基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 概述

　　射頻識(shí)別(Radio Frequency IDentification, RFID)技術(shù)是利用感應(yīng)、無(wú)線電波或微波能量進(jìn)行非接觸雙向通信，實(shí)現(xiàn)以識(shí)別和交換數(shù)據(jù)為目的的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。電子標(biāo)簽是完成射頻識(shí)別功能的主要部件，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式不同，RFID 可分為2 類，即有源RFID 和無(wú)源RFID。無(wú)源RFID 的電子標(biāo)簽上不帶電池，其工作所需要的全部電源都依靠轉(zhuǎn)換接收到的閱讀器發(fā)送的電磁波而獲得，有效距離較短。與之相反，有源RFID 的電子標(biāo)簽自身具備電池，可提供全部器件工作的電源，因此，相應(yīng)閱讀器的發(fā)射功率要求不高，有效閱讀距離也比前者大大增加[1]。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外興起的一個(gè)多學(xué)科研究熱點(diǎn)，目前國(guó)外已出現(xiàn)了多種原型系統(tǒng)。盡管有些技術(shù)可以應(yīng)用于有源RFID，但有源RFID 在應(yīng)用中一般都要求在不更換電池的條件下能工作數(shù)年，這對(duì)有源RFID 的能耗提出了較高要求。本文基于傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)，在降低有源RFID功耗方面做了一些嘗試，提出了能超低功耗工作的有源RFID系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2 種通信頻率，低頻通信利用Atmel 公司ATA5275/5282 完成，工作于100 kHz~125 kHz 頻段;高頻利用了瑞士ChipCon 公司的低成本通信芯片CC2420 完成，工作于國(guó)際通用的2.4 GHz ISM 頻段。整個(gè)模塊的軟件基于TinyOS 操作系統(tǒng)[2]。

　　2 硬件構(gòu)成

　　如圖 1 所示，該RFID 模塊與讀寫器配合使用，它們都由2 個(gè)通信單元構(gòu)成，即高頻通信單元和低頻通信單元，2 個(gè)單元均由同一片ATMega128 來(lái)控制。低頻線圈驅(qū)動(dòng)芯片采用Atmel 公司的ATA5275 和ATA5282，這2 款芯片是Atmel公司專門為胎壓檢測(cè)系統(tǒng)(Tire Pressure Measurement, TPMS)而設(shè)計(jì)的低頻通信芯片，載波頻率為100 kHz~125 kHz[3-5]。高頻通信部分采用了瑞士ChipCon 公司的低成本通信芯片CC2420 完成，這款芯片符合IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，工作于ISM的2.4 GHz 頻段，有效通信距離可達(dá)上百米。

　　圖 1 RFID 與讀寫器的硬件構(gòu)成

　　讀寫器端的低頻通信利用ATA5275 與線圈形成低頻電磁場(chǎng)來(lái)完成。讀寫器發(fā)出的125 kHz 載波信號(hào)可激活RFID端的ATA5282，并且數(shù)據(jù)也可以被調(diào)制在低頻磁場(chǎng)中發(fā)送。RFID 端的低頻通信由ATA5282 完成。ATA5282 可三向感知讀寫器發(fā)出的低頻電磁場(chǎng)，待機(jī)電流為2 μA，激活時(shí)電流也僅為4 μA。ATA5282 與ATMega128 通過(guò)兩線接口連接，NSCL 腳連接到ATMega128 的一個(gè)I/O 端口，DATA 腳連接到ATMega128 的外部中斷腳。在不需要通信時(shí)，ATMega128與 CC2420 均處于低功能的休眠狀態(tài)。ATMega1288 工作于省電模式，工作電流為微安級(jí)，當(dāng)讀寫器需要與RFID 通信時(shí)。首先由讀寫器發(fā)出低頻信號(hào)。ATA5282 自動(dòng)檢測(cè)ATA5275 發(fā)出的低頻信號(hào)，如果檢測(cè)到有效的前導(dǎo)碼和報(bào)頭則能以外部中斷的方式喚醒控制器ATMega128。讀寫器隨后可以利用低頻磁場(chǎng)向RFID 寫入少量用于識(shí)別讀寫器的數(shù)據(jù)。在完成低頻通信后，讀寫器就可以利用高頻通信與特定RFID 完成高速數(shù)據(jù)交換。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　本文使用 TinyOS 操作系統(tǒng)建立有源RFID 及讀寫器的軟件。TinyOS 是美國(guó)加州大學(xué)Berkeley 分校專門為傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)。它由C 語(yǔ)言的變體NesC 來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)操作系統(tǒng)的核心部分僅需要396 Byte 的存儲(chǔ)空間。由于采用事件驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，TinyOS 提供了良好的編程框架及組件庫(kù)。應(yīng)用程序由TinyOS 自帶的組件和用戶根據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的組件構(gòu)成。用戶只需利用配件(Configuration)將應(yīng)用組件與所需的服務(wù)組件連接起來(lái)即可。整個(gè)程序的任務(wù)調(diào)度由TinyOS 調(diào)度器完成。

　　本文在 TinyOS 的框架上完成RFID 的軟件，如圖 2 所示。高頻通信利用了TinyOS 中已有的組件。ATMega128 通過(guò)SPI 總線讀寫CC2420 的RAM，數(shù)據(jù)通信率為250 Kb/s。

　　圖2 有源RFID 程序結(jié)構(gòu)

　　3.1 低頻接口設(shè)計(jì)

　　在 TinyOS 的模塊化程序結(jié)構(gòu)中，必須首先定義模塊所能提供的外部接口。在讀定器端，本文設(shè)計(jì)了HPLATA5275軟件模塊，在RFID 端，設(shè)計(jì)了HPLATA5282 軟件模塊。這2 個(gè)軟件模塊均提供StdControl 接口，用來(lái)完成芯片狀態(tài)配置及定時(shí)器的開(kāi)關(guān)等動(dòng)作。

　　HPLATA5275 模塊提供了ATA5275 接口，該接口主要提供以下命令：

　　command result_t Send(uint8_t length, uint8_t *data)

　　這個(gè)命令的功能是利用低頻磁場(chǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)。length 參數(shù)給出了發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，data 指針指向發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址。如果發(fā)送成功，則返回SUCCESS。

　　HPLATA5282 模塊提供了ATA5282 接口，這個(gè)接口負(fù)責(zé)處理Wakeup 和Receive 兩個(gè)事件：

　　(1)async event result_t Wakeup()，該事件表明ATA5282接收到正確的前導(dǎo)和頭部信息而被激活;

　　(2)result_t event Receive(uint8_t *data, uint8_t len, uint8_tsuccess)，該事件用于接收到1 個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。其中，data存放接收到的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的首地址;len 為接收到的數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，success 表明接收到的數(shù)據(jù)是否正確。

　　3.2 低頻通信流程

　　圖 3 給出了低頻信號(hào)的發(fā)送和接收過(guò)程。最上面的波形為控制器發(fā)出的用于驅(qū)動(dòng)ATA5275 的電平信號(hào);中間的波形為低頻載波驅(qū)動(dòng)信號(hào);最下面的波形為ATA5282 的輸出信號(hào)。在收發(fā)過(guò)程中使用ATMega128 內(nèi)部的16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器T/C3 完成精確定時(shí)功能。

　　圖3 低頻信號(hào)收發(fā)過(guò)程

　　發(fā)送端狀態(tài)機(jī)如圖 4 所示。為激活A(yù)TA5282，ATA5275首先要發(fā)送有效的前導(dǎo)和頭部信息。前導(dǎo)碼和報(bào)文頭部需要一段低電平保持時(shí)間(startgap)。在發(fā)送完報(bào)頭后，再保持一段同步時(shí)間(sync)后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)。本文在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)采用了曼徹斯特編碼。

　　圖 4 ATA5275 發(fā)送狀態(tài)機(jī)

　　圖 5 為ATA5282 的接收狀態(tài)機(jī)，ATA5282 芯片可自動(dòng)檢測(cè)前導(dǎo)碼和報(bào)頭，因此，接收端的狀態(tài)機(jī)比發(fā)送狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)單，從IDLE 直接進(jìn)入SYNC 狀態(tài)，在這一狀態(tài)中，ATA5282 將通過(guò)輸出端的低電平喚醒與之相連的控制器。之后如果需要，ATA5282 將按照事先確定好的編碼方式接收并解析收到的低頻數(shù)據(jù)。

　　圖 5 ATA5282 接收狀態(tài)機(jī)

　　4 測(cè)試與分析

　　本文對(duì)該有源 RFID 系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，讀寫器與有源RFID 的低頻通信有效距離可達(dá)2 m 左右，而高頻通信的有效距離可達(dá)100 m 左右。在休眠狀態(tài)下，模塊待機(jī)所消耗的電流僅為20 μA。在高頻通信狀態(tài)下，模塊所消耗的電流增加了1 000 倍。因此，假如由一個(gè)2 000 mAh的電池供電，該有源RFID 模塊在待機(jī)狀態(tài)下可工作10 年以上，在持續(xù)高頻通信狀態(tài)下，可工作70 h 以上。但由于在實(shí)際應(yīng)用中，高頻通信所用時(shí)間極短，有源RFID 大部分時(shí)間工作電流處于微安級(jí)，因此本文設(shè)計(jì)的有源RFID 預(yù)計(jì)仍可工作5 年~10 年。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　有源射頻識(shí)別系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)中有廣泛的應(yīng)用需求。本文利用可完成高頻及低頻通信的芯片設(shè)計(jì)了可超低功耗工作的有源射頻識(shí)別系統(tǒng)，基于TinyOS 操作系統(tǒng)建立的低頻通信部分軟件簡(jiǎn)單可靠。該系統(tǒng)在汽車胎壓監(jiān)測(cè)、貴重物品管理等應(yīng)用中具有較高應(yīng)用價(jià)值。