基于UHF RFID的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫器設(shè)計*

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，射頻識別(RFID)技術(shù)得到了國內(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)是在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上利用RFID無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，每個物品均被賦予唯一的ID，這個ID是存儲在和物品綁定的電子標簽中，它們能夠彼此進行“交流”，而無需人的干預(yù)。其實質(zhì)是利用RFID技術(shù)通過計算機互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(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?；赗FID的產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于高速公路收費、公共交通、動植物電子標志、食品、藥品、郵件實時狀態(tài)跟蹤以及物流等領(lǐng)域，這些應(yīng)用不但提高了各個領(lǐng)域的管理效率和實施速度，還改善了人們的生活［3］。同時，這些RFID技術(shù)的應(yīng)用帶動了一個巨大的新興產(chǎn)業(yè)，使得越來越多的企業(yè)都投入到RFID的技術(shù)開發(fā)和軟硬件生產(chǎn)中來。因此，對基于超高頻(UHF)RFID的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫器的研究是非常有必要的，本文提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低的讀寫器設(shè)計方案，能可靠地完成對目標ID的識別。

1 UHF RFID系統(tǒng)的工作原理

UHF RFID系統(tǒng)工作是通過反向散射耦合方式來進行信息交換和能量傳遞［4］。讀寫器天線發(fā)射的電磁波能量一部分被目標吸收，目標吸收后，獲得能量并發(fā)送出目標存儲的信息;另一部分則從不同方向，并且以不同強度被散射。

在散射的這部分能量中，有小部分反射回讀寫器天線，這樣，讀寫器對接收到的數(shù)據(jù)信號進行處理，識別目標［5］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于UHF RFID的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫器的硬件結(jié)構(gòu)是由主控制器與外圍電路、UHF讀寫模塊、標簽和天線構(gòu)成。其中，外圍電路包括上位機通信模塊、電源模塊和顯示模塊。而主控制器和UHF讀寫模塊的電路設(shè)計是整個硬件系統(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40 MHz時鐘，4機器周期的指令執(zhí)行速度，指令和管腳與標準8051完全兼容，含有12級中斷，2個增強型雙工串口，內(nèi)部集成上電復(fù)位電路，可編程看門狗，具有價格低、速度快、功能強、外部數(shù)據(jù)訪問周期可編程等優(yōu)點［6］。

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

LCD顯示模塊的功能是當有目標進入工作范圍時，將目標ID進行實時顯示;當無目標時進入工作范圍時，顯示日期和當前時間。

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

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)壓芯片對所有器件進行5 V和3.3 V供電。

2.2 UHF讀寫模塊電路

本系統(tǒng)的UHF讀寫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，還整合了一個集成模擬前端，配備了可編程的DRM過濾器、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工作，而不會影響性能。它還同時支持 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讀寫模塊電路圖Fig 3 Circuit of UHF read/write module

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

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

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖4所示，本系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程為:1)主控制器復(fù)位初始化，UHF讀寫模塊的寄存器初始化，主要包括協(xié)議配置、AS3992系統(tǒng)時鐘、鎖相環(huán)、編碼方式和信號調(diào)制方式等;2)與上位機進行通信，主控制器通過串口接收上位機命令，尋找目標;3)當有多個目標時，運行防碰撞算法，分別讀取目標ID;4)顯示所讀取的目標ID;5)對目標執(zhí)行相應(yīng)的操作和控制。

其中，在主控制器和讀寫模塊進行通信時，應(yīng)當先寫入地址，后寫入命令或數(shù)據(jù)。

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

4 實驗結(jié)果

本文對所設(shè)計的系統(tǒng)進行了PCB板制作，并焊接成實際硬件系統(tǒng)，將軟件燒寫進單片機后，進行了實際的驗證。主要包括通信距離的性能測試，測試環(huán)境為開闊的場地(天線功率為8dBi)，測試儀器包括讀寫器系統(tǒng)、筆記本電腦和串口線，測試距離為0.5～7 m，實驗標簽數(shù)為100，通過觀察電腦上顯示的數(shù)據(jù)，記錄下了讀寫操作的成功率，如表1所示。

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

很明顯地看出:隨著測試距離的加大，讀寫器的讀寫成功率不斷減小，尤其是到6 m的時候，讀寫成功率僅達到60%。還可以看出:讀操作的成功率要比寫操作的成功率高，造成這種情況的原因與標簽天線和讀寫器天線的特性有關(guān)。該實驗結(jié)果滿足實際應(yīng)用的要求。

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

圖5 距離讀寫器天線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

通過實驗結(jié)果可知，該系統(tǒng)符合EPCGEN2和ISO/IEC 18000－6 A/6B協(xié)議，能夠通過串口實時地將目標信息發(fā)送給上位機，稍作改進即可應(yīng)用于食品、藥品、物流等領(lǐng)域，對物聯(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］劉國海.引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)時代的先鋒—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［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.