靳曉芳，張北寧，宋金寶

(中國傳媒大學 信息工程學院 ，北京100024)

基于RFID技術(shù)的標簽識別系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

靳曉芳，張北寧，宋金寶

(中國傳媒大學 信息工程學院 ，北京100024)

我國許多辦公場所的設(shè)備管理手段都還比較匱乏，人工管理不但耗費較大，在設(shè)備的實時狀態(tài)監(jiān)控和日常防盜機制上也存在很大的局限性。本文正是利用RFID射頻識別技術(shù)實現(xiàn)遠距離無線數(shù)據(jù)的傳輸與接收，從而達到對重要設(shè)備的狀態(tài)信息實時監(jiān)控的目的。

RFID；電子標簽；讀寫器；nRF24L01

1 引言

RFID (Radio Frequency Identification)即射頻識別，是一項利用射頻信號通過空間耦合交變磁場或電磁場實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目標的技術(shù)[1]。MIT(麻省理工學院)的Auto-ID中心提出了EPC(產(chǎn)品電子編碼)的概念，即把類似于條形碼編碼的EPC存儲在電子標簽(Tag)中，將其貼在物體上，讀寫器(Reader)通過電磁波從電子標簽中讀出編碼，通過這種方式可以識別物體[2]。

隨著RFID射頻識別技術(shù)的發(fā)展，以電子標簽系統(tǒng)為原型的多種應(yīng)用已經(jīng)越來越深入人們的生活。RFID標簽識別系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用于日常防盜、設(shè)備監(jiān)控、刷卡門禁等需要無線識別的場合中。它可以在一個廣闊的范圍內(nèi)，以無線收發(fā)為數(shù)據(jù)傳輸手段，實現(xiàn)多通道多頻段的信息識別。并且可以通過芯片和元件的選擇，靈活地滿足客戶的各類需要，在公司、圖書館、實驗室、車庫等場合發(fā)揮重要作用。

本設(shè)計旨在解決人工設(shè)備管理的種種問題與缺陷，可以實時地利用讀寫器無線接收多臺設(shè)備的狀態(tài)信息，并設(shè)置一定的警戒值，當數(shù)值超出警戒值時自動報警，從而達到設(shè)備監(jiān)控的目的。本系統(tǒng)采用了主動式電子標簽，與目前被廣泛應(yīng)用的被動式標簽相比，主動式標簽具有更遠的傳輸距離和更大的存儲容量，適合學校及辦公場所對重要設(shè)備的監(jiān)控及管理。

2 本系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)的基本工作流程是：讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入發(fā)射天線工作區(qū)域時，收到讀寫器的發(fā)送信息后將自身編碼ID、溫度等信息通過天線發(fā)送出去；讀寫器接收到此信息后送到后臺服務(wù)器進行相關(guān)處理。

本系統(tǒng)的射頻發(fā)射芯片選用nRF24L01是由NORDIC公司出品的一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進行設(shè)置；溫度傳感模塊采用DS18B20溫度傳感器；LED顯示模塊采用74HC573N芯片。設(shè)計最終實現(xiàn)讀寫器對電子標簽ID號讀取和實時溫度監(jiān)控的系統(tǒng)功能。圖1為本系統(tǒng)功能框圖：

圖1 系統(tǒng)功能框圖

圖2是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

單片機對nRF24L01芯片的控制包括在配置模式下對nRF24L01的初始化配置、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收存儲數(shù)據(jù)。配置字一共18byte，發(fā)送端和接收端的配置必須匹配，只有配置字的最低位不同。數(shù)據(jù)包格式包括前綴、地址、有效數(shù)據(jù)和CRC。發(fā)送數(shù)據(jù)包時單片機只向nRF24L01傳送地址和數(shù)據(jù)，前綴和CRC會在nRF24L01芯片內(nèi)部自動加上。接收模式時，接收端檢測到本機地址的數(shù)據(jù)包，檢驗正確后會自動移去前綴、地址和CRC，將有效數(shù)據(jù)傳送給單片機。圖3為單片機與nRF24L01的連線圖。

圖3 單片機與nRF24L01連線圖

為了避免單讀寫器多標簽所造成的數(shù)據(jù)碰撞，本系統(tǒng)的讀寫器采用了多通道同時接收的方案，再通過按鍵擴展，來實現(xiàn)多通道切換顯示。本系統(tǒng)所使用的讀寫器開發(fā)板的供電電壓為5伏，而nRF24L01最高輸入電壓為3.6伏，為確保電壓安全，本系統(tǒng)采用一根焊接了兩個二極管(二極管導(dǎo)通壓降為0.7伏)的電源線，用于在開發(fā)板給其供電時保護nRF24L01電壓安全。

3 讀寫器及電子標簽程序設(shè)計

3.1 讀寫器程序設(shè)計

本系統(tǒng)的程序運行流程，首先是系統(tǒng)自動初始化，包括STC89C52單片機一些運行方式的規(guī)定以及nRF24L01的配置等，這些初始化都是通過編程來實現(xiàn)的。對nRF24L01進行配置時，配置字的讀取在CLK的正邊沿時，從MSB(最高位)開始，新的配置從CS的下降沿開始。本設(shè)計中，電子標簽所需要發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)由DS18B20實時測得，而ID號事先已經(jīng)存儲在單片機中。讀寫器在接收到一個數(shù)據(jù)包時，首先將本地的地址與其進行比對，若相同則進行下一步的處理。

設(shè)計流程圖如下：

圖4 讀寫器程序流程圖

讀寫器要正確接收電子標簽發(fā)來的數(shù)據(jù)包，就要對nRF24L01寫入與電子標簽匹配的地址，而每個被使用到的通道都要設(shè)置地址。數(shù)據(jù)通道0有40位可配置地址。數(shù)據(jù)通道1～5 的地址為：32位共用地址+各自的地址(最低字節(jié))。本系統(tǒng)只使用通道0和通道1，地址分別設(shè)置為：

通道0：{0x00，0x10，0x10，0x10，0x10}

通道1：{0x01，0x10，0x10，0x10，0x10}

單片機對nRF24L01的配置完成后，讀寫器就進入接收模式。圖5為接收函數(shù)的程序流程圖。

圖5 接收函數(shù)程序流程圖

其中主要函數(shù)及變量的解釋：

if(RX_DR)函數(shù)用來判斷是否接收到數(shù)據(jù)。

sta=SPI_Read(STATUS);用來讀取狀態(tài)寄存其來判斷數(shù)據(jù)接收狀況。

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG，0x0e);語句的作用是配置IRQ收發(fā)完成后產(chǎn)生中斷響應(yīng)，設(shè)置16位CRC校驗。

SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD，rx_buf，TX_PLOAD_WIDTH);語句用來從RX_FIFO緩存中讀取接收到的數(shù)據(jù)。

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS，sta);語句使接收到數(shù)據(jù)后RX_DR，TX_DS，MAX_PT都置高為1，通過寫1來清楚中斷標志。

3.2 電子標簽程序設(shè)計

電子標簽系統(tǒng)的程序總流程圖如圖6。

圖6 電子標簽程序流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)測量及結(jié)果分析

4.1 發(fā)射頻率測量

使用Agilent N9010AEXA信號分析儀測量發(fā)射頻率，效果圖如圖7所示。

從信號分析儀的頻譜分析結(jié)果可以看出，電子標簽所發(fā)送的信號頻率為2.4GHz，與程序中所設(shè)計的nRF24L01發(fā)送頻率完全一致的，達到理論發(fā)送頻率的要求。

圖7 頻率讀數(shù)

4.2 傳輸距離測量

在無阻礙物的傳輸空間進行測試，程序設(shè)置的發(fā)射功率為0dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps，測試結(jié)果見表1：

表1 傳輸距離測試

本測試收發(fā)雙方都安裝2dBi增益天線，直線傳輸無障礙物。從測試結(jié)果看，極限傳輸距離為200米左右。極限傳輸距離內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)錯誤和丟包現(xiàn)象，傳輸效果在理論值范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

雖然在系統(tǒng)中只擴展了溫度和ID號的傳輸，但在實際應(yīng)用中，濕度、光照強度、設(shè)備掉電記錄等信息的傳輸可以參照本系統(tǒng)輕松地實現(xiàn)。根據(jù)實際需要，更換較好的天線就能實現(xiàn)更強大的功能。例如，采用能夠補償多普勒效應(yīng)的天線，就可以成功應(yīng)用在高速公路不停車收費系統(tǒng)中[3]。而通過更換無源電子標簽，本系統(tǒng)則可以應(yīng)用在IC卡、圖書管理、物流管理等實際應(yīng)用中。另外，數(shù)據(jù)傳輸速率也會明顯影響傳輸距離。適當?shù)亟档蛡鬏斔俾?，在其余參?shù)和天線不變的情況下，有效傳輸距離能明顯增加。因此，在不需要很大的數(shù)據(jù)量的情況下，可以通過降低傳輸速率的方法來提升傳輸距離[4]。本系統(tǒng)還可以擴展串口數(shù)據(jù)傳輸，通過串口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端并編寫軟件即可實現(xiàn)軟件監(jiān)控和記錄。

[1]凌軻，左韜.RFID技術(shù)基礎(chǔ)及其基本應(yīng)用[J].中國科技信息，2007.

[2]Klaus Finkenzeller.射頻識別(RFID)技術(shù)——無線電感應(yīng)應(yīng)答器和非接觸IC卡的原理與應(yīng)用[J].2002.

[3]郎為民. 射頻識別( RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4]張華，魏臻.無線射頻識別技術(shù)RFID及其應(yīng)用[J].安防科技，2007.

[5]王振，胡清，黃杰.基于RFID的無線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2009.

TheDesignandDevelopmentofTagIdentificationSystemBasedonRFID

JIN Xiao-fang，ZHANG Bei-ning，SONG Jin-bao

(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024)

Many of our office equipment management tools are still relatively scarce，manual management is not only consuming，but also has significant limitations in the real-time status monitoring and day-to-day anti-theft mechanisms.This article is utilize RFID radio frequency identification technology to achieve a long-distance wireless transmission and reception of data，so as to achieve the purpose of the real-time monitoring of important equipment status information.

RFID；Tag；Reader；nRF24L01

2012-10-26

靳曉芳(1980-)，女(漢族)，河北人，中國傳媒大學信息工程學院講師.E-mail：myjinxf@sohu.com

TN919.72

A

1673-4793(2013)01-0035-05

(責任編輯：宋金寶)