一种射频有源识别系统的设计_居水荣.pdf

集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 11Research and Design 研究与设计0 引言 射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是物联网领域的关键性技术，已经成为抽象系统控制终端和现实世界建立关系的一种重要手段，被广泛应用到人员管理、身份识别、交通运输、物流管理、生产制造和装配、商业自动化、工业自动化等众多领域。1 研究背景RFID标签的工作方式有无源和有源两种，工作频率从低频到微波，本文主要研究有源标签在射频范围内的识别系统的开发，包括整体系统的设计及软硬件设计等。这种系统既可以像低频和高频一样具有很强的穿透性，也可以拥有超高频RFID系统的传输距离远、识别速率快、防碰撞能力强等优点。2 RFID系统组成和采用的技术 2.1 RFID系统的组成常见的RFID系统组成如图1。图1所示的系统包括标签、阅读器和控制终端等三大部分组成，标签和阅读器之间通过天线进行无线通信，传输数据和能力；阅读器与控制终端相连，进行命令和数据的传输。本文所介绍的射频有源识别系统与图1相同。2.2 信息安全保障RFID系统与其他信息系统相类似，会发生信息被窃听及篡改等问题。当标签包含用户的个人信息时，攻击者可能会通过秘密监听的方式获取到用户的隐私信息，甚至对信息进行篡改。当RFID系统应用于商业、军事领域，若发生供应链的信息泄露、军事动向机密被截取等事件，造成的损作者简介：居水荣，江苏信息职业技术学院微电子学院，硕士；研究方向：集成电路开发与应用。收稿日期：2022-04-14；修回日期：2022-12-22。摘要：阐述一种射频有源识别系统的组成，采用的RFID技术标准、防碰撞算法和信息安全保障的技术，探讨系统的设计，包括标签、阅读器的硬件构架设计，模块电路，标签、阅读器、控制终端的软件设计。在对该系统进行硬件系统、读写距离、安全认证和防碰撞性能的测试后，结果表明达到设计目标，且具有较好的防碰撞特性。关键词：RFID，有源标签，阅读器，防碰撞算法。中图分类号：TN820，TP391.44 文章编号：1674-2583(2023)01-0011-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.01.004文献引用格式：居水荣，俞雷，景为平.一种射频有源识别系统的设计J.集成电路应用,2023,40(01):11-13.一种射频有源识别系统的设计居水荣1，俞雷2，景为平2(1.江苏信息职业技术学院 微电子学院，江苏 214153；2.南通大学 信息科学技术学院，江苏 226019）Abstract This paper describes the composition of a radio frequency active identification system,the adopted RFID technical standards,anti-collision algorithm and information security technology,and discusses the design of the system,including the hardware architecture design of tags and readers,module circuit,and software design of tags,readers and control terminals.After testing the hardware system,reading and writing distance,safety certification and anti-collision performance of the system,the results show that the system achieves the design goal and has good anti-collision performance.Index Terms RFID,active tag,reader,anti-collision algorithm.Design of a RF Active Identification SystemJU Shuirong1,YU Lei2,JING Weiping2(1.College of Microelectronics,Jiangsu Institute of Information Technology,Jiangsu 214153,China.2.School of Information Science and Technology,Nantong University,Jiangsu 226019,China.)图1 常见RFID系统组成12 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 Research and Design 研究与设计失不容小觑。为此，一方面阅读器与标签通信时还会进行认证操作，确保阅读器及标签的合法性；另一方面还可以采用加密算法来加强信息安全保护，避免信息泄露与破解。本文采用一种高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）算法来提高RFID系统的信息安全。信息传输与加密认证流程如图2所示。在图2中，首先将阅读器产生的随机数A传输给标签。标签收到阅读器发送的随机数A后，加上标签信息一同使用密钥加密得到加密结果C。标签完成收发模式的转换，将加密结果C传输给阅读器。阅读器收到加密结果C后，使用密钥解密得到标签信息及随机数A，若随机数A正确则说明标签合法。2.3 防碰撞算法RFID系统工作过程中经常会发生同一时刻有多个标签响应读写器信号命令的情况，这就是多标签碰撞现象，导致读写器无法成功识别标签。为解决标签碰撞问题，可以通过防碰撞算法来协调读写器识别区域内的标签，以减少或者避免标签碰撞。本文所设计的RFID系统采用了一种并行防碰撞算法，其主要特点为标签的转换时间相互重合同时工作，能大幅缩短整个系统的识别时间，同时可以有效提升射频识别系统抗冲突性能且受标签数目的影响较小。采用该算法后，阅读器与标签进行信息交流的流程如图3所示。2.4 RFID技术标准RFID系统开发过程中需要遵循相关的协议。2013年全国信息技术标准化技术委员会（SAC/TC28）提出了射频识别在2.45GHz频段的GB/T 28925空中接口协议。该协议规范化了物理层、数据链路层、标签工作状态、读写器命令、防碰撞方法及安全协议等方面，在指导读写器与有源标签的研究、测试及使用等多环节有着重要意义。3 RFID系统的开发 3.1 标签的设计标签由充电电路、MCU、低频触发电路和射频模块等组成，如图4所示。图4中，充电电路为标签提供持续的电源，充电电池可通过标准micro-usb接口对其充电，可以延长使用时间，适用于标准卡片式的标签；MCU模块为标签主控电路，其内部存储器采用MTP结构，功耗低，可以节省标签的能耗，同时可以多次烧录程序；由于电子标签平时处于休眠状态，只有被触发唤醒后才能实现基本的发射功能。因此，图4中的低频触发电路就能起到唤醒的作用，该电路能够检测外部的125kHz特定信号并唤醒MCU，利用此特性可定位标签所在位置；射频模块即为标签的收发电路，该模块工作在2.4002.483GHz通用ISM频段，将射频收发电路、频率发生器、晶体振荡器、调制解调器等功能模块集成在了一起。可以按需求配置通信速率、发射输出功率以及工作频道。GFSK的通信方式下它能够完成自动重传以及自动应答，自带图2 信息传输与加密认证流程图3 阅读器与标签信息交流的流程 集成电路应用 第 40 卷 第 1 期（总第 352 期）2023 年 1 月 13Research and Design 研究与设计扰码和CRC校验功能。3.2 阅读器的设计本文介绍的射频识别系统包括了射频模块、接口模块和由MCU、电源管理、E2PROM和振荡器等组成的控制模块等三大部分，如图5所示。图5中阅读器收到的标签识别号等信息再控制终端上显示出来，控制终端通过外面接口与阅读器相连；而阅读器和标签之间的数据传输是通过射频模块实现的。3.3 系统的软件设计本文所介绍的RFID系统的软件设计部分包括了标签部分的软件设计、阅读器的软件设计以及控制终端中上位机的软件等几个部分；包含的内容较多，这里仅给出标签和阅读器的系统流程，分别如图6（a）、图6（b）所示。4 RFID系统的测试验证RFID系统开发完成后的测试验证工作包括了阅读器和标签的硬件系统测试，测试结果表明上述硬件系统和控制终端能够顺畅地进行信息交流。在此基础上进行读写距离的测试，结果表明，在发射功率为2dBm情况下，室外的平均距离为43米，隔墙平均距离在16m左右。另外还开展了安全认证测试，验证了读写器的读写性能良好并保障了系统信息安全性。最后，进行了防碰撞性能测试，测试结果表明在多标签识别中，采用本文所介绍RFID系统中采用的算法的三通道系统相较于传统单通道系统平均时延减少了60.2%，可见防碰撞性能优越，具有实际应用价值。5 结语本文介绍了一种射频领域内的有源识别系统的开发过程，包括整体系统设计、硬件设计和软件设计等，最后对所开发的RFID系统进行了测试，结果表明该系统研制成功并通过了测试，并具有较好的抗冲突性能。参考文献1 景为平,俞蕾,陈海进,蒋斌.一种支持并行防碰撞的有源射频识别方法及系统P.江苏省：CN113688644A,2021-11-23.1 俞蕾,蒋斌,陈海进.一种多通道2.4 GHz有源射频识别系统设计J.电讯技术,2021,61(09):1102-1108.图4 标签的系统组成图图5 阅读器的系统组成图6 RFID系统中的标签和阅读器软件流程