楊學(xué)敏，曾 煜，熊 東

(重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院，重慶400030)

0 引言

近幾年，射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，尤其是物聯(lián)網(wǎng)概念的再次提出，將RFID技術(shù)推向了高潮［1］。物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上利用RFID無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)物品均被賦予唯一的ID，這個(gè)ID是存儲(chǔ)在和物品綁定的電子標(biāo)簽中，它們能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無(wú)需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用RFID技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享［2］。因此，RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)感知前端中起到重要的技術(shù)支撐作用。基于RFID的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于高速公路收費(fèi)、公共交通、動(dòng)植物電子標(biāo)志、食品、藥品、郵件實(shí)時(shí)狀態(tài)跟蹤以及物流等領(lǐng)域，這些應(yīng)用不但提高了各個(gè)領(lǐng)域的管理效率和實(shí)施速度，還改善了人們的生活［3］。同時(shí)，這些RFID技術(shù)的應(yīng)用帶動(dòng)了一個(gè)巨大的新興產(chǎn)業(yè)，使得越來(lái)越多的企業(yè)都投入到RFID的技術(shù)開(kāi)發(fā)和軟硬件生產(chǎn)中來(lái)。因此，對(duì)基于超高頻(UHF)RFID的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫(xiě)器的研究是非常有必要的，本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低的讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)方案，能可靠地完成對(duì)目標(biāo)ID的識(shí)別。

1 UHF RFID系統(tǒng)的工作原理

UHF RFID系統(tǒng)工作是通過(guò)反向散射耦合方式來(lái)進(jìn)行信息交換和能量傳遞［4］。讀寫(xiě)器天線(xiàn)發(fā)射的電磁波能量一部分被目標(biāo)吸收，目標(biāo)吸收后，獲得能量并發(fā)送出目標(biāo)存儲(chǔ)的信息;另一部分則從不同方向，并且以不同強(qiáng)度被散射。

在散射的這部分能量中，有小部分反射回讀寫(xiě)器天線(xiàn)，這樣，讀寫(xiě)器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，識(shí)別目標(biāo)［5］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于UHF RFID的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫(xiě)器的硬件結(jié)構(gòu)是由主控制器與外圍電路、UHF讀寫(xiě)模塊、標(biāo)簽和天線(xiàn)構(gòu)成。其中，外圍電路包括上位機(jī)通信模塊、電源模塊和顯示模塊。而主控制器和UHF讀寫(xiě)模塊的電路設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心。圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Hardware structure block diagram of the system

2.1 主控制器與外圍電路

主控制器采用的是Winbond公司的W77E58F芯片，它是一種8位處理器，最高可達(dá)40 MHz時(shí)鐘，4機(jī)器周期的指令執(zhí)行速度，指令和管腳與標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容，含有12級(jí)中斷，2個(gè)增強(qiáng)型雙工串口，內(nèi)部集成上電復(fù)位電路，可編程看門(mén)狗，具有價(jià)格低、速度快、功能強(qiáng)、外部數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)周期可編程等優(yōu)點(diǎn)［6］。

其外圍電路包括:單片機(jī)最小系統(tǒng)、復(fù)位電路、開(kāi)關(guān)上電發(fā)光電路、電源模塊、上位機(jī)通信模塊和LCD顯示模塊。如圖2所示，主控制器的P1口與UHF讀寫(xiě)模塊的IO［0:7］相連，是復(fù)用的數(shù)據(jù)和地址總線(xiàn)。

LCD顯示模塊的功能是當(dāng)有目標(biāo)進(jìn)入工作范圍時(shí)，將目標(biāo)ID進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示;當(dāng)無(wú)目標(biāo)時(shí)進(jìn)入工作范圍時(shí)，顯示日期和當(dāng)前時(shí)間。

上位機(jī)通信模塊是采用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后通過(guò)TX和RX進(jìn)行雙工串口通信，將目標(biāo)信息上傳給上位機(jī)。

圖2 主控制器與外圍電路圖Fig 2 Diagram of MCU and peripheral circuit

電源模塊采用的是LM317集成三端穩(wěn)壓芯片對(duì)所有器件進(jìn)行5 V和3.3 V供電。

2.2 UHF讀寫(xiě)模塊電路

本系統(tǒng)的UHF讀寫(xiě)芯片采用的是奧地利微系統(tǒng)公司的AS3992芯片，它內(nèi)部集成了VCO和PLL，因此，能夠在860～960 MHz工作，還整合了一個(gè)集成模擬前端，配備了可編程的DRM過(guò)濾器、預(yù)失真和靈敏度高的接收器，而且能夠采用極低的電量來(lái)工作，而不會(huì)影響性能。它還同時(shí)支持 EPCGEN2和 ISO/IEC 18000－6 A/6B協(xié)議［7］。

射頻芯片AS3992內(nèi)部集成了20 dBm的功率放大器，為了獲得更大的工作范圍，本文采用低功率線(xiàn)性模式，外部加功率放大器SPA2811。

從圖3可以看出，AS3992的輸出管腳為RFONX和RFOPX。輸出有50Ω的阻抗，因此，需要外接匹配電路和去耦合電容器，以及平衡器。

圖3 UHF讀寫(xiě)模塊電路圖Fig 3 Circuit of UHF read/write module

EN是使能管腳，當(dāng)EN為低時(shí)，芯片進(jìn)入掉電狀態(tài)，CLSYS為60 kHz;當(dāng)EN為高時(shí)，芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài)，CLSYS被激活為5 MHz(默認(rèn)情況下)。

IRQ為中斷管腳，當(dāng)有中斷產(chǎn)生時(shí)，IRQ將給出一個(gè)脈沖通知主控制器。

在并行接口通信模式中，當(dāng)CLK為高，IO7為上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)開(kāi)始通信;當(dāng)CLK為低，IO7連續(xù)下降沿時(shí)，通信結(jié)束。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖4所示，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程為:1)主控制器復(fù)位初始化，UHF讀寫(xiě)模塊的寄存器初始化，主要包括協(xié)議配置、AS3992系統(tǒng)時(shí)鐘、鎖相環(huán)、編碼方式和信號(hào)調(diào)制方式等;2)與上位機(jī)進(jìn)行通信，主控制器通過(guò)串口接收上位機(jī)命令，尋找目標(biāo);3)當(dāng)有多個(gè)目標(biāo)時(shí)，運(yùn)行防碰撞算法，分別讀取目標(biāo)ID;4)顯示所讀取的目標(biāo)ID;5)對(duì)目標(biāo)執(zhí)行相應(yīng)的操作和控制。

其中，在主控制器和讀寫(xiě)模塊進(jìn)行通信時(shí)，應(yīng)當(dāng)先寫(xiě)入地址，后寫(xiě)入命令或數(shù)據(jù)。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 4 Flow chart of system software

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了PCB板制作，并焊接成實(shí)際硬件系統(tǒng)，將軟件燒寫(xiě)進(jìn)單片機(jī)后，進(jìn)行了實(shí)際的驗(yàn)證。主要包括通信距離的性能測(cè)試，測(cè)試環(huán)境為開(kāi)闊的場(chǎng)地(天線(xiàn)功率為8dBi)，測(cè)試儀器包括讀寫(xiě)器系統(tǒng)、筆記本電腦和串口線(xiàn)，測(cè)試距離為0.5～7 m，實(shí)驗(yàn)標(biāo)簽數(shù)為100，通過(guò)觀察電腦上顯示的數(shù)據(jù)，記錄下了讀寫(xiě)操作的成功率，如表1所示。

表1 不同距離時(shí)的讀寫(xiě)成功數(shù)Tab 1 Success number of reading or writing in different distance

很明顯地看出:隨著測(cè)試距離的加大，讀寫(xiě)器的讀寫(xiě)成功率不斷減小，尤其是到6 m的時(shí)候，讀寫(xiě)成功率僅達(dá)到60%。還可以看出:讀操作的成功率要比寫(xiě)操作的成功率高，造成這種情況的原因與標(biāo)簽天線(xiàn)和讀寫(xiě)器天線(xiàn)的特性有關(guān)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)入掉電狀態(tài)，此時(shí)EN為低，通過(guò)LeCroy WaveSurfer示波器測(cè)量 CLSYS腳，其頻率為60 kHz。系統(tǒng)還可通過(guò)配置AS3992的PLL R，A/B除法器主寄存器，使得讀寫(xiě)器工作頻率在860～960 MHz可調(diào)。本系統(tǒng)中對(duì)該寄存器配置為0X40D84F，其工作頻率為867 MHz。圖5是在距離讀寫(xiě)器天線(xiàn)5 m處，通過(guò)頻譜儀獲得的頻譜圖，可見(jiàn)系統(tǒng)工作正常。

圖5 距離讀寫(xiě)器天線(xiàn)5 m處的頻譜圖Fig 5 Frequency spectrogram，when the distance between the antenna of reader and the spectrum analyzer is 5 m

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該系統(tǒng)符合EPCGEN2和ISO/IEC 18000－6 A/6B協(xié)議，能夠通過(guò)串口實(shí)時(shí)地將目標(biāo)信息發(fā)送給上位機(jī)，稍作改進(jìn)即可應(yīng)用于食品、藥品、物流等領(lǐng)域，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)前端感知系統(tǒng)的研究和發(fā)展具有重大的意義。

［1］耿小川.談 RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景［EB/OL］.［2010—07—18］.http:∥ www.cqn.com.cn/news/zgzljsjd/339941.html.

［2］劉 勇，候榮旭.淺談物聯(lián)網(wǎng)的感知層［J］.電腦學(xué)習(xí)，2010(1):55－62.

［3］劉國(guó)海.引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的先鋒—RFID［EB/OL］.［2010—11—26］.http:∥www.p5w.net/news/cjxw/201011/t 3318216.htm.

［4］FinkenzelIer K.射頻識(shí)別技術(shù)［M］.吳曉峰，陳大才，譯.3版.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［5］單承贛，單玉峰，姚 磊.射頻識(shí)別原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［6］Winbond Electronics Corp.W77E58 數(shù)據(jù)手冊(cè)［EB/OL］.［1999—07—10］.http:∥datasheet.eeworld.com.cn/pdf/69555_WINBOND_W77E58.pdf.

［7］Austria Microsystems AG.AS3992.Datasheet［EB/OL］.［2010—02—05］.http:∥www.austriamicrosystems.com/eng/Products/RF-Products/RFID/AS3992.