基于RFID技術的固定資產查詢系統的設計與實現

【摘要】為提高固定資產查詢的效率，提出了一種基于UHF RFID技術的查詢系統，通過對關鍵技術的研究設計，實現了對固定資產快速唯一性的查詢，試驗結果表明，該系統運行穩定、抗干擾能力強、可靠性高。

【關鍵詞】UHF;RFID;電子標簽;固定資產

引言

隨著單位的發展，為了滿足工作需要，各部門都購置了大量固定資產。由于固定資產使用地點分散的特點，即使在管理系統的支持下，固定資產管理依然是手工和計算機管理相結合，固定資產數據分散采集依然是管理系統的輸入的瓶頸和難題。

如何借助無源RFID技術平臺將固定資產的查詢、識別操作化繁為簡、優化管理環節、提高業務流程效率，最終達到固定資產日常管理活動與固定資產管理系統有效的整合在一起，從而達到實物信息與系統信息的實時同步一致，因此，建立一套基于RFID 技術的固定資產查詢系統實現自動管理成為解決固定資產管理困難的有效途徑之一。

為突破傳統識別技術的限制，本文設計了一種超高頻無源射頻識別系統（Radio Frequency Identificatio，簡稱：RFID）。該系統的讀寫器和電子標簽之間的通信協議主要采用國際標準化組織（ISO）制訂的ISO 18000-6C標準[1]，該標準兼容全球電子產品編碼組織（EPC Global）提出的EPC Class-1 Generation-2標準[2]。系統的工作頻率范圍為860MHz-960MHz，系統通過無線射頻信號實現對固定資產的自動識別，具有識別速度快、準確率高、受外界環境影響小的特點，同時克服了條形碼、二維碼在模擬環境實驗后易損、易污、識別距離近等諸多缺點。

1.系統的構成

基本的RFID 系統由電子標簽（Tag） 、讀寫器（Reader）、天線（Antenna） 三部分組成，如圖1所示。電子標簽中一般保存有約定格式的電子數據，在實際應用中，電子標簽附著在待識別固定資產的表面。讀寫器可無接觸地讀取并識別電子標簽中所保存的電子數據，從而達到自動識別固定資產的目的。通常讀寫器與電腦相連，所讀取的標簽信息被傳送到電腦上進行下一步處理。

圖1 無源射頻識別系統組成

圖2 無源射頻識別系統工作原理

系統工作原理：電子標簽和讀寫器之間采用電磁耦合反向散射的機制進行信息交互，讀寫器發射一定功率的調制信號，經過自由空間衰減后到達電子標簽，到達功率的一部分使電子標簽產生感應電流被激活;另一部分被電子標簽天線反射回去，天線反射的效率受負載變化的影響。為了實現電子標簽到讀寫器的數據傳輸，采用需要傳輸的數據比特流來控制天線負載的變化，從而使得反射信號的功率變化與數據流一致，完成電子標簽反向散射的幅度調制。電子標簽返回的信號經過自由空間衰減后到達讀寫器天線，完成數據的接收。原理如圖2所示[3]。

2.讀寫器設計

讀寫器包括發射部分和接收部分兩部分。發射部分包括重構濾波器、上變頻混頻器、驅動放大器和功率放大器等四個部分。接收部分包括低噪聲放大器、下變頻混頻器和抗混疊濾波器等。圖3為讀寫器硬件實現結果。系統中的所有模塊采用己有的商用芯片來實現。

圖3 讀寫器硬件電路的實現

在電路設計方面，主要是根據芯片特點進行片外元器件的設計和端口的匹配設計，確保芯片在最好的狀態下工作。上變頻和下變頻混頻器芯片的結構框圖如圖4所示。由圖4可知，上變頻混頻器對差分正交的IQ基帶信號采用直接上變頻調制方式，單端RF輸出，輸出阻抗為50Ω，因此可直接與單端RF驅動放大器和RF功率放大器相連;下變頻混頻器采用直接下變頻解調出差分IQ基帶信號，輸入為差分的RF信號，與單端LNA級聯時中間需要加一個單端轉差分的Balun。此外，兩個混頻器都采用差分本振輸入，內部生成正交的本振，因此只需要一個本振即可完成上下變頻。混頻器的片外元器件比較少，主要是電源的去耦電容和輸入輸出的AC耦合電容等。

（a）上變頻混頻器 ? ? ? ? （b）下變頻混頻器

圖4 混頻器結構框圖

低噪聲放大器的端口匹配程度對接收機性能的影響較大。低噪聲放大器的匹配分為增益優先匹配和噪聲優先匹配兩種。增益優先匹配是采用匹配網絡將LNA的輸入阻抗匹配到系統的特征阻抗50Ω，使LNA的功率增益最大化。噪聲優先匹配采用匹配網絡將LNA的輸入阻抗匹配到最佳阻抗點，使LNA的噪聲系數最小化。本系統采用噪聲優先匹配來進行端口匹配。低噪聲放大器的匹配電路如圖5所示。

圖5 低噪聲放大器的匹配電路

在實際應用中，還應考慮具體的固定資產及固定資產使用環境電磁輻射強度的要求[4]，因此，在功率輸出上應進行調節，以滿足實際環境的要求。

3.電子標簽設計

超高頻無源電子標簽一般由天線、射頻電路、處理器芯片3部分組成，其中射頻電路由解調電路、電源產生電路、ASK反向散射調制電路組成。為了有效的進行數據交互，無源射頻標簽采用跳頻工作模式，工作距離可達10m[5]。

基于電子標簽的無源體系，解調電路采用二極管峰值包絡檢波法。包絡檢波器由二極管和并聯的RC電路組成，只有時間常數 RC 大于等于載波周期的100倍時，包絡檢波器的輸出信號才能夠正確地跟隨輸入端調制信號的包絡變化[6]。

設計中標簽天線接收到的是載波頻率fc=915MHz的ASK信號，根據ISO 18000-6B協議標準，讀寫器發送調制信號的頻率fc=40Kbps，調制深度ma=0.9，負載電阻RL=10KΩ。

電源產生電路中的整流電路采用二極管半波整流，設計中由于負載電流僅為 300μA，所以通過一個簡單的“π”形R C 低通濾波器可濾除整流后的紋波， 使負載電壓比較平滑。

出于減小芯片面積和功耗的考慮，無源RFID標簽采用ASK反向散射調制[7]，即通過改變芯片輸入阻抗來改變芯片與天線間的反射系數，從而達到調制的目的。

4.軟件的設計

讀寫器在執行操作時發出的命令格式嚴格遵守ISO 18000-6C協議，該協議對標簽進行識別的過程如圖6所示。

圖6 ISO 18000-6C讀寫器標簽通信示意圖

UHF無源電子標簽的固件設計必須配合協議的要求，結合硬件電路和MCU的性能水平編寫程序。固件程序主要包含數據接收、協議解析和數據發送3個部分，根據接收和發送數據速率的要求和標簽整體功耗的考慮，本設計中MCU主頻選擇 1Mbps，在軟件編寫時，讀寫器向標簽發送的數據包含幀頭、地址位、命令字、數據位、校驗位。

接收程序用采樣的辦法，即以固定的頻率進行I/O口采樣，采樣后比較一個碼元周期的前后半個采樣結果進行判決，數據接收和解碼是同時完成的。

在測量定位上，采用測距定位（Range-based）技術中的信號到達時間（Time of Arrival，ToA） 測距原理，即：射頻信號傳輸的速度恒定為光速c（3.0×l08米/秒），通過檢測發射和接收信號的時間差，即可得到信號傳輸的距離，該方案不受視距和環境的影響，也不需要復雜的天線，定位精度能達到30cm，但由于系統噪聲會影響測距精度，在抗干擾設計中應增加過采樣、抖動、相干平均技術來減小噪聲，提高系統的測距精度[8]。

在實際應用中，信道會存在干擾，標簽在接收Select、Query、ACK命令時錯誤，使讀寫器和標簽之間的信息交互可能丟失或發生誤碼，使得讀寫器無法識別標簽，造成的漏識。因此，程序設計中應設置為多次發送命令，提高簽接收該命令概率，減小漏識的概率。

5.結論

通過對硬件、軟件和定位精度及降低漏識關鍵技術的研究，設計出了一種基于超高頻RFID技術的實驗室固定資產快速查找系統的可行方案，該設計符合ISO 18000-6C現行國際標準的要求，在實際應用表明：該系統安全性高，識別性強，抗干擾能力高、壽命較長等優點，具有較強的適用性和領域擴展性。

參考文獻

[1]Information technology：Radio frequency identification for item management-Part6：Parameters for air interface communications at 860-960MHz[S].ISO-IEC_18000-6C，2005.

[2]EPC UHF Radio-Frequency Identity Protocols：Class 1 Generation 2 UHF RFID[S].Ver.1.2.0，EPC Global，2007.

[3][德]Finkenzeller，K.射頻識別（RFID）技術[M].陳大才，譯.北京：電子工業出版社，2001.

[4]GB 3836.1-2010，爆炸性環境 第1部分：設備 通用技術要求[S].北京：中國標準出版社出版，2010.

[5]張暉，王東輝.RFID技術及其應用的研究[J].北京：微計算機信息，2007，23（4-2）：252-254.

[6]周曉光.射頻識別（RFID）系統設計、仿真與應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[7]Udo Karthaus.Fully Integrated Passive UHF RFID Transponder IC With 16.7-μW Minimum RF Input Pow er[J].IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIR-CUITS，2003，36（10）.

[8]熊廷文.基于無源超高頻射頻識別技術的實時定位系統的研究[D].上海：復旦大學信息科學與工程學院，2010.

基金項目：重慶市基礎與前沿研究計劃杰青項目（編號：cstc2013jcyjjq90001）。

作者簡介：石發強（1979 —），男，重慶人，工程師，中國電子學會會員，現供職于中煤科工集團重慶研究院有限公司，主要從事礦山安全生產監測監控系統、儀器儀表的科研工作。