基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉穎 鹿玉紅 孫曉葉 郭娜

摘 ?要： 傳統(tǒng)的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)在識(shí)別時(shí)很容易受到外界信號(hào)干擾，準(zhǔn)確率低。針對(duì)這一問題，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種新的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)，在系統(tǒng)硬件和軟件上進(jìn)行強(qiáng)化。系統(tǒng)硬件包括上位機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和射頻模塊三部分，對(duì)處理芯片、協(xié)調(diào)器模塊及射頻模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用ZigBee 2006協(xié)議棧設(shè)定軟件程序。為檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果，與傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)不易受到外界信號(hào)干擾，識(shí)別準(zhǔn)確率更高。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); 無源RFID; 多卡識(shí)別; 識(shí)別系統(tǒng); 醫(yī)療系統(tǒng); 射頻識(shí)別

中圖分類號(hào)： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）15?0038?05

Design of passive RFID multi?card recognition system based on

Internet of Things technology

LIU Ying， LU Yuhong， SUN Xiaoye， GUO Na

（School of Information Engineering， Institute of Disaster Prevention， Sanhe 065201， China）

Abstract： The traditional passive RFID multi?card recognition system is easy to be disturbed by external signals， and its accuracy is low. In order to solve this problem， a new passive RFID multi?card identification system is designed based on Internet of Things technology， which is strengthened in its hardware and software. The hardware of the system includes three parts： PC， Internet of Things and radio frequency module. The processing chip， coordinator module and radio frequency module are designed. The software program is set up by using ZigBee 2006 protocol stack. In order to detect the application effect of the system， a comparison experiment was carried out with the traditional identification system. The results show that the passive RFID multi?card recognition system based on the Internet of Things technology is not easy to be disturbed by external signals， and its recognition accuracy is higher.

Keywords： Internet of Things; passive RFID; multi?card identification; identification system; medical system; radio frequency identification

0 ?引 ?言

無線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)最早起源于英國(guó)，在第二次世界大戰(zhàn)中被用于辨別敵我飛機(jī)身份，直到20世紀(jì)60年代被商業(yè)使用[1]。射頻識(shí)別技術(shù)可以利用無線電信號(hào)對(duì)特定的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，并完成相關(guān)的讀寫操作，識(shí)別過程中，系統(tǒng)和目標(biāo)不需要任何設(shè)備進(jìn)行接觸，也不需要光學(xué)接觸[2]。射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用的傳播信號(hào)為無線電信號(hào)，通過調(diào)成無線電頻率的電磁場(chǎng)，利用附著在物品上的標(biāo)簽識(shí)別數(shù)據(jù)，具有自動(dòng)識(shí)別和追蹤的能力[3]。

由于識(shí)別過程中，識(shí)別器發(fā)出的電場(chǎng)會(huì)向部分標(biāo)簽傳遞能量，所以不需要電池，一些標(biāo)簽內(nèi)部擁有電源，可以主動(dòng)發(fā)出無線電波，將大量存儲(chǔ)信息存入其中，即使不在識(shí)別器的視線范圍中，數(shù)百米之內(nèi)也可以追蹤識(shí)別[4]。

目前人們對(duì)無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，RFID識(shí)別系統(tǒng)的工作頻率包括低頻、高頻和甚高頻[5]。盡管RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)取得了相當(dāng)大的成功，但是仍然要面臨諸多問題，例如，成本問題、信號(hào)干擾問題、頻段管制問題以及隱私問題。雖然人們?cè)谂档脱邪l(fā)電子標(biāo)簽的成本，但是高昂的造價(jià)仍然限制了RFID技術(shù)的發(fā)展速度[6]。由于射頻識(shí)別技術(shù)依賴電磁波傳輸信號(hào)，當(dāng)遇到其他導(dǎo)體時(shí)，電磁波的信號(hào)會(huì)受到干擾，信號(hào)強(qiáng)度減弱，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。國(guó)家與國(guó)家的頻段管制范圍不同，射頻信號(hào)在國(guó)際應(yīng)用上有很多問題。一些人將射頻識(shí)別產(chǎn)品放置在其他人的衣物、貼身物品，甚至植入體內(nèi)，在未經(jīng)過他人允許的前提下盜取別人隱私[7]。

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)置一種新的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了識(shí)別系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖，并選擇合適的元件和芯片，分別對(duì)各硬件模塊和接口進(jìn)行軟件調(diào)試，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無源RFID多卡系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相組合的可行性。

1 ?無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 ?無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)硬件主要包括三部分：上位機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和射頻模塊。上位機(jī)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取信息展示，在系統(tǒng)中發(fā)揮著控制和管理的作用;物聯(lián)網(wǎng)作為信息的傳輸通道，擁有大量自組網(wǎng)絡(luò)，可以確保RFID模塊與PC機(jī)順利傳播通信數(shù)據(jù);RFID模塊主要負(fù)責(zé)采集各類數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)無源標(biāo)簽信息進(jìn)行讀寫，利用物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)讀寫功能，與PC機(jī)中的數(shù)據(jù)與信息進(jìn)行交換[8]。

基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的無源多卡識(shí)別系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ?無源多卡識(shí)別系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2 ?處理芯片設(shè)計(jì)

由圖1可知，本文選用的無線通信節(jié)點(diǎn)共有三個(gè)：節(jié)點(diǎn)1選用的芯片為射頻芯片，能夠支持物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，并根據(jù)IEEE 182.15.4協(xié)議開發(fā)出與之對(duì)應(yīng)的軟件;節(jié)點(diǎn)2確保硬件開發(fā)平臺(tái)和軟件開發(fā)程序并行工作;節(jié)點(diǎn)3內(nèi)部嵌入控制芯片和協(xié)議棧軟件，是系統(tǒng)級(jí)芯片。三個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)同使用，滿足系統(tǒng)在不同硬件條件下的要求[9]。物聯(lián)網(wǎng)通信模塊選用CC2430作為處理芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?CC2430處理芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

CC2430在物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中起到很強(qiáng)的處理作用，是系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)器、路由器以及終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)都需要使用的核心無線處理芯片。處理芯片內(nèi)部擁有12個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊，4路USART串口，RAM存儲(chǔ)容量共有8 KB，最大可擴(kuò)展至128 KB。芯片采用的設(shè)計(jì)工藝為CMOS工藝，工作過程中消耗的最大電流不會(huì)超過30 mA，損耗功率極低。芯片的工作模式共有兩種：主模式和休眠模式，它們以交替的方式進(jìn)行工作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送以及信息采集等工作時(shí)，處理芯片會(huì)進(jìn)入主模式;當(dāng)系統(tǒng)為空閑狀態(tài)時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，降低功耗。CC2430處理芯片消耗功率低、性價(jià)比高、靈活性好，在系統(tǒng)識(shí)別領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)十分明顯[10]。

1.3 ?協(xié)調(diào)器模塊設(shè)計(jì)

在無線識(shí)別模塊中，協(xié)調(diào)器是最重要的設(shè)備，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)中只會(huì)設(shè)定一個(gè)協(xié)調(diào)器，因此它既是無線網(wǎng)的建立者，同時(shí)也是管理者，負(fù)責(zé)儲(chǔ)備所有的信息。協(xié)調(diào)器需要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的所有設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)聽，要始終保證在正常工作狀態(tài)下，一旦協(xié)調(diào)器出現(xiàn)崩潰，物聯(lián)網(wǎng)就會(huì)隨之崩潰[11]。協(xié)調(diào)器對(duì)于電能的消耗很高，需要加入外接電源供電。協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ?協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

觀察圖3，協(xié)調(diào)器主要由微處理器、串口模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、USB接口模塊、無線收發(fā)模塊微處理器、外圍阻抗匹配電路、時(shí)鐘和JTAG組成。協(xié)調(diào)器接口電路如圖4所示。

圖4 ?協(xié)調(diào)器接口電路

圖4中包括接口電路、芯片電路、電源電路以及復(fù)位電路。在接口電路處通過12個(gè)腳排針將I/O引腳、電源引腳以及復(fù)位引腳全部引出，用戶可以根據(jù)使用過程中遇到的實(shí)際情況重新定義I/O引腳的功能，使無線模塊具有通用能力[12]。協(xié)調(diào)器利用USB接口與PC機(jī)進(jìn)行通信，大大減小系統(tǒng)的占地面積，使電路變得更加簡(jiǎn)單，內(nèi)部加入低功耗電壓轉(zhuǎn)換芯片，方便電腦及電池使用。

1.4 ?射頻模塊設(shè)計(jì)

無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)的射頻節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)，分別為路由器節(jié)點(diǎn)、射頻終端節(jié)點(diǎn)，與物聯(lián)網(wǎng)模塊中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，需要連接RFID的刷卡設(shè)備。射頻模塊中的路由器消耗功率較低，要始終保持工作狀態(tài)，內(nèi)部加入終端設(shè)備的所有功能，同時(shí)還具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。射頻模塊終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖5所示，共包含五部分：處理芯片、電源轉(zhuǎn)換模塊、串口模塊、晶振復(fù)位模塊以及收發(fā)天線[13]。

圖5 ?射頻模塊終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

射頻模塊中的終端節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，要隨時(shí)保持工作狀態(tài)，終端節(jié)點(diǎn)后端連接刷卡設(shè)備，利用串口與刷卡設(shè)備保持通信聯(lián)系，為了增加硬件的通用性，射頻模塊內(nèi)部未加入U(xiǎn)SB接口電路。

利用設(shè)計(jì)的終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)射頻模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 ?射頻模塊結(jié)構(gòu)圖

觀察圖6可知，RFID射頻模塊共分為三部分：第一部分為處理器，主要負(fù)責(zé)控制后端射頻模塊的工作狀態(tài)，對(duì)傳輸協(xié)議進(jìn)行解析;第二部分為識(shí)別模塊，內(nèi)部擁有天線電路和匹配電路，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成信號(hào)幀，并填寫在無源電子標(biāo)簽上;第三部分是無源電子標(biāo)簽，與前兩部分的設(shè)備協(xié)調(diào)匹配。

圖7 ?射頻模塊實(shí)物圖

觀察圖7，射頻模塊實(shí)物圖采用的布線方式為雙層布線，與射頻電路布線要求相符，通過測(cè)試證明該板與設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能一致。

2 ?無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)是本文設(shè)計(jì)的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)傳輸通道，在該通道上利用ZigBee 2006協(xié)議棧設(shè)定軟件程序。識(shí)別系統(tǒng)軟件程序編程界面如圖8所示。

圖8 ?識(shí)別系統(tǒng)軟件編程界面

圖9 ?識(shí)別系統(tǒng)工作流程圖

由圖9可知，系統(tǒng)在進(jìn)行軟件工作之前會(huì)建立一個(gè)新的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，在新的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中重新配置需要使用的默認(rèn)參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)下發(fā)的命令進(jìn)行監(jiān)聽或等待工作，對(duì)空中是否有無線信號(hào)進(jìn)行判斷，如果有控制信號(hào)，需要對(duì)是否有節(jié)點(diǎn)加入和離開網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行判斷，如果沒有控制信號(hào)，則需要將發(fā)送端信號(hào)傳輸給終端節(jié)點(diǎn)，由此完成識(shí)別工作。

數(shù)據(jù)在傳輸過程中，采用的傳輸方式為主從方式，與網(wǎng)絡(luò)連接的節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)，所有軟件程序在設(shè)立之前都需要在協(xié)議棧中進(jìn)行重新定義，直到輸出的代碼與編寫代碼一致。

3 ?實(shí)驗(yàn)研究

3.1 ?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

為了檢測(cè)本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)際效果，與傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 ?實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

3.3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選用本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)和傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)同時(shí)對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)內(nèi)部的電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，記錄識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確率，根據(jù)得到的結(jié)果對(duì)兩種系統(tǒng)的性能進(jìn)行具體分析。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

分析圖10可知：第一次識(shí)別時(shí)，傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率為15%，本文識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確率為50%;第三次識(shí)別，傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率為40%，本文識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確率為45%;第五次識(shí)別，傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率為37%，本文識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確率為88%;第七次識(shí)別，傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率為34%，本文識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確率為48%。

由于系統(tǒng)在工作過程中可能會(huì)受到外界因素干擾，所以識(shí)別結(jié)果具有不穩(wěn)定性。對(duì)比上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率始終低于50%，本文識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率在40%～90%之間波動(dòng)，識(shí)別效果好于傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)，更加值得推廣使用。

圖10 ?識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率

4 ?結(jié) ?語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件模塊。利用協(xié)調(diào)器和射頻節(jié)點(diǎn)構(gòu)建讀卡設(shè)備硬件，通過硬件給出軟件識(shí)別流程。引用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的無源RFID多卡識(shí)別系統(tǒng)有效降低系統(tǒng)消耗功率和使用成本，加強(qiáng)了系統(tǒng)的保密性，具有很好的應(yīng)用效果。雖然具備上述優(yōu)點(diǎn)，但仍有不足之處：系統(tǒng)內(nèi)部缺少閱讀器，一些項(xiàng)目存在加載困難的問題;本文沒有考慮到數(shù)據(jù)幀紊亂這一現(xiàn)象，缺少數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)的相關(guān)算法。未來需要在上述兩方面進(jìn)行加強(qiáng)。

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