基于R F I D的開放式實驗平臺研究

陳美娟 朱曉榮 羅小琴

（南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇 南京210003）

0 引言

培養具有創新能力的人才，是當前高校教育的主要目標[1]。工科高校的教學過程中，實驗教學在培養學生科學研究和創新能力方面起著重要作用，演示型和驗證型實驗有助于學生掌握學科基本原理，而創新型實驗則有助于培養學生的創新能力。開放實驗是學生利用實驗室資源，進行自主研究和創新的一種途徑[2-3]。

隨著技術的進步，射頻識別應用領域日益擴大，RFID技術方便了人們的日常生活，有著廣闊的應用前景。本文對開放式RFID實驗平臺進行了研究，基于此平臺，學生可以開發自己的RFID應用、深入研究RFID理論知識。

1 實驗平臺設計

開放式實驗，具有綜合性和創新性特點?；赗FID的開放式實驗，就是在現有的RFID系統的基礎上進行定制修改、功能擴展，以達到自己想要的功能。通常不會改變系統原有的內核。本研究就是在RFID開源產品的基礎上擴展功能，使其在創新性教學活動中發揮更大的作用。

從基于RFID讀卡器提供開放實驗的角度考慮，本研究對高頻RFID閱讀器硬件平臺和軟件平臺進行了開發。

首先，制作一個RFID閱讀器。采用普遍使用的13.56MHz頻率，芯片選取也考慮到性價比。然后，實現一個RFID應用系統。RFID標簽卡號全球唯一，將其與不同的房間號相關聯，實現基于RFID技術的門禁管理。最后，開放平臺，開放下位機和上位機編程。開放下位機目的是讓學生學習標簽的讀寫操作以及防碰撞算法等，開放上位機目的是讓學生可以實現特定需要的RFID應用。為了方便學生進行開放實驗、快速學習和了解RFID閱讀器上位機程序開發方法，實驗平臺提供了典型的開發流程說明，同時提供源代碼查看功能。

2 實驗平臺硬件

平臺硬件功能結構如圖1所示。

（1）TFR7960射頻控制單元。RFID讀卡器射頻控制單元采用TI公司TRF7960芯片[4]，通過并行8線接口與單片機MSP430F2370通信。

（2）射頻前端匹配單元。射頻前端有一個輸出通道，兩個輸入通道，前端天線輸出阻抗匹配到50歐姆，以便功率達到最佳，使用時可調節前端的電容，電阻達到理想匹配。

（3）MSP430控制單元。RFID讀卡器的主控制單元采用TI公司的單片機MSP430F2370芯片[5]，在IRQ狀態為置位時讀取TRF7960送來的RFID標簽信息。該芯片通過8線并行接口連接TRF7960，通過串口轉USB接口連接至PC機，也可通過串口連接至網關。

（4）其他單元。CP2102芯片實現串行通信接口與USB接口之間的轉換，MSP430F2370輸出的TTL電平串行信號經過CP2102之后，成為USB接口，然后與PC機相連。蜂鳴器單元作用是，當接口板上電時，蜂鳴器會發出“滴”的一聲響。顯示單元采用3個LED燈，紅色LED指示電源、綠色LED指示對ISO14443標簽操作、黃色LED指示對ISO15693標簽操作。RFID讀卡器的電源可以通過USB供電或者網關插座供電，通過撥碼開關來選擇。

3 實驗平臺軟件

軟件包括下位機和上位機兩部分，首先準備軟件開發環境，然后編輯調試下位機程序，之后進行上位機程序的編寫。

3.1 下位機開發環境搭建

（1）IAR安裝。首先安裝IAR環境。IAR Embedded Workbench（簡稱EW）是C/C++交叉編譯器和調試器。對RFID讀卡器中的TRF7960芯片的編程、調試、燒寫，均在IAR環境中完成[6]。安裝過程中注意版本號，本文采用IAR Embedded Workbench For MSP430 v5.30。

（2）仿真器驅動安裝。調試下位機仿真程序之前，先要安裝仿真器驅動程序。按照圖2所示，通過仿真器連接RFID接口板到計算機。

確認已將仿真器通過系統附帶的USB電纜連接到PC機，系統找到新硬件后出現“歡迎使用硬件更新向導”界面，可以選擇手動或自動的方式安裝，驅動程序在文件夾“CP210x”中。安裝成功后在“設備管理器”中可以看到“端口（COM 和 LPT）”下，增加一行“MSP-FET430UIFVCP(COM3)”。

（3）編輯下位機程序等。在IAR環境中編輯下位機程序。編輯過的工程可以編譯、下載和調試。在IAR開發界面上選擇Project/Make，或按F7鍵編譯和連接工程。查看提示信息，排查錯誤。沒有錯誤后，可以下載和調試程序。在IAR開發界面上選擇Project/Download and Debug，或按工具欄上按鈕進入程序下載，程序下載完成后，IAR將自動跳轉至仿真狀態。

3.2 上位機軟件開發環境

上位機開發環境采用Microsoft Visual Studio 2013，采用C#高級程序語言編寫程序。數據庫軟件采用Micosoft Office Access。

4 開放式實驗平臺

開放實驗平臺功能框圖如圖3所示。

（1）登錄。登錄功能要求輸入用戶名和密碼，通過后可以使用該系統?？梢允褂脤W生的學號等信息作為用戶名，方便以后對學生實踐環節進行統計。

（2）系統設置。系統設置部分主要用于選擇所使用的串口及其特性、選擇所使用的標簽標準：ISO14443或者ISO15693。串口設置包括選擇串口名稱、波特率、打開/關閉串口等。串口成功打開后，可以選擇所使用的標簽標準，讀取標簽信息。

（3）門禁管理。門禁管理包括兩部分：用戶管理和門禁應用演示。因為卡片號的全球唯一性，因此將卡片視為一個用戶。用戶管理部分作用是給某個卡片賦予開某些門的功能，即關聯卡片和房間門[7]。門禁應用演示采用圖形方式，生動展示卡片在開啟某個房間門時的效果。

（4）數據庫。采用Microsoft Office Acess數據庫，在Microsoft Visual Studio 2013中與數據庫建立連接，調用數據庫中相關表格，完成數據查詢、插入和刪除等操作。

（5）下位機開放。下位機開放目的是讓學生學習標簽讀/寫操作、研究防碰撞算法。這里提供讀/寫操作流程、讀/寫操作程序說明、防碰撞算法流程、一種防碰撞算法程序說明。程序說明是對系統現有的程序逐句解釋，并表示出學生自己編寫程序時需要修改的地方。學生自己編輯下位機程序需要在IAR環境中，完成編譯后通過仿真器下載到RFID讀卡器，然后進行調試。

學生可以借助現有上位機程序中提供的“系統設置”等，查看自己的下位機程序是否達到預期目標。也可以另外編寫上位機程序，進行串口設置、讀/寫標簽等功能。

（6）上位機開放。上位機開放的目的是讓學生自己制作一個基于RFID的應用。這里提供上位機程序編寫流程、門禁應用程序說明。同樣的，門禁應用程序說明對現有程序逐句解釋，并說明學生自己編寫程序時可以修改的地方。

上位機程序的編寫在Visual Studio環境，采用C#高級程序設計語言。學生的上位機程序基于本平臺的讀卡器進行驗證。

5 結束語

培養創新型人才是高校教育的主要目標，實踐環節是重要途徑。在本科實驗教學過程中，培養學生研究性思維習慣、提升動手能力和操作技能成為培養優秀本科生的主要目的，也為具備科研能力的研究生提供了條件。本文基于應用前景非常廣闊的RFID技術，對開放式實驗平臺進行了研究，制作了高頻RFID讀卡器，開發了門禁應用，設計了下位機和上位機開放方法。基于本實驗平臺，學生可以深入研究RFID通信原理，開發自己的RFID應用系統，提升創新能力。

［1］蘆峰,郝娟.研究性教學與高校創新型人才的培養[J].教育科學,2011(27):50-53.

［2］劉燕,李曉波.開放的教學實驗平臺建設與創新性人才培養[J].實驗室研究與探索,2014(33):211-214.

［3］朱勇,張昕明,王寧.基于射頻識別技術的物聯網專業綜合實驗研究[J].實驗技術與管理,2012(29):17-20.

［4］http://www.ti.com.cn/product/cn/TRF7960[EB/OL].

［5］http://www.ti.com.cn/product/cn/MSP430F2370[EB/OL].

［6］無線龍.高頻RFID技術高級教程[M].冶金工業出版社,2012,4.

［7］張鵬.高檔別墅區智能門禁管理系統設計[D].山東大學,2012.