基於RFID物品防盜系統的設計方式論文
基於RFID物品防盜系統的設計方式論文
1 前言
射頻識別RFID(Radio Frequency Identification)技術是透過無線射頻方式傳輸和獲取相關資料，並對物體加以識別。RFID解決了無源(卡中無電源)和免接觸兩大難題，可實現運動目標識別、多目標識別，其突出優點是環境適應性強，能夠穿透非金屬材質，資料儲存量大，抗干擾能力強。目前已廣泛用於學校、公共交通、門禁、物流、醫療等領域，已成為21世紀最熱門的技術之一[1]。
典型的RFID系統由電子標籤、閱讀器、應用系統等組成，電子標籤有主動標籤、半主動標籤與被動標籤之分，電子標籤有著全球唯一的電子編碼，且有一定的儲存空間，可以儲存所標識物體的一些資訊。電子標籤可透過讀寫裝置重新寫入資訊，來實現標籤的重複利用[2]。
現如今人們出門在外通常會攜帶一些必備物品，手機、平板電腦、錢包及各種卡片，如信用卡、身份證、公交卡等。這些物品基本上是日常生活離不開的，更有一些物品是集多功能於一身的。但若出門忘帶或者不小心丟失這些東西則會給人們帶來不便甚至會造成損失;還有一些貴重物品趨於袖珍化，被不法分子順走也不易被發現。因此如果有一套系統將這些物品管理起來，當物品脫離系統範圍就發出報警，這樣人們就會很輕鬆地管理隨身物品，為防盜提供可靠保障。
2 系統設計及實現
本系統設計的思路是將要管理的物品貼上無源電子標籤，設計一個易攜帶、低功耗的閱讀器來管理這些標籤從而實現防盜。因系統採用電池供電，對低功耗要求比較嚴格，因此採用超低功耗的MSP430晶片作為主控晶片，閱讀器晶片採用AS3991，系統框圖如圖1所示。
AS3991是奧地利微系統公司研製的一款用於超高頻(860MHz～960MHz)RFID閱讀器的專用晶片，內部集成了射頻的發射與接收，支援 EPC Class1 GEN2協議，但晶片對ISO18000-6A/B協議的支援並不完全，只能直接序列輸出碼流，因此解碼與校驗必須由MCU完成[3]。AS3991內部可輸出最高為0dBm左右的`已調射頻載波訊號，這一功率遠遠不夠驅動遠距離的無源標籤，需增加外部功放電路來提高發射功率。功放晶片採用RF5110G，其典型工作頻率為800-950MHz，還可以透過調整控制電壓來改變輸出功率。因為射頻部分的電路設計複雜且要求較高，系統採用已設計好的閱讀器電路，只留有電源介面及資料介面。透過控制器GPIO就可以實現對閱讀器的程式設計及資料收發，電路原理圖如圖2所示。
系統採用超高頻(UHF)閱讀器及標籤，是因為其可以實現遠距離傳輸，也具有一定的穿透性，而常用到的高頻(13.56MHz)只有幾釐米到十幾釐米的作用距離[4]。該系統可以將電子標籤進行註冊，然後將註冊在案的標籤進行保護，當標籤不在系統的閱讀範圍內，則可以發出聲音報警的功能，提醒主人。還可以透過搜尋的功能在系統閱讀範圍內尋找指定的在冊的標籤，若發現，則發出聲音提醒。
系統有三大主要功能：
⑴註冊標籤功能。將重要物品貼上電子標籤，將撥動開關撥到註冊端，這時系統就啟動了註冊功能，此時的閱讀器發射功率低，只能激發釐米級範圍內的標籤，近距離可以避免在公共場所內搜尋到附近他人的標籤。此時系統掃描到電子標籤，會與儲存器中的資訊比較，如果是一個新的標籤，將會提示是否註冊，註冊成功後，標籤資訊將儲存在晶片24C08中。24C08是一種電可擦可程式設計只讀儲存器，其儲存的資料在掉電後不會丟失。
⑵標籤防盜功能。將撥動開關撥到防盜端，系統即啟動防盜功能，此時的閱讀器發射功率較高，閱讀距離可達1米左右。系統會定時去掃描已被註冊的電子標籤，若在掃描過程中找不到某個標籤，系統會發出報警聲，提醒主人;若在掃描過程中發現所有的標籤都在閱讀範圍內，系統轉為睡眠模式，以便節電。一段時間後，系統透過定時喚醒進行下一輪的掃描。
⑶搜尋標籤功能。當系統發現標籤不在閱讀範圍內時發出報警。使用者可以檢查物品是否丟失，若發現真的不見了，使用者可以按下搜尋按鈕，此時系統的發射功率又可以增強，閱讀範圍可達到1-3米。這樣當標籤進入閱讀器範圍時，系統同樣會有聲音提示。這個功能可以為公安人員搜查盜竊嫌疑人提供手段。
3 軟體部分
MSP430與AS3991構成一套主從裝置，由MSP430控制完成與AS3991的通訊。AS3991內部已嵌入了對EPC GEN2協議的支援，集成了很多直接命令，使用者只需直接呼叫相應的程式碼就可以了。軟體流程圖如圖3所示。
系統軟體的設計除了要實現對標籤的讀取外，還要實現兩個功能，第一，透過軟體控制閱讀器的發射功率，從而改變其閱讀距離;第二，標籤及閱讀器的防衝突問題。
3.1 控制發射功率
系統採用無源電子標籤作為資訊載體，它只有靠接收到來自閱讀器的激發才能與閱讀器進行通訊。閱讀器向標籤傳遞能量時存在路徑損耗，所謂路徑損耗是指傳輸到閱讀器發射天線的功率與標籤接收天線獲得的功率之差。因此應先做件鏈路預算的工作，包括前向鏈路與反向鏈路兩個方向的預算，確保標籤與閱讀器能在指定距離處穩定通訊[5]。因為系統有三種不同閱讀距離，單靠硬體來實現這種功能比較複雜，可以透過程式來控制硬體實現三種不同的發射功率，從而實現不同的閱讀距離。
如圖2所示，Rf5100的ACP1與ACP2管腳的電壓可以控制PA的輸出增益。配置AS3991的8位暫存器(地址為0x18)來控制DAC端的輸出電壓，可以實現0～3.2V的變化，步階是：3.2/256=0.0125V。DAC端的可變電壓能夠控制PA的變化輸出。
3.2 防衝突演算法
在RFID系統中，標籤和閱讀器之間的通訊是透過共享的無線通道進行的，在多個閱讀器或者多個標籤同時傳送訊號的時候，必然會引起傳送訊號相互之間的衝突。因此在RFID系統中存在兩種型別的衝突：標籤衝突和閱讀器衝突[6]。而對於本系統來講，所管理的標籤數量不是很大，且標籤ID都是已知的，閱讀器要啟用標籤時，只需傳送指定的ID號就可以了。本系統面臨的衝突問題可能是閱讀器的衝突，因為閱讀器是每個人都隨身攜帶，且其閱讀距離有些近，容易造成在某一個小範圍內，同一個標籤處於好幾個閱讀器的閱讀範圍，尤其在擁擠的公交車等公共場所，因此解決閱讀器的衝突是本系統的重點。
閱讀器防衝突的方法有：基於控制閱讀器發射功率方法、基於時序的方法、基於載波偵聽方法以及其它方法[7]。本文采用了基於載波偵聽的方法，其思想是：將通訊通道分為兩部分，控制通道和資料通道。控制通道用於閱讀器之間的通訊來偵聽是否有閱讀器在工作;資料通道用於閱讀器和標籤之間的通訊。控制通道是整個RFID系統頻段的一部分，控制通道和資料通道相互之間不會產生干擾[6]。
4 結束語
本設計採用超低功耗的MSP430為主控制晶片，以超高頻RFID為技術手段設計了一套隨身物品防盜系。使用者只需將要保護的物品貼上超高頻電子標籤就可以被系統保護，或者直接將超高頻射頻卡作為保護的物件。該系統可以程控閱讀距離實現不同的功能，系統多數時間處於休眠模式，真正實現低功耗。該系統的不足之處是沒能實現標籤的通用性，尤其是不能識別身份證、門禁系統等常用的高頻(13.56MHz)射頻卡。
[參考文獻]
[1]孫曄，王豔秋.RFID射頻識別技術及應用[J].電大理工.2009，(01)：12-14.
[2]趙斌，張紅雨.RFID技術的應用及發展[J].電子設計工程.2010，18(10)：123-126.
[3]郭曉峰.UHF RFID閱讀器晶片功率放大器設計[D].北京：北京交通大學.2009.
[4]遊戰清，劉克勝，吳翔.無線射頻識別(RFID)與條碼技術[M].北京：機械工業出版社.2006.
[5]佐磊，何怡剛，李兵，等.無源超高頻射頻識別系統路徑損耗研究[J].物理學報.2013，62(14)：150-157.