基于超高頻RFID設(shè)備借還系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

古智鋒 陳娟

摘 要：隨著學(xué)校規(guī)模的擴(kuò)大，學(xué)生人數(shù)的增多，所需設(shè)備數(shù)量也與日俱增，常用的紙質(zhì)登記或手動(dòng)登記設(shè)備信息的方式已經(jīng)無法滿足日常的設(shè)備使用記錄需求。針對(duì)該現(xiàn)狀，文章提出將超高頻RFID引入到日常教學(xué)設(shè)備管理當(dāng)中，就該設(shè)備硬件提出設(shè)計(jì)方案，在不接觸的情況下實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的讀取與記錄，并且通過手持設(shè)備能對(duì)設(shè)備數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

關(guān)鍵詞：超高頻RFID；借還系統(tǒng)

一、概述

RFID技術(shù)，目前應(yīng)用在IC卡、磁卡、條碼、攝像等自動(dòng)識(shí)別技術(shù)中。在其應(yīng)用的過程中，充分展現(xiàn)了其自身的優(yōu)勢(shì)：非接觸操作；不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損的現(xiàn)象；能夠識(shí)高速運(yùn)行的物體，或者同時(shí)識(shí)別不同的電子標(biāo)簽；讀寫器不對(duì)用戶直接開放，可以確保信息的安全性；標(biāo)簽、讀寫器之間可以相互認(rèn)證，完成信息的存儲(chǔ)、通信。

超高頻RFID設(shè)備借還系統(tǒng)主要是利用超高頻RFID遠(yuǎn)距離讀取標(biāo)簽的特性，只要設(shè)備經(jīng)過相應(yīng)的區(qū)域，超高頻RFID就能讀取到設(shè)備的編號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后本地保存，通過串口或者其他方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

二、功能設(shè)計(jì)

（一）設(shè)備編號(hào)檢測(cè)機(jī)功能設(shè)計(jì)

設(shè)備編號(hào)檢測(cè)中考慮到不同時(shí)間段借還人員密度不同，所有通道都可雙向使用，另外還有不同標(biāo)簽信號(hào)間的干擾問題，所以在設(shè)備編號(hào)檢測(cè)區(qū)的通道需要進(jìn)行一定的限制設(shè)計(jì)，讓不同功能區(qū)的信息傳輸互不干擾，檢測(cè)數(shù)據(jù)采用24L01無線模塊和串口兩種方式發(fā)送。

（二）手持盤點(diǎn)機(jī)功能設(shè)計(jì)

手持盤點(diǎn)機(jī)主要用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和查看，所以在設(shè)計(jì)手持盤點(diǎn)機(jī)時(shí)選用12864屏幕，以保證顯示的內(nèi)容足夠豐富，與其他彩色大屏幕相比，12864除了價(jià)格低廉以外，本身質(zhì)量過硬，功耗低等有點(diǎn)，在陽(yáng)光直射環(huán)境下不會(huì)導(dǎo)致模糊不清。數(shù)據(jù)接收方式上采用了有線和無線兩種方式，使得可以應(yīng)用與更多的環(huán)境下。

三、硬件電路設(shè)計(jì)

（一）設(shè)備編號(hào)檢測(cè)控制器的硬件電路的設(shè)計(jì)

（1）STM32F103單片機(jī)。單片機(jī)作為本文設(shè)計(jì)的核心，主要用于對(duì)超高頻RFID模塊控制，能夠獲取標(biāo)簽的ID，將標(biāo)簽數(shù)據(jù)和借用人數(shù)據(jù)相整合并保存到列表中，同時(shí)檢測(cè)到手持設(shè)備連接后會(huì)上傳指定時(shí)間段的數(shù)據(jù)，STM32F103具備多個(gè)串口，可以滿足對(duì)多個(gè)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和發(fā)送，多達(dá)7個(gè)定時(shí)器使得在多任務(wù)處理方面變得更加靈活，80個(gè)多功能IO口使得對(duì)外部設(shè)備的擴(kuò)展更為豐富。

（2）超高頻RFID模塊。采用的是網(wǎng)源超高頻遠(yuǎn)距離讀取一體機(jī)，該一體機(jī)距離遠(yuǎn)，提供串口可以二次開發(fā)，可調(diào)節(jié)功率，從而調(diào)節(jié)讀卡距離遠(yuǎn)近，可主動(dòng)讀卡和被動(dòng)讀卡，完全做到不停留讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，且能自動(dòng)過濾相同的標(biāo)簽，避免重復(fù)，單卡讀取時(shí)間小于 10MS，具有防碰撞讀取功能，可識(shí)別多個(gè)不同標(biāo)簽，支持串口輸出。單片機(jī)通過接收由超高頻RFID模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存到Flash當(dāng)中，當(dāng)手持盤點(diǎn)機(jī)發(fā)送連接命令時(shí)即可和編號(hào)檢測(cè)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，本文在設(shè)計(jì)時(shí)采用價(jià)格低廉的24L01作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K，將設(shè)備編號(hào)檢測(cè)結(jié)果傳送到手持盤點(diǎn)機(jī)進(jìn)行查閱。

（二）手持盤點(diǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)

手持盤點(diǎn)機(jī)主要適用于設(shè)備的統(tǒng)計(jì)，通過與設(shè)備編號(hào)檢測(cè)機(jī)相連接設(shè)備活動(dòng)數(shù)據(jù)，可以對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也可以通過安裝在手持盤點(diǎn)機(jī)中的超高頻RFID讀取模塊對(duì)設(shè)備群中的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)出目前空閑設(shè)備的數(shù)量，并且可以快速尋找某個(gè)特定編號(hào)所在的大概區(qū)域，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)編號(hào)設(shè)備的快速尋找。

在主控上選用STM32F103，除了統(tǒng)一硬件控制器外，還帶來了開發(fā)上的便利，而且STM32F103上的資源也是非常豐富的，這點(diǎn)在本文中有提到，由于功耗低，所帶來的續(xù)航時(shí)間也是相當(dāng)可觀的，能滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用的要求。

（三）金屬環(huán)境下的標(biāo)簽信號(hào)優(yōu)化

由于UHF標(biāo)簽的工作介質(zhì)是電磁波，所以金屬會(huì)對(duì)UHF標(biāo)簽產(chǎn)生很大的影響，金屬不僅會(huì)吸收電磁波而且還會(huì)反射，從而改變電磁場(chǎng)的空間和強(qiáng)度的分布，如果金屬靠近標(biāo)簽貼紙的天線，電磁波會(huì)被反射回來，還會(huì)與原來的電磁場(chǎng)相互疊加，從而引起電磁場(chǎng)的減弱。

為避免這個(gè)問題，使用了一個(gè)短路環(huán)偶級(jí)子天線模型，并且還加入了一個(gè)阻抗臂（L3），可以通過調(diào)節(jié)阻抗臂長(zhǎng)度和寬度，達(dá)到調(diào)節(jié)輸入阻抗的目的，從而更好的優(yōu)化天線，如圖1所示。

本文通過設(shè)計(jì)基于超高頻RFID為核心的設(shè)備管理系統(tǒng)，介紹了超高頻RFID在實(shí)驗(yàn)室中設(shè)備管理中的應(yīng)用，以STM32F103為主控制器，設(shè)計(jì)出了方便高效的管理系統(tǒng)，同時(shí)將非接觸式設(shè)備管理系統(tǒng)應(yīng)用在教學(xué)管理中開了頭，為后續(xù)更多功能的開發(fā)提供了鋪墊，也為設(shè)備管理方式提供了一種思路。

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基金項(xiàng)目：廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院科學(xué)研究、教育教學(xué)研究項(xiàng)目“基于超高頻RFID實(shí)驗(yàn)室課堂設(shè)備借還系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)”（編號(hào)ky201813）。

作者簡(jiǎn)介：古智鋒（1989- ），男，廣東梅州人，本科，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電子與通訊；陳娟（1991- ），女，廣東梅州人，本科，中小學(xué)二級(jí)教師，研究方向：小學(xué)科學(xué)。