基于后退式二进制搜索算法的有源RFID系统防碰撞算法

1 引言
        RFID是一种非接触式的自动识别技术,它通过无线电射频信号识别目标并获取目标信息。根据标签能量和调制方式的不同,可以将RFID系统分成两类:有源RFID系统和无源RFID系统。有源RFID系统由标签中的电池为标签提供能量,无源RFID标签从阅读器通过天线发送的无线电波接收能量。有源系统可以支持更远距离的通信和更高的通信速率,其通信范围可以达到100米,传输速率可达2Mbps。使其在很多应用领域都很有优势。有源RFID系统设计的关键技术就是防碰撞算法的设计。本文提出了一种后退式二进制搜索算法,并将其与现存的算法做了对比。解决了现阶段有源有源RFID系统的多标签防碰撞和低功耗问题。
        目前,有源RFID由于各方面原因还没有标准的防碰撞算法,常用的防碰撞算法有以下2种:ALOHA算法和CSMA/CA算法[1]。其中最常用的是基于ALOHA算2 防碰撞算法的几点约定
2.1 有源RFID碰撞检测方法 
        由于有源RFID硬件无法检测碰撞是否产生,因此采用软件方法判断碰撞。碰撞检测方法:当读卡器检测到射频信号且没有接收到标签信息时,说明此时有碰撞产生。
2.2 算法中的报文类型
        为了便于描述算法,引入了3种报文类型
        1、 Broadcast广播报文:由读卡器发送给标签,当标签收到广播报文时,标签进入接收碰撞报文模式。
       2、 Collision碰撞报文:由读卡器发送给标签,报文包含掩码值D和掩码长度L。(匹配原则:收到碰撞报文的标签将自己的ID号的最低L位与掩码值D比较,当相等时,标签响应,发送自己的ID)。
        3、 ID信息报文:由标签发出,当标签收到的碰撞报文与自己的ID号匹配时,应答ID报文,报文包含自己的ID号[3]。
        4、 Quiet休眠命令报文:由读卡器发送给指定ID的标签,对应ID的标签进入低功耗模式,等待下一个唤醒周期。
2.3 标签工作模式设置:
        1、设置标签唤醒周期为1秒,时间为500微秒,即标签每隔1秒被唤醒,唤醒后待机时间为500微秒,没有接收到广播报文后立即休眠。
        2、设置标签ID号长度为1个字节。
        3 后退式二进制搜索算法
3.1 算法实现
        标签ID号长度为32位(4个字节),假设阅读器作用区域内有8个标签(ID号分别为00 00 00 01-00 00 00 08,下面以1-8代替)。开始时,读卡器对区域内标签数量为未知状态。具体算法实现过程如下
        首先当读卡器串口接收到扫描标签命令时,读卡器发送广播报文,连续发送1秒的广播报文,唤醒区域类所有标签。
        1、读卡器发送碰撞报文(D=0,L=1)。标签2、4、6、8应答,读卡器检测到碰撞发生。
        2、读卡器发送碰撞报文(D=00,L=2)。标签4、8应答,读卡器检测到碰撞发生。
        3、读卡器发送碰撞报文(D=000,L=3)。标签8应答,识别标签8。
        4、读卡器发送休眠命令报文,指定标签8休眠,标签8收到报文后休眠。
        5、读卡器发送碰撞报文(D=100,L=3)。标签4应答,识别标签4。
        6、读卡器发送休眠命令报文,指定标签4休眠,标签4收到报文后休眠。
        7、读卡器发送碰撞报文(D=10,L=2)。标签2、6应答,读卡器检测到碰撞发生。
        8、读卡器发送碰撞报文(D=010,L=3)。标签2应答,识别标签2。
        9、卡器发送休眠命令报文,指定标签2休眠,标签2收到报文后休眠。
        10、器发送碰撞报文(D=110,L=3)。标签6应答,识别标签6。
        11、卡器发送休眠命令报文,指定标签6休眠,标签6收到报文后休眠。
        12、卡器发送碰撞报文(D=1,L=1)。标签1、3、5、7应答,读卡器检测到碰撞发生。
        13、卡器发送碰撞报文(D=01,L=2)。标签1、5应答,读卡器检测到碰撞发生。
        14、卡器发送碰撞报文(D=001,L=3)。标签1应答,识别标签1。
        15、卡器发送休眠命令报文,指定标签1休眠,标签1收到报文后休眠。
        16、卡器发送碰撞报文(D=101,L=3)。标签5应答,
        为了验证算法的有效性,我们在基于Nordic公司的最新低功耗2.45G无线收发芯片nRF24LE1基础上开发了一套2.45G有源RFID系统,包括标签和读卡器。2.45G有源RFID标签硬件框图如图3所示。
        在以上硬件平台上,我们在MDK软件平台上采用C开发了读写器和标签软件系统,nRF24LE1 2.4g收发模块初始化程序如下:
        void Nrf_Init(void)
{
        RFCE=0;
        RFCKEN = 1; //Enable the radio clock 
        RF = 1; //Enable RF interrupt
                hal_nrf_set_address_width(HAL_NRF_AW_3BYTES);
                hal_nrf_set_address(HAL_NRF_TX,TX_ADDRESS);
                hal_nrf_set_address(HAL_NRF_PIPE0,RX_ADDRESS_P0);
                hal_nrf_open_pipe(HAL_NRF_PIPE0,false); 
       //打开接收通道0,禁止自动应答
                hal_nrf_close_pipe(HAL_NRF_PIPE1); //关闭接收通道1
                hal_nrf_set_auto_retr(0,250);
                hal_nrf_set_output_power(HAL_NRF_12DBM);
                hal_nrf_set_datarate(HAL_NRF_1MBPS);
                hal_nrf_set_rf_channel(RF_CHANNEL);
                hal_nrf_set_crc_mode(HAL_NRF_CRC_16BIT);
                hal_nrf_set_operation_mode(HAL_NRF_PRX);
                hal_nrf_set_rx_payload_width((int)HAL_NRF_PIPE0, PayLoadLength);
                CE_LOW();
                hal_nrf_set_power_mode(HAL_NRF_PWR_UP);
}
        实际测试中在读卡器区域放置了8个标签(标签ID号分别为00 00 00 01-00 00 00 08)。标签ID为4个字节。测试结果如下图所示,从串口终端中搜索到的标签信息可以看出,按照本搜索算法依次搜索出标签 00 00 00 08 、00 00 00 04、00 00 00 02、00 00 00 06、00 00 00 01 、00 00 00 05、00 00 00 03、00 00 00 07[6]。实际标签搜索过程和算法理论分析完全一致,验证了后退式二进制搜索防碰撞算法在有源RFID系统应用中具有识别速度快、精度高、功耗低、可靠性好的优点。