楊 帆 ，劉 圓 ，李國平 ，高俊林 ，曾 華

（1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430073；2.湖北省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430073）

無線射頻識別是一種新興的信息通信技術(shù)，它利用無線電射頻信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，無需在識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，其最早起源于雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[1-2]。RFID的應(yīng)用非常廣泛，如教育、農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療、防偽、圖書館、生產(chǎn)管理、倉儲、物流等[3]。

艦船裝備作為內(nèi)外部環(huán)境復(fù)雜多樣的大系統(tǒng)，其安全性影響因素甚多，相關(guān)工作開展的難度較大。隨著人們對其重要性認(rèn)識的不斷深入，艦船安全性受到廣泛關(guān)注。為了進(jìn)一步推動艦船裝備的安全性工作系統(tǒng)全面地展開以及智能化，本文運(yùn)用RFID技術(shù)對艦艇上的人員出入各個船艙的情況進(jìn)行管理，從而有效地防止機(jī)密技術(shù)的泄露。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計包括電子標(biāo)簽IC卡、接收器和上位機(jī)。在船艙上的工作人員都佩戴屬于自己的IC卡，IC卡每2 s向外發(fā)射ID號和校驗(yàn)信息。接收器由STM32處理模塊、雙通道射頻接收模塊、信號增益控制模塊和天線等部分構(gòu)成。該船艙內(nèi)置的雙通道射頻接收器通過調(diào)節(jié)接收信號的增益使其剛好能接收到本房間的IC卡發(fā)出的信號，通過串口傳送給中央處理裝置STM32。STM32對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，加上時間標(biāo)志后，再發(fā)送到上位機(jī)中來顯示標(biāo)簽中的個人信息。通過上位機(jī)，可查詢到在某一船艙內(nèi)的人員出入時間及人員信息。系統(tǒng)總體方案的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of the system

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括射頻收發(fā)模塊和中央處理裝置。

2.1 射頻收發(fā)模塊

nRF24LE1采用Nordic最新的無線和超低功耗技術(shù)，在一個極小封裝中集成了包括2.4 GHz無線傳輸、增強(qiáng)型51Flask高速單片機(jī)、豐富外設(shè)及接口等的單片F(xiàn)lash芯片，是一個綜合了性能及成本的完美結(jié)合，很適合應(yīng)用于各種2.4 GHz的產(chǎn)品設(shè)計[4-5]。

IC卡核心部分是nRF24LE1芯片，將發(fā)射程序中的ID號和校驗(yàn)碼通過射頻發(fā)射器每隔2 s向外發(fā)射一次。接收器設(shè)計成雙通道，以降低人員信息的丟失率。接收器由2個電路板組成，每個電路板包含有ISP下載接口、接收模塊和天線等部分。接收模塊主要由nRF24LE1芯片和HM4274芯片構(gòu)成。接收器通過天線接收IC卡發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過nRF24LE1芯片控制HMC274調(diào)節(jié)接收信號的增益使其剛好能接收到本房間的IC卡發(fā)出的信號，當(dāng)接收裝置在船艙中固定時，接收器只能接收船艙內(nèi)的IC卡發(fā)送過來的信息，而無法接收到船艙外的IC卡的信息，接收完成時，主接收器通過ISP協(xié)議讀取從接收器接收到的信息，然后對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并將數(shù)據(jù)存儲在AT24C01，等待STM32詢問。射頻收發(fā)模塊硬件框圖如圖2所示。

圖2 射頻收發(fā)模塊硬件Fig.2 Hardware block diagram of RF transceiver module

2.2 中央處理裝置

STM32F103“增強(qiáng)型”系列時鐘頻率達(dá)到72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品[6-7]。結(jié)合本文的設(shè)計需求，采用STM32f103RBT6芯片作為中央處理裝置中的主控芯片，內(nèi)核為ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72 MHz，處理速度快，片上集成32～512 KB的Flash存儲器，存儲空間較大，足夠保存一天所存儲的數(shù)據(jù)。

中央處理裝置主要由STM32和MAX323構(gòu)成。MAX3232為電荷泵芯片，用于和接收器、上位機(jī)的串口通信。串口1和串口2用于連接MAX3232芯片和其它模塊之間的通信。本系統(tǒng)利用LM2596將7 V～45 V的直流電壓降至5 V。因?yàn)镾TM32F103這款芯片是3.3 V供電，所以用LM1117_3.3穩(wěn)壓芯片對LM2596輸出的5 V電壓做進(jìn)一步調(diào)整。JTAG接口是可編程芯片的在線系統(tǒng)編程，通過JTAG接口將程序燒錄到STM32中。FT232是FTDI公司的多種快速USB通信解決方案之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)USB和串行I/O口之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。芯片一方面可以接收從PC主機(jī)發(fā)來的USB數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為串行I/O數(shù)據(jù)格式發(fā)送給單片機(jī)串口；另一方面可把單片機(jī)從串口發(fā)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB的數(shù)據(jù)格式傳回PC主機(jī)。中央處理裝置硬件框圖如圖3所示。

圖3 中央處理裝置硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of central processing unit

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括射頻發(fā)射模塊、無線射頻接收模塊和STM32處理模塊3個部分。

3.1 射頻發(fā)射模塊軟件設(shè)計

配置RF收發(fā)器的過程包括使能收發(fā)器、啟動RF時鐘、允許RF中斷、設(shè)置發(fā)射和接受地址長度、啟動自動應(yīng)答功能、設(shè)置收數(shù)據(jù)區(qū)域、設(shè)置最大重傳次數(shù)、設(shè)置射頻通道頻率、設(shè)置發(fā)射功率和傳輸速率以及接收數(shù)據(jù)包的長度。上述的設(shè)置都需要通過將某一個值寫入到寄存器里。配置RTC2定時時間為2 s，檢測發(fā)射是否完成就是檢測發(fā)送完畢中斷位是否為1或最大重傳次數(shù)中斷標(biāo)志位是否為1。軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 射頻發(fā)射模塊軟件設(shè)計流程Fig.4 Software block flow chart of RF emission module

3.2 無線射頻接收模塊軟件設(shè)計

接收模塊與發(fā)射模塊相比，只是多了一個串口的設(shè)置。軟件設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 無線射頻接收模塊軟件設(shè)計流程Fig.5 Software block flow chart of wireless RF receiving module

3.3 STM32處理模塊軟件設(shè)計

串口初始化主要有6個部分：串口時鐘使能、GPIO時鐘使能、串口復(fù)位、GPIO端口模式設(shè)置、串口參數(shù)初始化、初始化NVIC并且開啟中斷。

定時器配置方法主要有6個部分：TIM3時鐘使能、初始化定時器參數(shù)、設(shè)置TIM3_DIER允許更新中斷、TIM3中斷優(yōu)先級設(shè)置、使能TIM3、編寫中斷服務(wù)函數(shù)。軟件設(shè)計整體流程如圖6所示。

圖6 STM32處理模塊軟件設(shè)計流程Fig.6 Software block flow chart of STM32 treatment module

4 上位機(jī)顯示面板設(shè)計

本文利用LabVIEW軟件設(shè)計出友好的上位機(jī)人機(jī)交互界面，顯示出從電子標(biāo)簽中讀取到的信息[8-10]。 在顯示面板設(shè)置字符串輸入控件、串口資源檢測控件、確定（OK）按鈕控件等控件，設(shè)計出上位機(jī)前面板如圖7所示。單擊“開始運(yùn)行”，開始將接收到的信號顯示在上位機(jī)上；單擊“停止采集”，則停止接收數(shù)據(jù)；單擊“保存數(shù)據(jù)”，則將接收的歷史數(shù)據(jù)保存在.txt文檔中；單擊“退出程序”，則退出上位機(jī)程序。

圖7 上位機(jī)前面板Fig.7 Front panel of upper computer

5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

在STM32硬件模塊調(diào)試和軟件調(diào)試均獲得成功之后，最后進(jìn)行有效距離的測量。在封閉的房間中進(jìn)行有效距離的測量。在沒有障礙物的條件下，首先進(jìn)行最遠(yuǎn)距離的測試，再依次按照衰減分貝大小進(jìn)行測量，最后測量的結(jié)果如表1所示。

表1 有效距離測試Tab.1 Effective distance measuremen

6 結(jié)語

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，有效距離隨著衰減分貝數(shù)的遞增而減小，在沒有障礙物的條件下，有效距離的范圍為0.3～11.4 m。從而得知，在接收模塊中，可以通過調(diào)節(jié)HCM274芯片的引腳電平狀態(tài)來確定接收器能夠接收到信號的有效距離。

本文運(yùn)用RFID技術(shù)對艦艇上的人員出入各個船艙的情況進(jìn)行管理。在硬件設(shè)計時通過對電子標(biāo)簽進(jìn)行電源供應(yīng)使其由被動式變?yōu)橹鲃邮?，與傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)相比，不僅在讀寫的準(zhǔn)確性上得到了改善，在讀寫距離上也有了很大的提高。在軟件設(shè)計時以模塊化設(shè)計思想為基礎(chǔ)對讀寫器進(jìn)行了重點(diǎn)研究與設(shè)計。RFID技術(shù)的應(yīng)用使得系統(tǒng)的安全性有了較大的提高。

[1]H Stochman.Communication by means of reflected power[J].Proceedings of the IRE，1948，36（10）：1196-1204.

[2]J J Bussgang，P Nesbeda，H Safran.A unifiedanalysis of range performance of CW，pulse，and pulse[J].Proceedings of the IRE，1959，47（10）：1753-1762.

[3]謝旳.RFID技術(shù)的應(yīng)用及問題研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（4）：151-152.

[4]肖林榮，應(yīng)時彥，馬躍坤，等.2.4 GHz射頻收發(fā)芯片Nrf24le1及其應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2009，33（12）：13-20.

[5]George Roussos，Sastry S Duri，Craig W Thompson.RFID meet the internet[J].IEEE Computer Society，2009，1（13）：11-13.

[6]揚(yáng)光祥，梁華，朱軍.STM32單片機(jī)原理與工程實(shí)踐[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013.

[7]張洋，劉軍，嚴(yán)漢宇.原子教你STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[8]鄒翔，孫肖子.基于圖形化編程語言LabVIEW虛擬儀器的方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003（1）：36-38.

[9]胡仁喜，高海賓.LabVIEW 2010虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[10]侯國屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.