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基于RFID物品防盜系統(tǒng)的設(shè)計方式的論文
1 前言
射頻識別RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)是通過無線射頻方式傳輸和獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并對物體加以識別。RFID解決了無源（卡中無電源）和免接觸兩大難題，可實現(xiàn)運動目標識別、多目標識別，其突出優(yōu)點是環(huán)境適應(yīng)性強，能夠穿透非金屬材質(zhì)，數(shù)據(jù)存儲量大，抗干擾能力強。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世紀最熱門的技術(shù)之一。
典型的RFID系統(tǒng)由電子標簽、閱讀器、應(yīng)用系統(tǒng)等組成，電子標簽有主動標簽、半主動標簽與被動標簽之分，電子標簽有著全球唯一的電子編碼，且有一定的存儲空間，可以存儲所標識物體的一些信息。電子標簽可通過讀寫設(shè)備重新寫入信息，來實現(xiàn)標簽的重復(fù)利用。
現(xiàn)如今人們出門在外通常會攜帶一些必備物品，手機、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給人們帶來不便甚至會造成損失；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，當物品脫離系統(tǒng)范圍就發(fā)出報警，這樣人們就會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)計及實現(xiàn)
本系統(tǒng)設(shè)計的思路是將要管理的物品貼上無源電子標簽，設(shè)計一個易攜帶、低功耗的閱讀器來管理這些標簽從而實現(xiàn)防盜。因系統(tǒng)采用電池供電，對低功耗要求比較嚴格，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，因此解碼與校驗必須由MCU完成。AS3991內(nèi)部可輸出最高為0dBm左右的已調(diào)射頻載波信號，這一功率遠遠不夠驅(qū)動遠距離的無源標簽，需增加外部功放電路來提高發(fā)射功率。功放芯片采用RF5110G，其典型工作頻率為800-950MHz，還可以通過調(diào)整控制電壓來改變輸出功率。因為射頻部分的電路設(shè)計復(fù)雜且要求較高，系統(tǒng)采用已設(shè)計好的閱讀器電路，只留有電源接口及數(shù)據(jù)接口。通過控制器GPIO就可以實現(xiàn)對閱讀器的編程及數(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）閱讀器及標簽，是因為其可以實現(xiàn)遠距離傳輸，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。該系統(tǒng)可以將電子標簽進行注冊，然后將注冊在案的標簽進行保護，當標簽不在系統(tǒng)的閱讀范圍內(nèi)，則可以發(fā)出聲音報警的功能，提醒主人。還可以通過搜索的功能在系統(tǒng)閱讀范圍內(nèi)尋找指定的在冊的標簽，若發(fā)現(xiàn)，則發(fā)出聲音提醒。
系統(tǒng)有三大主要功能：
⑴注冊標簽功能。將重要物品貼上電子標簽，將撥動開關(guān)撥到注冊端，這時系統(tǒng)就啟動了注冊功能，此時的閱讀器發(fā)射功率低，只能激發(fā)厘米級范圍內(nèi)的標簽，近距離可以避免在公共場所內(nèi)搜索到附近他人的標簽。此時系統(tǒng)掃描到電子標簽，會與存儲器中的信息比較，如果是一個新的標簽，將會提示是否注冊，注冊成功后，標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器，其保存的數(shù)據(jù)在掉電后不會丟失。
⑵標簽防盜功能。將撥動開關(guān)撥到防盜端，系統(tǒng)即啟動防盜功能，此時的閱讀器發(fā)射功率較高，閱讀距離可達1米左右。系統(tǒng)會定時去掃描已被注冊的電子標簽，若在掃描過程中找不到某個標簽，系統(tǒng)會發(fā)出報警聲，提醒主人；若在掃描過程中發(fā)現(xiàn)所有的標簽都在閱讀范圍內(nèi)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為睡眠模式，以便節(jié)電。一段時間后，系統(tǒng)通過定時喚醒進行下一輪的掃描。
⑶搜索標簽功能。當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)標簽不在閱讀范圍內(nèi)時發(fā)出報警。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，此時系統(tǒng)的發(fā)射功率又可以增強，閱讀范圍可達到1-3米。這樣當標簽進入閱讀器范圍時，系統(tǒng)同樣會有聲音提示。這個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)計除了要實現(xiàn)對標簽的讀取外，還要實現(xiàn)兩個功能，第一，通過軟件控制閱讀器的發(fā)射功率，從而改變其閱讀距離；第二，標簽及閱讀器的防沖突問題。
3.1 控制發(fā)射功率
系統(tǒng)采用無源電子標簽作為信息載體，它只有靠接收到來自閱讀器的激發(fā)才能與閱讀器進行通信。閱讀器向標簽傳遞能量時存在路徑損耗，所謂路徑損耗是指傳輸?shù)介喿x器發(fā)射天線的功率與標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方向的預(yù)算，確保標簽與閱讀器能在指定距離處穩(wěn)定通信。因為系統(tǒng)有三種不同閱讀距離，單靠硬件來實現(xiàn)這種功能比較復(fù)雜，可以通過程序來控制硬件實現(xiàn)三種不同的發(fā)射功率，從而實現(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）來控制DAC端的輸出電壓，可以實現(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，標簽和閱讀器之間的通信是通過共享的無線信道進行的，在多個閱讀器或者多個標簽同時發(fā)送信號的時候，必然會引起發(fā)送信號相互之間的沖突。因此在RFID系統(tǒng)中存在兩種類型的沖突：標簽沖突和閱讀器沖突。而對于本系統(tǒng)來講，所管理的標簽數(shù)量不是很大，且標簽ID都是已知的，閱讀器要激活標簽時，只需發(fā)送指定的ID號就可以了。本系統(tǒng)面臨的沖突問題可能是閱讀器的沖突，因為閱讀器是每個人都隨身攜帶，且其閱讀距離有些近，容易造成在某一個小范圍內(nèi)，同一個標簽處于好幾個閱讀器的閱讀范圍，尤其在擁擠的公交車等公共場所，因此解決閱讀器的沖突是本系統(tǒng)的重點。
閱讀器防沖突的方法有：基于控制閱讀器發(fā)射功率方法、基于時序的方法、基于載波偵聽方法以及其它方法。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偵聽是否有閱讀器在工作；數(shù)據(jù)信道用于閱讀器和標簽之間的通信。控制信道是整個RFID系統(tǒng)頻段的一部分，控制信道和數(shù)據(jù)信道相互之間不會產(chǎn)生干擾。
4 結(jié)束語
本設(shè)計采用超低功耗的MSP430為主控制芯片，以超高頻RFID為技術(shù)手段設(shè)計了一套隨身物品防盜系。用戶只需將要保護的物品貼上超高頻電子標簽就可以被系統(tǒng)保護，或者直接將超高頻射頻卡作為保護的對象。該系統(tǒng)可以程控閱讀距離實現(xiàn)不同的功能，系統(tǒng)多數(shù)時間處于休眠模式，真正實現(xiàn)低功耗。該系統(tǒng)的不足之處是沒能實現(xiàn)標簽的通用性，尤其是不能識別身份證、門禁系統(tǒng)等常用的高頻（13.56MHz）射頻卡。
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