一種基于RFID的移動目標監控系統的設計

　　隨著無線通信技術的發展，基于位置的服務受到越來越多的關注。無線定位及監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，顯現出巨大的發展潛力與應用空間。目前，無線監控、定位系統的具體應用主要集中在物流供應、交通領域、工業生產、礦井管理和公共管理領域，如井下人員監控系統、城市公交管理系統、動物野外活動定位系統等[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。考慮到多徑效應和室內定位技術的特點，本文提出一種基于2.45 GHz的有源射頻識別系統的方案。參考ISO18000-7標準對系統通信協議進行了規劃，設計了硬件系統和基于C++的上位機及電子地圖系統,在實驗室環境下對系統標簽掃描、標簽容量和識別效率進行了優化和改善，使系統的可靠性和適用性得到了增強。

　　1  系統設計方案

　　1.1 復用段保護環點對多點系統

　　系統由一臺中央監控設備（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。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據中轉站，起到暫存數據和距離延伸的作用，各個中轉站之間以單向通信方式進行數據傳遞。各從閱讀器由主閱讀器通過雙絞線進行遠程供電，簡化了系統結構，降低了成本。為了保證數據傳輸和系統供電的可靠性，各從閱讀器之間組成了一個復用段環狀結構，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據，將數據打包處理后逐次傳遞，發給主閱讀器，最后送到PC主機。考慮到室內定位所要求的通信距離、發射功率、成本以及功耗等，這里選擇有源電子標簽進行系統構建。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]。為了滿足系統設計所要求的收發穩定、信號檢測靈敏度高以及低發射功率等要求，本系統選擇了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與應用系統軟件PC端進行通信并執行系統發來的指令;②控制電子標簽的通信過程;③信號的編碼與解碼;④執行反碰撞算法;⑤對電子標簽與閱讀器之間要傳送的數據進行加密和解密;⑥進行讀寫器和電子標簽之間的身份驗證。系統結構如圖1所示。

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

　　2 系統通信協議的規劃

　　為了保證閱讀器與電子標簽通信的穩定性，提高數據傳輸的效率，本方案依據協議ISO/IEC18000-7對系統通信協議進行了規劃。

　　2.1通信協議的格式

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

　　為了能夠動態調整標簽容量，適應不同應用場合的要求，根據系統MCU的處理能力，設置了4個標簽容量值：16(10000)、64(1000000)、128(10000000)、256(100000000)。在數據幀中，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信號后，標簽被激活，向閱讀器發出呼叫請求，在定時器規定的時間內，不斷地向距離最近的閱讀器發送數據發送請求命令，直到收到閱讀器發出的應答命令。在標簽收到應答命令后，將攜帶的消息發送出去，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據。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，還可以作為一個數據中轉站進行數據傳遞，其工作流程如圖4。中轉站通信鏈路采用令牌環的傳輸方式，只有握有令牌的一方才有發送數據的權利。中轉站每10 ms切換一次，具有執行中轉站和與標簽通信的雙重作用。

　　2.3 防碰撞設計

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　　系統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在閱讀器的范圍之內時，各標簽之間傳輸的信號互相干擾，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量，使每次響應的標簽數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據時，將會產生干擾，出現錯誤信息。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  監控軟件的開發

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

　　電子地圖信息系統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，完成數據的實時存儲、查詢調用功能，結果用數據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控。

　　4 系統測試與結果分析

　　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MCU的數據處理速度，估算了閱讀器識別范圍內的標簽容量，綜合分析了單標簽掃描次數與系統效率、標簽容量之間的關系。

　　經測試發現，標簽與閱讀器數據傳輸的誤碼率與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，選擇適當的中心頻率可以降低系統誤碼率，提高數據的傳輸效率。測試結果如圖5所示。

　　由圖5可知，在某一固定頻率下，數據傳輸的誤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據的傳輸效率，中心頻率點的尾數要盡可能的精確，這樣可以大大降低數據傳輸的誤碼率。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,相互之間會產生嚴重的干擾。因此，設備在實際應用時，需要首先測試該環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，以提高系統的數據傳輸效率。

　　實驗中分別測試了閱讀器在不同接收功率下，系統的最大通信距離。

　　圖6是電子標簽接發射率為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。經測試，在定向天線方向性最優的情況下，系統最大通信距離為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：

　　系統中閱讀器使用的是12 MHz的晶振，經測試，在閱讀器范圍內，單標簽單次掃描時間為32 ms，為了避免因外界干擾及系統誤報造成的誤判，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以后才會進行數據采集，這樣提高了系統的可靠性，但降低了閱讀器范圍內的標簽容量。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，單標簽掃描次數為N,則可以估算出閱讀器識別范圍內的標簽容量n的估算式為：

　　根據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N、標簽容量n及系統數據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，標簽掃描次數與標簽容量及系統效率的關系圖。由圖可知，隨著單標簽掃描次數的增大，閱讀器的正確識別率隨之提高，而最大可識別標簽數卻急劇下降。在掃描次數為4~6次時，標簽容量和系統識別效率都可以達到一個相對合理的值。因此，在接收功率和發射功率一定的情況下，要綜合考慮標簽容量和系統誤碼率，折衷設定一定的標簽掃描次數，才能使系統性能最優化。

　　在高速發展的信息時代，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,較好地解決了系統頻率、標簽掃描、標簽容量和識別效率的關系，系統運行穩定可靠，適用性較強，采用這種模式建立的RFID網絡穩定可靠，通信效率高。該系統可以應用于城市公交、地鐵等運營系統的監控管理,也可以應用于物流、礦井人員管理等多標簽識別的場合。