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基于RFID物品防盜系統的設計方式論文
1 前言
射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術是通過無線射頻方式傳輸和獲取相關數據，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，可實現運動目標識別、多目標識別，其突出優點是環境適應性強，能夠穿透非金屬材質，數據存儲量大，抗干擾能力強。目前已廣泛用于學校、公共交通、門禁、物流、醫療等領域，已成為21世紀最熱門的技術之一[1]。
典型的RFID系統由電子標簽、閱讀器、應用系統等組成，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備重新寫入信息，來實現標簽的重復利用[2]。
現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現。因此如果有一套系統將這些物品管理起來，當物品脫離系統范圍就發出報警，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 系統設計及實現
本系統設計的思路是將要管理的物品貼上無源電子標簽，設計一個易攜帶、低功耗的閱讀器來管理這些標簽從而實現防盜。因系統采用電池供電，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，系統框圖如圖1所示。
AS3991是奧地利微系統公司研制的一款用于超高頻(860MHz～960MHz)RFID閱讀器的專用芯片，內部集成了射頻的發射與接收，支持 EPC Class1 GEN2協議，但芯片對ISO18000-6A/B協議的支持并不完全，只能直接串行輸出碼流，因此解碼與校驗必須由MCU完成[3]。AS3991內部可輸出最高為0dBm左右的已調射頻載波信號，這一功率遠遠不夠驅動遠距離的無源標簽，需增加外部功放電路來提高發射功率。功放芯片采用RF5110G，其典型工作頻率為800-950MHz，還可以通過調整控制電壓來改變輸出功率。因為射頻部分的電路設計復雜且要求較高，系統采用已設計好的閱讀器電路，只留有電源接口及數據接口。通過控制器GPIO就可以實現對閱讀器的編程及數據收發，電路原理圖如圖2所示。
系統采用超高頻(UHF)閱讀器及標簽，是因為其可以實現遠距離傳輸，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[4]。該系統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，當標簽不在系統的閱讀范圍內，則可以發出聲音報警的功能，提醒主人。還可以通過搜索的功能在系統閱讀范圍內尋找指定的在冊的標簽，若發現，則發出聲音提醒。
系統有三大主要功能：
�、抛詷撕灩δ�。將重要物品貼上電子標簽，將撥動開關撥到注冊端，這時系統就啟動了注冊功能，此時的閱讀器發射功率低，只能激發厘米級范圍內的標簽，近距離可以避免在公共場所內搜索到附近他人的標簽。此時系統掃描到電子標簽，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，其保存的數據在掉電后不會丟失。
�、茦撕灧辣I功能。將撥動開關撥到防盜端，系統即啟動防盜功能，此時的閱讀器發射功率較高，閱讀距離可達1米左右。系統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，系統會發出報警聲，提醒主人;若在掃描過程中發現所有的標簽都在閱讀范圍內，系統轉為睡眠模式，以便節電。一段時間后，系統通過定時喚醒進行下一輪的掃描。
⑶搜索標簽功能。當系統發現標簽不在閱讀范圍內時發出報警。用戶可以檢查物品是否丟失，若發現真的不見了，用戶可以按下搜索按鈕，此時系統的發射功率又可以增強，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構成一套主從設備，由MSP430控制完成與AS3991的通信。AS3991內部已嵌入了對EPC GEN2協議的支持，集成了很多直接命令，用戶只需直接調用相應的代碼就可以了。軟件流程圖如圖3所示。
系統軟件的設計除了要實現對標簽的讀取外，還要實現兩個功能，第一，通過軟件控制閱讀器的發射功率，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 控制發射功率
系統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到閱讀器發射天線的功率與標簽接收天線獲得的功率之差。因此應先做件鏈路預算的工作，包括前向鏈路與反向鏈路兩個方向的預算，確保標簽與閱讀器能在指定距離處穩定通信[5]。因為系統有三種不同閱讀距離，單靠硬件來實現這種功能比較復雜，可以通過程序來控制硬件實現三種不同的發射功率，從而實現不同的閱讀距離。
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送信號的時候，必然會引起發送信號相互之間的沖突。因此在RFID系統中存在兩種類型的沖突：標簽沖突和閱讀器沖突[6]。而對于本系統來講，所管理的標簽數量不是很大，且標簽ID都是已知的，閱讀器要激活標簽時，只需發送指定的ID號就可以了。本系統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，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的重點。
閱讀器防沖突的方法有：基于控制閱讀器發射功率方法、基于時序的方法、基于載波偵聽方法以及其它方法[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，控制信道和數據信道。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;數據信道用于閱讀器和標簽之間的通信�？刂菩诺朗钦麄�RFID系統頻段的一部分，控制信道和數據信道相互之間不會產生干擾[6]。
4 結束語
本設計采用超低功耗的MSP430為主控制芯片，以超高頻RFID為技術手段設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保護，或者直接將超高頻射頻卡作為保護的對象。該系統可以程控閱讀距離實現不同的功能，系統多數時間處于休眠模式，真正實現低功耗。該系統的不足之處是沒能實現標簽的通用性，尤其是不能識別身份證、門禁系統等常用的高頻(13.56MHz)射頻卡。
[參考文獻]
[1]孫曄，王艷秋.RFID射頻識別技術及應用[J].電大理工.2009，(01)：12-14.
[2]趙斌，張紅雨.RFID技術的應用及發展[J].電子設計工程.2010，18(10)：123-126.
[3]郭曉峰.UHF RFID閱讀器芯片功率放大器設計[D].北京：北京交通大學.2009.
[4]游戰清，劉克勝，吳翔.無線射頻識別(RFID)與條碼技術[M].北京：機械工業出版社.2006.
[5]佐磊，何怡剛，李兵，等.無源超高頻射頻識別系統路徑損耗研究[J].物理學報.2013，62(14)：150-157.
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