一种基于RFID的移动目标监控系统的设计

　　摘   要： 以NRF2401和Atmega8L为硬件核心，设计了一个RFID监控系统，实现了复杂电磁环境下的移动目标跟踪监控。针对信号频率、标签容量、识别效率间的关系，从理论上进行描述和分析，结合单片机的处理速度，对系统的标签容量进行了估算，得出了扫描次数、标签容量以及系统效率三者之间的关系；通过实验，对系统参数进行优化，得到阅读器在不同发射功率下的通信距离等相关数据，适当选择系统工作频率能较好地控制误码率，提高系统工作的可靠性。实验表明，在系统功率参数一定的条件下，单标签扫描次数与系统的识别效率和吞吐量存在一定关系，适当选择可使系统性能最优化。

　　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[1-2]。

　　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[3]。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

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　　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。

3  监控软件的开发

　　软件系统主要由三部分构成：数据库系统、地图编辑器、操作界面。软件界面的开发基于Visual Studio 2005，电子地图的二维显示框架主要使用了DirectX开发包。PC机通过RS232与主阅读器进行通信，获得的数据储存在基于Excel的数据库中。

　　电子地图信息系统的一大特点就是支持多场合的应用，为了提高软件的通用性，设计了辅助软件——地图编辑器，可以根据不同的应用场合，灵活地绘制、修改应用场景的地图。

　　通过对Excel的调用，完成数据的实时存储、查询调用功能，结果用数据表格和地图信息的方式进行显示。这样就可以对携带电子标签的移动目标进行实时的监控。

4 系统测试与结果分析

　　实验中使用了3个阅读器，2个电子标签。主要对标签与阅读器通信的误码率、阅读器的通信距离两方面进行了测试。另外根据MCU的数据处理速度，估算了阅读器识别范围内的标签容量，综合分析了单标签扫描次数与系统效率、标签容量之间的关系。

　　经测试发现，标签与阅读器数据传输的误码率与NRF2401芯片的工作频率选择有很大关系， NRF2401在2 400 MHz~2 570 MHz之间共有157个频点可供选择，选择适当的中心频率可以降低系统误码率，提高数据的传输效率。测试结果如图5所示。

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　　由图5可知，在某一固定频率下，数据传输的误码率随着阅读器和标签之间距离的增大而逐渐升高；在相同距离下，当NRF2401的中心频率选择在2 450 MHz附近时，误码率较高，在偏离2 450 MHz时，误码率较低。另外，为了降低误码率保证数据的传输效率，中心频率点的尾数要尽可能的精确，这样可以大大降低数据传输的误码率。这主要是在ISM频段，WLAN、Bluetooth、Zigbee等设备的工作频率都集中在2 450 MHz附近,相互之间会产生严重的干扰。因此，设备在实际应用时，需要首先测试该环境下的空间电磁频谱分布情况，采用合适的中心频率尽量避免外界的电磁干扰，以提高系统的数据传输效率。

　　实验中分别测试了阅读器在不同接收功率下，系统的最大通信距离。

　　图6是电子标签接发射率为0 dBm，阅读器的接收功率分别为0 dBm、-5 dBm、-10 dBm、-20 dBm时，标签与阅读器的有效通信距离。经测试，在定向天线方向性最优的情况下，系统最大通信距离为33 m。这与公式(1)描述的2.45 GHz短距离无线通信的路径损耗模型基本吻合：

　　系统中阅读器使用的是12 MHz的晶振，经测试，在阅读器范围内，单标签单次扫描时间为32 ms，为了避免因外界干扰及系统误报造成的误判，阅读器采用固定门限值多次判别的方法来提高系统的可靠性。阅读器对同一个标签进行多次扫描，只有成功扫描达到一定次数以后才会进行数据采集，这样提高了系统的可靠性，但降低了阅读器范围内的标签容量。假设标签与阅读器的有效通信距离为S，携带标签的移动目标的移动速度为V,阅读器单标签扫描的时间间隔为T，单标签扫描次数为N,则可以估算出阅读器识别范围内的标签容量n的估算式为：

　　根据阅读器与标签的通信距离、单标签的扫描时间以及移动目标的移动速度，可以推导出标签扫描次数N、标签容量n及系统数据传输效率三者之间的关系，仿真曲线如图7所示。

　　图7是在标签发射功率为0 dBm、阅读器接收功率为-20 dBm、，移动目标的速度为1 m/s的情况下，标签扫描次数与标签容量及系统效率的关系图。由图可知，随着单标签扫描次数的增大，阅读器的正确识别率随之提高，而最大可识别标签数却急剧下降。在扫描次数为4~6次时，标签容量和系统识别效率都可以达到一个相对合理的值。因此，在接收功率和发射功率一定的情况下，要综合考虑标签容量和系统误码率，折衷设定一定的标签扫描次数，才能使系统性能最优化。

　　在高速发展的信息时代，射频识别技术应用正渗透各个领域，要应用于各种复杂的工作环境，其信息的安全可靠传输是人们所关注的热点。本文对2.4 GHz频段下的RFID进行研究和应用实验,较好地解决了系统频率、标签扫描、标签容量和识别效率的关系，系统运行稳定可靠，适用性较强，采用这种模式建立的RFID网络稳定可靠，通信效率高。该系统可以应用于城市公交、地铁等运营系统的监控管理,也可以应用于物流、矿井人员管理等多标签识别的场合。

参考文献

　　[1]  刘宝杰，许勇，李柏.RFID技术在仓储管理中的应用[J]. 技术与创新管理，2007,28(1):90-93.

　　[2]  张益强,郑铭,张其善.远距离无源射频识别系统设计[J].遥测遥控, 2004,25(4):45-49.

　　[3]  游战清，李苏剑.无线射频识别技术(RFID)理论与应用[M]. 北京:电子工业出版社，2004:29-32，70-71.

　　[4]  全晶.射频识别系统中若干关键技术的研究[D].上海：华东师范大学信息学院电子系,2006:53-56.

　　[5]  张宏海，刘志峰，王建华，等.RFID系统中识读器的设计与研究[J]. 微计算机信息，2006,22(7-2):238-240.

　　[6]  FINKENZELLER K[德].射频识别（RFID）技术——无线电感应的应答器和非接触IC卡的原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001:19-20，89-90，122-124.