有源射频识别系统的设计与实现

谭元华

摘   要：文章主要针对有源射频系统进行研究分析，在分析有源射频识别系统原理及构成的基础上，以实证案例分析有源射频识别系统的硬件设计和软件设计，并分析其应用实证和未来发展趋势。

关键词：有源射频识别系统;硬件设计;软件设计;发展趋势

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）系统按照供电方式不同，有源射频识别系统和无源射频识别系统两种类型。和无源射频识别系统相比，有源射频识别系统配备给器件提供电源的电池，使其具备通信距离长、发射功率低、可靠性高、兼容性好、传输数据量大的优越性，在港口货运、军事物流及公路收费等领域中应用。进行有源射频识别系统的研究，提升有源射频识别系统水平，对其发展具有重要意义。

1    有源RFID系统原理及构成

1.1  有源RFID系统组成

有源RFID由有源射频标签（应答器，Tag/Responder）、读写器（查询器，Reader）、计算机管理系统3部分构成。有源射频标签主要存储待识别对象的具体信息，置于被识别物品位置，读写器主要实现标签信息的写入与读取，PC管理系统的主要功能是数据管理，保证通信传输的正常进行。

1.2  有源RFID系统工作原理

有源RFID系统中，读写器和标签位于远磁场区，两者之间信号传输以电磁耦合方式实现。和无源RFID的区别是其射頻标签自带电池，射频标签能够以电磁波形式自主发射信号传递给读写器，读写器直接读取射频标签信息并进行存储。

2    有源射频识别系统的设计

2.1  有源射频识别系统硬件设计

前面指出RFID系统由读写器、标签以及后台计算机3部分构成。标签要想实现识别对象信息的功能，需要相关芯片与耦合元件配合实现功能，射频标签直接将各种信息存储在物体上，以非接触射频的方式进行信息传递。读写器充分利用射频技术，实现标签信息的读取与写入，在读写器和标签之间需要耦合元件天线、线圈的配合。通过这些电子元器件配合能在空间进行射频信号的无接触耦合，实现信息和数据的传递、交换。下面就有源射频系统硬件设计实证进行分析。

有源RFID系统和读写器功能的实现，采用低频通信单元和高频通信单元协调配合的方式设计，拟采用芯片ATMega128 实现开工至功能。采用ATA5275和ATA5282两种芯片作为低频线圈驱动芯片，该芯片最初应用于胎压监测系统的低频通信芯片，载波频率范围为100～125 kHz。采用低成本CC2420通信芯片作为高频通信芯片，在2.4 GHz频段工作，且符合IEEE802.15.4标准，能实现超过百米距离的有效通信。

ATA5275在读写器低频通信端实现功能，需要和低频电磁场配合实现。ATA5282能接收125 GHz的载波信号，激活系统并在低频磁场中进行发送传输。ATA5282是低频通信功能实现的基础，其能对读写器发出的信号进行感知，主要是低频电磁场信号，该芯片的工作电流在2～4 μA，系统采用ATA5282与ATMega128两线接口连接的方式，这种连接方式保证了不需要通信的时候，CC2420和ATMega128能够处于低功耗的休眠状态。省电模式下的ATMega1288系统以微安级电流进行工作，系统功能实现过程中，读写器中的ATA5275能给出相应低频信号，设计中的ATA5282自动检测ATA5275给出的信号，当检测到信号之后能够唤醒ATMega128控制器，以外部中断方式进行唤醒。为简化系统运算复杂程度实现系统功能，读写器在低频磁场下简化读写器识别数据，并向有源RFID中写入。在低频通信基础上进行高频通信，与特定RFID完成高速数据交换。

2.2  有源射频识别系统软件设计

为提高有源射频识别系统功能，采用TinyOS操作系统进行有源射频识别系统程序设计，建立与系统相匹配的软件。TinyOS操作系统最早由美国加州大学提出，希望通过该操作系统实现传感器网络的开发与利用，该操作系统由NesC语言（C语言变体）实现，该系统和其他系统相比进行了简化，仅需要396 Byte的存储空间就能够实现功能。TinyOS操作系统的特点是采用模块化设计，同时还采用了事件驱动的体系结构，这种设计和结构模式为系统程序设计提供了良好的组件库和编程框架。有源射频识别系统相匹配的应用程序主要由TinyOS自带的组件实现，同时辅以应用实现的组件。用户要想实现功能，仅需将应用组件和服务组件进行连接，就能够实现功能。通过TinyOS调度器实现有源射频识别系统程序的任务调度，整个系统程序结构如图1所示。高频通信利用了TinyOS中已有的组件。ATMega128通过SPI总线读写CC2420的RAM，数据通信率为250 Kb/s。通过以上的有源射频识别系统程序设计方式进行实际应用，发现有源射频识别系统能很好地实现其功能。

3    有源射频识别系统实际应用实证及展望分析

3.1  高速公路自动收费

在高速公路自动收费中引入RFID系统，当有携带标签的车辆经过高速收费站的时候，系统自动检测并完成收费，这种方式和传统收费方式相比更加快速便捷、高效，对交通拥挤问题以及收费监管问题的解决具有重要作用。目前广州很多过往关口开始改革，通过速通卡（驾易通）进行车辆检测，加快了通关速度。最早在2001年7月的上海虹桥国际机场实行改革，进行不停车电子收费系统（Electronic Toll Collection，ETC）试验，作为“高等级公路电子收费系统技术开发和产业化创新”项目，也拉开了有源射频识别系统RFID在高速公路自动收费中应用的序幕。

3.2  门禁控制

有源RFID系统开始在监控领域中应用，包括门禁安保、财产监控、考勤、出入口安全检查等。该系统的引入简化了出入手续，对工作效率、安全保护水平的提高具有重要作用。最早在1996年的亚特兰大奥运会中就引入了RFID系统，和生物测定学技术相结合，实现了高水平安保。

3.3  生产自动化

目前，很多高水平企业生产线中引入有源RFID技术，该技术对生产过程进行监视并实现自动控制，改变了传统生产方式，提高了生产效率，节约企业生产成本。以我国奇瑞汽车装配流水线为代表的很多企业都采用该技术，尤其对用户定制汽车的生产具有重要作用。

3.4  仓储管理

目前仓储货物管理中也引入有源RFID系统，通过该系统监测货物流动相关信息，实现信息的动态管理。尤其是很多大型仓储基地，仓储管理中心利用RFID技术能随时了解货物存储情况以及货物位置和货物信息，对产品生产指导、仓储管理效率提升具有重要意义。

3.5  铁路运营管理

在铁路运营管理中引入有源RFID技术，能够保证列车按照规定路线运行，监测列车运行的状态，包括车次、运行速度、運行时间等信息，车站和监控中心能够利用这些信息实现车辆重新编组和调度安排。我国铁道部在1999年就开始着手开发研制自动车号识别系统，经过开发，于2000年投入使用，取得了较好的效果。

3.6  集装箱跟踪管理

集装箱货物吞吐量大，因此在运输使用过程中需要进行跟踪和管理。有源射频RFID系统以其识别速度快、传输距离长的优势，被应用于集装箱跟踪管理当中，成为目前比较理想的方式之一。通过集装箱跟踪管理能够有效防止集装箱的损坏和丢失，对集装箱周转率提升具有重要作用。

3.7  军事物流

以美军为代表的现代化部队十分重视后勤管理和供应，这也成为现代化部队建设的关键内容之一。美军在海湾战争中就利用了有源射频RFID技术进行军事物流管理，结合卫星技术和定位技术，实现物资运输途中的可视性，保证了后勤高效管理。

4    结语

RFID技术因其传输距离远、传输速度快的优势，具有巨大的发展潜力，我国在未来发展中也必须充分重视RFID发展机遇，同时，也应该应对挑战。我国科技部也将RFID技术开发研究纳入日程，希望提高该技术水平，希望该技术促进我国发展，为我国发展提供推动力。

[参考文献]

[1]王绍春.一种基于无源射频识别的智能门禁系统[J].机械与电子，2018（10）：77-80.

[2]凌康杰，岳学军，王林惠，等.基于有源射频识别的应急车辆交通引导系统[J].计算机应用，2016（S1）：273-277.