《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 微波|射頻 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種基于RFID的移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
一種基于RFID的移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第8期
杜俊宇, 何 寧, 廖 欣
桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,廣西 桂林 541004
摘要: 以NRF2401和Atmega8L為硬件核心,設(shè)計(jì)了一個(gè)RFID監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電磁環(huán)境下的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤監(jiān)控。針對(duì)信號(hào)頻率、標(biāo)簽容量、識(shí)別效率間的關(guān)系,從理論上進(jìn)行描述和分析,結(jié)合單片機(jī)的處理速度,對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)簽容量進(jìn)行了估算,得出了掃描次數(shù)、標(biāo)簽容量以及系統(tǒng)效率三者之間的關(guān)系;通過實(shí)驗(yàn),對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到閱讀器在不同發(fā)射功率下的通信距離等相關(guān)數(shù)據(jù),適當(dāng)選擇系統(tǒng)工作頻率能較好地控制誤碼率,提高系統(tǒng)工作的可靠性。實(shí)驗(yàn)表明,在系統(tǒng)功率參數(shù)一定的條件下,單標(biāo)簽掃描次數(shù)與系統(tǒng)的識(shí)別效率和吞吐量存在一定關(guān)系,適當(dāng)選擇可使系統(tǒng)性能最優(yōu)化。
中圖分類號(hào): TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2010)08-0126-04
A location system design based on RFID for moving targets
DU Jun Yu, HE Ning, LIAO Xin
School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China
Abstract: A RFID system based on NRF2401 and Atmega8L is introduced in the paper,which is in order to solve the tracing problem for moving targets in the EM environment.The relationship between frequency,tag capacity and identification efficiency is analyzed in the theory,and described by the testing data.The tag number is estimated by the MCU processing speed and communication distance of the reader with different power.The system is optimized,and the bit error rate could be decreased to a certain level.The experiment show that identification efficiency and throughput is influenced by the scanning times of single tag,and the performance of the system could be optimized by the proper tag scanning times.
Key words : RFID; tag scanning; tag capacity; identification efficiency

    隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,基于位置的服務(wù)受到越來越多的關(guān)注。無線定位及監(jiān)控技術(shù)以其高速移動(dòng)物體識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)別等特點(diǎn),顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間。目前,無線監(jiān)控、定位系統(tǒng)的具體應(yīng)用主要集中在物流供應(yīng)、交通領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)、礦井管理和公共管理領(lǐng)域,如井下人員監(jiān)控系統(tǒng)、城市公交管理系統(tǒng)、動(dòng)物野外活動(dòng)定位系統(tǒng)等[1-2]。
    射頻識(shí)別技術(shù)覆蓋了整個(gè)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(diǎn)[3]。考慮到多徑效應(yīng)和室內(nèi)定位技術(shù)的特點(diǎn),本文提出一種基于2.45 GHz的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)的方案。參考ISO18000-7標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)通信協(xié)議進(jìn)行了規(guī)劃,設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)和基于C++的上位機(jī)及電子地圖系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)標(biāo)簽掃描、標(biāo)簽容量識(shí)別效率進(jìn)行了優(yōu)化和改善,使系統(tǒng)的可靠性和適用性得到了增強(qiáng)。
1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
1.1 復(fù)用段保護(hù)環(huán)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)系統(tǒng)

    系統(tǒng)由一臺(tái)中央監(jiān)控設(shè)備(主閱讀器)和一系列遠(yuǎn)程終端設(shè)備(從閱讀器)構(gòu)成了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多任務(wù)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進(jìn)行連接, 從閱讀器可以作為一個(gè)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(gè)中轉(zhuǎn)站之間以單向通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。各從閱讀器由主閱讀器通過雙絞線進(jìn)行遠(yuǎn)程供電,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),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(gè)復(fù)用段環(huán)狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)較鏈狀結(jié)構(gòu)的可靠性有大幅度的提高。
1.2 硬件平臺(tái)
     系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要包括主閱讀器和從閱讀器兩部分[4]。從閱讀器負(fù)責(zé)從標(biāo)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,最后送到PC主機(jī)。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(biāo)簽進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建。閱讀器和電子標(biāo)簽的基本構(gòu)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(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的收發(fā)穩(wěn)定、信號(hào)檢測(cè)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(gòu)成,主要完成以下任務(wù):①與應(yīng)用系統(tǒng)軟件PC端進(jìn)行通信并執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)來的指令;②控制電子標(biāo)簽的通信過程;③信號(hào)的編碼與解碼;④執(zhí)行反碰撞算法;⑤對(duì)電子標(biāo)簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密;⑥進(jìn)行讀寫器和電子標(biāo)簽之間的身份驗(yàn)證。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。


    圖2為單元系統(tǒng)硬件平臺(tái)模塊,系統(tǒng)具有工作狀態(tài)指示和電源控制、移動(dòng)目標(biāo)位置識(shí)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(biāo)簽通信的穩(wěn)定性,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?,本方案依?jù)協(xié)議ISO/IEC18000-7對(duì)系統(tǒng)通信協(xié)議進(jìn)行了規(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(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼,即在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí), 一旦檢測(cè)到符合本機(jī)硬件地址的數(shù)據(jù)幀,便自動(dòng)將字頭和CRC碼移除。突發(fā)模式下具體數(shù)據(jù)幀格式如表1所示,表2、表3為閱讀器與標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)通信格式。

 為了能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整標(biāo)簽容量,適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求,根據(jù)系統(tǒng)MCU的處理能力,設(shè)置了4個(gè)標(biāo)簽容量值:16(10000)、64(1000000)、128(10000000)、256(100000000)。在數(shù)據(jù)幀中,標(biāo)簽ID號(hào)預(yù)留10個(gè)二進(jìn)制位,最高位用來表示標(biāo)簽是否被激活,其余9位用來表示標(biāo)簽的ID,在ID號(hào)的分配過程中,首先由111111111與對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽容量作“與”運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果作為該容量下的編碼范圍。
2.2 軟件流程
 電子標(biāo)簽攜帶著相關(guān)信息,當(dāng)微控制器接收到觸發(fā)信號(hào)后,標(biāo)簽被激活,向閱讀器發(fā)出呼叫請(qǐng)求,在定時(shí)器規(guī)定的時(shí)間內(nèi),不斷地向距離最近的閱讀器發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求命令,直到收到閱讀器發(fā)出的應(yīng)答命令。在標(biāo)簽收到應(yīng)答命令后,將攜帶的消息發(fā)送出去,判斷閱讀器的反饋信息,如果反饋信息與校驗(yàn)碼相符,表示閱讀器正確收到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。閱讀器與標(biāo)簽的通信過程如圖3所示。

 從閱讀器與標(biāo)簽進(jìn)行通信的同時(shí),還可以作為一個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站進(jìn)行數(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(quán)利。中轉(zhuǎn)站每10 ms切換一次,具有執(zhí)行中轉(zhuǎn)站和與標(biāo)簽通信的雙重作用。

2.3 防碰撞設(shè)計(jì)
 系統(tǒng)所涉及的干擾主要有兩個(gè)方面,一方面是閱讀器與標(biāo)簽之間通信時(shí),標(biāo)簽與標(biāo)簽之間的碰撞問題,當(dāng)有較多的標(biāo)簽同時(shí)出現(xiàn)在閱讀器的范圍之內(nèi)時(shí),各標(biāo)簽之間傳輸?shù)男盘?hào)互相干擾,閱讀器將收不到正確的信息。為此,閱讀器與標(biāo)簽之間采用了幀時(shí)隙ALOHA算法,進(jìn)行防碰撞設(shè)計(jì)。通過明確的分組,有效地限制每次響應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)量,使每次響應(yīng)的標(biāo)簽數(shù)都與幀時(shí)隙算法的幀長相匹配,從而獲得較高的標(biāo)簽識(shí)別效率。另一方向就是當(dāng)2個(gè)以上的從閱讀器同時(shí)向主閱讀器傳送數(shù)據(jù)時(shí),將會(huì)產(chǎn)生干擾,出現(xiàn)錯(cuò)誤信息。本文采用了時(shí)分多路法來解決,時(shí)分多路法的主要特點(diǎn)是利用不同的時(shí)隙來傳送各路不同的信號(hào),每路信號(hào)在時(shí)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(gòu)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 2005,電子地圖的二維顯示框架主要使用了DirectX開發(fā)包。PC機(jī)通過RS232與主閱讀器進(jìn)行通信,獲得的數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(diǎn)就是支持多場(chǎng)合的應(yīng)用,為了提高軟件的通用性,設(shè)計(jì)了輔助軟件——地圖編輯器,可以根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,靈活地繪制、修改應(yīng)用場(chǎng)景的地圖。
 通過對(duì)Excel的調(diào)用,完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、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進(jìn)行顯示。這樣就可以對(duì)攜帶電子標(biāo)簽的移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。
4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析
 實(shí)驗(yàn)中使用了3個(gè)閱讀器,2個(gè)電子標(biāo)簽。主要對(duì)標(biāo)簽與閱讀器通信的誤碼率、閱讀器的通信距離兩方面進(jìn)行了測(cè)試。另外根據(jù)MCU的數(shù)據(jù)處理速度,估算了閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽容量,綜合分析了單標(biāo)簽掃描次數(shù)與系統(tǒng)效率、標(biāo)簽容量之間的關(guān)系。
 經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),標(biāo)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(guān)系, NRF2401在2 400 MHz~2 570 MHz之間共有157個(gè)頻點(diǎn)可供選擇,選擇適當(dāng)?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(cè)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(biāo)簽之間距離的增大而逐漸升高;在相同距離下,當(dāng)NRF2401的中心頻率選擇在2 450 MHz附近時(shí),誤碼率較高,在偏離2 450 MHz時(shí),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(diǎn)的尾數(shù)要盡可能的精確,這樣可以大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率。這主要是在ISM頻段,WLAN、Bluetooth、Zigbee等設(shè)備的工作頻率都集中在2 450 MHz附近,相互之間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。因此,設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用時(shí),需要首先測(cè)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避免外界的電磁干擾,以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。
 實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)試了閱讀器在不同接收功率下,系統(tǒng)的最大通信距離。
 圖6是電子標(biāo)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(shí),標(biāo)簽與閱讀器的有效通信距離。經(jīng)測(cè)試,在定向天線方向性最優(yōu)的情況下,系統(tǒng)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(tǒng)中閱讀器使用的是12 MHz的晶振,經(jīng)測(cè)試,在閱讀器范圍內(nèi),單標(biāo)簽單次掃描時(shí)間為32 ms,為了避免因外界干擾及系統(tǒng)誤報(bào)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(duì)同一個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行多次掃描,只有成功掃描達(dá)到一定次數(shù)以后才會(huì)進(jìn)行數(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(biāo)簽容量。假設(shè)標(biāo)簽與閱讀器的有效通信距離為S,攜帶標(biāo)簽的移動(dòng)目標(biāo)的移動(dòng)速度為V,閱讀器單標(biāo)簽掃描的時(shí)間間隔為T,單標(biāo)簽掃描次數(shù)為N,則可以估算出閱讀器識(shí)別范圍內(nèi)的標(biāo)簽容量n的估算式為:

 根據(jù)閱讀器與標(biāo)簽的通信距離、單標(biāo)簽的掃描時(shí)間以及移動(dòng)目標(biāo)的移動(dòng)速度,可以推導(dǎo)出標(biāo)簽掃描次數(shù)N、標(biāo)簽容量n及系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率三者之間的關(guān)系,仿真曲線如圖7所示。


  圖7是在標(biāo)簽發(fā)射功率為0 dBm、閱讀器接收功率為-20 dBm、,移動(dòng)目標(biāo)的速度為1 m/s的情況下,標(biāo)簽掃描次數(shù)與標(biāo)簽容量及系統(tǒng)效率的關(guān)系圖。由圖可知,隨著單標(biāo)簽掃描次數(shù)的增大,閱讀器的正確識(shí)別率隨之提高,而最大可識(shí)別標(biāo)簽數(shù)卻急劇下降。在掃描次數(shù)為4~6次時(shí),標(biāo)簽容量和系統(tǒng)識(shí)別效率都可以達(dá)到一個(gè)相對(duì)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(biāo)簽容量和系統(tǒng)誤碼率,折衷設(shè)定一定的標(biāo)簽掃描次數(shù),才能使系統(tǒng)性能最優(yōu)化。
    在高速發(fā)展的信息時(shí)代,射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用正滲透各個(gè)領(lǐng)域,要應(yīng)用于各種復(fù)雜的工作環(huán)境,其信息的安全可靠傳輸是人們所關(guān)注的熱點(diǎn)。本文對(duì)2.4 GHz頻段下的RFID" title="RFID" target="_blank">RFID進(jìn)行研究和應(yīng)用實(shí)驗(yàn),較好地解決了系統(tǒng)頻率、標(biāo)簽掃描、標(biāo)簽容量和識(shí)別效率的關(guān)系,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,適用性較強(qiáng),采用這種模式建立的RFID網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠,通信效率高。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于城市公交、地鐵等運(yùn)營系統(tǒng)的監(jiān)控管理,也可以應(yīng)用于物流、礦井人員管理等多標(biāo)簽識(shí)別的場(chǎng)合。
參考文獻(xiàn)
[1]  劉寶杰,許勇,李柏.RFID技術(shù)在倉儲(chǔ)管理中的應(yīng)用[J]. 技術(shù)與創(chuàng)新管理,2007,28(1):90-93.
[2]  張益強(qiáng),鄭銘,張其善.遠(yuǎn)距離無源射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].遙測(cè)遙控, 2004,25(4):45-49.
[3]  游戰(zhàn)清,李蘇劍.無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)理論與應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2004:29-32,70-71.
[4]  全晶.射頻識(shí)別系統(tǒng)中若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].上海:華東師范大學(xué)信息學(xué)院電子系,2006:53-56.
[5]  張宏海,劉志峰,王建華,等.RFID系統(tǒng)中識(shí)讀器的設(shè)計(jì)與研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(7-2):238-240.
[6]  FINKENZELLER K[德].射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)——無線電感應(yīng)的應(yīng)答器和非接觸IC卡的原理與應(yīng)用[M].
北京:電子工業(yè)出版社,2001:19-20,89-90,122-124.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。