井下安全定位的RFID模塊研究與設計
摘 要：提出一種解決RFID(Radio Frequency Identifioatlon)標簽和閱讀器的低功耗和防；中撞方法。針對井下簧全定位綜合系統的底層需求，基于低成本和低功耗考慮，設計了閱讀器和標簽的硬件電路，并在Code Vision AVR下，實現了閱讀器和標簽的C代碼．軟件采用改進的隨機防沖撞ALOHA算法，利用信道復用技術，在為沖撞標簽預留的時隙到達時重發信息，零漏讀解決了RFID標簽與閱讀器通信沖撞問題．實驗測試表明，該方法有效地解決了標簽和閱讀器的沖撞問題，同時，硬件功耗較低，可應用于井下安全定位和身份識。
關鍵詞：井下定位；RFID；防沖撞
近年來，在煤礦井下安全定位和身份識別上引起關注和應用。如山西大同市應建產量監控系統的238座煤礦中，已有133座煤礦安裝了井下人員考勤定位系統；任橋等人做了基于硬件協議棧的網絡化射頻標簽識別系統的研究…；舒琳完成了RFID跳頻系統的設計”；Shweta Jain等人實現了一種基于CSMA的MAC協議來解決密集RFID網絡環境下的沖撞問題”0。
RFID應用仍有一些問題尚待改進和解決，包括RFID的成本、電子標簽零漏讀率、低功耗，以及RFID的標準化問題。本文基于井下安全定位考勤綜合系統，從硬件和軟件上研究了一種有源RFID標簽以及對應的閱讀器實現，并提出了一種解決電子標簽零漏讀率問題的方法。
2系統原理
1)RFID構成與原理RFID系統包括電子標簽(Tag)、閱讀器(Interrogator)和數據傳輸與后臺管理系統三部分。
電子標簽(射頻卡)內部存有一定格式的數據，以此作為識別的標識性信息，標簽可以主動或被動地將內部存儲的ID信息調制后通過天線發射出去。應用中將電子標簽附在待識別體上，作為識別的電子標記。
閱讀器用來接收電子標簽發出的信息，并在某些情況下向標簽發送命令或寫入信息。
數據交換與管理系統用于收集并處理從閱讀器讀到的標簽數據，對收集的電子標簽數據作不同的處理和數據輸出。
根據標簽的不同工作頻段，分為低頻標簽(125～134 kHz／140～148 5 kHz)、高頻標簽(13．56 MHz)、超高頻標簽(433 MHz，868～928 MHz)和微波標簽(2 4 GHz以上)一。
根據電子標簽獲取能量的方式，將RFID標簽分為無源(被動標簽)和有源(主動標簽)2種。無源標簽識別距離較短，但成本較低。有源標簽由電池供電，可以主動向附近的閱讀器發送數據，識別距離比無源RFID遠，其應用形式也更加多樣化。電池的壽命有限，必須在硬件和軟件設計中充分考
慮低功耗的實現。
2)系統構成與功能 井下安全定位考勤綜合系統，如圖1所示。
系統主要由電子標簽、閱讀器、。485網絡、中繼分站、服務器、客戶機組成。
其中，電子標簽為井下人員攜帶，作為身份標識。閱讀器分布在礦井人口以及井道各監測點，通過485總線連接到分站。分站起中繼傳輸信息的作用，連接到Pc服務器，將接收到的電子簽信息及標簽持有人相關信息保存到數據庫，供客戶端使用�？蛻舳诉B接到服務器的數據庫，進行數據的查詢處理以及相關操作。
整個系統具有服務器連接設置、硬件端口設
置、井下分站、閱讀器故障自診斷；標簽號與工號維護、下井人員統計列表、超時下井人員列表、人員實時動態監控、人員考勤統計報表、數據庫備份與還原等功能。
3基于成本和低功耗的硬件設計與實現
井下定位考勤系統的****層是RHD標簽及其閱讀器模塊，其硬件的性能是整個系統的關鍵。
1)閱讀器與卡的設計選用ATmega88作為標簽和閱讀器的控制芯片。它具有多種低功耗模式，可在1．8 V工作。內置2倍cLK的硬件乘法器，保證程序和防沖撞算法的高效率執行。選用
ccl020作為無線收發芯片。其發送數據率達153．6 khit，靈敏度一119 dBm，極低耗電量(接收：17 mA)，內置位同步器，鏡像消除混波器。
閱讀器和標簽對射頻收發的要求一致，所以標簽和閱讀器采用的控制器和射頻收發芯片相同，且都工作在433 MHz頻段。閱讀器要將識別到的正確標簽數據通過網絡上傳給上位機系統，因而比標簽多了485接口。由于標簽的數量遠遠多于閱讀器，為了降低成本和功耗，在保證收發性能的基礎上，對標簽的天線濾波部分作了簡化處理。閱讀器天線部分設計要優良，使閱讀器與天線的通信性能不受影響。
標簽采用鈕扣電池供電，其電源部分也與閱讀器有所不同。標簽和閱讀器采用相同主要器件，在降低硬件開發周期、軟件開發復雜度的同時，也消除了由于不同射頻芯片可能帶來的性能影響。
閱讀器和標簽的框圖，分別如圖2，圖3所示。
2)提高性能與抗干擾措施標簽和閱讀器的直線通信為30 m，井下環境復雜，巷道多彎曲，硬件設計中采取如下措施來提升系統的整體性能：
在閱讀器的天線部分，采用了一個(]aAs高速收發轉換射頻開關}IM(：154s8，以達到在接收和發射部分采用不同的濾波電路，提高收發靈敏度和可靠性，同時又保持ccl020收發狀態速轉換的目的。為保證體積小、靈敏度高的收發性能，標簽端天線沒有采用通常的有源標簽端所采用的PcB天線，而是采用了l／4波長的螺旋天線。螺旋天線具有不錯的收發性能，又不占太大的空間。此外，在ccl020及其關鍵外圍器件外加一個金屬屏蔽殼，將外界的干擾降到****。
電源方面，將ATl珈。ga88與ccl020的供電電路相互獨立起來，以減少串擾。PcB采用獨立的電源層和地線層能有效地降低干擾；元器件的布局做到合理有序，將數字地和模擬地用Bead(磁珠)隔
離開來，降低二者之間的互擾。
4基于零漏讀和低功耗的軟件設計與實現
1)通信數據格式標簽發出的數據格式，見
表1。
表1標簽的數據格式
前4字節是0XAA的訓練序列(Pre—ble)，即平衡報頭。在接收端，只有在平均值濾波器輸出正確的比較電平后，才能進行后續數據的正確接收，所以發出的數據都要求有一定比特數的平衡報頭，如0101或1010。第5和第6字節是同步字節。同步字節應盡可能多的O和1變化，最多不能超過3個相同的O或1連續出現，且自不相關。同步字節中不能重復出現相同部分，第1位與平衡報頭的最后一位****不同。 根據上述規則，選擇同步字節長度為2個字
節，分別是11010011，1001000l(OxD3，0x91)。第7和第8字節分別作為標簽惟一標識字節的ID。最后2個字節是ID字節部分的cRcl6校驗碼。
閱讀器發出的數據格式，見表2。
表2閱讀器的數據格式
與標簽數據相比只多了1個字節，即第7命令字節。根據cMD命令字節的不同分為閱讀、寫入、報警等命令。其他各個字節意義與標簽中的定義一樣。閱讀器與分站，分站與服務器之間的485網絡采用3次握手協議進行通信。
2)零漏讀的解決零漏讀解決了RHD標簽與閱讀器通信沖撞的問題。防沖撞是RFID技術應用之中需要解決的重要問題之一，對于有多個信道的RFID系統，可以采用跳頻或者不同上下行頻率等方法來解決，但是采用多信道的系統往往成本比較高。
基于成本的考慮，RFID系統一般只有一個公共信道，當在同一時刻有多個標簽與閱讀器通信時，就會導致閱讀器無法收到正確的數據，這時沖撞就發生了。
針對這種情況，在軟件設計過程中必須充分考慮可能的情況，設計一種合理的算法來解決信道復用問題。解決信道復用的防沖撞算法主要有ALO．HA及相應改進算法、二叉樹(Binaw nee search)及相應改進算法。
一般來說，各種改進的二叉樹算法都具有相對較好的整體性能。但是由于二叉樹算法要求有位沖撞的檢測能力，所以，一般多用于無源R兀D標簽的識別。
采用改進的隨機防沖撞ALOHA算法以提高系統的可靠性，其防沖撞原理如下：
由閱讀器在一定的時間間隔發出同步幀，處于接收狀態的標簽接收到同步幀后，啟動自身的定時器，同時生成1個隨機數，此隨機數決定標簽發出信息的時隙。如果閱讀器成功地接收到標簽發出的信息，說明沒有沖撞的發生，這時閱讀器回復確認信息給標簽。
標簽收到確認信息后就進入休眠狀態，休眠時間的長短取決于具體的應用。標簽進入休眠狀態即是為了低功耗，也是為了防沖撞。如果在規定的時
間內，標簽沒有收到閱讀器的確認信息，就認為是沖撞發生。這時，標簽就會在為沖撞標簽預留的時隙中重新選擇時隙，然后在時隙到達時重發信息。閱讀器在收到標簽信息后，會計算收到信息的16位循環校驗碼(cRc)，如果校驗碼不正確，就不予響應，如果正確就將標簽數據存入指定的緩沖區。
閱讀器和標簽的主程序流程圖，分別如圖4，圖5所示．
 
2個閱讀器(接收基站)通過485總線和485轉232連接到服務器PC的COMl端口。由于測試的距離不需要分站的中繼，所以在實驗的過程中省略了作為中繼的分站。將6個卡號分別為Ox01～0x06的卡，0x01，0x02和Ox04的卡放到1號閱讀器的接收范圍(模擬2平面1巷道)，0x03，0x05和0x06的卡放到閱讀器2的接收范圍(模擬3平面5巷道)，根據監控端點顯示，接收標簽卡信息準確。然后將卡號為0x04的卡從閱讀器1移動到閱讀器2，模擬井下人員從模擬2平面1巷道移動到模擬3平面5巷道；然后將0x02號卡關閉，模擬出井。根據圖7監控界面的顯示數據，可以看出6個標簽卡的信息均接收正確，證實了RFID模塊與
外部通行的可靠性。
6結語
本文從硬件和軟件的雙重角度來解決RFID系統中普遍存在的成本、電子標簽零漏讀率和低功耗問題，所設計的用于井下安全定位的有源RFID通信模塊通過后臺測試管理系統軟件證明了系統設計正確性和有效性，為井下安全定位系統的設計提供了很好的參考，標簽與閱讀器作為系統的一部分已被采用。
參考文獻(References)：
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