基于RFID技術的閱讀器二次開發實驗系統

韓學軍, 張立立, 李 寧

(1.東北大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 沈陽 110819; 2.東北大學 信息科學與工程學院, 遼寧 沈陽 110819)

隨著技術的進步，射頻識別(RFID)應用領域日益擴大，現已應用于人們日常生活的各個方面，并將成為未來信息社會建設的一項基礎技術。埃森哲實驗室首席科學家弗格森認為RFID將是一種突破性的技術[1]：第一，可以識別單個的非常具體的物體，而不是像條形碼[2]那樣只能識別一類物體；第二，其采用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數據，而條形碼必須靠激光來讀取信息；第三，可以同時識別多個物體，而條形碼只能一個一個地讀取。此外，儲存的信息量也非常大。

RFID相對于傳統的條形碼，具有十分明顯的優勢[3]，將來必然會代替傳統的條形碼。同時正在使用的自動識別技術[4](例如條碼技術)已經無法滿足人們更高的要求。目前，射頻識別技術主要的應用領域[5]包括：身份識別和門禁管理；防偽應用；商業供應鏈應用；公交管理(主要涉及電子車票、不停車收費、車輛管理)；物流管理；生產線的自動化及過程控制；動物的跟蹤和管理等。據業內人士預測，RFID的市場在未來5年內能達到數千億美元的市場空間。這個數字或許存在一定水分，但是RFID將有一個巨大的市場卻毫無疑問。

1 RFID系統工作原理

RFID技術的基本工作原理[6]是利用空間電磁波的耦合或者傳播來進行通信，達到自動識別被識別對象、獲取識別對象相關信息的目的。典型的工作方法如圖1所示，閱讀器模塊通過天線發送一定頻率的射頻信號，當貼有電子標簽的物體進入無線識別系統閱讀器的識讀范圍時，其天線將產生感應電流，電子標簽獲得能量被激活并向閱讀器發送自身的編碼等信息；閱讀器接收到電子標簽發射回來的電磁波信號后，經過處理得到電子標簽存儲的代碼等信息。這些信息可以作為物體的特征數據被傳送到計算機進一步處理。

一套完整的RFID系統，是由閱讀器(Reader)與電子標簽(TAG)也就是所謂的應答器(Transponder)及應用軟件系統3個部分所組成[7]，其工作原理是：閱讀器發射一特定頻率的無線電波能量給應答器，用以驅動應答器電路將內部的數據送出，此時閱讀器便依序接收解讀數據，送給應用程序做相應的處理。

圖1 RFID工作原理框圖

RFID卡片閱讀器及電子標簽之間的通信及能量感應方式大致上可以分成：感應耦合(inductive coupling)及后向散射耦合(backscatter coupling)兩種。一般低頻的RFID大都采用感應耦合方式，而較高頻大多采用后向散射耦合方式。

閱讀器根據使用的結構和技術不同可以是讀或讀/寫裝置，是RFID系統信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應答器之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應答器[8]提供能量和時序。在實際應用中，可進一步通過Ethernet或WLAN等實現對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。應答器是RFID系統的信息載體，目前應答器大多是由耦合原件(線圈、微帶天線等)和微芯片組成無源單元。

從技術角度說，射頻識別技術的核心[9]是應答器，閱讀器是根據應答器的性能而設計的。雖然在RFID系統中應答器的價格遠比閱讀器低，但通常情況下，在應用中應答器的數量是很大的，尤其是在物流應用中，應答器用量不僅大而且可能是一次性使用，而閱讀器的數量相對要少很多。應答器在某種應用場合還有一些專有的名稱，如射頻卡、標簽等。射頻卡又稱非接觸卡，為卡片狀的應答器。在動物識別、商品貨物識別、集裝箱識別等領域，常用的應答器稱為標簽。標簽的芯片安放在一張薄紙膜或塑料膜內，這種薄膜往往和一層紙膠合在一起，背面涂上黏膠劑，這樣就很容易粘貼到被識別的物體上。

應答器的主要性能參數[10]有:工作頻率、讀/寫能力、編碼調制方式、數據傳輸速率、信息數據存儲容量、工作距離、多應答器識讀能力、安全性能等。根據應答器是否需要加裝電池及電池供電的作用，可將應答器分為無源、半無源和有源應答器3種類型。

2 系統功能設計

2.1 閱讀器上位機二次開發需求分析

二次開發，簡單地說就是在現有的軟件上進行定制修改、功能擴展，以達到自己想要的功能，一般來說都不會改變原有系統的內核。本課題就是在開源產品的基礎上擴展功能，使其獲得更高的應用價值。

首先，作為RFID閱讀器上位機軟件，必須能夠對工作在不同頻率的閱讀器進行相應的操作。本軟件對125 kHz頻率的閱讀器進行了二次開發，功能如下：

對于125 kHz頻率閱讀器，本質上就是串口通信、設置參數、設置功能，因而可以設定不同的波特率、數據位和停止位，從而讀取不同卡號，因為卡號全球唯一，因此可將其應用于考勤系統；

其次，為了方便學生學習和了解RFID閱讀器上位機二次開發的方法，應該具備典型開發文檔和流程展示功能，同時可查看源代碼，便于學生的學習;

最后，任何一款應用程序都需要根據用戶建議和需求不斷完善，因此用戶與開發者的交流溝通方式也需要設置。

2.2 開發流程設計

軟件開發流程設計步驟如下：

(1) 打開VC++6.0 SP6[11]，新建一個基于對話框的MFC AppWizard應用程序[12]，命名為“RFID閱讀器二次開發軟件平臺”；

(2) 將對話框Caption更改為“RFID閱讀器二次開發平臺”，并創建新類CRFID，作為平臺的主界面；

(3) 在對話框資源處插入一個新的對話框，更改Caption為“125 kHz系統二次開發”，添加控件資源并創建新類CRFID125，建立類向導，編輯代碼進行功能實現；

(4) 在對話框資源處插入一個新的對話框，更改Caption為“聯系我們”，創建新類，進行界面設計及功能實現；

(5) 編寫典型開發文檔，實現主界面對應按鈕功能；

(6) 制作AVI動畫，實現主界面對應按鈕功能；

(7) 界面美工；

(8) 添加連接、包含等代碼，將各個對話框類與主程序關聯，整體調試、運行；

(9) 反復調試無誤，生成Release版或Debug版并發布。

流程見圖2。

圖2 流程圖

3 系統功能實現

本模塊實現了對125 kHz射頻卡ID號的讀取，并應用此低頻卡開發了一個簡易的考勤系統，二次開發設計界面如圖3所示。

圖3 RFID 125 kHz系統軟件二次開發設計界面

(1) 實現方法步驟：

① 向標題為“RFID125KHz系統二次開發”的對話框添加4個按鈕控件，分別命名為參數設置、打開串口、關閉串口和進入考勤應用；添加1個組合框和1個編輯框，用來顯示ID號；添加Mscomm控件，實現串口通信；

② 使用類向導生成新類，為組合框和編輯框分別關聯變量，為每個按鈕添加消息響應函數；

③ 進入代碼編輯區，實現每個按鈕的功能；

④ 編譯，調試，修改。

(2) 運行及測試：將實驗箱閱讀器接口用USB線與PC機相連，打開實驗箱電源和上位機軟件，進行測試。

首先設置串口參數，然后打開串口，進行刷卡，發現程序自動退出；為此進入代碼區檢查，發現沒有設置數據接收格式，添加對應代碼，重新編譯、運行，測試成功(運行結果見圖4)。刷卡后在界面卡號顯示區顯示出序列號。

圖4 RFID 125 kHz系統軟件二次開發運行結果

然后對考勤系統進行測試，分別進入各操作界面，分別點擊相應按鈕，如增加、刪除、修改等，打開數據庫，測試結果正確。

4 結束語

本文基于市場現有的RFID無線射頻閱讀器產品，針對125 kHz典型工作頻率的閱讀器功能進行二次開發，在VC++環境下搭建了一個學習和實用的平臺。在本文的設計過程中，熟練運用MFC應用程序開發工具是先決條件，了解閱讀器和上位機之間的通信原理是基礎，對開源產品分別進行深入了解和界面、功能的設計是關鍵。

[1] Landt J.The history of RFID[J], IEEE Potentials, 2005 , 24(4): 8-11.

[2] 游戰清，劉克勝，吳翔，等.無線識別(RFID)與條碼技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 張琦.電子標簽RFID七大優勢[J].金卡工程，2005(1):31.

[4] 周柏森.射頻識別技術在產品防偽上的應用[J].中國防偽報道，2008，12(5):102-105.

[5] 周曉光.射頻識別(REID)技術原理與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[6] 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.

[7] Wang T P.Enhanced Binary Search with Cut-through Operation for Anti-collision in RFID Systems[J].IEEE Communications Letters, 2006,10(4):236-238.

[8] 李錦濤，郭俊波，羅海勇，等.射頻識別(RFID)技術及其應用[J].信息技術快報，2004，2(11):15-18.

[9] Waldrop J, Engel D W, Sarma S E.Colorwave.Ananti-collision Algorithm for the Reader Collision Problem[C]//The IEEE International Conference on Communications, Anchorage USA,2003.

[10] Rao K V S.An Overview of Back Scattered Radio Frequency Identification System(RFID)[J].IEEE,1999(3):746-749.

[11] 劉銳寧，宋坤.Visual C++ 從入門到精通[M].2版.北京：清華大學出版社，2010:16-108.

[12] 歐陽志宏，董霖，鐘俊華.MFC程序設計輕松入門[M].北京：人民郵電出版社，2009.