一种基于RFID的移动目标监控系统的设计

　随着无线通信技术的发展，基于位置的服务受到越来越多的关注。无线定位及监控技术以其高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，显现出巨大的发展潜力与应用空间。目前，无线监控、定位系统的具体应用主要集中在物流供应、交通领域、工业生产、矿井管理和公共管理领域，如井下人员监控系统、城市公交管理系统、动物野外活动定位系统等。

　射频识别技术覆盖了整个UHF频段，工作频率可选择433 MHz、868/915 MHz和2.45 GHz，且具有非视距、非接触式的特点。考虑到多径效应和室内定位技术的特点，本文提出一种基于2.45 GHz的有源射频识别系统的方案。参考ISO18000-7标准对系统通信协议进行了规划，设计了硬件系统和基于C++的上位机及电子地图系统,在实验室环境下对系统标签扫描、标签容量和识别效率进行了优化和改善，使系统的可靠性和适用性得到了增强。

　1  系统设计方案

　1.1 复用段保护环点对多点系统

　系统由一台中央监控设备（主阅读器）和一系列远程终端设备（从阅读器）构成了点对多点的多任务无线通信系统。主阅读器与从阅读器，以及各从阅读器之间通过双绞线进行连接， 从阅读器可以作为一个数据中转站，起到暂存数据和距离延伸的作用，各个中转站之间以单向通信方式进行数据传递。各从阅读器由主阅读器通过双绞线进行远程供电，简化了系统结构，降低了成本。为了保证数据传输和系统供电的可靠性，各从阅读器之间组成了一个复用段环状结构，这种结构较链状结构的可靠性有大幅度的提高。

　1.2 硬件平台

　系统的硬件平台主要包括主阅读器和从阅读器两部分[4]。从阅读器负责从标签读取数据，将数据打包处理后逐次传递，发给主阅读器，最后送到PC主机。考虑到室内定位所要求的通信距离、发射功率、成本以及功耗等，这里选择有源电子标签进行系统构建。阅读器和电子标签的基本构成包括微控制模块、射频模块、电源及外围电路等[5]。为了满足系统设计所要求的收发稳定、信号检测灵敏度高以及低发射功率等要求，本系统选择了NRF2401无线传输芯片和以Atmega8L为主的微控制模块。

　　控制单元由MCU和编码电路构成，主要完成以下任务：①与应用系统软件PC端进行通信并执行系统发来的指令;②控制电子标签的通信过程;③信号的编码与解码;④执行反碰撞算法;⑤对电子标签与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密;⑥进行读写器和电子标签之间的身份验证。系统结构如图1所示。

　图2为单元系统硬件平台模块，系统具有工作状态指示和电源控制、移动目标位置识别、信息监控等功能，查询互控性较好。

　2 系统通信协议的规划

　为了保证阅读器与电子标签通信的稳定性，提高数据传输的效率，本方案依据协议ISO/IEC18000-7对系统通信协议进行了规划。

　2.1通信协议的格式

　系统采用的NRF2401芯片有两种收发模式，分别是突发模式和直接模式，这里采用突发模式。在突发模式下，NRF2401使用片内先入先出堆栈区，数据可低速从微控制器输入并高速发射出去。NRF2401自动处理字头和CRC校验码，即在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码。在接收数据时， 一旦检测到符合本机硬件地址的数据帧，便自动将字头和CRC码移除。突发模式下具体数据帧格式如表1所示，表2、表3为阅读器与标签之间的数据通信格式。

　为了能够动态调整标签容量，适应不同应用场合的要求，根据系统MCU的处理能力，设置了4个标签容量值：16(10000)、64(1000000)、128(10000000)、256(100000000)。在数据帧中，标签ID号预留10个二进制位，最高位用来表示标签是否被激活，其余9位用来表示标签的ID，在ID号的分配过程中，首先由111111111与对应的标签容量作“与”运算，运算结果作为该容量下的编码范围。

　2.2 软件流程

　电子标签携带着相关信息，当微控制器接收到触发信号后，标签被激活，向阅读器发出呼叫请求，在定时器规定的时间内，不断地向距离最近的阅读器发送数据发送请求命令，直到收到阅读器发出的应答命令。在标签收到应答命令后，将携带的消息发送出去，判断阅读器的反馈信息，如果反馈信息与校验码相符，表示阅读器正确收到标签的数据。阅读器与标签的通信过程如图3所示。

　从阅读器与标签进行通信的同时，还可以作为一个数据中转站进行数据传递，其工作流程如图4。中转站通信链路采用令牌环的传输方式，只有握有令牌的一方才有发送数据的权利。中转站每10 ms切换一次，具有执行中转站和与标签通信的双重作用。

　2.3 防碰撞设计 

　系统所涉及的干扰主要有两个方面，一方面是阅读器与标签之间通信时，标签与标签之间的碰撞问题，当有较多的标签同时出现在阅读器的范围之内时，各标签之间传输的信号互相干扰，阅读器将收不到正确的信息。为此，阅读器与标签之间采用了帧时隙ALOHA算法，进行防碰撞设计。通过明确的分组，有效地限制每次响应的标签数量，使每次响应的标签数都与帧时隙算法的帧长相匹配，从而获得较高的标签识别效率。另一方向就是当2个以上的从阅读器同时向主阅读器传送数据时，将会产生干扰，出现错误信息。本文采用了时分多路法来解决，时分多路法的主要特点是利用不同的时隙来传送各路不同的信号，每路信号在时域上是分开的。