主動式超高頻射頻識別系統設計

　　1.2.1 物理層協議

　　系統的通信協議的物理層與ISO/IEC 18000-7[3]標準兼容，載波頻率為433.92MHz；調制方式為2FSK；調制深度為+/-60KHz；數據速率為38.4Kbps；喚醒頻率為315MHz。

　　1.2.2 數據幀格式

　　讀寫器與應答器之間的通信數據以幀的方式打包，從而提高系統通信的可靠性。讀寫器與應答器之間通信幀包括前導碼、同步頭、數據長度、傳輸數據和CRC 校驗幾部分組成。其中前導碼和同步頭由CC1100 自動產生，用來進行接收和發射數據同步；數據長度為數據部分總的字節數；數據部分為要傳輸的有用信息，它可能包括讀寫器向應答器發送的命令或它們之間相互交換的數據，CRC 校驗為符合CRC-CCITT 的2 字節校驗位，同樣由CC1100 硬件電路自動產生，并緊跟數據部分。

　　2 系統的工作流程與軟件設計

　　系統軟件分為三部分：主機軟件、讀寫器控制程序和應答器程序，主機軟件向上層提供API 接口，并通過RS232 接口與下層讀寫器進行數據交換；讀寫器程序和應答器程序分別用來控制讀寫器和應答器的工作流程。這里主要介紹讀寫器部分程序流程和應答器部分程序流程。讀寫器與應答器為主從關系：通信過程由讀寫器發起，讀寫器向應答器發送命令，然后等待應答器的應答。

　　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命令，接收到主機命令后，根據主機需求將命令解析成讀寫器對應答器相應操作，例如：提取場內所有應答器ID，對場內某些應答器的存儲器進行讀寫等。命令發送后，讀寫器等待應答器的應答數據，與應答器進行無線通信。當讀寫器執行完主機命令，完成于應答器的通信后，將需要返回的數據或狀態通過讀寫器與主機之間的接口上傳主機，繼續等待新的主機命令。

　　2.2應答器軟件流程

　　圖 3(b)說明了應答器的狀態轉移圖，應答器平時處于休眠狀態，當進入讀寫器的載波喚醒場內時，被載波喚醒，進入激活狀態，如果1s 之內沒有接收到命令則重新返回休眠狀態。應答器接收到讀寫器命令后，對命令進行初步解析和操作對象判斷，如果應答器確定讀寫器此次操作對象包含自己，則隨機選擇一個時隙做出相應的應答。

　　圖3 讀寫器與應答器的工作流程

　　讀寫器向應答器發送的消息分為兩種形式：廣播消息和點對點消息。廣播命令用來收集所有場內應答器的ID，或向所有場內應答器進行同一個操作。而點對點消息是針對某一個應答器進行讀存儲器、寫存儲器等操作。讀寫器發送廣播命令后，如何分配各個應答器對信道的占用是一個十分重要的問題，第3 部分將對這個問題進行討論。

　　3 系統防碰撞算法設計與實現

　　當兩個或兩個應答器同時對讀寫器的命令做出響應時會彼此產生干擾，使讀寫器無法正確接收，這種現象為“碰撞”。為了提高系統的可靠性和效率，必須盡量避免應答器碰撞的發生。系統采用基于時隙的ALOHA 算法作為系統的防碰撞算法。

　　時隙 ALOHA 算法的基本步驟為：每次應答器響應循環的時間被分為N 個時隙，應答器隨機選擇時隙應答，當不同的應答器選擇同一個時隙進行應答時，則發生了碰撞，碰撞的應答器與讀寫器通信失敗，應答器在下一個通信循環中重新與讀寫器建立通信。

　　3.1時隙ALOHA算法分析

　　1）最佳時隙數

　　一個時隙內應答的應答器數目服從二項分布，對于給定的時隙數N 和場內應答器數n，對于選定的某一時隙，讀寫器能正確接收應答器應答的概率為

　　2）場內應答器數估計

　　在實際應用中，場內應答器數目是未知的，因此必須對場內應答器數進行估計。圖中可以看出每個時隙可能有三種狀態：空時隙、正常通信時隙和碰撞時隙。可以根據式（5）對應答器數進行估計[4]。