基于RFID技术的兵员集结指挥系统设计

　　引言

　　高技术条件下的现代化战场上，高效率的通信指挥是人员和装备快速集结、分散作战的有力保障。经过几十年的发展，我军野战通信经历了从无到有，从弱到强的阶段，但和发达国家相比，仍然处于相对落后的状态。定位和敌我识别是野战通信的重要内容，如美国的GPS定位系统就被广泛应用于军事领域，我国目前的卫星定位系统也处在了实验和测试阶段，但离装备部队还需要一定的时间。因此，如何利用现有的一些民用技术来实现战场上的局部的、相对的定位就更加具有现实的意义。RFID(射频识别)技术是一种利用无线射频通信实现的非接触式自动识别技术。RFID具有容量大、识别距离远、识别速度快等特点，近年来越来越受到业界人士的广泛关注。当前，RFID技术除了在无线识别上大显身手外，还在无线电测量方面崭露头角，例如RFID测向、测距、测速以及定位等等[1]。本文以基于RFID的测量技术为依托，针对野战环境下人员识别、调配、集结和简单的通信指挥的要求，尤其针对空降兵快速集结的特点，开发了一种空降兵单兵手持式RFID终端，并介绍这套终端设备的系统结构、功能、软硬件组成以及改进思路。

　　1.系统结构和功能

　　RFID系统一般包括标签和阅读器2个部分，阅读器通过接收标签发射的无线数字信号以进行识别。

　　1.1 系统结构

　　系统采用了一体式设计，即标签和阅读器集成在一套终端内，该终端既能发射自身ID表明身份，又能接收其他设备ID用于识别。系统结构框图如图1所示，其中，标签和阅读器的射频模块相互独立，互不干扰，射频前端安装了不同类型的天线;标签和阅读器共用一套控制模块，既提高了控制芯片的利用率，又能降低系统功耗，节约成本。

　　系统设定的工作频段为2.4GHz微波波段，2.4G全球ISM频段广泛的应用于无线局域网、蓝牙等民用无线设备，具有广阔的应用背景和成熟的技术支撑，因此，采用2.4GHz单片数字信号射频收发芯片既节省开发成本又有利于简化电路设计。另外2.4GHz频段具有较大的数字带宽和较短的传输距离，前者能显著提高信道容量，避免多标签识别下碰撞的发生;后者可以实现传输距离的可控性，满足一定的保密性。

　　1.2 系统功能

　　1.2.1 敌我识别

　　RFID技术最早源于军事中的敌我识别，可见其在敌我识别上的优越性。本系统为每位空降兵配发一个特殊的数字32字节ID用于表征身份，这个ID被存放于控制芯片片内Flash中，所有这些ID组成的数据库存放于片外大容量Flash中用于查询;控制模块将ID加密后传送给射频模块，射频模块将该ID发射出去;同时，系统也能收到周围其他空降兵的ID，接收到的ID经过控制模块解密后进行验证与识别，识别结果显示在终端LCD上。

　　1.2.2 RFID测向

　　定向天线的应用是无线电测向的基础，采用方向图主瓣较窄的定向接收天线可以有效检测出信号源的方向，而当这个信号源是一个RFID标签时，这种无线电测向简称为RFID测向。终端采用了标签、阅读器一体式设计，两组射频前端的天线接口处于互相垂直状态，标签部分采用全向发射天线广播ID，阅读器部分采用电缆导出的的手持式定向接收天线，士兵通过手持定向天线搜索其他终端所在方向并获取其数字ID。

　　1.2.3 集结对象选择

　　配发的数字ID划分为不同等级，指挥官等级最高，副指挥官、班长等等依次类推，当部队在集结地附近降落后，每个士兵随即打开终端进行识别和搜索，当搜索到级别高于自己的ID后，优先向其方向靠拢，依次类推，指挥官则主动向目标集结点靠近，这种集结路线网络类似于计算机网络中的拓扑结构，且最终汇聚于一点，即指挥官所在的目标集结点。

　　2.系统硬件设计

　　作为一款电池供电的手持终端，低功耗、高效率也就成为硬件设计的出发点。控制模块的核心是控制芯片，本系统采用的控制芯片是TI的MSP430F149单片机，该单片机是一款16位Flash型RISC指令集单片机，以超低功耗闻名，工作电压仅为1.8～3.6V[2-3]。MSP430F149有多个时钟源可供选择，由于主时钟频率决定着性能和功耗，本设计采用了高/低速、内/外部振荡器切换的方式来进行功耗和性能间的协调。

　　射频芯片采用的是Nordic公司的nRF24L01单片2.4GHz超低功耗无线收发芯片。芯片有125个频点，可实现点对点和点对多点的无线通信，最大传输速率2Mbps[4]。如图2所示。

　　nRF24L01工作电压为1.9～3.6V，与MCU通信采用了3线SPI接口[5]，通信能实现低速进高速出，即MCU将数据低速(如10Kbps)送入nRF24L01，却以1Mbps或2Mbps高速发射出去。

　　3.系统软件设计

　　系统软件设计选用了IAR Embedded Workbench V4.11B平台下的C语言编程环境，设计中综合考虑了低功耗性能、稳定性和程序执行效率。

　　3.1 软件流程

　　当打开终端设备的电源后，MSP430F149对自身及nRF24L01进行初始化配置，然后进入低功耗4模式(LPM4)，等待中断唤醒;进入收发模式时，通过按键中断唤醒MSP430F149，此时阅读器部分首先被激活，其射频模块处于监听状态，随后系统进入一个时间宽度为500ms的循环发送周期;Timer_A定时器开始500ms定时后，先加密本机ID;本机ID经过一个随机延时后通过SPI传输并被发送一次;随后判断阅读器是否接收到ID信号(CRC由nRF24L01自动判断)，如果接收到则通过SPI将ID读入MSP430F149，解密，查询外部flash数据库，判断ID的正确性;其间，还将进入指令系统进行指令校验，具体流程将在下文介绍;整个流程完成后判断500ms定时器是否超时，一旦超时则产生中断进入下个循环周期。流程图如图3所示。

　　3.2 指令系统软件流程

　　在接收到ID并解密后，首先提取后5个字节的指令保留位，判断其是否被赋值，然后判断其为何种指令，并将指令内容显示在LCD上，同时，为了继续向其他终端广播指令，首先将本机ID的指令保留位赋相同值，并从下个周期开始循环发送更新的ID。指令系统流程图如图4所示。

　　3.3 防碰撞算法

　　通信中常用的多路传输方式包括FDMA、TDMA、SDMA和CDMA，与一般的RFID系统不同的是，本系统阅读器部分配备了手持定向天线，从而简单的实现了SDMA，但实际应用中仍可能出现多目标同时位于定向天线接收区域内的情况，因此，系统采用了一种基于纯ALOHA算法的随机延时算法，算法主要通过一个随机延时函数实现，延时时长服从区间为0～100ms的均匀分布，延时结束立即发送一次ID以降低碰撞概率。

　　4.结束语

　　本系统创新性的将RFID标签和阅读器集成在一套手持终端内，以基于RFID的测量技术为依托，实现了野战环境下空降兵部队的快速定位和集结。系统在硬件上采用了较为成熟的RFID电路设计方案，且用单个控制模块(MCU)同时控制收发，提高了芯片的利用率。软件上，系统充分调动了控制芯片和射频芯片的低功耗性能，把整个收发系统、指令系统压缩在单个周期内循环执行，提高了程序的执行效率。整个系统电路简单，功耗低，通过良好匹配的天线在野外空旷环境下通信距离可达1km左右，较好的满足了既定的工作环境。

　　参考文献

　　[1]毛旭瑞，刘庆纲.RFID技术在测量中的应用研究[J].电子测量技术，2008(11).

　　[2]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京：北京航空航天大学出版社，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]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.