序：
??? void main( )
??? {
???? ? uchar count = 0；
????? ?Initial( )；
????? ?Init_clocks(0，0，0，4)；
????? ?led1 = 0； //開紅色LED，系統(tǒng)工作指示
????? ?Delay( )；??? //延時
????? ?Delay( )；
????? ?Delay( )；
????? ?Delay( )；
????? ?while(1)
????? ?{
??????????? ??led2 = !led2；
??????????? ??count++；
????????????? if(count == 20)PowerMode(3)；//10次閃爍后進入睡眠狀態(tài)
????????????? Delay( )；
?????? ?};
??? }
??? 低功耗無線射頻收發(fā)芯片應(yīng)用于RFID系統(tǒng)設(shè)計，不但降低了功耗，實現(xiàn)RFID 產(chǎn)品的小型化、模塊化和智能化，同時降低了系統(tǒng)成本，增大了系統(tǒng)識別距離，促進了RFID技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。希望有源RFID技術(shù)能夠越來越受重視，使其蓬勃發(fā)展，為社會經(jīng)濟建設(shè)做出更大的貢獻。
參考文獻
[1]?周曉光，王曉華.射頻識別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用實例[M].北京：人民郵電出版社，2006.
[2]?游站清，劉克勝.無線射頻識別技術(shù)(RFID)規(guī)劃與實施[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[3]?鄭賢忠.基于有源RFID技術(shù)的車輛識別與控制終端系統(tǒng)研究[D].武漢理工大學(xué)，2008.
[4]?HYUNTAE C，YUNJU B.Design and implementation of an active RFID system platform.IEEE 2005.
[5]?霍宏偉，牛延超，徐曉羽.基于RF芯片CC2510的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備設(shè)計[J].國外電子元器件，2006(9)：44-47.