电子标签(射频卡)内部存有一定格式的数据，以此作为识别的标识性信息，标签可以主动或被动地将内部存储的ID信息调制后通过天线发射出去。应用中将电子标签附在待识别体上，作为识别的电子标记。

    阅读器用来接收电子标签发出的信息，并在某些情况下向标签发送命令或写入信息。
    数据交换与管理系统用于收集并处理从阅读器读到的标签数据，对收集的电子标签数据作不同的处理和数据输出。
    根据标签的不同工作频段，分为低频标签(125～134 kHz／140～148 5 kHz)、高频标签(13．56 MHz)、超高频标签(433 MHz，868～928 MHz)和微波标签(2 4 GHz以上)一。
    根据电子标签获取能量的方式，将RFID标签分为无源(被动标签)和有源(主动标签)2种。无源标签识别距离较短，但成本较低。有源标签由电池供电，可以主动向附近的阅读器发送数据，识别距离比无源RFID远，其应用形式也更加多样化。电池的寿命有限，必须在硬件和软件设计中充分考
虑低功耗的实现。
  2)系统构成与功能  井下安全定位考勤综合系统，如图1所示。
     

   系统主要由电子标签、阅读器、。485网络、中继分站、服务器、客户机组成。
    其中，电子标签为井下人员携带，作为身份标识。阅读器分布在矿井人口以及井道各监测点，通过485总线连接到分站。分站起中继传输信息的作用，连接到Pc服务器，将接收到的电子签信息及标签持有人相关信息保存到数据库，供客户端使用。客户端连接到服务器的数据库，进行数据的查询处理以及相关操作。
    整个系统具有服务器连接设置、硬件端口设
置、井下分站、阅读器故障自诊断；标签号与工号维护、下井人员统计列表、超时下井人员列表、人员实时动态监控、人员考勤统计报表、数据库备份与还原等功能。
3基于成本和低功耗的硬件设计与实现
    井下定位考勤系统的****层是RHD标签及其阅读器模块，其硬件的性能是整个系统的关键。
    1)阅读器与卡的设计选用ATmega88作为标签和阅读器的控制芯片。它具有多种低功耗模式，可在1．8 V工作。内置2倍cLK的硬件乘法器，保证程序和防冲撞算法的高效率执行。选用
ccl020作为无线收发芯片。其发送数据率达153．6 khit，灵敏度一119 dBm，极低耗电量(接收：17 mA)，内置位同步器，镜像消除混波器。
    阅读器和标签对射频收发的要求一致，所以标签和阅读器采用的控制器和射频收发芯片相同，且都工作在433 MHz频段。阅读器要将识别到的正确标签数据通过网络上传给上位机系统，因而比标签多了485接口。由于标签的数量远远多于阅读器，为了降低成本和功耗，在保证收发性能的基础上，对标签的天线滤波部分作了简化处理。阅读器天线部分设计要优良，使阅读器与天线的通信性能不受影响。
    标签采用钮扣电池供电，其电源部分也与阅读器有所不同。标签和阅读器采用相同主要器件，在降低硬件开发周期、软件开发复杂度的同时，也消除了由于不同射频芯片可能带来的性能影响。
    阅读器和标签的框图，分别如图2，图3所示。
   

2)提高性能与抗干扰措施标签和阅读器的直线通信为30 m，井下环境复杂，巷道多弯曲，硬件设计中采取如下措施来提升系统的整体性能：
    在阅读器的天线部分，采用了一个(]aAs高速收发转换射频开关}IM(：154s8，以达到在接收和发射部分采用不同的滤波电路，提高收发灵敏度和可靠性，同时又保持ccl020收发状态速转换的目的。为保证体积小、灵敏度高的收发性能，标签端天线没有采用通常的有源标签端所采用的PcB天线，而是采用了l／4波长的螺旋天线。螺旋天线具有不错的收发性能，又不占太大的空间。此外，在ccl020及其关键外围器件外加一个金属屏蔽壳，将外界的干扰降到****。
    电源方面，将ATl珈。ga88与ccl020的供电电路相互独立起来，以减少串扰。PcB采用独立的电源层和地线层能有效地降低干扰；元器件的布局做到合理有序，将数字地和模拟地用Bead(磁珠)隔
离开来，降低二者之间的互扰。
4基于零漏读和低功耗的软件设计与实现
    1)通信数据格式标签发出的数据格式，见
表1。
    表1标签的数据格式
       

前4字节是0XAA的训练序列(Pre—ble)，即平衡报头。在接收端，只有在平均值滤波器输出正确的比较电平后，才能进行后续数据的正确接收，所以发出的数据都要求有一定比特数的平衡报头，如0101或1010。第5和第6字节是同步字节。同步字节应尽可能多的O和1变化，最多不能超过3个相同的O或1连续出现，且自不相关。同步字节中不能重复出现相同部分，第1位与平衡报头的最后一位****不同。    根据上述规则，选择同步字节长度为2个字
节，分别是11010011，1001000l(OxD3，0x91)。第7和第8字节分别作为标签惟一标识字节的ID。最后2个字节是ID字节部分的cRcl6校验码。
    阅读器发出的数据格式，见表2。
    表2阅读器的数据格式
       

与标签数据相比只多了1个字节，即第7命令字节。根据cMD命令字节的不同分为阅读、写入、报警等命令。其他各个字节意义与标签中的定义一样。阅读器与分站，分站与服务器之间的485网络采用3次握手协议进行通信。
    2)零漏读的解决零漏读解决了RHD标签与阅读器通信冲撞的问题。防冲撞是RFID技术应用之中需要解决的重要问题之一，对于有多个信道的RFID系统，可以采用跳频或者不同上下行频率等方法来解决，但是采用多信道的系统往往成本比较高。
    基于成本的考虑，RFID系统一般只有一个公共信道，当在同一时刻有多个标签与阅读器通信时，就会导致阅读器无法收到正确的数据，这时冲撞就发生了。
    针对这种情况，在软件设计过程中必须充分考虑可能的情况，设计一种合理的算法来解决信道复用问题。解决信道复用的防冲撞算法主要有ALO．HA及相应改进算法、二叉树(Binaw nee search)及相应改进算法。
    一般来说，各种改进的二叉树算法都具有相对较好的整体性能。但是由于二叉树算法要求有位冲撞的检测能力，所以，一般多用于无源R兀D标签的识别。
    采用改进的随机防冲撞ALOHA算法以提高系统的可靠性，其防冲撞原理如下：
    由阅读器在一定的时间间隔发出同步帧，处于接收状态的标签接收到同步帧后，启动自身的定时器，同时生成1个随机数，此随机数决定标签发出信息的时隙。如果阅读器成功地接收到标签发出的信息，说明没有冲撞的发生，这时阅读器回复确认信息给标签。
    标签收到确认信息后就进入休眠状态，休眠时间的长短取决于具体的应用。标签进入休眠状态即是为了低功耗，也是为了防冲撞。如果在规定的时
间内，标签没有收到阅读器的确认信息，就认为是冲撞发生。这时，标签就会在为冲撞标签预留的时隙中重新选择时隙，然后在时隙到达时重发信息。阅读器在收到标签信息后，会计算收到信息的16位循环校验码(cRc)，如果校验码不正确，就不予响应，如果正确就将标签数据存入指定的缓冲区。
    阅读器和标签的主程序流程图，分别如图4，图5所示．

2个阅读器(接收基站)通过485总线和485转232连接到服务器PC的COMl端口。由于测试的距离不需要分站的中继，所以在实验的过程中省略了作为中继的分站。将6个卡号分别为Ox01～0x06的卡，0x01，0x02和Ox04的卡放到1号阅读器的接收范围(模拟2平面1巷道)，0x03，0x05和0x06的卡放到阅读器2的接收范围(模拟3平面5巷道)，根据监控端点显示，接收标签卡信息准确。然后将卡号为0x04的卡从阅读器1移动到阅读器2，模拟井下人员从模拟2平面1巷道移动到模拟3平面5巷道；然后将0x02号卡关闭，模拟出井。根据图7监控界面的显示数据，可以看出6个标签卡的信息均接收正确，证实了RFID模块与
外部通行的可靠性。

6结语
    本文从硬件和软件的双重角度来解决RFID系统中普遍存在的成本、电子标签零漏读率和低功耗问题，所设计的用于井下安全定位的有源RFID通信模块通过后台测试管理系统软件证明了系统设计正确性和有效性，为井下安全定位系统的设计提供了很好的参考，标签与阅读器作为系统的一部分已被采用。
参考文献(References)：
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