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        基于RFID技術(shù)的兵員集結(jié)指揮系統(tǒng)設(shè)計

        2014-04-29 08:35:19韓福瑩王金輝
        電子世界 2014年17期
        關(guān)鍵詞:空降兵測量

        韓福瑩 王金輝

        【摘要】高效率的通信指揮是戰(zhàn)場上人員和裝備快速集結(jié)、分散作戰(zhàn)的有力保障,而定位和敵我識別又是野戰(zhàn)通信的重要內(nèi)容。本文以基于RFID的測量技術(shù)為依托,針對野戰(zhàn)環(huán)境下人員識別、調(diào)配、集結(jié)和簡單的通信指揮的要求,尤其針對空降兵快速集結(jié)的特點,開發(fā)了一種空降兵單兵手持式RFID終端,并介紹了這套終端設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、軟硬件組成以及改進思路。整個系統(tǒng)電路簡單,功耗低,通信距離遠,能較好的滿足野戰(zhàn)工作環(huán)境。

        【關(guān)鍵詞】RFID;測量;空降兵

        引言

        高技術(shù)條件下的現(xiàn)代化戰(zhàn)場上,高效率的通信指揮是人員和裝備快速集結(jié)、分散作戰(zhàn)的有力保障。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我軍野戰(zhàn)通信經(jīng)歷了從無到有,從弱到強的階段,但和發(fā)達國家相比,仍然處于相對落后的狀態(tài)。定位和敵我識別是野戰(zhàn)通信的重要內(nèi)容,如美國的GPS定位系統(tǒng)就被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,我國目前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)也處在了實驗和測試階段,但離裝備部隊還需要一定的時間。因此,如何利用現(xiàn)有的一些民用技術(shù)來實現(xiàn)戰(zhàn)場上的局部的、相對的定位就更加具有現(xiàn)實的意義。RFID(射頻識別)技術(shù)是一種利用無線射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。RFID具有容量大、識別距離遠、識別速度快等特點,近年來越來越受到業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。當前,RFID技術(shù)除了在無線識別上大顯身手外,還在無線電測量方面嶄露頭角,例如RFID測向、測距、測速以及定位等等[1]。本文以基于RFID的測量技術(shù)為依托,針對野戰(zhàn)環(huán)境下人員識別、調(diào)配、集結(jié)和簡單的通信指揮的要求,尤其針對空降兵快速集結(jié)的特點,開發(fā)了一種空降兵單兵手持式RFID終端,并介紹這套終端設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、軟硬件組成以及改進思路。

        1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

        RFID系統(tǒng)一般包括標簽和閱讀器2個部分,閱讀器通過接收標簽發(fā)射的無線數(shù)字信號以進行識別。

        1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        系統(tǒng)采用了一體式設(shè)計,即標簽和閱讀器集成在一套終端內(nèi),該終端既能發(fā)射自身ID表明身份,又能接收其他設(shè)備ID用于識別。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,其中,標簽和閱讀器的射頻模塊相互獨立,互不干擾,射頻前端安裝了不同類型的天線;標簽和閱讀器共用一套控制模塊,既提高了控制芯片的利用率,又能降低系統(tǒng)功耗,節(jié)約成本。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        系統(tǒng)設(shè)定的工作頻段為2.4GHz微波波段,2.4G全球ISM頻段廣泛的應(yīng)用于無線局域網(wǎng)、藍牙等民用無線設(shè)備,具有廣闊的應(yīng)用背景和成熟的技術(shù)支撐,因此,采用2.4GHz單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片既節(jié)省開發(fā)成本又有利于簡化電路設(shè)計。另外2.4GHz頻段具有較大的數(shù)字帶寬和較短的傳輸距離,前者能顯著提高信道容量,避免多標簽識別下碰撞的發(fā)生;后者可以實現(xiàn)傳輸距離的可控性,滿足一定的保密性。

        1.2 系統(tǒng)功能

        1.2.1 敵我識別

        RFID技術(shù)最早源于軍事中的敵我識別,可見其在敵我識別上的優(yōu)越性。本系統(tǒng)為每位空降兵配發(fā)一個特殊的數(shù)字32字節(jié)ID用于表征身份,這個ID被存放于控制芯片片內(nèi)Flash中,所有這些ID組成的數(shù)據(jù)庫存放于片外大容量Flash中用于查詢;控制模塊將ID加密后傳送給射頻模塊,射頻模塊將該ID發(fā)射出去;同時,系統(tǒng)也能收到周圍其他空降兵的ID,接收到的ID經(jīng)過控制模塊解密后進行驗證與識別,識別結(jié)果顯示在終端LCD上。

        1.2.2 RFID測向

        定向天線的應(yīng)用是無線電測向的基礎(chǔ),采用方向圖主瓣較窄的定向接收天線可以有效檢測出信號源的方向,而當這個信號源是一個RFID標簽時,這種無線電測向簡稱為RFID測向。終端采用了標簽、閱讀器一體式設(shè)計,兩組射頻前端的天線接口處于互相垂直狀態(tài),標簽部分采用全向發(fā)射天線廣播ID,閱讀器部分采用電纜導(dǎo)出的的手持式定向接收天線,士兵通過手持定向天線搜索其他終端所在方向并獲取其數(shù)字ID。

        1.2.3 集結(jié)對象選擇

        配發(fā)的數(shù)字ID劃分為不同等級,指揮官等級最高,副指揮官、班長等等依次類推,當部隊在集結(jié)地附近降落后,每個士兵隨即打開終端進行識別和搜索,當搜索到級別高于自己的ID后,優(yōu)先向其方向靠攏,依次類推,指揮官則主動向目標集結(jié)點靠近,這種集結(jié)路線網(wǎng)絡(luò)類似于計算機網(wǎng)絡(luò)中的拓撲結(jié)構(gòu),且最終匯聚于一點,即指揮官所在的目標集結(jié)點。

        2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

        作為一款電池供電的手持終端,低功耗、高效率也就成為硬件設(shè)計的出發(fā)點??刂颇K的核心是控制芯片,本系統(tǒng)采用的控制芯片是TI的MSP430F149單片機,該單片機是一款16位Flash型RISC指令集單片機,以超低功耗聞名,工作電壓僅為1.8~3.6V[2-3]。MSP430F149有多個時鐘源可供選擇,由于主時鐘頻率決定著性能和功耗,本設(shè)計采用了高/低速、內(nèi)/外部振蕩器切換的方式來進行功耗和性能間的協(xié)調(diào)。

        射頻芯片采用的是Nordic公司的nRF24L01單片2.4GHz超低功耗無線收發(fā)芯片。芯片有125個頻點,可實現(xiàn)點對點和點對多點的無線通信,最大傳輸速率2Mbps[4]。如圖2所示。

        圖2 核心電路圖

        nRF24L01工作電壓為1.9~3.6V,與MCU通信采用了3線SPI接口[5],通信能實現(xiàn)低速進高速出,即MCU將數(shù)據(jù)低速(如10Kbps)送入nRF24L01,卻以1Mbps或2Mbps高速發(fā)射出去。

        3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

        系統(tǒng)軟件設(shè)計選用了IAR Embedded Workbench V4.11B平臺下的C語言編程環(huán)境,設(shè)計中綜合考慮了低功耗性能、穩(wěn)定性和程序執(zhí)行效率。

        3.1 軟件流程

        當打開終端設(shè)備的電源后,MSP430F149對自身及nRF24L01進行初始化配置,然后進入低功耗4模式(LPM4),等待中斷喚醒;進入收發(fā)模式時,通過按鍵中斷喚醒MSP430F149,此時閱讀器部分首先被激活,其射頻模塊處于監(jiān)聽狀態(tài),隨后系統(tǒng)進入一個時間寬度為500ms的循環(huán)發(fā)送周期;Timer_A定時器開始500ms定時后,先加密本機ID;本機ID經(jīng)過一個隨機延時后通過SPI傳輸并被發(fā)送一次;隨后判斷閱讀器是否接收到ID信號(CRC由nRF24L01自動判斷),如果接收到則通過SPI將ID讀入MSP430F149,解密,查詢外部flash數(shù)據(jù)庫,判斷ID的正確性;其間,還將進入指令系統(tǒng)進行指令校驗,具體流程將在下文介紹;整個流程完成后判斷500ms定時器是否超時,一旦超時則產(chǎn)生中斷進入下個循環(huán)周期。流程圖如圖3所示。

        圖3 標簽部分軟件流程圖

        3.2 指令系統(tǒng)軟件流程

        在接收到ID并解密后,首先提取后5個字節(jié)的指令保留位,判斷其是否被賦值,然后判斷其為何種指令,并將指令內(nèi)容顯示在LCD上,同時,為了繼續(xù)向其他終端廣播指令,首先將本機ID的指令保留位賦相同值,并從下個周期開始循環(huán)發(fā)送更新的ID。指令系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

        圖4 ?指令系統(tǒng)流程圖

        3.3 防碰撞算法

        通信中常用的多路傳輸方式包括FDMA、TDMA、SDMA和CDMA,與一般的RFID系統(tǒng)不同的是,本系統(tǒng)閱讀器部分配備了手持定向天線,從而簡單的實現(xiàn)了SDMA,但實際應(yīng)用中仍可能出現(xiàn)多目標同時位于定向天線接收區(qū)域內(nèi)的情況,因此,系統(tǒng)采用了一種基于純ALOHA算法的隨機延時算法,算法主要通過一個隨機延時函數(shù)實現(xiàn),延時時長服從區(qū)間為0~100ms的均勻分布,延時結(jié)束立即發(fā)送一次ID以降低碰撞概率。

        4.結(jié)束語

        本系統(tǒng)創(chuàng)新性的將RFID標簽和閱讀器集成在一套手持終端內(nèi),以基于RFID的測量技術(shù)為依托,實現(xiàn)了野戰(zhàn)環(huán)境下空降兵部隊的快速定位和集結(jié)。系統(tǒng)在硬件上采用了較為成熟的RFID電路設(shè)計方案,且用單個控制模塊(MCU)同時控制收發(fā),提高了芯片的利用率。軟件上,系統(tǒng)充分調(diào)動了控制芯片和射頻芯片的低功耗性能,把整個收發(fā)系統(tǒng)、指令系統(tǒng)壓縮在單個周期內(nèi)循環(huán)執(zhí)行,提高了程序的執(zhí)行效率。整個系統(tǒng)電路簡單,功耗低,通過良好匹配的天線在野外空曠環(huán)境下通信距離可達1km左右,較好的滿足了既定的工作環(huán)境。

        參考文獻

        [1]毛旭瑞,劉慶綱.RFID技術(shù)在測量中的應(yīng)用研究[J].電子測量技術(shù),2008(11).

        [2]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機[M].北京:北京航空航天大學出版社,2001.

        [3]MSP430x13x,MSP430x14x,MSP430x14x1 Mixed Signal Microcontroller(Rev.F)[S].

        [4]Nordic VLSI ASA.Single chip 2.4 GHz Transceiver nRF24L01.Preliminary Product Specication,2006.

        [5]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

        作者簡介:

        韓?,摚?987—),女,河北衡水人,大學本科,助工,現(xiàn)供職于天地(常州)自動化股份有限公司,主要從事礦用監(jiān)控類產(chǎn)品輔助開發(fā)以及產(chǎn)品防爆標志、安全標志認證工作。

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