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基于RFID物品防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式論文
1 前言
射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)技術(shù)是通過(guò)無(wú)線射頻方式傳輸和獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)物體加以識(shí)別。RFID解決了無(wú)源(卡中無(wú)電源)和免接觸兩大難題，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別，其突出優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能夠穿透非金屬材質(zhì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，抗干擾能力強(qiáng)。目前已廣泛用于學(xué)校、公共交通、門禁、物流、醫(yī)療等領(lǐng)域，已成為21世紀(jì)最熱門的技術(shù)之一[1]。
典型的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、閱讀器、應(yīng)用系統(tǒng)等組成，電子標(biāo)簽有主動(dòng)標(biāo)簽、半主動(dòng)標(biāo)簽與被動(dòng)標(biāo)簽之分，電子標(biāo)簽有著全球唯一的電子編碼，且有一定的存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)所標(biāo)識(shí)物體的一些信息。電子標(biāo)簽可通過(guò)讀寫設(shè)備重新寫入信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的重復(fù)利用[2]。
現(xiàn)如今人們出門在外通常會(huì)攜帶一些必備物品，手機(jī)、平板電腦、錢包及各種卡片，如信用卡、身份證、公交卡等。這些物品基本上是日常生活離不開的，更有一些物品是集多功能于一身的。但若出門忘帶或者不小心丟失這些東西則會(huì)給人們帶來(lái)不便甚至?xí)斐蓳p失;還有一些貴重物品趨于袖珍化，被不法分子順走也不易被發(fā)現(xiàn)。因此如果有一套系統(tǒng)將這些物品管理起來(lái)，當(dāng)物品脫離系統(tǒng)范圍就發(fā)出報(bào)警，這樣人們就會(huì)很輕松地管理隨身物品，為防盜提供可靠保障。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是將要管理的物品貼上無(wú)源電子標(biāo)簽，設(shè)計(jì)一個(gè)易攜帶、低功耗的閱讀器來(lái)管理這些標(biāo)簽從而實(shí)現(xiàn)防盜。因系統(tǒng)采用電池供電，對(duì)低功耗要求比較嚴(yán)格，因此采用超低功耗的MSP430芯片作為主控芯片，閱讀器芯片采用AS3991，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
AS3991是奧地利微系統(tǒng)公司研制的一款用于超高頻(860MHz～960MHz)RFID閱讀器的專用芯片，內(nèi)部集成了射頻的發(fā)射與接收，支持 EPC Class1 GEN2協(xié)議，但芯片對(duì)ISO18000-6A/B協(xié)議的支持并不完全，只能直接串行輸出碼流，因此解碼與校驗(yàn)必須由MCU完成[3]。AS3991內(nèi)部可輸出最高為0dBm左右的已調(diào)射頻載波信號(hào)，這一功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)距離的無(wú)源標(biāo)簽，需增加外部功放電路來(lái)提高發(fā)射功率。功放芯片采用RF5110G，其典型工作頻率為800-950MHz，還可以通過(guò)調(diào)整控制電壓來(lái)改變輸出功率。因?yàn)樯漕l部分的電路設(shè)計(jì)復(fù)雜且要求較高，系統(tǒng)采用已設(shè)計(jì)好的閱讀器電路，只留有電源接口及數(shù)據(jù)接口。通過(guò)控制器GPIO就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閱讀器的編程及數(shù)據(jù)收發(fā)，電路原理圖如圖2所示。
系統(tǒng)采用超高頻(UHF)閱讀器及標(biāo)簽，是因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，也具有一定的穿透性，而常用到的高頻(13.56MHz)只有幾厘米到十幾厘米的作用距離[4]。該系統(tǒng)可以將電子標(biāo)簽進(jìn)行注冊(cè)，然后將注冊(cè)在案的標(biāo)簽進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)標(biāo)簽不在系統(tǒng)的閱讀范圍內(nèi)，則可以發(fā)出聲音報(bào)警的功能，提醒主人。還可以通過(guò)搜索的功能在系統(tǒng)閱讀范圍內(nèi)尋找指定的在冊(cè)的標(biāo)簽，若發(fā)現(xiàn)，則發(fā)出聲音提醒。
系統(tǒng)有三大主要功能：
⑴注冊(cè)標(biāo)簽功能。將重要物品貼上電子標(biāo)簽，將撥動(dòng)開關(guān)撥到注冊(cè)端，這時(shí)系統(tǒng)就啟動(dòng)了注冊(cè)功能，此時(shí)的閱讀器發(fā)射功率低，只能激發(fā)厘米級(jí)范圍內(nèi)的標(biāo)簽，近距離可以避免在公共場(chǎng)所內(nèi)搜索到附近他人的標(biāo)簽。此時(shí)系統(tǒng)掃描到電子標(biāo)簽，會(huì)與存儲(chǔ)器中的信息比較，如果是一個(gè)新的標(biāo)簽，將會(huì)提示是否注冊(cè)，注冊(cè)成功后，標(biāo)簽信息將保存在芯片24C08中。24C08是一種電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器，其保存的數(shù)據(jù)在掉電后不會(huì)丟失。
⑵標(biāo)簽防盜功能。將撥動(dòng)開關(guān)撥到防盜端，系統(tǒng)即啟動(dòng)防盜功能，此時(shí)的閱讀器發(fā)射功率較高，閱讀距離可達(dá)1米左右。系統(tǒng)會(huì)定時(shí)去掃描已被注冊(cè)的電子標(biāo)簽，若在掃描過(guò)程中找不到某個(gè)標(biāo)簽，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，提醒主人;若在掃描過(guò)程中發(fā)現(xiàn)所有的標(biāo)簽都在閱讀范圍內(nèi)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為睡眠模式，以便節(jié)電。一段時(shí)間后，系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)喚醒進(jìn)行下一輪的掃描。
⑶搜索標(biāo)簽功能。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽不在閱讀范圍內(nèi)時(shí)發(fā)出報(bào)警。用戶可以檢查物品是否丟失，若發(fā)現(xiàn)真的不見了，用戶可以按下搜索按鈕，此時(shí)系統(tǒng)的發(fā)射功率又可以增強(qiáng)，閱讀范圍可達(dá)到1-3米。這樣當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器范圍時(shí)，系統(tǒng)同樣會(huì)有聲音提示。這個(gè)功能可以為公安人員搜查盜竊嫌疑人提供手段。
3 軟件部分
MSP430與AS3991構(gòu)成一套主從設(shè)備，由MSP430控制完成與AS3991的通信。AS3991內(nèi)部已嵌入了對(duì)EPC GEN2協(xié)議的支持，集成了很多直接命令，用戶只需直接調(diào)用相應(yīng)的代碼就可以了。軟件流程圖如圖3所示。
系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)除了要實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的讀取外，還要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，第一，通過(guò)軟件控制閱讀器的發(fā)射功率，從而改變其閱讀距離;第二，標(biāo)簽及閱讀器的防沖突問(wèn)題。
3.1 控制發(fā)射功率
系統(tǒng)采用無(wú)源電子標(biāo)簽作為信息載體，它只有靠接收到來(lái)自閱讀器的激發(fā)才能與閱讀器進(jìn)行通信。閱讀器向標(biāo)簽傳遞能量時(shí)存在路徑損耗，所謂路徑損耗是指?jìng)鬏數(shù)介喿x器發(fā)射天線的功率與標(biāo)簽接收天線獲得的功率之差。因此應(yīng)先做件鏈路預(yù)算的工作，包括前向鏈路與反向鏈路兩個(gè)方向的預(yù)算，確保標(biāo)簽與閱讀器能在指定距離處穩(wěn)定通信[5]。因?yàn)橄到y(tǒng)有三種不同閱讀距離，單靠硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能比較復(fù)雜，可以通過(guò)程序來(lái)控制硬件實(shí)現(xiàn)三種不同的發(fā)射功率，從而實(shí)現(xiàn)不同的閱讀距離。
如圖2所示，Rf5100的ACP1與ACP2管腳的電壓可以控制PA的輸出增益。配置AS3991的8位寄存器(地址為0x18)來(lái)控制DAC端的輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)0～3.2V的變化，步階是：3.2/256=0.0125V。DAC端的可變電壓能夠控制PA的變化輸出。
3.2 防沖突算法
在RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽和閱讀器之間的通信是通過(guò)共享的無(wú)線信道進(jìn)行的，在多個(gè)閱讀器或者多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)發(fā)送信號(hào)的時(shí)候，必然會(huì)引起發(fā)送信號(hào)相互之間的沖突。因此在RFID系統(tǒng)中存在兩種類型的沖突：標(biāo)簽沖突和閱讀器沖突[6]。而對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)講，所管理的標(biāo)簽數(shù)量不是很大，且標(biāo)簽ID都是已知的，閱讀器要激活標(biāo)簽時(shí)，只需發(fā)送指定的ID號(hào)就可以了。本系統(tǒng)面臨的沖突問(wèn)題可能是閱讀器的沖突，因?yàn)殚喿x器是每個(gè)人都隨身攜帶，且其閱讀距離有些近，容易造成在某一個(gè)小范圍內(nèi)，同一個(gè)標(biāo)簽處于好幾個(gè)閱讀器的閱讀范圍，尤其在擁擠的公交車等公共場(chǎng)所，因此解決閱讀器的沖突是本系統(tǒng)的重點(diǎn)。
閱讀器防沖突的方法有：基于控制閱讀器發(fā)射功率方法、基于時(shí)序的方法、基于載波偵聽方法以及其它方法[7]。本文采用了基于載波偵聽的方法，其思想是：將通信信道分為兩部分，控制信道和數(shù)據(jù)信道。控制信道用于閱讀器之間的通信來(lái)偵聽是否有閱讀器在工作;數(shù)據(jù)信道用于閱讀器和標(biāo)簽之間的通信。控制信道是整個(gè)RFID系統(tǒng)頻段的一部分，控制信道和數(shù)據(jù)信道相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾[6]。
4 結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)采用超低功耗的MSP430為主控制芯片，以超高頻RFID為技術(shù)手段設(shè)計(jì)了一套隨身物品防盜系。用戶只需將要保護(hù)的物品貼上超高頻電子標(biāo)簽就可以被系統(tǒng)保護(hù)，或者直接將超高頻射頻卡作為保護(hù)的對(duì)象。該系統(tǒng)可以程控閱讀距離實(shí)現(xiàn)不同的功能，系統(tǒng)多數(shù)時(shí)間處于休眠模式，真正實(shí)現(xiàn)低功耗。該系統(tǒng)的不足之處是沒能實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的通用性，尤其是不能識(shí)別身份證、門禁系統(tǒng)等常用的高頻(13.56MHz)射頻卡。
[參考文獻(xiàn)]
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[3]郭曉峰.UHF RFID閱讀器芯片功率放大器設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué).2009.
[4]游戰(zhàn)清，劉克勝，吳翔.無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)與條碼技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2006.
[5]佐磊，何怡剛，李兵，等.無(wú)源超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)路徑損耗研究[J].物理學(xué)報(bào).2013，62(14)：150-157.
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