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1、港El装卸2008年第2期(总第178期)有 源 R F I D 系 统 中 电 子 标 签 的 设 计武 汉 理 工 大 学 物 流 工 程 学 院郑贤忠 曹小华 郑文立摘 要：重点介绍基于通用低功耗MSP430F20XX系列单片机和nRF24XX系列低功耗射频芯片的有源电子 标签的硬件设计、低功耗的实现以及防碰撞算法的解决思路。该有源电子标签适用于港口码头环境下的集装箱远 程自动识别，也可用于车辆出入信息采集与控制以及不停车收费系统等有远距离识别与控制需求的系统。关键词：有源RFID；防碰撞；低功耗；nRF24L01D e s i g n of E l e c t r o n i c Ta
2、 g s in Active R F I D S y s t e m sSchool of Logistics Engineering of Wuhan University of Technology Zheng Xianzhong Cao X i a o h u a Zheng wenliAbstract：This p a p e r focuses o n hardware design for the a c t i v e tags based o n the low power consumed single chip of M S P 4 3 0 F 2 0 X X series
3、 a n d the radio frequency chip of n R F 2 4 X X series，and the realization of low power consumption a n d t h e algorithm of anticollisionThese kinds of active tags c a n be u s e d a s automatic identification remotely for containers in the environment of the terminals，as well a s the s y s t e m
4、for r e m o t e identification a n d control s u c h a s in the information col lection a n d control for the vehicle transit a n d the toll gate in the c a s e of vehicle nonstoppingKeywords：Active RFID；anticollision；low p o w e r c o n s u m p t i o n；n R F 2 4 L 0 1别距离。1 硬 件 的 设 计射频识别(RFID)是一种非接触
5、式的自动识别 技术，它可以通过射频信号自动识别目标并获取所 需数据。有源RFID系统根据其有源电子标签是否 有接收有效信息功能可分为只读有源RFID系统和 可读写有源RFID系统，本文设计的有源电子标签 为只读型电子标签。只读有源RFID系统如图1所 示，阅读器不需要向电子标签供电，电子标签自带电图 1 只 读 有 源 R F I D 系 统池。有源电子标签又称为主动标签，当电子标签进入阅读器的工作范围后，电子标签主动地将存储的 有源电子标签主要由控制电路、射频电路以及 身份识别码(UID)以电磁波的形式传给阅读器。有 天线和电池组成。有源电子标签设计的难点在于低源电子标签始终处于激活状态，在
6、有效识别区域内 功耗和防碰撞算法的实现。由于有源电子标签需要和阅读器发射的射频微波相互作用，具有较远的识 内置电池给控制电路和射频电路供电，为了达到延2台空调同时出故障而影响岸桥正常作业的情况。(3)空调室外机的安装位置需注意，岸桥上安装 这也正是为什么要保证有足够容量的备用空调的原 位置尽量考虑防止阳光的直射。岸桥处于海边或江 因。3台空调轮换运行，可以使状态不佳的空调在 边，长期风速较高，会经常出现因风力较大而导致室 运行过程中被及时发现并安排维修。外机风扇堵转或反转。这些都是导致空调故障高发以下是空调系统的管理和维护要点：的原因，所以安装适当的遮阳板和挡风板是必要的。(1)在电气房中的变
7、频器发热量较大，空调始(4)定时安排保养紧固，定时清洗冷凝器、蒸发终处于制冷状态时，应当将屏柜内的空调加热器关器、过滤网、换热器，擦除灰尘，防止散热器堵塞。因 闭。空调在制冷时同时除湿，在南方等湿度较大的岸桥工作时振动和摇晃较大，故必须定期对空调接 梅雨季节，可以有效地控制电气房内的湿度，防止设线和各类安装螺丝进行检查和紧固。备凝露。屈人才：511462，广州市南沙经济开发区万倾沙龙穴岛(2)空 调 的 温 度 设 定 适 当 即 可，不 必 低 于2 5 。收 稿 日 期：2 0 0 7一l O 0 527万方数据Port Operation 2008No2(Serial No178)长使用
8、寿命的目的，它对低功耗要求非常高，所以控 降低产品的开发成本。制芯片和射频芯片的选型至关重要。P13CE本文设计的有源电子标签硬件结构框图见图XINP14C S N2，控制芯片选用TI公司的MSP430F2XX系列单片XOUT P15SCK MSP430F201 2机。MSP430F2XX系列芯片是TI公司专门针对电P16MOSlP17MISO池供电产品设计的芯片，其功耗较MSP430F1XX系P12IRO列 更 低，其 最 小 指 令 周 期 为 6 2 5 n s，是MSP430F1XX系列的一半，其原理与使用方法见文 献1。基础时钟模块与MSP430F1XX系列不同，它除了有LFXTlC
9、LK、XT2CLK、DCOCLK之外，还有图 3 245 G H z 有 源 电 子 标 签 接 口 简 图一个片内超低功耗、12 kHz的低频振荡器VLOCLK。MSP430F2XX具有本低、功耗低、体积小等优点，是标签小天线属于结构紧凑、低功率无线传输天有源电子标签设计的首选。本文中的控制芯片选用线。本文中的有源电子标签基于14波长单端PCBMSP430F2012。印 制 天 线 理 论 设 计 雌】。天 线 直 接 在 P C B 板 上 印 制，便于同射频电路连接，调试也比较简单，可以通过改M S P 4 控 3 0 嚣 F 芯 片 M S P 4 3 0 P U F 2 0 1(2)
10、吲)l、r I N R射 频F 2 4 X 芯 X 萧 N R F 2 4 L 0 1)俐 天 线()l、r I“变天线的长度来让天线达到谐振点。PCB板天线区别于传统单端天线的地方在于它的金属导体是附电 池着在以PCB板为基底的材料上的。它有特殊性，金图2 电 子 标 签 的 硬 件 结 构属导体并非处在均匀空气介质中。所以天线长度不 目前工作在全球通行的ISM 245 G H z 频 段 可等于245 GHz的14波长302 mm，可以借鉴微带选用的射频芯片有NORDIC公司的nRF24XX系列 线 的 设 计 方 法 来 计 算 单 端 天 线 的 长 度。射频芯 片 和T I 的C C
11、 2 4 X XC C 2 5 X X系 列 射频芯 片P C B 的 设 计 对n R F 2 4 L 0 1的 整 体 性 能 影 响 很等。虽 然 C C 2 4 x x C C 2 5 x X 系 列 芯 片 功 能 较大，在PCB设计时，必须考虑到各种电磁干扰问题，nRF24XX系列芯片强大，但是其功耗相对较高，而 注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容本文设计的有源电子标签功能需求简单，仅需存储的位置。电子标签可以设计成双层板，底层不放置一串符合一定通信协议的经过加密的UID提供给 元件，地层、顶层的空余地方都要敷上铜，这些敷铜阅读器进行识别，但对功耗要求甚高，所以选用 通
12、过过孔与底层的地相连。在PCB中，可尽量多打nRF24XX系列射频芯片。nRF24XX系列芯片包括 一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。直流 nRF2401、nRF2402、nRF24L01。nRF24L01是一款 电源及电源滤波电容要尽量靠近nRF24L01的VDD 新型单片射频收发器件，内置频率合成器、功率放大 引 脚。器、晶体振荡器、调制器等功能模块，其中输出功率 设计过程中，为了达到最优化、高性能，天线的 和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗设计可以结合史密斯圆图进行阻抗匹配分析，电子低，在以一6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9标签的高频电路设计可以结合ADS2
13、005射频电路mA；接收时，工作电流只有123 mA，比nRF2401仿真软件进行分析。电池选用33 V 额 定 容 量 为 nRF2402更低。多种低功耗模式(掉电模式和空闲550 m A h 的 C R 2 4 5 0 钮 扣 电 池。模 式 I、空 闲 模 式)，使 低 功 耗 设 计 更 方 便。2 软 件 的 设 计nRF24L01除了能够实现更低功耗外，空中传输速度达到2 Mbps，有6个数据通道，有载波检测(CD)功目前没有245 G H z 有 源 R F I D 系 统 的 通 信协 能。另外由于融合了Enhanced ShockBurst技术，议标准，有源电子标签的通信协议
14、设计可以参考nRF24L01具有自动应答和自动重发等功能，相较于IS018004和IS018007标准。nRF24L01的工nRF2401nRF2402更适合有源电子标签的设计。作原理见文献3。本文设计的245 G H z 有 源 电 子 标 签 接 口 简 图 n R F 2 4 L 0 1 可 以 通 过 S P I 接 口 与 控 制 芯 片 见图3，其中LED发光二极管主要起指示作用，实际 MSP430F2012进行数据交换，MSP430F2012没有标 产品中可以除去。如果程序设计中仅使用片内时 准的SPI接口，但是提供了USI接口与具有SPI接 钟，32768 kHz晶体也可以除去
15、，这样可以进一步 口的芯片通信，nRF24L01芯片的配置是通过CE、2 8万方数据港121装卸2008年第2期(总第178期)CSN、MOSI、SCK 来 完 成 的，MSP430F2012 与 择的，如果退避区间太大，识别电子标签所需要的时 nRF24L01接口连接见图3。本文介绍的有源电子 间会很长，不利于高速运行状态下的识别；如果退避 标签只具有发射功能，初始化的过程中关闭自动重 区间很小，识别电子标签所需要的时间也不一定少，发功能，只采用Pipe0通道与阅读设备通信，2个字 因为区间小会导致碰撞的机率大，需要退避的次数 节的CRC校验，地址宽度为4个字节，发射功率为 就多。利用OPE
16、NET软件仿真的结果是，最优的退0，空中传输速率为1 M b p s。n R F 2 4 L 0 1的 初 始 化 程 避 区 间 为 2 0 0 3 0 0 m8，考虑到低功耗设计的需要，序如下：应使退避区间尽可能的长而且不影响防碰撞性能。加密算法种类很多，本文设计的有源RFID系 P S O U T&=一C E：统基于多项式加密算法，这种算法简洁、实用，满足 SPIRWReg(WRITEREG+CONFIG，Oxfe)；实际需求的前提下降低了硬件和软件的设计成本。SPIRWReg(WRITEREG+ENAA，0 x00)；本文设计的245 G H z 有 源 R F I D 电 子 标 签
17、 系 统 工 SPIRWReg(WRITEREG+ENRXADDR，Ox01)；作 流 程 图 见 图 4。SPIRWReg(WRITEREG+SETUPAW，0 x10)；系 统 的 初 始 化void InitnRF24L01(void)SPIRWReg(WRITEREG+SETUP_RETR，Ox00)；装 载 加 密 后 的l DSPIRwReg(WRITEREG+RFCH，0 x10)；SPIRWReg(WRITEREG+RFSETUP，0 x07)；进 入 中 断 程 序S P I Wr i t e B u f(W R I T E R E G+T X A D D R，T X A D
18、-(低 功 耗L P M 3模 式、延 时)DRESS，TXADRWIDTH)；S P I RW R e g(W R I T E R E G+R X P W P 0，T X P L O A D (定时到退出中断程序)发 送 加 密 后 的f D一 次WIDTH)；SPIWriteBuf(WRITEREG+RXADDRPO。TX_AD 碰撞?YDRESS，TXADRWIDTH)；P S O U T I=C E；山N 完 成其中，SPIRWReg(BYTE r e g，B Y T E byte)；图 4 软 件 系 统 流 程 图SPIWriteBuf(BYTE r e g，B Y T E 母p
19、B u f，B Y T E4 结语bytes)函数分别为写字节和写字符串函数。245 GHz有源RFID 系统是RFID 应用技术领3 防碰撞算法的实现域的一个新种类。这类电子标签具有功耗低、信息RFID技术的核心之一是防碰撞技术。RFID技 存取量大、可识别距离远、防碰撞性能好、可在恶劣术中常用的防碰撞算法有ALOHA算法和二进制搜 环境下工作、可在高速运行状态下进行识别等优越 索算法。这两种算法又分别有多种分支，ALOHA 性能，近两年在国内受到了很大的重视。笔者设计 算 法 有 时 隙 A L O H A 算 法、动 态 时 隙 A L O H A 算 法 的这种有源电子标签外形美观，功
20、耗小，防碰撞性能 等。本文设计的有源电子标签采用简洁、有效的随 良好，识别距离为30 m以上。该产品可以应用于集 机延迟算法，也就是纯ALOHA算法。装箱远程自动识别、车辆出入信息采集与控制、不停本文设计的有源电子标签为只读电子标签，采 车收费以及煤矿工人区域定位等系统。用标签先发言方式，不管电子标签是否在阅读器的识别范围内，电子标签都随机地发送唯一的经过加 参 考 文 献密的UID。当电子标签进入阅读器的识别范围时。1Texas Instruments(TI)MSP430F2XX family u s e r 8UID号就被接收并解密后传输到与其连接的计算机 guide2006或其他设备上。
21、不管电子标签是否被识别，都会随 2 N O D I C14 printed monopole a n t e n n a for 245 GHz2006机地退避一段时间，该退避时间是电子标签在(0，3 N O D I Cn R F 2 4 L 0 1 Single Chip 24 GHz Transceiverr)范围内随机产生的随机数，由于随机数的不同。Product Specification(Revision 20)2007避开了冲突。这里假设电子标签的退避时间服从(0，T)之间的均匀分布。退避区间也是需要好好选郑贤忠：430063，武汉市武昌区和平大道1 040号收 稿 日 期：2 0
22、 0 7一0 9一0 529万方数据有源RFID系统中电子标签的设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：郑贤忠，曹小华，郑文立，Zheng Xianzhong，Cao Xiaohua，Zheng wenli武汉理工大学物流工程学院港口装卸PORT OPERATION2008，(2)1次1.MSP430F2XX family users guide 20062.NODIC l/4 printed monopole antenna for 2.45 GHz 20063.NODIC nRF24L01 Single Chip 2.4 GHz Transceiver Product
23、 Specification(Revision 2.0)20071.期刊论文 唐力坚.孙志锋.TANG Li-jian.SUN Zhi-feng 有源RFID系统的防碰撞算法设计-江南大学学报(自然科学版)2008,7(6)为了提高有源射频识别系统的防碰撞性能,提出了利用哈希算法为电子标签分配惟一的时隙与读写器进行通信的新算法.测试结果表明,该算法能够有效地解决有源射频识别系统中多个电子标签与读写器通信时产生的的碰撞问题,可适用于电子标签总数量大致固定的场合.2.会议论文 王渝.宋学青.佟云峰.李玉惠.杨鹏云 基于CC2500的有源RFID系统的防碰撞算法设计 2009论文提出了一种基于CC2
24、500射频芯片的低成本2.45GHz RFID系统防碰撞算法设计方案.分别从CC2500的硬件功能及软件实现2方面，利用地址检查与空闲信道评估功能相结合的方法设计RFID系统中有源标签的防碰撞算法，实现多标签识别的功能.3.学位论文 向常洲 有源RFID的设计及其在仓储管理中的应用 2007本文对有源RFID的设计及其在仓储管理中的应用进行了研究。主要内容如下：1)设计并实现了有源RFID标签的硬件电路，对接口电路、电源电路和PCB与天线的设计进行了深入的研究。2)构建了由有源RFID标签组成的无线通信网，重点研究了无线数据帧格式、信道编码算法和防碰撞算法；该网络在拓扑结构上采用了基于位置区域
25、 划分的正六边形结构，在路由上采用了以静态中继为主、动态中继为辅的中继查找表算法。3)完成了以计算机为平台的仓储信息系统软件的设计与实现。4.会议论文 郭跃.耿淑琴.高国.吴武臣 高效防碰撞的RFID系统设计 2007RFID系统广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等众多领域。当多个标签同时处于同一个通信信道时,数据碰撞致使阅读器无法正确识别标签,这是RFID系统的一个很严重的问题。为解决这一问题，很多RFID系统应用帧时隙ALOHA算法。帧时隙ALOHA算法简单易行,在较少标签数时性 能很好,但随着标签数的增加,识别标签所需的时隙数会随之指数性增大因而导致系统效率下降。提出了一
26、种改进的防碰撞算法,将阅读器跳频轮询技术和 标签分频技术与帧时隙ALOHA算法相结合,降低了标签的碰撞几率,减少了识别时间,提高了识别效率。和帧时隙ALOHA算法相比,改进算法明显降低了所需 时隙数随标签数的增加率。该算法已经成功地应用于433MHz有源RFID系统,并有效的降低了标签的碰撞概率。5.学位论文 郑贤忠 基于有源RFID技术的车辆识别与控制终端系统研究 2008随着我国经济建设事业的发展，汽车拥有量的急剧增加，对车辆管理水平的要求将越来越高。目前，我国的车辆识别的主要方式有：一是人工判别型，即通过人来观察车辆的标识。如车辆的大小、类型和车牌来确定和记录车辆的信息。二是仪器判别型，
27、即通过测量车辆的重量和外型大致判断出车 辆的类型。这两种判别方式工作效率低下，显然不再适应大量的车辆的判别和人们快节奏的工作和生活。本课题结合我国车辆管理的信息化、集成化、智能化发展的需求，采用有源RFID技术，研究开发了一种基于有源RFID技术的车辆智能管理与控制系 统硬件平台，实现了车辆出入道闸过程中的信息采集以及不停车通行的自动化控制与管理。在课题进展过程中，研究了电子标签的低功耗，防碰撞算法等有源RFID应用于车辆智能管理与控制的关键技术，并集成应用于智能道闸控制系统的 研制中。本论文的主要工作内容包括以下几个部分：1首先，介绍了RFID技术的研究背景，综述了当前RFID技术的国内外现
28、状，说明了该研究课题的来源，明确了本论文的出发点和主要工作内容；2总结RFID技术理论，为接下来的研究与设计工作提供理论基础与指导思想；3基于有源RFID技术的车辆识别与控制系统功能需求分析；4基于有源RFID技术的车辆识别与控制系统硬件平台设计，包括读写器和电子标签以及智能道闸控制器的芯片选型与原理图设计，PCB板的设计，其中要解决电磁兼容性问题和低功耗问题，采用窃电技术实现串口供电；5系统软件的设计，通信机制的建立；最后，在总结全文工作的基础上，对进一步研究提出了建议和展望。6.期刊论文 田友同.TIAN You-tong 一种具有防碰撞功能的RFID系统设计实例-信息技术2009,(5)
29、防碰撞技术是RFID系统的关键技术之一,MCRF250无源RFID芯片具有防碰撞功能,采用基于FSK脉冲调制方式的碰撞检测方法,通过软、硬件设计,可以构建一个具有防碰撞功能的简单的RFID系统.7.学位论文 吴亮 自定义协议有源电子标签的研究与实现 2010射频识别技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触的自动识别技术，它的原理是利用射频信号的空间耦合或反射的传输特性，对物体进行自动识别。RFID技术被认为是21世纪十大重要技术之一，在销售物流、车辆管理、公共安全等 多个领域有着广泛的应用前景。无源RFID的研究和开发已经较为成熟，近年来有源R
30、FID设备的研制逐渐成为 研究的热点。相比无源RFID标签，有源电子标签具有传输距离远、数据速率高、多 标签识别速度快及处理能力强等诸多优点，因此在远距离RFID系统如冷链物流等应 用场合有着天然的优势。相似文献(10条)参考文献(3条)目前有源电子标签面临的难题主要有两个：为了降低功耗，有源标签一般采用单向发送ID的工作方式，功能比较单一；有源RFID的标准制定工作滞后，至今未制 定出2.4G频段上有源RFID标签的国际标准。针对以上两方面问题，论文基于nRF24LE1芯片进行了有源电子标签的硬件设 计，并参照ISO 18000-7标准设计了一套可实现自定义通信协议，定义了RFID读写 器与
31、有源标签通信规则，并在基于nRF24LE1芯片设计的有源电子标签上进行调试实 现。论文主要工作如下：(1)对RFID工作原理及其关键技术：防碰撞算法和认证算法进行了简单的研 究介绍。(2)基于nRF24LE1芯片设计了一款低功耗有源电子标签。(3)结合nRF24LE1芯片的特性，并参照ISO 18000-7标准自定义了一套指令 功能比较丰富的有源RFID通信协议，在自定义通信协议中集成了低功耗机制、防碰 撞机制和认证机制，论证了自定义通信协议的可实现性。(4)设计了一套基于跳频轮询的分组ALOHA防碰撞机制，并对其性能进行了分析。(5)针对有源标签的功耗问题进行了研究，设计了一套低功耗机制并实
32、现。(6)进行了标签程序调试，总结了工作中的不足，并对下一步工作进行了展望。关键词：RFID；有源标签；防碰撞算法；低功耗；通信协议8.期刊论文 王新锋.刘建国.刘胜利.王寅龙.WANG Xin-feng.LIU Jian-guo.LIU Sheng-li.WANG Yin-long 无源RFID系统中推断式二进制搜索算法-军械工程学院学报2008,20(2)在现有的RFID标准中,一般标签ID都由几个不同含义区间组成.针对这种特点,提出推断式二进制防碰撞算法:在识别每个区间段的ID时,利用某个特定读写器中的前缀库推断该区间段各个位的取值,以便减少待识别标签ID的位数.同时,通过调整参数,可以
33、对系统可靠性进行控制.仿真实验表明,在没有 新前缀出现的情况下,推断式二进制防碰撞算法能够将QT算法的识别速度提高3倍、标签平均响应次数降低3/4.9.学位论文 张鼎 远距离RFID网络控制器的设计及实现 2008射频识别(Radio Frequency Identification)技术是一种利用无线信道实现数字双向通信的自动识别技术。RFID技术因其具有抗恶劣环境强、非接触识别等特点，被广泛的应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域。RFID技术在国外的应用已经越来越普及，特别是自动化识别系统在生产制造过程中的推广使用。一项由麻省理工学院和IBM针对自动化识别系统与新
34、型射频识别技术在目前企业使用现状的调查表明，早在2006年年底，绝大多数的生产制造型企业已经应用了自动化识别系统或者相关技术，射频识别技 术将成为未来企业提高自身核心竞争力的有力工具。RFID技术在国内的应用尚处于示范试点阶段。而作为我国重要经济支柱的生产制造业，经济快速增 长的需求与企业相对落后的生产和管理方式产生了矛盾。因此，如何利用先进的数字信息技术对我国传统的生产和管理模式进行改造，快速提升生产过 程控制和供应管理的自动化、信息化水平成为当前急需解决的关键问题。本文研究将RFID技术应用于工业自动化生产制造流程中，设计及实现一种低成本低功耗的新型远距离RFID网络控制器，目的在于解决工
35、业现场大量 底层数据的采集速度慢及处理不及时等问题，并提出了将RFID网络控制器与企业内部管理网络进行信息化集成的应用体系结构，方便企业的生产和管理，提高生产效率。本控制器的设计结合了RFID技术、嵌入式技术以及网络互联技术。为了使控制器具有良好的可扩展性及可重构性，采用了RFID读写模块与嵌入式网络控制平台分离设计的方法。本文首先完成了2.45GHz远距离RFID读写模块及有源标签的硬件及驱动设计，并对多标签防碰撞技术进行了重点研究，利用 有源RFID系统的特性，提出了一种频分和时分技术相结合的双层防碰撞技术；接着利用ARM7和uClinux组成了系统的网络控制平台，并实现了平台的以太 网络通信功能；最后设计了PC网络通信模块，用于RFID网络控制器系统的测试与性能分析。10.期刊论文 马倩.时良平.周立宏.MA Qian.SHI Liang-ping.ZHOU Li-hong ISO 18000-6C标准的防碰撞算法研究-计算机应用2008,28(z2)为了解决超高频频段下的无源RFID标签批量识别时的多标签碰撞问题,在时隙随机算法的基础上,提出了一种新的方法.该方法采用随机计数器值Q这个重要参数分析算法结果,通过改变Q值从而改变每个识别周期系统能识别的标签个数.选择恰当的Q值在识别时间和识别标签数之间找到平衡点,得到算法 的优化.本文链接：http:/