一種基于RFID的移動目標監(jiān)控系統(tǒng)的設計

隨著無線通信技術的發(fā)展，基于位置的服務受到越來越多的關注。無線定位及監(jiān)控技術以其高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，顯現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應用空間。目前，無線監(jiān)控、定位系統(tǒng)的具體應用主要集中在物流供應、交通領域、工業(yè)生產(chǎn)、礦井管理和公共管理領域，如井下人員監(jiān)控系統(tǒng)、城市公交管理系統(tǒng)、動物野外活動定位系統(tǒng)等[1-2]。
射頻識別技術覆蓋了整個UHF頻段，工作頻率可選擇433 MHz、868/915 MHz和2.45 GHz，且具有非視距、非接觸式的特點[3]。考慮到多徑效應和室內定位技術的特點，本文提出一種基于2.45 GHz的有源射頻識別系統(tǒng)的方案。參考ISO18000-7標準對系統(tǒng)通信協(xié)議進行了規(guī)劃，設計了硬件系統(tǒng)和基于C++的上位機及電子地圖系統(tǒng),在實驗室環(huán)境下對系統(tǒng)標簽掃描、標簽容量和識別效率進行了優(yōu)化和改善，使系統(tǒng)的可靠性和適用性得到了增強。
1 系統(tǒng)設計方案
1.1 復用段保護環(huán)點對多點系統(tǒng)
系統(tǒng)由一臺中央監(jiān)控設備（主閱讀器）和一系列遠程終端設備（從閱讀器）構成了點對多點的多任務無線通信系統(tǒng)。主閱讀器與從閱讀器，以及各從閱讀器之間通過雙絞線進行連接， 從閱讀器可以作為一個數(shù)據(jù)中轉站，起到暫存數(shù)據(jù)和距離延伸的作用，各個中轉站之間以單向通信方式進行數(shù)據(jù)傳遞。各從閱讀器由主閱讀器通過雙絞線進行遠程供電，簡化了系統(tǒng)結構，降低了成本。為了保證數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)供電的可靠性，各從閱讀器之間組成了一個復用段環(huán)狀結構，這種結構較鏈狀結構的可靠性有大幅度的提高。
1.2 硬件平臺
系統(tǒng)的硬件平臺主要包括主閱讀器和從閱讀器兩部分[4]。從閱讀器負責從標簽讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包處理后逐次傳遞，發(fā)給主閱讀器，最后送到PC主機?？紤]到室內定位所要求的通信距離、發(fā)射功率、成本以及功耗等，這里選擇有源電子標簽進行系統(tǒng)構建。閱讀器和電子標簽的基本構成包括微控制模塊、射頻模塊、電源及外圍電路等[5]。為了滿足系統(tǒng)設計所要求的收發(fā)穩(wěn)定、信號檢測靈敏度高以及低發(fā)射功率等要求，本系統(tǒng)選擇了NRF2401無線傳輸芯片和以Atmega8L為主的微控制模塊。
　　控制單元由MCU和編碼電路構成，主要完成以下任務：①與應用系統(tǒng)軟件PC端進行通信并執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)來的指令;②控制電子標簽的通信過程;③信號的編碼與解碼;④執(zhí)行反碰撞算法;⑤對電子標簽與閱讀器之間要傳送的數(shù)據(jù)進行加密和解密;⑥進行讀寫器和電子標簽之間的身份驗證。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖2為單元系統(tǒng)硬件平臺模塊，系統(tǒng)具有工作狀態(tài)指示和電源控制、移動目標位置識別、信息監(jiān)控等功能，查詢互控性較好。

2 系統(tǒng)通信協(xié)議的規(guī)劃
為了保證閱讀器與電子標簽通信的穩(wěn)定性，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，本方案依?jù)協(xié)議ISO/IEC18000-7對系統(tǒng)通信協(xié)議進行了規(guī)劃。
2.1通信協(xié)議的格式
　系統(tǒng)采用的NRF2401芯片有兩種收發(fā)模式，分別是突發(fā)模式和直接模式，這里采用突發(fā)模式。在突發(fā)模式下，NRF2401使用片內先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)可低速從微控制器輸入并高速發(fā)射出去。NRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼，即在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時， 一旦檢測到符合本機硬件地址的數(shù)據(jù)幀，便自動將字頭和CRC碼移除。突發(fā)模式下具體數(shù)據(jù)幀格式如表1所示，表2、表3為閱讀器與標簽之間的數(shù)據(jù)通信格式。