主動(dòng)式超高頻射頻識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.2.1 物理層協(xié)議

　　系統(tǒng)的通信協(xié)議的物理層與ISO/IEC 18000-7[3]標(biāo)準(zhǔn)兼容，載波頻率為433.92MHz；調(diào)制方式為2FSK；調(diào)制深度為+/-60KHz；數(shù)據(jù)速率為38.4Kbps；喚醒頻率為315MHz。

　　1.2.2 數(shù)據(jù)幀格式

　　讀寫器與應(yīng)答器之間的通信數(shù)據(jù)以幀的方式打包，從而提高系統(tǒng)通信的可靠性。讀寫器與應(yīng)答器之間通信幀包括前導(dǎo)碼、同步頭、數(shù)據(jù)長度、傳輸數(shù)據(jù)和CRC 校驗(yàn)幾部分組成。其中前導(dǎo)碼和同步頭由CC1100 自動(dòng)產(chǎn)生，用來進(jìn)行接收和發(fā)射數(shù)據(jù)同步；數(shù)據(jù)長度為數(shù)據(jù)部分總的字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)部分為要傳輸?shù)挠杏眯畔?，它可能包括讀寫器向應(yīng)答器發(fā)送的命令或它們之間相互交換的數(shù)據(jù)，CRC 校驗(yàn)為符合CRC-CCITT 的2 字節(jié)校驗(yàn)位，同樣由CC1100 硬件電路自動(dòng)產(chǎn)生，并緊跟數(shù)據(jù)部分。

　　2 系統(tǒng)的工作流程與軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件分為三部分：主機(jī)軟件、讀寫器控制程序和應(yīng)答器程序，主機(jī)軟件向上層提供API 接口，并通過RS232 接口與下層讀寫器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；讀寫器程序和應(yīng)答器程序分別用來控制讀寫器和應(yīng)答器的工作流程。這里主要介紹讀寫器部分程序流程和應(yīng)答器部分程序流程。讀寫器與應(yīng)答器為主從關(guān)系：通信過程由讀寫器發(fā)起，讀寫器向應(yīng)答器發(fā)送命令，然后等待應(yīng)答器的應(yīng)答。

　　2.1讀寫器軟件流程

　　讀寫器部分軟件的工作流程如圖 3(a)所示，讀寫器一直等待主機(jī)命令，接收到主機(jī)命令后，根據(jù)主機(jī)需求將命令解析成讀寫器對(duì)應(yīng)答器相應(yīng)操作，例如：提取場內(nèi)所有應(yīng)答器ID，對(duì)場內(nèi)某些應(yīng)答器的存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫等。命令發(fā)送后，讀寫器等待應(yīng)答器的應(yīng)答數(shù)據(jù)，與應(yīng)答器進(jìn)行無線通信。當(dāng)讀寫器執(zhí)行完主機(jī)命令，完成于應(yīng)答器的通信后，將需要返回的數(shù)據(jù)或狀態(tài)通過讀寫器與主機(jī)之間的接口上傳主機(jī)，繼續(xù)等待新的主機(jī)命令。

　　2.2應(yīng)答器軟件流程

　　圖 3(b)說明了應(yīng)答器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，應(yīng)答器平時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入讀寫器的載波喚醒場內(nèi)時(shí)，被載波喚醒，進(jìn)入激活狀態(tài)，如果1s 之內(nèi)沒有接收到命令則重新返回休眠狀態(tài)。應(yīng)答器接收到讀寫器命令后，對(duì)命令進(jìn)行初步解析和操作對(duì)象判斷，如果應(yīng)答器確定讀寫器此次操作對(duì)象包含自己，則隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)隙做出相應(yīng)的應(yīng)答。

　　圖3 讀寫器與應(yīng)答器的工作流程

　　讀寫器向應(yīng)答器發(fā)送的消息分為兩種形式：廣播消息和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息。廣播命令用來收集所有場內(nèi)應(yīng)答器的ID，或向所有場內(nèi)應(yīng)答器進(jìn)行同一個(gè)操作。而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)消息是針對(duì)某一個(gè)應(yīng)答器進(jìn)行讀存儲(chǔ)器、寫存儲(chǔ)器等操作。讀寫器發(fā)送廣播命令后，如何分配各個(gè)應(yīng)答器對(duì)信道的占用是一個(gè)十分重要的問題，第3 部分將對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行討論。

　　3 系統(tǒng)防碰撞算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)應(yīng)答器同時(shí)對(duì)讀寫器的命令做出響應(yīng)時(shí)會(huì)彼此產(chǎn)生干擾，使讀寫器無法正確接收，這種現(xiàn)象為“碰撞”。為了提高系統(tǒng)的可靠性和效率，必須盡量避免應(yīng)答器碰撞的發(fā)生。系統(tǒng)采用基于時(shí)隙的ALOHA 算法作為系統(tǒng)的防碰撞算法。

　　時(shí)隙 ALOHA 算法的基本步驟為：每次應(yīng)答器響應(yīng)循環(huán)的時(shí)間被分為N 個(gè)時(shí)隙，應(yīng)答器隨機(jī)選擇時(shí)隙應(yīng)答，當(dāng)不同的應(yīng)答器選擇同一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行應(yīng)答時(shí)，則發(fā)生了碰撞，碰撞的應(yīng)答器與讀寫器通信失敗，應(yīng)答器在下一個(gè)通信循環(huán)中重新與讀寫器建立通信。

　　3.1時(shí)隙ALOHA算法分析

　　1）最佳時(shí)隙數(shù)

　　一個(gè)時(shí)隙內(nèi)應(yīng)答的應(yīng)答器數(shù)目服從二項(xiàng)分布，對(duì)于給定的時(shí)隙數(shù)N 和場內(nèi)應(yīng)答器數(shù)n，對(duì)于選定的某一時(shí)隙，讀寫器能正確接收應(yīng)答器應(yīng)答的概率為

　　2）場內(nèi)應(yīng)答器數(shù)估計(jì)

　　在實(shí)際應(yīng)用中，場內(nèi)應(yīng)答器數(shù)目是未知的，因此必須對(duì)場內(nèi)應(yīng)答器數(shù)進(jìn)行估計(jì)。圖中可以看出每個(gè)時(shí)隙可能有三種狀態(tài)：空時(shí)隙、正常通信時(shí)隙和碰撞時(shí)隙。可以根據(jù)式（5）對(duì)應(yīng)答器數(shù)進(jìn)行估計(jì)[4]。