1.引言
RFID(RadioFrequeneyIdentification)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。射頻識別系統主要由閱讀器和電子標簽兩部分組成，數據存儲在電子標簽中，當電子標簽進入閱讀器有效作用距離內，雙方即可按照一定的協議進行通信。RFID技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷方便。
短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可在這樣的環(huán)境中替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體。長距射頻產品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等[6]。另外，由于該技術很難被仿冒、侵入，使電子標簽具備了極高的安全防護能力。RFID的應用非常廣泛，目前典型應用有動物晶片、汽車晶片防盜器、門禁管制、停車場管制、生產線自動化、物料管理。各國及相關國際組織都在積極推進RFID 技術標準的制定。目前，還未形成完善的關于RFID的國際和國內標準。當前主要的RFID 相關規(guī)范有歐美的EPC規(guī)范、日本的UID(UbiquitousID)規(guī)范和ISO 18000系列標準。
RFID電子標簽種類很多，分類方式多樣。按照供電方式可分為有源和無源的電子標簽;按照載波頻率可分為低頻(134.2kHz)、高頻(13.56MHz)、超高頻(433MHz和915MHz)，以及微波電子標簽(2.45GHz以上)[6];RFID電子標簽的單項技術已經趨于成熟，但不管在物流業(yè)還是制造業(yè)的實際應用中還存在大量的技術難題。如：經濟性、信號干擾、識別率的提高、信息安全和隱私保護、標準化等問題。
基本 RFID 系統由 RFID 標簽(Tag)、RFID 閱讀器(Reader)及應用支撐軟件等幾部分組成。CC2430芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內部線路的交互式調試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持，得到嵌入式機構很高的認可。同時也適用2.4 GHz頻率的設備。CC2430芯片采用O.18μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。采用7 mm×7mm QLP封裝，共有48個引腳。全部引腳可分為I/O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類[5]。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。特別適合應用于RFID系統的設計。本文以TI公司的CC2430為核心，設計有源RFID標簽。使用3。3-4。5V。可使用紐扣電池供電，該芯片功耗低。所需外圍電路少，高頻元件全部集成于芯片內其工作性能穩(wěn)定不受外界影響。非常適合于對低功耗，高性能要求的應用環(huán)境。
2．標簽的硬件設計
2．1 硬件電路結構
典型的有源RFID標簽由天線，射頻模塊，控制模塊，存儲器，喚醒電路，電池模塊等組成如圖1所示。其中射頻模塊完成調制和解調標簽和讀寫器之間的控制信號和應答信號?？刂破鲌?zhí)行讀寫器的指令。存儲器存儲標簽的相關信息和單片機的控制程序。控制器對存儲器進行讀寫操作。射頻模塊包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分主要有調制器，功放，帶通濾波器，混頻器和本振等組成。接收部分由低噪放，帶通濾波器，解調器，檢波整形等組成。TI公司的CC2430芯片集成了所有的無線通信系統部分只需添加少數的外圍電路即可使之構成無線通信模塊，這樣降低了系統成本和簡化了標簽的設計。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25 mA。采用7 mm×7mmQLP封裝，共有48個腳。全部引腳可分為I／O端口線引腳、電源線引腳和控制線引腳三類。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。特別適合應用于RFID系統的設計。本標簽設計匹配電路使輸出匹配50歐的微帶貼片天線。PCB設計中全采用表貼元件，這樣簡化了系統的復雜度和標簽的尺寸大小。整個PCB控制在10CM*5CM內，滿足了標簽小型化的設計。標簽的電路圖如圖2所示。
2．2 標簽的低功耗設計
對于有源標簽，由于其使用電池供電，所以標簽的工作壽命有限這就要求標簽要節(jié)能并且其功耗要低。從而節(jié)省電池的能量達到延長標簽的工作壽命。CC2430芯片采用O．18μmCMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25 mA。在標簽的設計過程中加入一定的控制程序可使得標簽僅在讀寫器的工作范圍內才進入工作狀態(tài)響應讀寫器的查詢請求。從而最大程度的節(jié)省了能量。
2．3 讀寫器的設計
讀寫器要與計算機應用網絡連接。我們采用串行通信方式。其最大傳輸距離30米．通信速率一般低于20kbps[7]。由于大多數MCU計算機上的串行口都是RS-232C標準的９芯接口．而MCU的引腳一般輸入／輸出使用TTL電平，距離短傳輸質量差．所以我們要轉換這兩種不同的電平才能正確的實現讀寫器與計算機的通信連接．讀寫器的電路圖如圖3所示。
3．1 寄存器的設置
芯片射頻部分的重要參數，如：接收地址，收發(fā)頻率，無線傳輸速率，收發(fā)模式等均要在其相應的寄存器配置字里面設置。正確的設置這些參數可以提高標簽的工作效率和可靠性。
3．2 標簽工作流程
標簽在平時處于斷電狀態(tài)，當標簽進入讀寫器的工作區(qū)域內。喚醒信號的能量使功率比較器輸出高電平激活觸發(fā)器使之控制電源芯片為主電路供電。這樣標簽控制器按照防碰撞算法程序在適當時機從存儲器讀出標簽的信息，然后將其通過射頻模塊調制，放大通過天線發(fā)射出去。當讀寫器正確識別標簽后將發(fā)送該標簽的關閉信號。標簽收到后進行判斷，如果為本標簽的關閉信號，則標簽不再向讀寫器發(fā)送信息。當標簽離開了讀寫器的工作范圍時。觸發(fā)器控制電源開關芯片使標簽主工作電路斷電。從而達到節(jié)能的目的。標簽的工作流程圖如圖4所示。
計算機端設計的軟件界面如圖所示，它由串口設置區(qū)，通信狀態(tài)區(qū)，接收和發(fā)送區(qū)，ID信息顯示區(qū)組成。當標簽收到讀寫器的請求后，發(fā)送自身的信息給讀寫器，通過天線接收讀寫器對信息進行處理相應，然后通過串口發(fā)送給計算機。計算機在數據庫中查詢相應的信息進行處理后。將其對應的信息顯示在軟件界面上如圖5 所示。
4. RFID系統的關鍵技術
完整的RFID 系統的關鍵技術有數據傳輸方法，數據傳輸的完整性，數據傳輸的安全性，安全與隱私，反碰撞算法。RFID 系統的信息安全是極為重要的部分，它涉及通信的安全保密、存儲數據的安全及工作狀態(tài)的控制三個方面。通信的安全就是要保證信息交換過程數據的機密性、完整性、有效性和真實性。數據的完整性，可通過校驗和糾錯的方法實現，而數據的機密性和有效性是通過對消息鑒權來實現的。
在讀寫器與電子標簽進行射頻通信的過程中，存在許多干擾數據通信的因素，其中最主要的兩個因素是信道噪聲和多卡操作(即有多張卡在讀寫器的天線感應范圍內)引起的數據干擾。因此，需要采用信道編碼和訪問控制技術，以保證讀寫器和電子標簽之間數據傳輸的完整、可靠和快速。為了提高系統的抗噪聲能力，就需要采用信道編碼技術，對可能或已經出現的差錯進行控制，RFID 標簽應能予以防范以下攻擊:非法訪問和修改TAG 信息，用特殊設備假冒和欺騙系統，竊聽無線電通信并重放數據。
5. 標簽的防碰撞設計
射頻識別讀寫器是通過無線射頻信號與電子標簽進行通信、數據交換的，其工作模式一般是單頻率點、半雙工。要同時與多張電子標簽進行通信，必然會發(fā)生信道爭奪、數據干擾、通信沖撞等問題。在射頻識別系統工作時，讀寫器與電子標簽之間的無線通信沖撞問題，一般可分為以下兩大類:1)讀寫器之間的沖撞2)電子標簽之間的沖撞。在讀寫器的作用范圍內存在多張電子標簽，它們同時對讀寫器做出響應、同時發(fā)送數據，就會出現通信沖撞，數據相互干擾(沖撞)。有時也有可能多個電子標簽處在多個讀寫器的工作范圍之內，它們之間的數據通信也會引起數據干擾[16]。為了防止這些沖撞的發(fā)生，射頻識別系統需要設置一定的相關指令，解決沖撞問題，這些指令被稱為防沖撞指令或算法(Anti-collision algorithms)。在通信系統中解決這種多路存取的主要方法有：空分多址（SDMA），頻分多址（FDMA)，碼分多址法（CDMA），時分多址法（TDMA）。但對RFID 系統來說空分多址的天線系統非常復雜、實施費用相當高。頻分多址讀寫器的費用相當高，碼分多址法則由于通信頻帶及其技術復雜性等，很難在RFID 系統中應用[6]。時分多址法是把整個可供使用的信道容量按時間分配給多個用戶的技術。對射頻識別系統而言，TDMA 分為標簽驅動法和閱讀器驅動法。標簽驅動法主要代表性的算法是ALOHA 算法。閱讀器驅動需要準確的同步進而無錯誤的檢測出碰撞位。它再劃分為“輪詢法和二進制搜索算法”。目前的算法基本上是基于ALOHA算法和二進搜索算法的改進。
表1 ALOHA 和Grouping ALOHA 算法仿真比較
本文介紹了一種以低功耗射頻收發(fā)芯片CC2430 為核心，可工作于2。4GHz 的國際通用ISM 頻段的有源RFID系統。帶片上系統（SOC）的芯片使系統簡化，增強了無線通信的數據安全性和可靠性，同時使得開發(fā)變的簡單，降低了成本，在室外標簽和讀寫器的識別距離可達80 米，如果有良好的天線匹配設計或者外加功放可進一步提高工作距離。本設計中的防碰撞算法加入到標簽與配套設計的讀寫器中即可實現系統在體積小，功耗低，可靠性高要求較高的環(huán)境當中。