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　　引言

　　高技術條件下的現代化戰場上，高效率的通信指揮是人員和裝備快速集結、分散作戰的有力保障。經過幾十年的發展，我軍野戰通信經歷了從無到有，從弱到強的階段，但和發達國家相比，仍然處于相對落后的狀態。定位和敵我識別是野戰通信的重要內容，如美國的GPS定位系統就被廣泛應用于軍事領域，我國目前的衛星定位系統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，如何利用現有的一些民用技術來實現戰場上的局部的、相對的定位就更加具有現實的意義。RFID(射頻識別)技術是一種利用無線射頻通信實現的非接觸式自動識別技術。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界人士的廣泛關注。當前，RFID技術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的測量技術為依托，針對野戰環境下人員識別、調配、集結和簡單的通信指揮的要求，尤其針對空降兵快速集結的特點，開發了一種空降兵單兵手持式RFID終端，并介紹這套終端設備的系統結構、功能、軟硬件組成以及改進思路。

　　1.系統結構和功能

　　RFID系統一般包括標簽和閱讀器2個部分，閱讀器通過接收標簽發射的無線數字信號以進行識別。

　　1.1 系統結構

　　系統采用了一體式設計，即標簽和閱讀器集成在一套終端內，該終端既能發射自身ID表明身份，又能接收其他設備ID用于識別。系統結構框圖如圖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，又能降低系統功耗，節約成本。

　　系統設定的工作頻段為2.4GHz微波波段，2.4G全球ISM頻段廣泛的應用于無線局域網、藍牙等民用無線設備，具有廣闊的應用背景和成熟的技術支撐，因此，采用2.4GHz單片數字信號射頻收發芯片既節省開發成本又有利于簡化電路設計。另外2.4GHz頻段具有較大的數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生;后者可以實現傳輸距離的可控性，滿足一定的保密性。

　　1.2 系統功能

　　1.2.1 敵我識別

　　RFID技術最早源于軍事中的敵我識別，可見其在敵我識別上的優越性。本系統為每位空降兵配發一個特殊的數字32字節ID用于表征身份，這個ID被存放于控制芯片片內Flash中，所有這些ID組成的數據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發射出去;同時，系統也能收到周圍其他空降兵的ID，接收到的ID經過控制模塊解密后進行驗證與識別，識別結果顯示在終端LCD上。

　　1.2.2 RFID測向

　　定向天線的應用是無線電測向的基礎，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、閱讀器一體式設計，兩組射頻前端的天線接口處于互相垂直狀態，標簽部分采用全向發射天線廣播ID，閱讀器部分采用電纜導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字ID。

　　1.2.3 集結對象選擇

　　配發的數字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，優先向其方向靠攏，依次類推，指揮官則主動向目標集結點靠近，這種集結路線網絡類似于計算機網絡中的拓撲結構，且最終匯聚于一點，即指揮官所在的目標集結點。

　　2.系統硬件設計

　　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計的出發點。控制模塊的核心是控制芯片，本系統采用的控制芯片是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，本設計采用了高/低速、內/外部振蕩器切換的方式來進行功耗和性能間的協調。

　　射頻芯片采用的是Nordic公司的nRF24L01單片2.4GHz超低功耗無線收發芯片。芯片有125個頻點，可實現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。

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

　　3.系統軟件設計

　　系統軟件設計選用了IAR Embedded Workbench V4.11B平臺下的C語言編程環境，設計中綜合考慮了低功耗性能、穩定性和程序執行效率。

　　3.1 軟件流程

　　當打開終端設備的電源后，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，其射頻模塊處于監聽狀態，隨后系統進入一個時間寬度為500ms的循環發送周期;Timer_A定時器開始500ms定時后，先加密本機ID;本機ID經過一個隨機延時后通過SPI傳輸并被發送一次;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數據庫，判斷ID的正確性;其間，還將進入指令系統進行指令校驗，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，一旦超時則產生中斷進入下個循環周期。流程圖如圖3所示。

　　3.2 指令系統軟件流程

　　在接收到ID并解密后，首先提取后5個字節的指令保留位，判斷其是否被賦值，然后判斷其為何種指令，并將指令內容顯示在LCD上，同時，為了繼續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發送更新的ID。指令系統流程圖如圖4所示。

　　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系統不同的是，本系統閱讀器部分配備了手持定向天線，從而簡單的實現了SDMA，但實際應用中仍可能出現多目標同時位于定向天線接收區域內的情況，因此，系統采用了一種基于純ALOHA算法的隨機延時算法，算法主要通過一個隨機延時函數實現，延時時長服從區間為0～100ms的均勻分布，延時結束立即發送一次ID以降低碰撞概率。

　　4.結束語

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

　　參考文獻

　　[1]毛旭瑞，劉慶綱.RFID技術在測量中的應用研究[J].電子測量技術，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及系統設計實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.