基于射頻識別技術的溫度監(jiān)測系統(tǒng)

高 山，杜秀麗，李曉偉，邢 建

（大連大學 信息工程學院，遼寧 大連 116622）

0 引言

人們的生活與溫度息息相關，化學、物理、生物等學科的研究都離不開溫度。在電力、石油、化工、機械制造、冶金、大型倉儲室、農(nóng)場塑料大棚甚至人們的居室里經(jīng)常需要對環(huán)境溫度進行監(jiān)測，并根據(jù)實際的要求對環(huán)境溫度進行控制。

隨著無線傳輸技術的發(fā)展、電子測溫技術的普及以及射頻識別技術的成熟，實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)與運輸過程透明化變得切實可行。射頻識別技術是一種新式的非接觸識別技術，通過射頻信號可對無源非接觸IC卡進行供電與通信，該過程中無需人工干涉并且可工作于惡劣環(huán)境，而電子測溫結(jié)果準確、可測定范圍廣，正滿足了產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸過程中的不同需求。

本系統(tǒng)基于射頻識別技術設計了溫度實時無線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了超溫報警、溫度信息儲存和無線傳輸，對保證產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸和存儲安全具有一定意義[1]。

1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，該監(jiān)測系統(tǒng)有主機和從機兩部分。從機實現(xiàn)溫度收集功能，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機。主機則將溫度儲存，待有非接觸式RFID卡靠近時，根據(jù)按鍵指令將溫度信息從RFID卡中讀取或者將從機采集到的溫度信息寫入RFID卡，卡中相關信息則在液晶屏顯示告知用戶。如果接收到從機采集的溫度信息超出安全范圍則提供報警功能，提示用戶溫度超過安全范圍，進行緊急處理。

圖1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計

2.1 主機硬件系統(tǒng)模塊

主控芯片采用ATMEL公司的AT89S51。AT89S51單片機是一種具有低功耗、高性能的CMOS 8位微處理器，自帶4 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。合理地調(diào)配資源，以完成溫度信息接收、非接觸式IC卡的讀寫、信息顯示與報警等功能。

射頻識別讀寫芯片采用NXP公司的RC522。RC522利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議，且支持ISO14443A的多層應用[2]。

無線收發(fā)則采用nRF24L01。nRF24L01是工作在2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段的、由NORDIC生產(chǎn)的單片無線收發(fā)器芯片。輸出功率頻道的選擇和協(xié)議的設置可以通過對SPI接口寄存器的設置實現(xiàn)。它幾乎可以與各種單片機芯片連接，完成對數(shù)據(jù)的無線傳送工作[3]。

2.2 從機硬件系統(tǒng)模塊

從機主控芯片采用TI公司的MSP430G2553。MSP430系列微型處理器具有超低功耗特性，可使溫度采集節(jié)點長時間處于工作狀態(tài)。而G2553體積小，在僅僅進行溫度采集與數(shù)據(jù)發(fā)送工作時，可以更進一步降低功耗，同時可使溫度采集節(jié)點小型化。

無線收發(fā)采用nRF24L01無線芯片。溫度檢測部分采用的是DSl8B20單線數(shù)字測溫芯片，它能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。該傳感器測量溫度的范圍是-55℃～+125℃，測量精度為0.125℃。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 主機軟件設計

主機系統(tǒng)流程圖如圖2所示。依次完成LCD、無線傳輸、射頻識別模塊的初始化，然后標志位置位，示意初始化完成。

圖2 主機軟件流程圖

首先對液晶屏進行初始化，接著配置無線模塊地址、主接收功能，再進行射頻識別模塊的初始化。完成初始化后，開始接收溫度信息，并將接收到的溫度信息在LCD上予以顯示。當非接觸式RFID接近射頻讀寫模塊時，將卡ID與用戶ID進行比對，如果為用戶ID則提示用戶進行按鍵操作，與此同時進行按鍵功能查詢，用戶可選擇將溫度信息寫入RFID卡，清除RFID卡中溫度信息、讀出RFID卡溫度信息。完成按鍵選擇后主控器執(zhí)行相應功能，對RFID卡進行特定操作。

射頻識別模塊的工作流程圖如圖3所示。

3.1.1 射頻識別模塊初始化

射頻識別模塊核心芯片RC522可以與所有13.56 MHz類型的射頻卡進行通信，支持ISO14443A協(xié)議下的的多層應用。發(fā)送接收均集成了幀錯誤校驗 （奇偶校驗、CRC），其雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達424 kb/s，有效距離為0～10 cm[4]。

射頻識別模塊作為本系統(tǒng)的核心模塊，對其的合理操作便顯得尤為重要。第一步便是初始化RC522[5]。對CommandReg低4位置位，讓RC522進入軟掉電模式進行軟復位。寫入CRC初始值。將TxControlReg配置為0x83，即配置天線TX1、TX2驅(qū)動使能，置TxAutoReg為0x40，即將其ASK設置為100%。完成基本配置后，將天線軟啟動。以上配置均正確完成時，對應引腳TX1、TX2之間存在載波能量信號。

圖3 射頻識別模塊的工作流程

3.1.2 射頻識別模塊的尋卡與防沖撞

首先確定所巡卡片狀態(tài)，代碼0x52對應尋感應區(qū)內(nèi)所有符合14443A標準的卡[6]，而代碼0x26對應尋未進入休眠狀態(tài)的卡，將尋卡方式寫入RC522，則RC522進入尋卡階段，與此同時讀取卡信息，與對應十六進制代碼進行比對，當符合對應代碼則說明卡片已經(jīng)尋到，返回卡尋到標志?？愋团c其對應的十六進制代碼如表1所示。完成尋卡后清除所有沖撞信息。將防沖突命令字0x93寫入卡中，讀取防沖撞信息即卡片ID號碼，確定無沖撞后，將CollReg寄存器最高位置1。

表1 卡類型與其對應十六進制代碼

3.1.3 射頻識別模塊的選定卡片與驗證卡密

令RC522將Mifare_One卡卡片選定命令字0x70寫入卡中，而后將防沖撞過程中讀取到的卡片ID寫入卡中則完成卡片的選定。接著，可進行卡密驗證，按照驗證卡密模式、塊地址、密碼、卡ID的順序?qū)a依次寫入卡中，得到成功信息則說明卡密驗證成功；否則可讀取Status2Reg寄存器，當Status2Reg寄存器最高位為1時，說明卡密驗證失敗，需重新驗證卡密。

3.1.4 射頻識別模塊的讀寫卡信息

讀數(shù)據(jù)只需將讀數(shù)據(jù)指令0x30、所讀取塊地址依次寫入卡中，然后便可讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最多只能讀取144字節(jié)。

寫數(shù)據(jù)同樣需要將寫數(shù)據(jù)指令0xA0、所寫塊地址寫入卡中。為確保數(shù)據(jù)寫入準確，需計算CRC值，分別將寫數(shù)據(jù)指令與塊地址所計算得出的CRC的最低位和最高位作為后兩位數(shù)據(jù)，將寫數(shù)據(jù)指令、塊地址、最低位、最高位依次寫入卡中。接著便可往卡中寫入信息。

此時射頻讀寫模塊對卡的操作均可實現(xiàn)。

3.2 從機軟件設計

從機軟件流程圖如圖4所示，對MSP430進行時鐘配置、IO端口配置，對無線傳輸、溫度采集模塊進行初始化。定時器每2 s觸發(fā)一次中斷，并在中斷中對溫度采集標志進行置位。等待定時器置位標志，每2 s進行一次溫度序列轉(zhuǎn)化。完成溫度轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)壓入無線模塊待發(fā)送區(qū)域，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。在等待定時器置位過程中處理器進入低功耗模式，以降低整個模塊功耗。

圖4 從機軟件流程圖

4 設計實現(xiàn)結(jié)果

將測量溫度與普通溫度計示數(shù)進行比對，采用朝陽、背陰、正常室內(nèi)3種不同環(huán)境對整個系統(tǒng)模擬運行，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)分析處理，溫度采集誤差百分比在2%以內(nèi)，系統(tǒng)運行準確可靠。

5 結(jié)論

本文設計了中距離溫度實時無線監(jiān)測系統(tǒng)，同時可將溫度信息在非接觸式RFID卡中進行存儲，測溫準確可靠，提高了貨物生產(chǎn)、運輸過程中溫度信息的透明度。本系統(tǒng)可應用于貨物生產(chǎn)、運輸過程，實時監(jiān)控生產(chǎn)、運輸環(huán)節(jié)溫度情況，將溫度情況實時告知管理人員，使得生產(chǎn)運輸過程中的溫度在安全溫度范圍之內(nèi)。

表2 溫度測試結(jié)果

[1]梁瑜.基于SWOT分析的我國發(fā)展冷鏈物流研究[J].物流科技，2010（2）：75-76.

[2]單瑩，劉旭儒，史儀凱.非接觸式13.56 MHz讀卡器的設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2010（3）：27-29.

[3]張永宏，曹健，王麗華.基于51單片機與nRF24L01無線門禁控制系統(tǒng)設計[J].江蘇科技大學學報 （自然科學版），2013（1）：63-69.

[4]趙東艷，符令，胡毅，等.一種13.56 MHz射頻標簽仿真模型的設計[J].微型機與應用，2013，32（16）：26-30.

[5]魏登峰，田華.基于ARM的嵌入式RIFD讀寫器設計[J].微計算機信息，2009，25（5-2）：190-201.

[6]沈冬青.RFID射頻識別技術標準解析及現(xiàn)狀研究[J].中國安防，2011（4）：37-40.