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基于RFID物品防盗系统的设计方式论文
1 前言
射频识别RFID(Radio Frequency Identification)技术是通过无线射频方式传输和获取相关数据，并对物体加以识别。RFID解决了无源(卡中无电源)和免接触两大难题，可实现运动目标识别、多目标识别，其突出优点是环境适应性强，能够穿透非金属材质，数据存储量大，抗干扰能力强。目前已广泛用于学校、公共交通、门禁、物流、医疗等领域，已成为21世纪最热门的技术之一[1]。
典型的RFID系统由电子标签、阅读器、应用系统等组成，电子标签有主动标签、半主动标签与被动标签之分，电子标签有着全球唯一的电子编码，且有一定的存储空间，可以存储所标识物体的一些信息。电子标签可通过读写设备重新写入信息，来实现标签的重复利用[2]。
现如今人们出门在外通常会携带一些必备物品，手机、平板电脑、钱包及各种卡片，如信用卡、身份证、公交卡等。这些物品基本上是日常生活离不开的，更有一些物品是集多功能于一身的。但若出门忘带或者不小心丢失这些东西则会给人们带来不便甚至会造成损失;还有一些贵重物品趋于袖珍化，被不法分子顺走也不易被发现。因此如果有一套系统将这些物品管理起来，当物品脱离系统范围就发出报警，这样人们就会很轻松地管理随身物品，为防盗提供可靠保障。
2 系统设计及实现
本系统设计的思路是将要管理的物品贴上无源电子标签，设计一个易携带、低功耗的阅读器来管理这些标签从而实现防盗。因系统采用电池供电，对低功耗要求比较严格，因此采用超低功耗的MSP430芯片作为主控芯片，阅读器芯片采用AS3991，系统框图如图1所示。
AS3991是奥地利微系统公司研制的一款用于超高频(860MHz～960MHz)RFID阅读器的专用芯片，内部集成了射频的发射与接收，支持 EPC Class1 GEN2协议，但芯片对ISO18000-6A/B协议的支持并不完全，只能直接串行输出码流，因此解码与校验必须由MCU完成[3]。AS3991内部可输出最高为0dBm左右的已调射频载波信号，这一功率远远不够驱动远距离的无源标签，需增加外部功放电路来提高发射功率。功放芯片采用RF5110G，其典型工作频率为800-950MHz，还可以通过调整控制电压来改变输出功率。因为射频部分的电路设计复杂且要求较高，系统采用已设计好的阅读器电路，只留有电源接口及数据接口。通过控制器GPIO就可以实现对阅读器的编程及数据收发，电路原理图如图2所示。
系统采用超高频(UHF)阅读器及标签，是因为其可以实现远距离传输，也具有一定的穿透性，而常用到的高频(13.56MHz)只有几厘米到十几厘米的作用距离[4]。该系统可以将电子标签进行注册，然后将注册在案的标签进行保护，当标签不在系统的阅读范围内，则可以发出声音报警的功能，提醒主人。还可以通过搜索的功能在系统阅读范围内寻找指定的在册的标签，若发现，则发出声音提醒。
系统有三大主要功能：
⑴注册标签功能。将重要物品贴上电子标签，将拨动开关拨到注册端，这时系统就启动了注册功能，此时的阅读器发射功率低，只能激发厘米级范围内的标签，近距离可以避免在公共场所内搜索到附近他人的标签。此时系统扫描到电子标签，会与存储器中的信息比较，如果是一个新的标签，将会提示是否注册，注册成功后，标签信息将保存在芯片24C08中。24C08是一种电可擦可编程只读存储器，其保存的数据在掉电后不会丢失。
⑵标签防盗功能。将拨动开关拨到防盗端，系统即启动防盗功能，此时的阅读器发射功率较高，阅读距离可达1米左右。系统会定时去扫描已被注册的电子标签，若在扫描过程中找不到某个标签，系统会发出报警声，提醒主人;若在扫描过程中发现所有的标签都在阅读范围内，系统转为睡眠模式，以便节电。一段时间后，系统通过定时唤醒进行下一轮的扫描。
⑶搜索标签功能。当系统发现标签不在阅读范围内时发出报警。用户可以检查物品是否丢失，若发现真的不见了，用户可以按下搜索按钮，此时系统的发射功率又可以增强，阅读范围可达到1-3米。这样当标签进入阅读器范围时，系统同样会有声音提示。这个功能可以为公安人员搜查盗窃嫌疑人提供手段。
3 软件部分
MSP430与AS3991构成一套主从设备，由MSP430控制完成与AS3991的通信。AS3991内部已嵌入了对EPC GEN2协议的支持，集成了很多直接命令，用户只需直接调用相应的代码就可以了。软件流程图如图3所示。
系统软件的设计除了要实现对标签的读取外，还要实现两个功能，第一，通过软件控制阅读器的发射功率，从而改变其阅读距离;第二，标签及阅读器的防冲突问题。
3.1 控制发射功率
系统采用无源电子标签作为信息载体，它只有靠接收到来自阅读器的激发才能与阅读器进行通信。阅读器向标签传递能量时存在路径损耗，所谓路径损耗是指传输到阅读器发射天线的功率与标签接收天线获得的功率之差。因此应先做件链路预算的工作，包括前向链路与反向链路两个方向的预算，确保标签与阅读器能在指定距离处稳定通信[5]。因为系统有三种不同阅读距离，单靠硬件来实现这种功能比较复杂，可以通过程序来控制硬件实现三种不同的发射功率，从而实现不同的阅读距离。
如图2所示，Rf5100的ACP1与ACP2管脚的电压可以控制PA的输出增益。配置AS3991的8位寄存器(地址为0x18)来控制DAC端的输出电压，可以实现0～3.2V的变化，步阶是：3.2/256=0.0125V。DAC端的可变电压能够控制PA的变化输出。
3.2 防冲突算法
在RFID系统中，标签和阅读器之间的通信是通过共享的无线信道进行的，在多个阅读器或者多个标签同时发送信号的时候，必然会引起发送信号相互之间的冲突。因此在RFID系统中存在两种类型的冲突：标签冲突和阅读器冲突[6]。而对于本系统来讲，所管理的标签数量不是很大，且标签ID都是已知的，阅读器要激活标签时，只需发送指定的ID号就可以了。本系统面临的冲突问题可能是阅读器的冲突，因为阅读器是每个人都随身携带，且其阅读距离有些近，容易造成在某一个小范围内，同一个标签处于好几个阅读器的阅读范围，尤其在拥挤的公交车等公共场所，因此解决阅读器的冲突是本系统的重点。
阅读器防冲突的方法有：基于控制阅读器发射功率方法、基于时序的方法、基于载波侦听方法以及其它方法[7]。本文采用了基于载波侦听的方法，其思想是：将通信信道分为两部分，控制信道和数据信道。控制信道用于阅读器之间的通信来侦听是否有阅读器在工作;数据信道用于阅读器和标签之间的通信。控制信道是整个RFID系统频段的一部分，控制信道和数据信道相互之间不会产生干扰[6]。
4 结束语
本设计采用超低功耗的MSP430为主控制芯片，以超高频RFID为技术手段设计了一套随身物品防盗系。用户只需将要保护的物品贴上超高频电子标签就可以被系统保护，或者直接将超高频射频卡作为保护的对象。该系统可以程控阅读距离实现不同的功能，系统多数时间处于休眠模式，真正实现低功耗。该系统的不足之处是没能实现标签的通用性，尤其是不能识别身份证、门禁系统等常用的高频(13.56MHz)射频卡。
[参考文献]
[1]孙晔，王艳秋.RFID射频识别技术及应用[J].电大理工.2009，(01)：12-14.
[2]赵斌，张红雨.RFID技术的应用及发展[J].电子设计工程.2010，18(10)：123-126.
[3]郭晓峰.UHF RFID阅读器芯片功率放大器设计[D].北京：北京交通大学.2009.
[4]游战清，刘克胜，吴翔.无线射频识别(RFID)与条码技术[M].北京：机械工业出版社.2006.
[5]佐磊，何怡刚，李兵，等.无源超高频射频识别系统路径损耗研究[J].物理学报.2013，62(14)：150-157.
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