采用RFID技術(shù)和U盤存儲(chǔ)的抄表器設(shè)計(jì)

張勇,梁寶全,侯玉文,3,袁新潤(rùn)

(1.天津大學(xué)管理學(xué)院,天津300072; 2.天津市電力公司,天津300072; 3.中國(guó)科學(xué)院軟件研究所,北京100081)

采用RFID技術(shù)和U盤存儲(chǔ)的抄表器設(shè)計(jì)

張勇1,梁寶全2,侯玉文1,3,袁新潤(rùn)2

(1.天津大學(xué)管理學(xué)院,天津300072; 2.天津市電力公司,天津300072; 3.中國(guó)科學(xué)院軟件研究所,北京100081)

將單片機(jī)技術(shù)與U盤存儲(chǔ)技術(shù)兩者結(jié)合起來(lái),設(shè)計(jì)基于射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)和U盤存儲(chǔ)的抄表系統(tǒng).系統(tǒng)利用單片機(jī)直接讀寫U盤,通過(guò)MAX485接口芯片完成單片機(jī)與電力儀表的信息交換,通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU,主控芯片89C2052完成信息的處理與雙向傳遞.RFID采用的工作頻率為433 M Hz,以循環(huán)冗余校驗(yàn)法校驗(yàn)傳輸數(shù)據(jù),同時(shí)采用時(shí)分多路(TDMA)來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)的防碰撞.

射頻識(shí)別;U盤存儲(chǔ);抄表系統(tǒng);防碰撞;單片機(jī)

射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信,以達(dá)到識(shí)別目的并交換數(shù)據(jù).我國(guó)自20世紀(jì)90年代末引進(jìn)首套R(shí)FID示范系統(tǒng)后,迅速跨越技術(shù)先期起步階段而進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用,特別是進(jìn)入21世紀(jì)以后,大規(guī)模制造加工企業(yè)紛紛采用引進(jìn)的RFID技術(shù)成果進(jìn)行技術(shù)改造.國(guó)內(nèi)外在變電設(shè)備管理工作中應(yīng)用RFID技術(shù)已有成功的解決方案.近年來(lái),隨著閃存非易失性存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展,基于USB接口的閃存——U盤已得到廣泛應(yīng)用.以U盤作為便攜式采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)載體,完全能夠滿足長(zhǎng)時(shí)間采集海量數(shù)據(jù)的要求.將單片機(jī)技術(shù)與U盤存儲(chǔ)技術(shù)兩者結(jié)合起來(lái),利用單片機(jī)直接讀寫U盤,從而實(shí)現(xiàn)便攜儀器的外掛式海量存儲(chǔ),具有廣闊的應(yīng)用前景[1].本文設(shè)計(jì)了基于RFID技術(shù)和U盤存儲(chǔ)的抄表系統(tǒng),詳細(xì)介紹RFID標(biāo)簽和讀寫器的硬件原理和軟件設(shè)計(jì)思想.

1 系統(tǒng)組成與工作原理

基于RFID技術(shù)和U盤存儲(chǔ)的抄表系統(tǒng)由兩部分組成,分別為電力儀表與RFID標(biāo)簽(固定部分)和抄表器(移動(dòng)部分),如圖1所示.其中:固定部分包括RFID標(biāo)簽,電力儀表和完成兩者信息交換功能的數(shù)據(jù)處理與接口部分;移動(dòng)部分包括射頻收發(fā)模塊,MCU,U盤存儲(chǔ)電路和顯示電路.

系統(tǒng)工作原理:抄表人員通過(guò)抄表器發(fā)送指令到RFID標(biāo)簽,單片機(jī)根據(jù)RFID標(biāo)簽接收到的指令對(duì)電力儀表進(jìn)行查詢,并將查詢結(jié)果在通過(guò)RFID標(biāo)簽回送給抄表器,抄表器對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并將處理結(jié)果存儲(chǔ)和顯示.

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖Fig.1 Schematic diagram of system components

2 電力儀表與RFID標(biāo)簽部分的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

RFID標(biāo)簽屬于主動(dòng)式標(biāo)簽,具有低成本、低功耗、閱讀距離長(zhǎng)等特點(diǎn).RFID標(biāo)簽與RS-485電路,如圖2所示.IA 4420芯片具有-109 dBm的接收靈敏度和最大8 dBm的射頻信號(hào)輸出功率,室外開闊地實(shí)測(cè)傳輸距離達(dá)200 m以上.按“6 dB”法則,在無(wú)線系統(tǒng)中,總增益每增加或減少6 dB,傳輸距離延長(zhǎng)或縮短一倍.IA 4420芯片的信號(hào)輸出功率有0,-3,-6,-9,-12,-15,-18,-21 dBm共8個(gè)級(jí)調(diào),配合0,-6,-14,-20可調(diào)的接收端LAN增益,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽閱讀距離的大范圍多級(jí)可調(diào)[2-4].

IA 4220芯片與單片機(jī)信息交換通過(guò)1～4腳,而這4個(gè)腳是標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口.單片機(jī)通過(guò)接口完成對(duì)IA 4420芯片內(nèi)部寄存器的配置,以及發(fā)送和接收FSK數(shù)據(jù).IA 4420芯片的第5腳(nlRQ)是中斷請(qǐng)求.當(dāng)發(fā)送寄存器準(zhǔn)備接收下一個(gè)字節(jié),或FIFO收到預(yù)定的位的個(gè)數(shù),或遇到上電復(fù)位和FIFO溢出等情況時(shí),第5腳都會(huì)發(fā)出一個(gè)低電平.由于具有自動(dòng)頻率控制功能(A FC),所以,IA 4420芯片允許使用低精度(低成本)的晶振.

通過(guò)M AX485接口芯片完成單片機(jī)與電力儀表的信息交換,系統(tǒng)中允許該設(shè)備帶32個(gè)同類儀表,通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU.89C2052為主控芯片,完成信息的處理與雙向傳遞.

圖2 RFID標(biāo)簽與RS-485電路Fig.2 RFID tags and RS-485 circuit

2.2 頻段選擇

考慮到成本等方面的問(wèn)題,設(shè)計(jì)時(shí)RFID采用的工作頻率為433 M Hz.經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試,證明在傳輸距離及數(shù)據(jù)可靠性等方面可以達(dá)到系統(tǒng)的功能要求.

2.3 防碰撞設(shè)計(jì)

時(shí)分多路(TDMA)法是把整個(gè)可供使用的通路容量按時(shí)間分配給多個(gè)用戶的技術(shù).因此,系統(tǒng)選擇用TDMA法來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別系統(tǒng)的防碰撞.設(shè)計(jì)中,抄表器周期性地發(fā)送同步信號(hào),標(biāo)簽在初始化完成后處于接收狀態(tài);收到同步信號(hào)后,它按照一定的算法產(chǎn)生一個(gè)與自己的ID號(hào)相關(guān)的延時(shí)(產(chǎn)生自己的時(shí)間段),然后,將自身的ID號(hào)發(fā)送出去.由于ID號(hào)是唯一的,因此有效區(qū)域的不同標(biāo)簽發(fā)送時(shí)間不同,避免了沖突的產(chǎn)生.

2.4 電力儀表

系統(tǒng)中的電力儀表選擇江蘇斯菲爾電氣有限公司的PD194E型系列多功能電力儀表.系統(tǒng)主要利用該儀表的遠(yuǎn)程RS-485數(shù)字接口通信,并采用MODBUS-RTU通信協(xié)議,可完成電量測(cè)量、電能計(jì)量、數(shù)據(jù)顯示、采集與傳輸.

3 抄表器部分的設(shè)計(jì)

圖3 U盤存儲(chǔ)器接口電路Fig.3 Interface circuit of U disk sto rage

3.1 USB接口

系統(tǒng)的USB接口芯片選擇CH340單片機(jī)[5-6]. CH 340單片機(jī)是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片,可實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外,或者USB轉(zhuǎn)打印口.系統(tǒng)利用該單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從M SP430單片機(jī)到U盤的雙向傳輸功能.其通信接口為CH430單片機(jī)的RXD,TXD分別與M SP430的TXD,RXD相連,如圖3,4所示.該單片機(jī)也可使用3.3 V供電,進(jìn)而降低了系統(tǒng)的功耗.

3.3 抄表器主控電路

系統(tǒng)的主控芯片選擇MSP430單片機(jī),晶振選擇8 M Hz的無(wú)源晶振.圖4為主控電路,主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的程序調(diào)度與功能的實(shí)現(xiàn),完成對(duì)IA 4220芯片的數(shù)據(jù)處理、與U盤接口電路的通信、響應(yīng)外部鍵盤的輸入請(qǐng)求和液晶顯示功能.

圖4 主控電路Fig.4 Control circuit

由于主動(dòng)式RFID標(biāo)簽為電池供電,為了延長(zhǎng)電池使用壽命,系統(tǒng)對(duì)低功耗性能要求嚴(yán)格.M SP430單片機(jī)擁有0.5 m A的保持模式待機(jī)電流和250 m A/M IPS的運(yùn)行功耗,是目前業(yè)界公認(rèn)的低功耗單片機(jī);IA 4420芯片的低功耗待機(jī)模式電流消耗低至0.3 m A,這是設(shè)計(jì)的低功耗性能的基礎(chǔ)保證.

IA 4420芯片與M SP430單片機(jī)的P4口相連;液晶顯示選用128×64點(diǎn)陣型液晶顯示器(LCD),分別與MSP430單片機(jī)的P1口和P2.0～P2.2口相連;選用4按鍵鍵盤,分別與M SP430單片機(jī)的P3.0～P3.3口相連,完成操作功能.

圖5 單片機(jī)程序流程圖Fig.5 Program flow chart of microcontroller

4 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)M SP430主程序設(shè)計(jì)流程,如圖5所示.

4.1 初始化程序

對(duì)系統(tǒng)的I/O口與寄存器進(jìn)行分配和初始化.

4.2 采樣及處理程序

先判斷是否進(jìn)入睡眠時(shí)間范圍.如果進(jìn)入了,就開始檢測(cè)是否有高電平到來(lái);如果高電平到來(lái)就準(zhǔn)備采樣.采樣點(diǎn)必須大致位于每一位的中間.因此,要適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)一段時(shí)間,以檢測(cè)完所有電子標(biāo)簽的有效ID位.為了提高RIFD的可靠性與安全性,對(duì)于同一標(biāo)簽必須連續(xù)采樣3次.如果每次采樣所得到的有效ID位均相同,則采樣成功.

4.3 LCD顯示程序

根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果,將相應(yīng)的電子標(biāo)簽信息與采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示.

4.4 USB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

M SP430將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口送到CH 340單片機(jī),而CH340單片機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到U盤.

4.5 數(shù)據(jù)校驗(yàn)

使用RFID技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)很容易受外界的干擾,使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)發(fā)生改變導(dǎo)致錯(cuò)誤.因此,設(shè)計(jì)中采用了循環(huán)冗余校驗(yàn)法校驗(yàn).循環(huán)冗余校驗(yàn)法的信息字段和校驗(yàn)字段的長(zhǎng)度可以任意選定,正好適合本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的特征.

將無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)和U盤存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用在電力技術(shù)和產(chǎn)業(yè)當(dāng)中,有很大的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)效益.在研究分析系統(tǒng)作用原理基礎(chǔ)上,給出了系統(tǒng)硬件與軟件實(shí)現(xiàn)方案.所提出的方案可以解決傳統(tǒng)紙筆抄錄、攀高爬梯、環(huán)境惡劣、抄表難度大、存儲(chǔ)容量小和提高工作效率等問(wèn)題.下一步工作是完成集調(diào)度、營(yíng)銷和監(jiān)控一體的管理系統(tǒng),以解決電力營(yíng)銷管理中遇到的一些實(shí)際問(wèn)題.

5 結(jié)束語(yǔ)

[1] 王志勇,朱洪濤,李大勇.基于U盤的單片機(jī)低功耗海量存儲(chǔ)系統(tǒng)[J].單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用,2006,22(14):91-93.

[2] 吳永祥.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(32):234-236.

[3] 劉冬生,鄒雪城.高頻RFID讀寫器射頻模擬前端的實(shí)現(xiàn)[J].半導(dǎo)體技術(shù),2006,31(9):669-672.

[4] 侯玉文,王海賓,夏鵬,等.基于RFID/GIS技術(shù)的車輛指揮中心及其實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008,8(2):151-153

[5] 黃平平,吉榮廷,沈大鵬.基于CH375實(shí)現(xiàn)單片機(jī)讀寫U盤[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006(18):12-14.

[6] 劉建峰,劉愛華.基于CH375的海量數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)[J].儀表技術(shù),2006(2):44-46.

Design and Research of Meter-Reading Device Based on RFID Tecnology and U Disk Storage

ZHANG Yong1,L IANG Bao-quan2, HOU Yu-w en1,3,Yuan Xin-run2
(1.School of Management,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Tianjin Electrical Power Cooperation,Tianjin 300072,China; 3.Institute of Software,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100081,China)

After combining themicrocontroller technology and the U disk storage technology,this paper introduces the designing of meter-reading system based on radio frequency tdentification(RFID)technology and U disk sto rage technology.The reading and w riting of the U disk is controlled through microcontroller,the info rmation exchange between the microcontroller and the electricalmeters are carried out through MAX 485 interfacing chip,and the standard MODBUSRTU p rotocol is used fo r the communication.89C2052 is used as the MCU of the system,and it is used fo r data p rocessing and bi-directional transmission.The working frequency of the RFID is set as 433 M Hz,and cyclic redundancy check method is adop ted for the data calibration.The anti-collision of the radio frequency Identification system is realized through adop tion of the Time Division M ulti Access(TDMA)algo rithm.

radio frequency identification;U disk sto rage;meter-reading system;anti-collision;microcontroller

TM 764;TN 911.72

A

(責(zé)任編輯:陳志賢 英文審校:吳逢鐵)

1000-5013(2010)05-0507-04

2009-09-21

張勇(1965-),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士后,主要從事城市化規(guī)劃與建設(shè)的研究.E-mail:yuwen@iscas. ac.cn.

國(guó)家發(fā)改委及國(guó)家電網(wǎng)公司電力重點(diǎn)技改項(xiàng)目(KJ09-1-10)