基于RFID的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)字媒體與信息工程分院 阮勝利

一、RFID技術(shù)概述

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即自動識別技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，對目標(biāo)加以識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。射頻識別的主要核心部件是讀寫器和電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽可以接收相距幾厘米到幾米距離內(nèi)的讀寫器發(fā)射的無線電波，而讀寫器可以讀取電子標(biāo)簽內(nèi)存儲的信息，識別電子標(biāo)簽代表的物品、人和器具的身份。

射頻識別技術(shù)具有很多突出的優(yōu)點：RFID可工作于各種惡劣環(huán)境，不需要人工干涉，不需要直接接觸，不需要光學(xué)可視即可完成信息的輸入和處理，可識別高速運動物體并且可以同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便，實現(xiàn)了無源和免接觸操作，應(yīng)用便利，無機械磨損，壽命長；RFID的總體成本一直處在下降之中，越來越接近接觸式IC卡的成本，甚至更低，這為其廣泛，大規(guī)模的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。如果RFID技術(shù)能與電子供應(yīng)鏈緊密聯(lián)系，那么它很有可能在幾年之內(nèi)取代條形碼掃描技術(shù)。

二、RFID技術(shù)基本模型描述

射頻識別的基本模型如圖1所示。其中，電子標(biāo)簽又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器、數(shù)據(jù)載體；閱讀器又稱為讀出裝置、掃描器、讀頭、通信器、讀寫器（取決于電子標(biāo)簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù)）。電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間（無接觸）耦合；在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)交換。

三、基于RFID的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

（一）系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的最初設(shè)想是實現(xiàn)一個基于RFID的嵌入式系統(tǒng)，根據(jù)嵌入式的可裁剪，便攜等特點實現(xiàn)一個手持式的，能夠有效防碰撞的使若干近距離物體條件下也可以有效識別的RFID系統(tǒng)。

（二）系統(tǒng)應(yīng)用方向的定位

由于本系統(tǒng)的集成度較高，防碰撞效果較好，所以可應(yīng)用范圍很廣，比如圖書館圖書管理和借還書本的應(yīng)用。

本系統(tǒng)可以方便圖書館管理員隨時攜帶來捕捉書上的智能標(biāo)簽的信息，快速搜索圖書，將書架上放亂的書管理歸類；圖書借還部分無需圖書管理員介入，讀者自行到自助借還書計算機處完成借還書手續(xù)。

還有超市物品管理及價格掃描的應(yīng)用，養(yǎng)殖場動物的管理應(yīng)用。總而言之，在當(dāng)前的硬件條件下，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域只需修改上位機上的相關(guān)軟件便能將本系統(tǒng)有效地應(yīng)用。當(dāng)然任何一方面的應(yīng)用都必須另外去開發(fā)相關(guān)的軟件，本系統(tǒng)只是設(shè)計一個應(yīng)用的總體模型，所以后續(xù)的開發(fā)還有待進一步的擴充和完善。

（三）系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由電源管理單元、單片機AT89C52、射頻卡讀寫模塊（主要由MFRC500構(gòu)成）、無線模塊、鍵盤顯示電路及其他外圍電路構(gòu)成。

手持射頻卡讀寫器的工作原理如下：整個手持機由電源管理單元給各個模塊提供工作電壓，由單片機控制射頻卡芯片，并通過天線發(fā)射電磁波（區(qū)域大小取決于天線的設(shè)計質(zhì)量），當(dāng)有射頻卡（也可以稱作電子標(biāo)簽，RFID卡，非接觸卡）進入天線發(fā)射的有效范圍時，射頻卡里有一個LC串聯(lián)諧振電路，它的工作頻率與射頻卡讀寫器天線發(fā)射的頻率相一致，由于電磁波提供的激勵能量，使得射頻卡里的LC諧振電路產(chǎn)生了感應(yīng)電勢，電壓達到一定電壓值，就作為卡內(nèi)其它電路工作的電源，然后射頻卡將數(shù)據(jù)通過內(nèi)部電路以同樣的頻率發(fā)送回去，讀寫器通過天線接收到射頻卡的信號后，進行解調(diào)解碼，并根據(jù)沖突檢測和校驗，來判斷有效的數(shù)據(jù)，接著通過單片機的串口發(fā)送數(shù)據(jù)給無線模塊SIM900D，SIM900D可使用短信或者TCP/IP數(shù)據(jù)流兩種方式來進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，由于短信方式比較適合數(shù)據(jù)量少，單方向的場合，這里為了使該設(shè)計具有更廣的使用，所以采用TCP/IP數(shù)據(jù)流的方式，與遠程控制數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互。

（四）硬件電路設(shè)計

1.讀寫器的主要控制器

手持讀寫器的主要的CPU采用ATMEL公司的AT89C52。它是一款常用的51單片機。被應(yīng)用到各種工業(yè)控制和消費電子領(lǐng)域中。其成本低，開發(fā)平臺簡單。當(dāng)然在這個系統(tǒng)里理論上完全可以用其他單片機或者ARM控制器來替換。

2.射頻卡讀寫器設(shè)計

射頻卡讀寫主要通過射頻卡芯片MF RC500及其必要的外圍電路構(gòu)成，射頻卡芯片是整個讀寫器的核心，它可以實現(xiàn)讀寫射頻卡（電子標(biāo)簽）所有必要的功能，包括射頻信號的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)等。此芯片實際上是單片機與射頻卡之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。任何射頻卡上的數(shù)據(jù)讀寫都要通過此芯片來傳送。通過傳送不同的命令給此芯片，就能實現(xiàn)不同的控制。此芯片需要在OSCSIN和OSCOUT引腳上外接13.56MHz晶振，當(dāng)然也可使用其他外部時鐘，但不推薦這樣做，因為它本身的時鐘已經(jīng)足夠穩(wěn)定。

為了實現(xiàn)最佳性能，射頻卡芯片的模擬部分使用單獨的電源，它對內(nèi)部的震蕩器、模擬解調(diào)器和解碼器提供工作電壓，同時對驅(qū)動部分和數(shù)字部分也各使用單獨電源供電，此讀卡器，利用磁珠把各電源進行分開。此芯片支持不同的CPU接口，單片機通過控制射頻卡芯片的NCS引腳來選擇射頻卡芯片，在射頻卡芯片上電或硬件復(fù)位后，此芯片馬上復(fù)位它的接口模式，并根據(jù)幾個固定引腳上的邏輯電平來識別當(dāng)前CPU接口的類型。我們這里選擇了地址線與數(shù)據(jù)線分時復(fù)用的接口類型，其具體操作是：當(dāng)ALE為邏輯1時，將地址鎖存到內(nèi)部的相應(yīng)鎖存器中，然后由讀寫信號完成對芯片的數(shù)據(jù)讀寫。

圖1 RFID模型圖

在這個部分，讀寫器的天線設(shè)計也相當(dāng)?shù)闹匾脑O(shè)計質(zhì)量將直接影響讀寫射頻卡的有效距離，我們參考芯片的數(shù)據(jù)手冊，采用直接匹配的天線，其有效距離最遠可以達到10cm。在天線電路的設(shè)計里，我們主要考慮兩個方面的問題：

第一個方面是對電磁干擾的濾波，由于這個讀寫器的工作頻率為13.56MHz，由時鐘電路產(chǎn)生，但它也伴隨產(chǎn)生13.56MHz中的3次、5次等高次諧波。為達到國際EMC要求，良好地控制這些電磁干擾。本讀寫器使用低通濾波器來控制電磁干擾。

第二個方面是為了天線的性能達到最好，需要考慮天線電路的阻抗匹配。

3.電源的設(shè)計

由于本手持機在使用無線模塊時，需要較大的電流。另外本設(shè)備為手持機，所以系統(tǒng)設(shè)計采用優(yōu)科能源的可充電聚合物鋰離子電池組件（2節(jié)串聯(lián)，每節(jié)3.7V的標(biāo)稱電壓），可充電（需另購充電器，充電電壓為8.4V），電池電壓通過降壓型DCDC芯片AOZ1016A轉(zhuǎn)換成5V電壓輸出，此芯片的輸入電壓范圍較大（從4.5V～16V），最大可以輸出3.6A的電流，完全滿足本手持機的電壓需要。

4.顯示器的設(shè)計

顯示部分采用160×96點陣液晶屏，這個液晶屏是總線型的，它與單片機的連接采用數(shù)據(jù)并行模式，直接與單片機的PO口相連，而液晶屏的讀寫控制信號R/W則直接連接單片機的讀寫信號上，另外液晶屏的片選信號CS，指令/數(shù)據(jù)寄存器選擇信號A0，復(fù)位信號RESET和串并行選擇端P/S，都需要分別連接到單片機的其他I/O口。

5.鍵盤的設(shè)計

鍵盤設(shè)計使用單片機P1口的八個I/O口實現(xiàn)，采用4×4矩陣動態(tài)掃描模式，可設(shè)計提供11個數(shù)字鍵（包括小數(shù)點）、確認鍵、取消鍵、退格鍵、2個功能鍵，共16個按鍵。滿足一般手持設(shè)備的按鍵需求。

6.無線通訊模塊

目前市場上提供的無線通訊模塊有很多，為了適應(yīng)更多的國家使用，我們使用剛剛推出的四頻的無線模塊SIM900D（它是SIM340DZ的替代品），此模塊自帶TCP/IP協(xié)議棧，無需其他CPU的支持就能利用TCP/IP數(shù)據(jù)流方式進行無線數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)然它也使用標(biāo)準的AT命令，性能穩(wěn)定，使用方便。本手持機中，單片機通過串口與SIM900D進行通信，由于單片機AT89C52采用5V供電，而SIM900D使用4.3V供電，所以需要在5V電壓的基礎(chǔ)上進行降壓，我們這里采用簡單的二極管進行串接降壓。當(dāng)然此模塊還需要SIM卡接口電路，由于SIM卡是經(jīng)常被手碰到的地方，需要給SIM卡加上ESD保護電路。

（五）軟件設(shè)計

手持機軟件系統(tǒng)用C51進行直接編寫，當(dāng)然如果擴展外部儲存器，也可考慮在本系統(tǒng)中采用嵌入式操作系統(tǒng)，并在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上編寫自己的應(yīng)用驅(qū)動程序，我們這里考慮到本手持機只是作為物流讀寫射頻卡的中間設(shè)備，數(shù)據(jù)處理類型和任務(wù)較少，較復(fù)雜的應(yīng)用處理可以由遠程數(shù)據(jù)控制中心來實現(xiàn)，所以這里采用C51直接編寫全部程序，系統(tǒng)的各個單元部分用單獨的任務(wù)線程設(shè)計，在減少了軟件設(shè)計的復(fù)雜度的同時，也增強了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可讀性。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括，系統(tǒng)初始化，鍵盤掃描處理，液晶顯示，射頻卡的讀寫，以及無線模塊的控制與數(shù)據(jù)通訊等主要部分，由于系統(tǒng)初始化，鍵盤掃描處理，LCD顯示，都是非常常見的應(yīng)用設(shè)計，下面主要說明射頻卡的讀寫部分的設(shè)計。

1.射頻卡的讀寫軟件設(shè)計

射頻卡的讀寫，最主要是對芯片進行控制。因此讀寫程序也主要是完成單片機對射頻卡芯片MF RC500的控制，從而實現(xiàn)芯片與射頻卡之間的數(shù)據(jù)交互，工作流程如下：

1）單片機對射頻卡芯片進行初始化，使其進入正常的工作狀態(tài)；

2）等待中斷信號（射頻卡芯片通過天線檢測到有效的射頻卡進入有效范圍后，產(chǎn)生中斷信號給單片機）；

3）由單片機發(fā)送相應(yīng)的指令給射頻卡芯片，進行請求，防碰撞，選擇等操作；

4）單片機發(fā)送相應(yīng)的指令對讀寫射頻卡密碼進行驗證；

5）驗證完畢后，讀取射頻卡指定塊的內(nèi)容或者寫入相應(yīng)地址塊的數(shù)據(jù)；

6）完成數(shù)據(jù)讀寫后，向卡發(fā)送停止命令，并可判斷卡有沒有離開。

2.無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計

由于無線模塊SIM900D自帶TCP/IP協(xié)議棧，在本手持讀寫器里，單片機通過其串口，利用AT命令就可以對SIM900D進行數(shù)據(jù)通訊。主要流程如下：

1）先由單片機通過I/O腳控制模塊上電，使SIM900D上電復(fù)位；

2）單片機通過串口發(fā)送AT命令控制無線模塊SIM900D與遠程服務(wù)器建立TCP連接（預(yù)先需要知道遠程數(shù)據(jù)控制中心服務(wù)器的IP地址和端口）；

3）連接建立后，單片機把準備好的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線模塊SIM900D，通過前面建立好的數(shù)據(jù)通道進行數(shù)據(jù)傳輸；并讀取無線模塊SIM900D從遠程數(shù)據(jù)中心返回的數(shù)據(jù)；

4）數(shù)據(jù)處理好后，關(guān)閉當(dāng)前建立的TCP連接，然后再關(guān)閉無線模塊SIM900D的電源，以節(jié)約耗電，繼續(xù)等待下一次的通訊。

四、結(jié)論

本手持機主要支持IS014443A協(xié)議的射頻卡的讀寫，此射頻卡目前已經(jīng)被廣泛使用。利用此設(shè)計方案，開發(fā)的物流手持射頻卡讀寫器，具有攜帶方便，成本低，軟件修改方便，可使用場合多的特點，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其應(yīng)用前景一定非常廣闊。

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