基于RFID技術的標簽識別系統的設計與開發

靳曉芳，張北寧，宋金寶

(中國傳媒大學 信息工程學院 ，北京100024)

基于RFID技術的標簽識別系統的設計與開發

靳曉芳，張北寧，宋金寶

(中國傳媒大學 信息工程學院 ，北京100024)

我國許多辦公場所的設備管理手段都還比較匱乏，人工管理不但耗費較大，在設備的實時狀態監控和日常防盜機制上也存在很大的局限性。本文正是利用RFID射頻識別技術實現遠距離無線數據的傳輸與接收，從而達到對重要設備的狀態信息實時監控的目的。

RFID；電子標簽；讀寫器；nRF24L01

1 引言

RFID (Radio Frequency Identification)即射頻識別，是一項利用射頻信號通過空間耦合交變磁場或電磁場實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目標的技術[1]。MIT(麻省理工學院)的Auto-ID中心提出了EPC(產品電子編碼)的概念，即把類似于條形碼編碼的EPC存儲在電子標簽(Tag)中，將其貼在物體上，讀寫器(Reader)通過電磁波從電子標簽中讀出編碼，通過這種方式可以識別物體[2]。

隨著RFID射頻識別技術的發展，以電子標簽系統為原型的多種應用已經越來越深入人們的生活。RFID標簽識別系統可以廣泛地應用于日常防盜、設備監控、刷卡門禁等需要無線識別的場合中。它可以在一個廣闊的范圍內，以無線收發為數據傳輸手段，實現多通道多頻段的信息識別。并且可以通過芯片和元件的選擇，靈活地滿足客戶的各類需要，在公司、圖書館、實驗室、車庫等場合發揮重要作用。

本設計旨在解決人工設備管理的種種問題與缺陷，可以實時地利用讀寫器無線接收多臺設備的狀態信息，并設置一定的警戒值，當數值超出警戒值時自動報警，從而達到設備監控的目的。本系統采用了主動式電子標簽，與目前被廣泛應用的被動式標簽相比，主動式標簽具有更遠的傳輸距離和更大的存儲容量，適合學校及辦公場所對重要設備的監控及管理。

2 本系統總體設計方案

系統的基本工作流程是：讀寫器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入發射天線工作區域時，收到讀寫器的發送信息后將自身編碼ID、溫度等信息通過天線發送出去；讀寫器接收到此信息后送到后臺服務器進行相關處理。

本系統的射頻發射芯片選用nRF24L01是由NORDIC公司出品的一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片。輸出功率、頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置；溫度傳感模塊采用DS18B20溫度傳感器；LED顯示模塊采用74HC573N芯片。設計最終實現讀寫器對電子標簽ID號讀取和實時溫度監控的系統功能。圖1為本系統功能框圖：

圖1 系統功能框圖

圖2是本系統的結構框圖。

圖2 系統結構框圖

單片機對nRF24L01芯片的控制包括在配置模式下對nRF24L01的初始化配置、發送數據和接收存儲數據。配置字一共18byte，發送端和接收端的配置必須匹配，只有配置字的最低位不同。數據包格式包括前綴、地址、有效數據和CRC。發送數據包時單片機只向nRF24L01傳送地址和數據，前綴和CRC會在nRF24L01芯片內部自動加上。接收模式時，接收端檢測到本機地址的數據包，檢驗正確后會自動移去前綴、地址和CRC，將有效數據傳送給單片機。圖3為單片機與nRF24L01的連線圖。

圖3 單片機與nRF24L01連線圖

為了避免單讀寫器多標簽所造成的數據碰撞，本系統的讀寫器采用了多通道同時接收的方案，再通過按鍵擴展，來實現多通道切換顯示。本系統所使用的讀寫器開發板的供電電壓為5伏，而nRF24L01最高輸入電壓為3.6伏，為確保電壓安全，本系統采用一根焊接了兩個二極管(二極管導通壓降為0.7伏)的電源線，用于在開發板給其供電時保護nRF24L01電壓安全。

3 讀寫器及電子標簽程序設計

3.1 讀寫器程序設計

本系統的程序運行流程，首先是系統自動初始化，包括STC89C52單片機一些運行方式的規定以及nRF24L01的配置等，這些初始化都是通過編程來實現的。對nRF24L01進行配置時，配置字的讀取在CLK的正邊沿時，從MSB(最高位)開始，新的配置從CS的下降沿開始。本設計中，電子標簽所需要發送的溫度數據由DS18B20實時測得，而ID號事先已經存儲在單片機中。讀寫器在接收到一個數據包時，首先將本地的地址與其進行比對，若相同則進行下一步的處理。

設計流程圖如下：

圖4 讀寫器程序流程圖

讀寫器要正確接收電子標簽發來的數據包，就要對nRF24L01寫入與電子標簽匹配的地址，而每個被使用到的通道都要設置地址。數據通道0有40位可配置地址。數據通道1～5 的地址為：32位共用地址+各自的地址(最低字節)。本系統只使用通道0和通道1，地址分別設置為：

通道0：{0x00，0x10，0x10，0x10，0x10}

通道1：{0x01，0x10，0x10，0x10，0x10}

單片機對nRF24L01的配置完成后，讀寫器就進入接收模式。圖5為接收函數的程序流程圖。

圖5 接收函數程序流程圖

其中主要函數及變量的解釋：

if(RX_DR)函數用來判斷是否接收到數據。

sta=SPI_Read(STATUS);用來讀取狀態寄存其來判斷數據接收狀況。

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG，0x0e);語句的作用是配置IRQ收發完成后產生中斷響應，設置16位CRC校驗。

SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD，rx_buf，TX_PLOAD_WIDTH);語句用來從RX_FIFO緩存中讀取接收到的數據。

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS，sta);語句使接收到數據后RX_DR，TX_DS，MAX_PT都置高為1，通過寫1來清楚中斷標志。

3.2 電子標簽程序設計

電子標簽系統的程序總流程圖如圖6。

圖6 電子標簽程序流程圖

4 實驗數據測量及結果分析

4.1 發射頻率測量

使用Agilent N9010AEXA信號分析儀測量發射頻率，效果圖如圖7所示。

從信號分析儀的頻譜分析結果可以看出，電子標簽所發送的信號頻率為2.4GHz，與程序中所設計的nRF24L01發送頻率完全一致的，達到理論發送頻率的要求。

圖7 頻率讀數

4.2 傳輸距離測量

在無阻礙物的傳輸空間進行測試，程序設置的發射功率為0dBm，數據傳輸速率為1Mbps，測試結果見表1：

表1 傳輸距離測試

本測試收發雙方都安裝2dBi增益天線，直線傳輸無障礙物。從測試結果看，極限傳輸距離為200米左右。極限傳輸距離內，未出現明顯的數據錯誤和丟包現象，傳輸效果在理論值范圍內。

5 結束語

雖然在系統中只擴展了溫度和ID號的傳輸，但在實際應用中，濕度、光照強度、設備掉電記錄等信息的傳輸可以參照本系統輕松地實現。根據實際需要，更換較好的天線就能實現更強大的功能。例如，采用能夠補償多普勒效應的天線，就可以成功應用在高速公路不停車收費系統中[3]。而通過更換無源電子標簽，本系統則可以應用在IC卡、圖書管理、物流管理等實際應用中。另外，數據傳輸速率也會明顯影響傳輸距離。適當地降低傳輸速率，在其余參數和天線不變的情況下，有效傳輸距離能明顯增加。因此，在不需要很大的數據量的情況下，可以通過降低傳輸速率的方法來提升傳輸距離[4]。本系統還可以擴展串口數據傳輸，通過串口將采集到的數據傳輸到PC端并編寫軟件即可實現軟件監控和記錄。

[1]凌軻，左韜.RFID技術基礎及其基本應用[J].中國科技信息，2007.

[2]Klaus Finkenzeller.射頻識別(RFID)技術——無線電感應應答器和非接觸IC卡的原理與應用[J].2002.

[3]郎為民. 射頻識別( RFID)技術原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]張華，魏臻.無線射頻識別技術RFID及其應用[J].安防科技，2007.

[5]王振，胡清，黃杰.基于RFID的無線溫度采集系統設計[J].電子設計工程，2009.

TheDesignandDevelopmentofTagIdentificationSystemBasedonRFID

JIN Xiao-fang，ZHANG Bei-ning，SONG Jin-bao

(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024)

Many of our office equipment management tools are still relatively scarce，manual management is not only consuming，but also has significant limitations in the real-time status monitoring and day-to-day anti-theft mechanisms.This article is utilize RFID radio frequency identification technology to achieve a long-distance wireless transmission and reception of data，so as to achieve the purpose of the real-time monitoring of important equipment status information.

RFID；Tag；Reader；nRF24L01

2012-10-26

靳曉芳(1980-)，女(漢族)，河北人，中國傳媒大學信息工程學院講師.E-mail：myjinxf@sohu.com

TN919.72

A

1673-4793(2013)01-0035-05

(責任編輯：宋金寶)