RFID的移動目標監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 RFID的移動目標監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) RFID（RadioFrequencyIdentification）是一種非接觸式自動識別技術，其原理是利用射頻方式開展非接觸雙向通信，實現(xiàn)對物體的自動識別。由于具有高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，RFID技術強有力地推動家庭自動化、工業(yè)自動化、現(xiàn)代物流等領域的發(fā)展。本文提出一種基于2.45 GHz的有源射頻識別系統(tǒng)的方案。參考ISO18000-7標準對系統(tǒng)通信協(xié)議開展了規(guī)劃，設計了硬件系統(tǒng)和基于C+的上位機及電子地圖系統(tǒng)，在實驗室環(huán)境下對系統(tǒng)標簽掃描、標簽容量和識別效率開展了優(yōu)化和改善，使系統(tǒng)的可靠性和適用

2、性得到了增強。 1 系統(tǒng)設計方案 1.1 復用段保護環(huán)點對多點系統(tǒng) 系統(tǒng)由一臺中央監(jiān)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(tǒng)。主閱讀器與從閱讀器，以及各從閱讀器之間通過雙絞線開展連接， 從閱讀器可以作為一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，起到暫存數(shù)據(jù)和距離延伸的作用，各個中轉(zhuǎn)站之間以單向通信方式開展數(shù)據(jù)傳遞。各從閱讀器由主閱讀器通過雙絞線開展遠程供電，簡化了系統(tǒng)構造，降低了成本。為了保證數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)供電的可靠性，各從閱讀器之間組成了一個復用段環(huán)狀構造，這種構造較鏈狀構造的可靠性有大幅度的提高。 1.2 硬件平臺 系統(tǒng)的硬件平臺主要包括主閱讀器和從閱讀器兩部分。從閱讀器

3、負責從標簽讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包處理后逐次傳遞，發(fā)給主閱讀器，送到PC主機。考慮到室內(nèi)定位所要求的通信距離、發(fā)射功率、成本以及功耗等，這里選擇有源電子標簽開展系統(tǒng)構建。為了滿足系統(tǒng)設計所要求的收發(fā)穩(wěn)定、信號檢測靈敏度高以及低發(fā)射功率等要求，本系統(tǒng)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：與應用系統(tǒng)軟件PC端開展通信并執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)來的指令；控制電子標簽的通信過程；信號的編碼與解碼；執(zhí)行反碰撞算法；對電子標簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)開展加密和解密；開展讀寫器和電子標簽之間的身份驗證。系統(tǒng)構造如圖1所示。 圖2為單元系統(tǒng)硬件

4、平臺模塊，系統(tǒng)具有工作狀態(tài)指示和電源控制、移動目標位置識別、信息監(jiān)控等功能，查詢互控性較好。 2 系統(tǒng)通信協(xié)議的規(guī)劃 為了保證閱讀器與電子標簽通信的穩(wěn)定性，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩痉桨敢罁?jù)協(xié)議ISO/IEC18000-7對系統(tǒng)通信協(xié)議開展了規(guī)劃。 2.1通信協(xié)議的格式 系統(tǒng)采用的NRF2401芯片有兩種收發(fā)模式，分別是突發(fā)模式和直接模式，這里采用突發(fā)模式。在突發(fā)模式下，NRF2401使用片內(nèi)先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)可低速從微控制器輸入并高速發(fā)射出去。NRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼，即在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時， 一旦檢測到符合本機硬件地址的數(shù)據(jù)幀，便自動將字頭和

5、CRC碼移除。突發(fā)模式下具體數(shù)據(jù)幀格式如下表1所示，表2、表3為閱讀器與標簽之間的數(shù)據(jù)通信格式。 為了能夠動態(tài)調(diào)整標簽容量，適應不同應用場合的要求，根據(jù)系統(tǒng)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(shù)據(jù)幀中，標簽ID號預留10個二進制位，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(jié)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(fā)信號后，標簽被激活，向閱讀器發(fā)出呼叫請

6、求，在定時器規(guī)定的時間內(nèi)，不斷地向距離近的閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請求命令，直到收到閱讀器發(fā)出的應答命令。在標簽收到應答命令后，將攜帶的消息發(fā)送出去，判斷閱讀器的反應信息，如果反應信息與校驗碼相符，表示閱讀器正確收到標簽的數(shù)據(jù)。閱讀器與標簽的通信過程如圖3所示。 從閱讀器與標簽開展通信的同時，還可以作為一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站開展數(shù)據(jù)傳遞，其工作流程如圖4.中轉(zhuǎn)站通信鏈路采用令牌環(huán)的傳輸方式，只有握有令牌的一方才有發(fā)送數(shù)據(jù)的權利。中轉(zhuǎn)站每10 ms切換，具有執(zhí)行中轉(zhuǎn)站和與標簽通信的雙重作用。 2.3 防碰撞設計 系統(tǒng)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

7、的標簽同時出現(xiàn)在閱讀器的范圍之內(nèi)時，各標簽之間傳輸?shù)男盘柣ハ喔蓴_，閱讀器將收不到正確的信息。通過明確的分組，有效地限制每次響應的標簽數(shù)量，使每次響應的標簽數(shù)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(shù)據(jù)時，將會產(chǎn)生干擾，出現(xiàn)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(jiān)控軟件的開發(fā) 軟件系統(tǒng)主要由三部分構成：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、地圖編輯器、操作界面。軟件界面的開發(fā)基于Visual Studio 20*,電子地圖的二維顯示框架主要使用了DirectX開發(fā)包。

8、PC機通過RS232與主閱讀器開展通信，獲得的數(shù)據(jù)儲存在基于Excel的數(shù)據(jù)庫中。 電子地圖信息系統(tǒng)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(jù)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(diào)用，完成數(shù)據(jù)的實時存儲、查詢調(diào)用功能，結(jié)果用數(shù)據(jù)表格和地圖信息的方式開展顯示。這樣就可以對攜帶電子標簽的移動目標開展實時的監(jiān)控。 4 系統(tǒng)測試與結(jié)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開展了測試。另外根據(jù)MCU的數(shù)據(jù)處理速度，估算了閱讀器識別范圍內(nèi)的標簽容量，綜合分析了單標簽掃

9、描次數(shù)與系統(tǒng)效率、標簽容量之間的關系。 經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，標簽與閱讀器數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率與NRF2401芯片的工作頻率選擇有很大關系， NRF2401在2 400 MHz2 570 MHz之間共有157個頻點可供選擇，選擇適當?shù)闹行念l率可以降低系統(tǒng)誤碼率，提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。測試結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知，在某一固定頻率下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`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(shù)據(jù)的傳輸效率，中心頻率點的尾數(shù)要盡可能的，這樣可以大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼

10、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(chǎn)生嚴重的干擾。因此，設備在實際應用時，需要首先測試該環(huán)境下的空間電磁頻譜分布情況，采用合適的中心頻率盡量防止外界的電磁干擾，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(tǒng)的通信距離。 圖6是電子標簽接發(fā)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(jīng)測試，在定向天線方向性的情況下，系統(tǒng)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

11、耗模型基本吻合： 系統(tǒng)中閱讀器使用的是12 MHz的晶振，經(jīng)測試，在閱讀器范圍內(nèi)，單標簽單次掃描時間為32 ms,為了防止因外界干擾及系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性。閱讀器對同一個標簽開展多次掃描，只有成功掃描到達一定次數(shù)以后才會開展數(shù)據(jù)采集，這樣提高了系統(tǒng)的可靠性，但降低了閱讀器范圍內(nèi)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(shù)為N,則可以估算出閱讀器識別范圍內(nèi)的標簽容量n的估算式為： 根據(jù)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(shù)N、標簽容量n及系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)與標簽容量及系統(tǒng)效率的關系圖。由圖可知，隨著單標簽掃描次數(shù)的增大，閱讀器的正確識別率隨之提高，而可識別標簽數(shù)卻急劇下降。在掃描次數(shù)為46次時，標簽容量和系統(tǒng)識別效率都可以到達一個相對合理的值。因此，在接收功率和發(fā)射功率一定的情況下，要綜合考慮標簽容量和系統(tǒng)誤碼率，折衷設定一定的標簽掃描次數(shù)，