基于R F I D的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

陳美娟 朱曉榮 羅小琴

（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003）

0 引言

培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才，是當(dāng)前高校教育的主要目標(biāo)[1]。工科高校的教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究和創(chuàng)新能力方面起著重要作用，演示型和驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生掌握學(xué)科基本原理，而創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)則有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)是學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室資源，進(jìn)行自主研究和創(chuàng)新的一種途徑[2-3]。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，射頻識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，RFID技術(shù)方便了人們的日常生活，有著廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)開(kāi)放式RFID實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了研究，基于此平臺(tái)，學(xué)生可以開(kāi)發(fā)自己的RFID應(yīng)用、深入研究RFID理論知識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)，具有綜合性和創(chuàng)新性特點(diǎn)。基于RFID的開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)，就是在現(xiàn)有的RFID系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行定制修改、功能擴(kuò)展，以達(dá)到自己想要的功能。通常不會(huì)改變系統(tǒng)原有的內(nèi)核。本研究就是在RFID開(kāi)源產(chǎn)品的基礎(chǔ)上擴(kuò)展功能，使其在創(chuàng)新性教學(xué)活動(dòng)中發(fā)揮更大的作用。

從基于RFID讀卡器提供開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的角度考慮，本研究對(duì)高頻RFID閱讀器硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。

首先，制作一個(gè)RFID閱讀器。采用普遍使用的13.56MHz頻率，芯片選取也考慮到性?xún)r(jià)比。然后，實(shí)現(xiàn)一個(gè)RFID應(yīng)用系統(tǒng)。RFID標(biāo)簽卡號(hào)全球唯一，將其與不同的房間號(hào)相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基于RFID技術(shù)的門(mén)禁管理。最后，開(kāi)放平臺(tái)，開(kāi)放下位機(jī)和上位機(jī)編程。開(kāi)放下位機(jī)目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)標(biāo)簽的讀寫(xiě)操作以及防碰撞算法等，開(kāi)放上位機(jī)目的是讓學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)特定需要的RFID應(yīng)用。為了方便學(xué)生進(jìn)行開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、快速學(xué)習(xí)和了解RFID閱讀器上位機(jī)程序開(kāi)發(fā)方法，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了典型的開(kāi)發(fā)流程說(shuō)明，同時(shí)提供源代碼查看功能。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件

平臺(tái)硬件功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）TFR7960射頻控制單元。RFID讀卡器射頻控制單元采用TI公司TRF7960芯片[4]，通過(guò)并行8線接口與單片機(jī)MSP430F2370通信。

（2）射頻前端匹配單元。射頻前端有一個(gè)輸出通道，兩個(gè)輸入通道，前端天線輸出阻抗匹配到50歐姆，以便功率達(dá)到最佳，使用時(shí)可調(diào)節(jié)前端的電容，電阻達(dá)到理想匹配。

（3）MSP430控制單元。RFID讀卡器的主控制單元采用TI公司的單片機(jī)MSP430F2370芯片[5]，在IRQ狀態(tài)為置位時(shí)讀取TRF7960送來(lái)的RFID標(biāo)簽信息。該芯片通過(guò)8線并行接口連接TRF7960，通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB接口連接至PC機(jī)，也可通過(guò)串口連接至網(wǎng)關(guān)。

（4）其他單元。CP2102芯片實(shí)現(xiàn)串行通信接口與USB接口之間的轉(zhuǎn)換，MSP430F2370輸出的TTL電平串行信號(hào)經(jīng)過(guò)CP2102之后，成為USB接口，然后與PC機(jī)相連。蜂鳴器單元作用是，當(dāng)接口板上電時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出“滴”的一聲響。顯示單元采用3個(gè)LED燈，紅色LED指示電源、綠色LED指示對(duì)ISO14443標(biāo)簽操作、黃色LED指示對(duì)ISO15693標(biāo)簽操作。RFID讀卡器的電源可以通過(guò)USB供電或者網(wǎng)關(guān)插座供電，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)選擇。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件

軟件包括下位機(jī)和上位機(jī)兩部分，首先準(zhǔn)備軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后編輯調(diào)試下位機(jī)程序，之后進(jìn)行上位機(jī)程序的編寫(xiě)。

3.1 下位機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

（1）IAR安裝。首先安裝IAR環(huán)境。IAR Embedded Workbench（簡(jiǎn)稱(chēng)EW）是C/C++交叉編譯器和調(diào)試器。對(duì)RFID讀卡器中的TRF7960芯片的編程、調(diào)試、燒寫(xiě)，均在IAR環(huán)境中完成[6]。安裝過(guò)程中注意版本號(hào)，本文采用IAR Embedded Workbench For MSP430 v5.30。

（2）仿真器驅(qū)動(dòng)安裝。調(diào)試下位機(jī)仿真程序之前，先要安裝仿真器驅(qū)動(dòng)程序。按照?qǐng)D2所示，通過(guò)仿真器連接RFID接口板到計(jì)算機(jī)。

確認(rèn)已將仿真器通過(guò)系統(tǒng)附帶的USB電纜連接到PC機(jī)，系統(tǒng)找到新硬件后出現(xiàn)“歡迎使用硬件更新向?qū)А苯缑?，可以選擇手動(dòng)或自動(dòng)的方式安裝，驅(qū)動(dòng)程序在文件夾“CP210x”中。安裝成功后在“設(shè)備管理器”中可以看到“端口（COM 和 LPT）”下，增加一行“MSP-FET430UIFVCP(COM3)”。

（3）編輯下位機(jī)程序等。在IAR環(huán)境中編輯下位機(jī)程序。編輯過(guò)的工程可以編譯、下載和調(diào)試。在IAR開(kāi)發(fā)界面上選擇Project/Make，或按F7鍵編譯和連接工程。查看提示信息，排查錯(cuò)誤。沒(méi)有錯(cuò)誤后，可以下載和調(diào)試程序。在IAR開(kāi)發(fā)界面上選擇Project/Download and Debug，或按工具欄上按鈕進(jìn)入程序下載，程序下載完成后，IAR將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至仿真狀態(tài)。

3.2 上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

上位機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Microsoft Visual Studio 2013，采用C#高級(jí)程序語(yǔ)言編寫(xiě)程序。數(shù)據(jù)庫(kù)軟件采用Micosoft Office Access。

4 開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能框圖如圖3所示。

（1）登錄。登錄功能要求輸入用戶(hù)名和密碼，通過(guò)后可以使用該系統(tǒng)?？梢允褂脤W(xué)生的學(xué)號(hào)等信息作為用戶(hù)名，方便以后對(duì)學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（2）系統(tǒng)設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)置部分主要用于選擇所使用的串口及其特性、選擇所使用的標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)：ISO14443或者ISO15693。串口設(shè)置包括選擇串口名稱(chēng)、波特率、打開(kāi)/關(guān)閉串口等。串口成功打開(kāi)后，可以選擇所使用的標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)，讀取標(biāo)簽信息。

（3）門(mén)禁管理。門(mén)禁管理包括兩部分：用戶(hù)管理和門(mén)禁應(yīng)用演示。因?yàn)榭ㄆ?hào)的全球唯一性，因此將卡片視為一個(gè)用戶(hù)。用戶(hù)管理部分作用是給某個(gè)卡片賦予開(kāi)某些門(mén)的功能，即關(guān)聯(lián)卡片和房間門(mén)[7]。門(mén)禁應(yīng)用演示采用圖形方式，生動(dòng)展示卡片在開(kāi)啟某個(gè)房間門(mén)時(shí)的效果。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)。采用Microsoft Office Acess數(shù)據(jù)庫(kù)，在Microsoft Visual Studio 2013中與數(shù)據(jù)庫(kù)建立連接，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)表格，完成數(shù)據(jù)查詢(xún)、插入和刪除等操作。

（5）下位機(jī)開(kāi)放。下位機(jī)開(kāi)放目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)標(biāo)簽讀/寫(xiě)操作、研究防碰撞算法。這里提供讀/寫(xiě)操作流程、讀/寫(xiě)操作程序說(shuō)明、防碰撞算法流程、一種防碰撞算法程序說(shuō)明。程序說(shuō)明是對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)有的程序逐句解釋?zhuān)⒈硎境鰧W(xué)生自己編寫(xiě)程序時(shí)需要修改的地方。學(xué)生自己編輯下位機(jī)程序需要在IAR環(huán)境中，完成編譯后通過(guò)仿真器下載到RFID讀卡器，然后進(jìn)行調(diào)試。

學(xué)生可以借助現(xiàn)有上位機(jī)程序中提供的“系統(tǒng)設(shè)置”等，查看自己的下位機(jī)程序是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。也可以另外編寫(xiě)上位機(jī)程序，進(jìn)行串口設(shè)置、讀/寫(xiě)標(biāo)簽等功能。

（6）上位機(jī)開(kāi)放。上位機(jī)開(kāi)放的目的是讓學(xué)生自己制作一個(gè)基于RFID的應(yīng)用。這里提供上位機(jī)程序編寫(xiě)流程、門(mén)禁應(yīng)用程序說(shuō)明。同樣的，門(mén)禁應(yīng)用程序說(shuō)明對(duì)現(xiàn)有程序逐句解釋?zhuān)⒄f(shuō)明學(xué)生自己編寫(xiě)程序時(shí)可以修改的地方。

上位機(jī)程序的編寫(xiě)在Visual Studio環(huán)境，采用C#高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。學(xué)生的上位機(jī)程序基于本平臺(tái)的讀卡器進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是高校教育的主要目標(biāo)，實(shí)踐環(huán)節(jié)是重要途徑。在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生研究性思維習(xí)慣、提升動(dòng)手能力和操作技能成為培養(yǎng)優(yōu)秀本科生的主要目的，也為具備科研能力的研究生提供了條件。本文基于應(yīng)用前景非常廣闊的RFID技術(shù)，對(duì)開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了研究，制作了高頻RFID讀卡器，開(kāi)發(fā)了門(mén)禁應(yīng)用，設(shè)計(jì)了下位機(jī)和上位機(jī)開(kāi)放方法?；诒緦?shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以深入研究RFID通信原理，開(kāi)發(fā)自己的RFID應(yīng)用系統(tǒng)，提升創(chuàng)新能力。

［1］蘆峰,郝娟.研究性教學(xué)與高校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)[J].教育科學(xué),2011(27):50-53.

［2］劉燕,李曉波.開(kāi)放的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與創(chuàng)新性人才培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014(33):211-214.

［3］朱勇,張昕明,王寧.基于射頻識(shí)別技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012(29):17-20.

［4］http://www.ti.com.cn/product/cn/TRF7960[EB/OL].

［5］http://www.ti.com.cn/product/cn/MSP430F2370[EB/OL].

［6］無(wú)線龍.高頻RFID技術(shù)高級(jí)教程[M].冶金工業(yè)出版社,2012,4.

［7］張鵬.高檔別墅區(qū)智能門(mén)禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].山東大學(xué),2012.