低頻磁場無線穿透金屬壁通信系統(tǒng)設(shè)計

沈建明，張越，張睿，李金熠

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江嘉興，314036）

0 引言

有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國冷鏈的增長率在18%～23%之間，在整個物流板細(xì)分領(lǐng)域中增長是較快的。從數(shù)據(jù)來看，2021年冷鏈?zhǔn)袌鲆?guī)模達(dá)到4000億元，據(jù)行業(yè)專業(yè)人士預(yù)測，未來三年內(nèi)將要達(dá)到5500 億元的市場規(guī)模。食材供應(yīng)鏈天然分散，必然帶來長距離冷鏈運輸巨大需求，如RFID、GPS、溫度控制等領(lǐng)域的應(yīng)用成為冷鏈物流領(lǐng)域的一個趨勢。

RFID 應(yīng)用程序的核心是一塊重要小于200 克，被稱為“JRFW-1 型溫度標(biāo)簽”的卡片設(shè)備，采用全密封防水設(shè)計以便應(yīng)用在各種極端條件，通過上層軟件設(shè)置相關(guān)的溫度參數(shù)，并通過讀卡器的讀和寫操作，了解標(biāo)簽所在貨物的各項參數(shù)。由于它性能可靠，價格低廉，易于使用，被廣泛應(yīng)用于對溫度敏感的貨物運輸中，如血液制品、疫苗和新鮮食品等[1]，從根本上解決冷鏈運輸?shù)膯栴}，實現(xiàn)冷鏈產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)測、冷鏈項目總體流程信息回溯。

1 研究現(xiàn)狀

120～135kHz頻譜段是無線電頻譜中的低頻無線電信號，廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。軍事方面主要應(yīng)用于水下通信、水下兵器的遙控，民用主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)治療、大地物理勘探、工程探測等方面，但是在諸多應(yīng)用中，以潛艇水下通信最為突出，目前美國等幾個發(fā)達(dá)國家掌握了超低頻對潛通信技術(shù)[2]。

在無線電通信高速發(fā)展的時代，5G 和6G 技術(shù)飛速發(fā)展，但是我們依舊沒能利用低頻電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中建立起有效的低頻無線電系統(tǒng)[3]。主要原因有以下3 個方面：

①頻率越低，波長越長，低頻電磁波的天線效率低下，輻射電磁能量困難；

②大氣噪聲和人為干擾的影響；

③低頻段上的靈敏檢測元件和技術(shù)的缺乏。

低頻無線電磁通信技術(shù)增加了物聯(lián)網(wǎng)的功能，同時，物聯(lián)網(wǎng)也賦予了低頻無線電磁通信技術(shù)的內(nèi)涵，強(qiáng)化了電磁通信技術(shù)在未來社會中的作用。2021 年，工信部發(fā)布了《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，指明了未來必將屬于萬物互聯(lián)的時代，電磁通信技術(shù)也必將在其中扮演著不可替代的作用。低頻電磁通信技術(shù)因其自身獨特的優(yōu)勢，近年來獲得了全球的快速發(fā)展和應(yīng)用。

低頻信號穿壁通信不受時間影響，一定功率的低頻信號可以穿透一定厚度的金屬，在接收端更加容易識別解調(diào)出信息[4]。125kHz 波段磁場通訊屬于低頻無線電通訊系統(tǒng)，具有穿透性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點，受金屬、液體的影響較小，125kHz 波段磁場通訊具有可靠性高、操作方便和安全保密性好等三大優(yōu)點。

行業(yè)企業(yè)的實力與冷鏈物流的發(fā)展息息相關(guān)，突破長途冷鏈運輸限制目前是一個挑戰(zhàn)，保證冷鏈不“斷鏈”是優(yōu)先考慮的重點之一。醫(yī)療物流領(lǐng)域的冷藏車機(jī)構(gòu)，如疫苗冷藏藥品，冷鏈?zhǔn)切枰?jīng)過生產(chǎn)，工廠，運輸，存儲，終端五個過程，在運輸過程中保持全程冷鏈和實時溫度控制是一個挑戰(zhàn)，需要通過藥品經(jīng)營企業(yè)、冷鏈物流企業(yè)和監(jiān)管部門三方共同努力下建立一個冷鏈物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要的統(tǒng)一物流標(biāo)準(zhǔn)。受技術(shù)限制，信息限制，目前，一些物流公司采用人工確認(rèn)溫度進(jìn)行溫度管理。但這種方式僅限于測量時，出庫和庫存。缺乏運輸連續(xù)性溫度控制數(shù)據(jù)。因此，急需通過一種無線通訊系統(tǒng)穿透冷藏車金屬壁監(jiān)測內(nèi)部溫度。

2 設(shè)計目標(biāo)

■2.1 應(yīng)答器和發(fā)射器的設(shè)計要求

①應(yīng)答器負(fù)責(zé)讀取125kHz 喚醒載波信號，采集測量數(shù)據(jù)并發(fā)射125kHz 調(diào)制信號；由應(yīng)答線圈、應(yīng)答電路構(gòu)成；

②應(yīng)答器的應(yīng)答信號與信息組成都仿照RFID 125kHz的EM4100 規(guī)范實現(xiàn)；

③發(fā)射端采用MCU 模擬EM4100 卡信號，其中的數(shù)據(jù)為測量到的溫度值；

④發(fā)射端使用線圈接收讀取線圈發(fā)出的載波信號，有載波信號時，發(fā)射端在發(fā)射數(shù)據(jù)，無載波信號時，發(fā)射端休眠；載波信號作為喚醒電源，啟動發(fā)射端MCU 喚醒；節(jié)省電源。

■2.2 ID 卡讀取器設(shè)計要求

采用單片機(jī)開發(fā)ID 卡讀取器，替代YL0301 完成穿壁通訊實驗，以下是單片機(jī)開發(fā)的ID 卡讀取器（替代YL0301）的設(shè)計要求：

①讀取器負(fù)責(zé)發(fā)射125kHz 喚醒載波信號，接收應(yīng)答器發(fā)射的125kHz 調(diào)制信號并解調(diào)輸出；由讀取線圈、讀取電路構(gòu)成；

②讀取器與應(yīng)答器與采用線圈作為信號收、發(fā)天線；

③讀取器與應(yīng)答器兩者獨立供電；

④讀取器的讀取與解調(diào)也完全實現(xiàn)對EM4100 規(guī)范地支持；

⑤讀取端采用商業(yè)的RFID 讀取器，不作任何修改，只是采用查詢方式讀卡，當(dāng)要讀取數(shù)據(jù)時，上位機(jī)發(fā)出查詢命令，再進(jìn)行讀卡。

■2.3 穿壁通信軟件設(shè)計要求

①ID 卡模擬器發(fā)射EM4100模擬信號，傳輸溫度傳感器數(shù)據(jù)；

②讀取器解碼ID 卡發(fā)出的模擬信號，讀取溫度系數(shù)值。

具體過程如下：因箱體內(nèi)需要分布式測溫，所以采用DS18B20 電源供電、單總線掛載多個溫度傳感器的方案；根據(jù)DS18B20 的通訊協(xié)議，單片機(jī)控制DS18 B20 實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)測溫；溫度數(shù)據(jù)由ID卡模擬器轉(zhuǎn)換成125kHz 載波信號，穿透輕薄金屬壁，讀取器解碼ID 卡發(fā)出的載波信號，讀取溫度值。

3 實施方案

穿壁通信采用RFID 125kHz作為通信頻率，該頻率下，采用線圈作為收發(fā)天線，通過磁耦合，實現(xiàn)穿透金屬壁（2～5mm）進(jìn)行通信的目的。其通訊原理如圖1 所示。

圖1 閱讀器與應(yīng)答器之間的耦合

穿壁通信有壁外“讀取器”與壁內(nèi)“應(yīng)答器”兩部分組成。采用單片機(jī)模擬EM4100 卡發(fā)射信號，傳輸溫度傳感器數(shù)據(jù)，YL0301 讀取發(fā)射信號，完成通信試驗，其穿壁通信組成框圖如圖2 所示。

圖2 穿壁通信組成框圖

■3.1 讀取電路硬件實現(xiàn)方案

讀取電路有發(fā)射125kHz 載波信號以完成喚醒應(yīng)答器，解調(diào)應(yīng)答器發(fā)射的125kHz 調(diào)制信號的功能。

由于應(yīng)答器信號協(xié)議采用RFID 125kHz E4100 協(xié)議實現(xiàn)，因此，讀取電路功能與組成與125kHz RFID 讀取電路完全相同，所以，讀取器實現(xiàn)方案可有3 種：

（1）采購商業(yè)化的125kHz 讀卡器模塊實現(xiàn)，優(yōu)點：開發(fā)快速，缺點：性能固化，往往是功能最簡化、指標(biāo)最普通；

采購RFID 讀卡器外殼4 個，RFID 讀卡線圈125kHz天線4 個，RFID 射頻讀卡模塊125kHz YL0301 2 個，即可制成讀取電路。

（2）直接使用125kHz RFID讀取器芯片U2270B 實現(xiàn)模塊，優(yōu)點在于可實現(xiàn)不同讀寫距離，性能功能都可自主優(yōu)化設(shè)計，如圖3所示。

圖3 U2270B 構(gòu)成的讀寫電路組成框圖

U2270B 作為核心器件，其組成有3部分：線圈，U2270B，單片機(jī)。

U2270B：載波生成、調(diào)制信號的解調(diào)；

單片機(jī)：控制U2270B 工作模式、解調(diào)信號的解析；

外圍電路：為U2270B 功能、性能實現(xiàn)提供條件。

目前，射頻技術(shù)在低頻有廣泛應(yīng)用。在低頻讀寫器工作頻率主 要 是 在125kHz，U2270B 芯片，是ATMEL 公司生產(chǎn)的基站芯片，基站可以對非接觸式的IC 卡進(jìn)行讀寫，基站的射頻頻率工作在100～150kHz 的范圍內(nèi)。

在頻率為125kHz 的標(biāo)準(zhǔn)情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到5000b/s。U2207B 組成框圖如圖4 所示。

圖4 U2207B 組成框圖

不同的外圍電路，實現(xiàn)的讀卡器性能不同，常規(guī)電路能實現(xiàn)讀卡功能；原距離電路可增強(qiáng)讀卡器讀卡距離；頻率可調(diào)電路通過微調(diào)工作頻率，增強(qiáng)讀卡距離，如圖5所示。

圖5 工作頻率可調(diào)、長距離通信條件下實現(xiàn)電路

（3）采用單片機(jī)自主開發(fā)125kHz 讀取模塊，優(yōu)點：最大程度地實現(xiàn)功能、性能、成本優(yōu)化；缺點：開發(fā)周期長，需要自主設(shè)計很多電路。

單片機(jī)實現(xiàn)方案不采用專用的IC 芯片實現(xiàn)載波生成、放大與信號檢波，而是用分立元件實現(xiàn)載波的生成、放大和信號檢波，同時載波生成直接使用單片機(jī)PWM 端口生成，載波放大采用H 型全橋驅(qū)動電路實現(xiàn)，信號檢波采用簡單的阻容電路實現(xiàn)，如圖6 所示。

圖6 單片機(jī)實現(xiàn)讀寫電路原理框圖

■3.2 應(yīng)答電路硬件實現(xiàn)方案

為進(jìn)行讀取器配合通信，必須開發(fā)應(yīng)答電路，應(yīng)答電路硬件由4 部分組成：

(1)溫度傳感器電路；

(2)ID 卡模擬器；

(3)發(fā)射線圈；

(4)單片機(jī)控制電路。

為發(fā)射EM4100 模擬信號；傳輸溫度傳感器數(shù)據(jù)，首先要開發(fā)ID 卡模擬器硬件，ID 卡模擬器即125kHz調(diào)制信號發(fā)射電路，主要由功率放大、整形濾波、線圈匹配、載波信號組成；ID 卡模擬器硬件框圖和穿壁通信125kHz 發(fā)射鏈路如圖7 和圖8 所示。

圖7 ID 卡模擬器硬件框圖

圖8 穿壁通信125kHz 發(fā)射鏈路

ID 卡模擬器發(fā)射信號時用并聯(lián)諧振，檢波用串聯(lián)諧振，此時應(yīng)答器需要發(fā)射信號因此采用并聯(lián)諧振，如圖9 所示。

■3.3 穿壁通信軟件設(shè)計

采用單片機(jī)時鐘輸出端口，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的125kHz 載波；ID 卡模擬器總體思路：單片機(jī)主機(jī)通常處于休眠狀態(tài)；載波提取電路處于始終上電接收狀態(tài)；載波提取電路輸出端口，經(jīng)耦合電容，加載在單片機(jī)中斷喚醒端口；載波提取電路輸出端口，經(jīng)耦合電容，也加載在單片機(jī)的某個GPIO 輸入端口上；開關(guān)卡處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)ID 卡讀取器需要讀取數(shù)據(jù)時，其首先發(fā)送125kHz 載波信號；具體流程圖如圖10 所示。

圖10 主控程序流程圖

■3.4 測溫電路設(shè)計

測溫電路采用DS18B20 單總線數(shù)字溫度計實現(xiàn)。

因箱體內(nèi)需要分布式測溫，所以采用DS18 B20 電源供電、單總線掛載多個溫度傳感器的方案，如圖11 所示。

圖11 溫度傳感器布線圖

■3.5 發(fā)射天線的設(shè)計

發(fā)射天線的電感值大約為345μH,因此天線采用線徑φ0.29mm 進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)形狀和直徑(長×寬)不同繞制不同的圈數(shù)，具體設(shè)計方案如表1所示。

表1 發(fā)射天線設(shè)計參考

4 總結(jié)

低頻磁場穿透金屬壁通信樣機(jī)可通過磁耦合實現(xiàn)穿透金屬壁（2～5mm）進(jìn)行通信的目的，即用分立元件實現(xiàn)穿壁通信，后續(xù)將采用FPGA 實現(xiàn)ASIC 芯片的研制，即商業(yè)化的穿墻通信低頻產(chǎn)品，向用戶提供產(chǎn)品化的商品，滿足多項目需求。