俞恩軍，吳飛青

（浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波315100）

1 、前言

目前，高校實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息化管理水平還比較低，絕大數(shù)高校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理還是主要依靠人工完成。隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備日益繁雜和信息化的不斷發(fā)展，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理作了一些信息化和智能化的探索，從而提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理的自動(dòng)化的水平。

由于高等院校辦學(xué)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的越來(lái)越重視，高校在實(shí)驗(yàn)環(huán)境和儀器設(shè)備上的投入也在不斷地增加。但是，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境里人多物雜，依靠傳統(tǒng)方式如人工等方式不僅管理工作量大而且容易出錯(cuò)且，管理效率低下。如何實(shí)現(xiàn)科學(xué)高效的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理，充分提高設(shè)備的利用率，使設(shè)備能在教學(xué)科研效益最大化，已經(jīng)成為當(dāng)前高校管理工作的一個(gè)重要課題。射頻識(shí)別技術(shù)作為從20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起并迅速成長(zhǎng)的一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，與傳統(tǒng)標(biāo)簽相比，防水防磁、壽命長(zhǎng)、數(shù)據(jù)容量達(dá)、讀寫(xiě)方便[2]，非常適合并有利于高校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理。合理使用可推動(dòng)和促進(jìn)設(shè)備管理過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集流程，減少了繁瑣的人工過(guò)程，避免管理員頻繁對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息的更新；因此是加強(qiáng)高校實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備管理的有效手段，使管理工作逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化，規(guī)范化，程序化[3]，從而大大提高了設(shè)備信息處理準(zhǔn)確性和便捷性。

2 、實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息讀取系統(tǒng)的基本組成和工作原理

2.1 基本組成

實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息讀取系統(tǒng)系統(tǒng)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)為系統(tǒng)）由電子標(biāo)簽、閱讀器和天線三部分組成[4]，如圖1所示。電子標(biāo)簽（Tag，也稱(chēng)射頻標(biāo)簽）包括芯片和內(nèi)置天線兩個(gè)部分。芯片內(nèi)保存有唯一的編碼的電子數(shù)據(jù)，一般將含有設(shè)備特性信息的電子標(biāo)簽貼實(shí)驗(yàn)設(shè)備上。讀/寫(xiě)電子標(biāo)簽信息的閱讀器由信號(hào)處理控制模塊、射頻IC讀寫(xiě)模塊、天線、LCD液晶顯示器等組成。閱讀器的主要工作有兩個(gè)：一是控制射頻模塊向電子標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)和接受電子標(biāo)簽的應(yīng)答，二是接收電子標(biāo)簽中信息的調(diào)制信號(hào)，將目標(biāo)特性信息和其它相關(guān)信息傳輸?shù)街鳈C(jī)以供處理。電子標(biāo)簽與閱讀器之間傳輸數(shù)據(jù)通過(guò)天線實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)組成

2.2 工作原理

當(dāng)無(wú)源的電子標(biāo)簽接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)后，即產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而把存儲(chǔ)在芯片中的設(shè)備特性信息發(fā)送給閱讀器，閱讀器讀取信息并送至信號(hào)處理控制模塊進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)的處理，從而實(shí)現(xiàn)非接觸式自動(dòng)識(shí)別事物的效果。

3 、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

3.1.1 控制模塊

信號(hào)處理控制模塊采用高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)的新一代8051單片機(jī)單片機(jī)—STC11F32XE[5]，其指令代碼安全兼容 8051，但速度要快8-12倍，可用低頻晶振，大幅降低EMI。擁有高抗靜電（ESD保護(hù)），寬電壓，不怕電源抖動(dòng)，溫度適應(yīng)范圍寬（-40℃～85℃），輸入/輸出口多，復(fù)位簡(jiǎn)單；功耗低，外部中斷喚醒功耗＜0.1uA，還有掉電喚醒專(zhuān)用定時(shí)器，啟動(dòng)掉電喚醒定時(shí)器典型功耗＜2uA，可用電池供電；這款單片機(jī)可在線編程，可遠(yuǎn)程升級(jí)。

3.1.2 讀寫(xiě)模塊

讀寫(xiě)模塊選用的是工作頻率為13.56MHz非接觸式高度集成的讀寫(xiě)芯片MFRC522，它具有以下功能[6]：MFRC522內(nèi)部發(fā)送器可以驅(qū)動(dòng)讀寫(xiě)天線與符合ISO 14443A/MIFARE電子標(biāo)簽通訊，且無(wú)需外部電源。接收器模塊是一個(gè)功能強(qiáng)健、高效的解調(diào)和譯碼器，用來(lái)接受電子標(biāo)簽的信號(hào)。數(shù)字模塊處理全部的ISO 14443A幀和錯(cuò)誤的檢測(cè) （包括奇偶校驗(yàn)和CRC校驗(yàn)）。MFRC522與主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)SPI接口、串行UART和I2C接口，本電路采用SPI方式與MCU通訊。

3.1.3 天線及相關(guān)電路的設(shè)計(jì)

天線模塊由天線線圈、匹配電路和EMC濾波三個(gè)電路組成，如圖2所示。數(shù)據(jù)經(jīng)MFC522調(diào)制后由TX1和TX2以射頻的形式發(fā)送，發(fā)送的頻率為 13.56MHZ。 L1、L2、C7、C8、C9、C10 組成 EMC 濾波電路。C2、C4、C0、R0是天線匹配電路，其中R0用來(lái)降低天線的品質(zhì)因數(shù)，以保證足夠的通頻帶，C0用來(lái)調(diào)整由于元件參數(shù)不同帶來(lái)的影響。天線上收到電子標(biāo)簽的響應(yīng)信號(hào)通過(guò)接受電路經(jīng)RX送入MFC522進(jìn)行解調(diào)、譯碼后送入MCU處理。接受電路中C5、R1用來(lái)保證RX的直流輸入電壓保持在VIMD；R2、C6用來(lái)調(diào)整RX的交流信號(hào)[7-13]。

圖2 EMC濾波與天線匹配電路圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 控制主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能是能正確選卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID卡的讀寫(xiě)操作。首先對(duì)單片機(jī)和MFRC522進(jìn)行初始化配置，配置好MFRC522就可以接收單片機(jī)的命令執(zhí)行操作，實(shí)現(xiàn)與RFID卡進(jìn)行通信。RFID卡可以根據(jù)接收到的指令進(jìn)行操作，但要進(jìn)行一系列的操作才能完成通信。主要包括尋卡、防沖突、選擇卡片、驗(yàn)證密碼和讀寫(xiě)卡片。當(dāng)有RFID卡進(jìn)入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序?qū)垂潭ǖ捻樞蜻M(jìn)行才能有效的對(duì)卡片進(jìn)行操作，主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

當(dāng)程序開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)候，首先將系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括主控芯片的初始化和MFRC522進(jìn)行初始化及LCD的初始化。然后查詢(xún)有沒(méi)有事件發(fā)生，即查詢(xún)按鍵有沒(méi)有按下。一旦當(dāng)RFID卡進(jìn)入射頻識(shí)別的范圍內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，之后進(jìn)入事件處理過(guò)程。若沒(méi)有卡片的話就將報(bào)警。

3.2.2 讀寫(xiě)器讀程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，MCU為主機(jī)，MFRC522模塊為從機(jī)，由主機(jī)提供SPI時(shí)鐘SCK。信號(hào)通過(guò)MOSI（主機(jī)輸出從機(jī)輸入）和MISO（主機(jī)輸入從機(jī)輸出）線實(shí)現(xiàn)MFRC522和主機(jī)之間的通訊。兩者通訊時(shí)數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿保持不變，在時(shí)鐘的下降沿改變。采用表1的結(jié)構(gòu)可將數(shù)據(jù)通過(guò)兼容SPI的接口讀出[5]，這樣可能讀出n個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)定義為模式本身和地址。

表1 數(shù)據(jù)讀取MOSI與MISO的數(shù)據(jù)次序

對(duì)RFID卡進(jìn)行操作的時(shí)候，需要先將系統(tǒng)初始化，清空所有標(biāo)志位，在進(jìn)行尋卡讀寫(xiě)等操作。在讀卡的過(guò)程中，為了識(shí)別卡片，需要判斷尋到的卡片是否是庫(kù)中的標(biāo)簽，這樣有助于排除干擾等。如是正確的標(biāo)簽，采用蜂鳴器來(lái)確認(rèn)，并進(jìn)行防沖突檢測(cè)，防止多卡在識(shí)別的范圍內(nèi)，接著進(jìn)行選卡、卡片的驗(yàn)證工作，然后獲取到卡片上的信息。獲取卡片的信息主要獲得實(shí)驗(yàn)設(shè)備的名稱(chēng)、生產(chǎn)廠家、采購(gòu)日期、管理員信息、產(chǎn)品的價(jià)格及維修記錄。如不是庫(kù)中標(biāo)簽，則發(fā)出報(bào)警，用來(lái)警示，并將所有發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)的內(nèi)存釋放掉，繼續(xù)尋找卡片，如此重復(fù)的進(jìn)行下去。

對(duì)RFID卡進(jìn)行讀操作的流程圖如圖4所示。

圖4 RC522讀程序流程圖

3.2.3讀寫(xiě)器寫(xiě)程序設(shè)計(jì)

讀寫(xiě)器對(duì)卡片進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入是使用表2的結(jié)構(gòu)，這樣對(duì)應(yīng)一個(gè)地址可以寫(xiě)入n個(gè)數(shù)據(jù)，發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)定義了模式本身和地址[5]。

表2 數(shù)據(jù)寫(xiě)入MOSI與MISO的數(shù)據(jù)次序

對(duì)RFID卡進(jìn)行寫(xiě)操作的時(shí)候，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后選通讀寫(xiě)模塊，才可以進(jìn)行對(duì)RFID進(jìn)行操作。對(duì)RFID卡進(jìn)行操作的時(shí)候，是通過(guò)中斷模式的，當(dāng)有信號(hào)輸入的時(shí)候，觸發(fā)中斷啟動(dòng)，這時(shí)候，進(jìn)入中斷操作，讀取卡片信息，判斷是否有新的卡片，是否在有效期內(nèi)，便可以對(duì)RFID卡進(jìn)行寫(xiě)操作，并且對(duì)RFID卡上的信息進(jìn)行修改操作。寫(xiě)操作的流程圖如圖5所示。

圖5 RC522寫(xiě)程序流程圖

每當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的信息需要更新時(shí)，都需要進(jìn)行卡片寫(xiě)操作，需經(jīng)過(guò)尋卡、防沖突、選卡、密碼驗(yàn)證等過(guò)程，才能對(duì)卡片上的信息進(jìn)行更新。

4 、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)完成后，進(jìn)行了測(cè)試。以下為實(shí)際測(cè)試情況：開(kāi)機(jī)后界面如圖6所示：

圖6 開(kāi)機(jī)界面

當(dāng)RFID卡接近天線時(shí)（20cm以?xún)?nèi)）系統(tǒng)就讀取RFID卡上的信息，并顯示在顯示屏上（圖7）。通過(guò)對(duì)按鍵的操作，可以調(diào)用設(shè)備不同的信息資料：如采購(gòu)價(jià)格（圖8）、管理員信息（圖9）、維修記錄(圖10)等。

圖7 讀取信息界面

圖8 采購(gòu)金額界面

圖9 管理員信息界面

圖10 維修信息界面

5 、結(jié)論

本設(shè)計(jì)把無(wú)線射頻技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理信息化中，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、模塊化等特點(diǎn)，可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備信息的自動(dòng)監(jiān)控及報(bào)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和有效性。