射频识别(Radio Frequency IDentification, RFID)技能是利用感应、无线电波或微波能量进行非打仗双向通信，实现以识别和交流数据为目的的自动识别技能。电子标签是完成射频识别功能的紧张部件，根据实现办法不同，RFID 可分为2 类，即有源RFID 和无源RFID。无源RFID 的电子标签上不带电池，其事情所须要的全部电源都依赖转换吸收到的阅读器发送的电磁波而得到，有效间隔较短。与之相反，有源RFID 的电子标签自身具备电池，可供应全部器件事情的电源，因此，相应阅读器的发射功率哀求不高，有效阅读间隔也比前者大大增加[1]。
传感器网络是近年来国内外兴起的一个多学科研究热点，目前国外已涌现了多种原型系统。只管有些技能可以运用于有源RFID，但有源RFID 在运用中一样平常都哀求在不改换电池的条件下能事情数年，这对有源RFID 的能耗提出了较高哀求。本文基于传感器网络干系技能，在降落有源RFID功耗方面做了一些考试测验，提出了能超低功耗事情的有源RFID系统。该系统采取2 种通信频率，低频通信利用Atmel 公司ATA5275/5282 完成，事情于100 kHz~125 kHz 频段;高频利用了瑞士ChipCon 公司的低本钱通信芯片CC2420 完成，事情于国际通用的2.4 GHz ISM 频段。全体模块的软件基于TinyOS 操作系统[2]。
2 硬件构成
如图 1 所示，该RFID 模块与读写器合营利用，它们都由2 个通信单元构成，即高频通信单元和低频通信单元，2 个单元均由同一片ATMega128 来掌握。低频线圈驱动芯片采取Atmel 公司的ATA5275 和ATA5282，这2 款芯片是Atmel公司专门为胎压检测系统(Tire Pressure Measurement, TPMS)而设计的低频通信芯片，载波频率为100 kHz~125 kHz[3-5]。高频通信部分采取了瑞士ChipCon 公司的低本钱通信芯片CC2420 完成，这款芯片符合IEEE802.15.4 标准，事情于ISM的2.4 GHz 频段，有效通信间隔可达上百米。
图 1 RFID 与读写器的硬件构成
读写器真个低频通信利用ATA5275 与线圈形成低频电磁场来完成。读写器发出的125 kHz 载波旗子暗记可激活RFID真个ATA5282，并且数据也可以被调制在低频磁场中发送。RFID 真个低频通信由ATA5282 完成。ATA5282 可三向感知读写器发出的低频电磁场，待机电流为2 μA，激活时电流也仅为4 μA。ATA5282 与ATMega128 通过两线接口连接，NSCL 脚连接到ATMega128 的一个I/O 端口，DATA 脚连接到ATMega128 的外部中断脚。在不须要通信时，ATMega128与 CC2420 均处于低功能的休眠状态。ATMega1288 事情于省电模式，事情电流为微安级，当读写器须要与RFID 通信时。首先由读写器发出低频旗子暗记。ATA5282 自动检测ATA5275 发出的低频旗子暗记，如果检测到有效的前导码和报头则能以外部中断的办法唤醒掌握器ATMega128。读写器随后可以利用低频磁场向RFID 写入少量用于识别读写器的数据。在完成低频通信后，读写器就可以利用高频通信与特定RFID 完成高速数据交流。
3 软件设计
本文利用 TinyOS 操作系统建立有源RFID 及读写器的软件。TinyOS 是美国加州大学Berkeley 分校专门为传感器网络开拓的操作系统。它由C 措辞的变体NesC 来实现，全体操作系统的核心部分仅须要396 Byte 的存储空间。由于采取事宜驱动的体系构造和模块化设计，TinyOS 供应了良好的编程框架及组件库。运用程序由TinyOS 自带的组件和用户根据运用实现的组件构成。用户只需利用配件(Configuration)将运用组件与所需的做事组件连接起来即可。全体程序的任务调度由TinyOS 调度器完成。
本文在 TinyOS 的框架上完成RFID 的软件，如图 2 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。
图2 有源RFID 程序构造
3.1 低频接口设计
在 TinyOS 的模块化程序构造中，必须首先定义模块所能供应的外部接口。在读定器端，本文设计了HPLATA5275软件模块，在RFID 端，设计了HPLATA5282 软件模块。这2 个软件模块均供应StdControl 接口，用来完成芯片状态配置及定时器的开关等动作。
HPLATA5275 模块供应了ATA5275 接口，该接口紧张供应以下命令：
command result_t Send(uint8_t length, uint8_t data)
这个命令的功能是利用低频磁场发送数据。length 参数给出了发送数据的长度，data 指针指向发送数据的首地址。如果发送成功，则返回SUCCESS。
HPLATA5282 模块供应了ATA5282 接口，这个接口卖力处理Wakeup 和Receive 两个事宜：
(1)async event result_t Wakeup，该事宜表明ATA5282吸收到精确的前导和头部信息而被激活;
(2)result_t event Receive(uint8_t data, uint8_t len, uint8_tsuccess)，该事宜用于吸收到1 个完全的数据包。个中，data存放吸收到的数据缓冲区的首地址;len 为吸收到的数据包的长度，success 表明吸收到的数据是否精确。
3.2 低频通信流程
图 3 给出了低频旗子暗记的发送和吸收过程。最上面的波形为掌握器发出的用于驱动ATA5275 的电平旗子暗记;中间的波形为低频载波驱动旗子暗记;最下面的波形为ATA5282 的输出旗子暗记。在收发过程中利用ATMega128 内部的16 位计数器/定时器T/C3 完成精确定时功能。
图3 低频旗子暗记收发过程
发送端状态机如图 4 所示。为激活ATA5282，ATA5275首先要发送有效的前导和头部信息。前导码和报文头部须要一段低电平保持韶光(startgap)。在发送完报头后，再保持一段同步韶光(sync)后就可以发送数据。本文在程序实现时采取了曼彻斯特编码。
图 4 ATA5275 发送状态机
图 5 为ATA5282 的吸收状态机，ATA5282 芯片可自动检测前导码和报头，因此，吸收真个状态机比发送状态机大略，从IDLE 直接进入SYNC 状态，在这一状态中，ATA5282 将通过输出真个低电平唤醒与之相连的掌握器。之后如果须要，ATA5282 将按照事先确定好的编码办法吸收并解析收到的低频数据。
图 5 ATA5282 吸收状态机
4 测试与剖析
本文对该有源 RFID 系统进行了测试，测试结果表明，读写器与有源RFID 的低频通信有效间隔可达2 m 旁边，而高频通信的有效间隔可达100 m 旁边。在休眠状态下，模块待机所花费的电流仅为20 μA。在高频通信状态下，模块所花费的电流增加了1 000 倍。因此，如果由一个2 000 mAh的电池供电，该有源RFID 模块在待机状态下可事情10 年以上，在持续高频通信状态下，可事情70 h 以上。但由于在实际运用中，高频通信所用韶光极短，有源RFID 大部分韶光事情电流处于微安级，因此本文设计的有源RFID 估量仍可事情5 年~10 年。
5 结束语
有源射频识别系统具有远间隔识别的优点，在现实中有广泛的运用需求。本文利用可完成高频及低频通信的芯片设计了可超低功耗事情的有源射频识别系统，基于TinyOS 操作系统建立的低频通信部分软件大略可靠。该系统在汽车胎压监测、贵重物品管理等运用中具有较高运用代价。
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