一种基于RFID的移动目标监控系统的设计

　　系统所涉及的干扰主要有两个方面，一方面是阅读器与标签之间通信时，标签与标签之间的碰撞问题，当有较多的标签同时出现在阅读器的范围之内时，各标签之间传输的信号互相干扰，阅读器将收不到正确的信息。为此，阅读器与标签之间采用了帧时隙ALOHA算法，进行防碰撞设计。通过明确的分组，有效地限制每次响应的标签数量，使每次响应的标签数都与帧时隙算法的帧长相匹配，从而获得较高的标签识别效率。另一方向就是当2个以上的从阅读器同时向主阅读器传送数据时，将会产生干扰，出现错误信息。本文采用了时分多路法来解决，时分多路法的主要特点是利用不同的时隙来传送各路不同的信号，每路信号在时域上是分开的。

　　3  监控软件的开发

　　软件系统主要由三部分构成：数据库系统、地图编辑器、操作界面。软件界面的开发基于Visual Studio 2005，电子地图的二维显示框架主要使用了DirectX开发包。PC机通过RS232与主阅读器进行通信，获得的数据储存在基于Excel的数据库中。

　　电子地图信息系统的一大特点就是支持多场合的应用，为了提高软件的通用性，设计了辅助软件——地图编辑器，可以根据不同的应用场合，灵活地绘制、修改应用场景的地图。

　　通过对Excel的调用，完成数据的实时存储、查询调用功能，结果用数据表格和地图信息的方式进行显示。这样就可以对携带电子标签的移动目标进行实时的监控。

　　4 系统测试与结果分析

　　实验中使用了3个阅读器，2个电子标签。主要对标签与阅读器通信的误码率、阅读器的通信距离两方面进行了测试。另外根据MCU的数据处理速度，估算了阅读器识别范围内的标签容量，综合分析了单标签扫描次数与系统效率、标签容量之间的关系。

　　经测试发现，标签与阅读器数据传输的误码率与NRF2401芯片的工作频率选择有很大关系， NRF2401在2 400 MHz~2 570 MHz之间共有157个频点可供选择，选择适当的中心频率可以降低系统误码率，提高数据的传输效率。测试结果如图5所示。

　　由图5可知，在某一固定频率下，数据传输的误码率随着阅读器和标签之间距离的增大而逐渐升高；在相同距离下，当NRF2401的中心频率选择在2 450 MHz附近时，误码率较高，在偏离2 450 MHz时，误码率较低。另外，为了降低误码率保证数据的传输效率，中心频率点的尾数要尽可能的精确，这样可以大大降低数据传输的误码率。这主要是在ISM频段，WLAN、Bluetooth、Zigbee等设备的工作频率都集中在2 450 MHz附近,相互之间会产生严重的干扰。因此，设备在实际应用时，需要首先测试该环境下的空间电磁频谱分布情况，采用合适的中心频率尽量避免外界的电磁干扰，以提高系统的数据传输效率。

　　实验中分别测试了阅读器在不同接收功率下，系统的最大通信距离。

　　图6是电子标签接发射率为0 dBm，阅读器的接收功率分别为0 dBm、-5 dBm、-10 dBm、-20 dBm时，标签与阅读器的有效通信距离。经测试，在定向天线方向性最优的情况下，系统最大通信距离为33 m。这与公式(1)描述的2.45 GHz短距离无线通信的路径损耗模型基本吻合：

　　系统中阅读器使用的是12 MHz的晶振，经测试，在阅读器范围内，单标签单次扫描时间为32 ms，为了避免因外界干扰及系统误报造成的误判，阅读器采用固定门限值多次判别的方法来提高系统的可靠性。阅读器对同一个标签进行多次扫描，只有成功扫描达到一定次数以后才会进行数据采集，这样提高了系统的可靠性，但降低了阅读器范围内的标签容量。假设标签与阅读器的有效通信距离为S，携带标签的移动目标的移动速度为V,阅读器单标签扫描的时间间隔为T，单标签扫描次数为N,则可以估算出阅读器识别范围内的标签容量n的估算式为：

　　根据阅读器与标签的通信距离、单标签的扫描时间以及移动目标的移动速度，可以推导出标签扫描次数N、标签容量n及系统数据传输效率三者之间的关系，仿真曲线如图7所示。

　　图7是在标签发射功率为0 dBm、阅读器接收功率为-20 dBm、，移动目标的速度为1 m/s的情况下，标签扫描次数与标签容量及系统效率的关系图。由图可知，随着单标签扫描次数的增大，阅读器的正确识别率随之提高，而最大可识别标签数却急剧下降。在扫描次数为4~6次时，标签容量和系统识别效率都可以达到一个相对合理的值。因此，在接收功率和发射功率一定的情况下，要综合考虑标签容量和系统误码率，折衷设定一定的标签扫描次数，才能使系统性能最优化。

　　在高速发展的信息时代，射频识别技术应用正渗透各个领域，要应用于各种复杂的工作环境，其信息的安全可靠传输是人们所关注的热点。本文对2.4 GHz频段下的RFID进行研究和应用实验,较好地解决了系统频率、标签扫描、标签容量和识别效率的关系，系统运行稳定可靠，适用性较强，采用这种模式建立的RFID网络稳定可靠，通信效率高。该系统可以应用于城市公交、地铁等运营系统的监控管理,也可以应用于物流、矿井人员管理等多标签识别的场合。