基于RFID的嬰兒電子防盜系統(tǒng)--閱讀器設(shè)計(jì)

吳振龍

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院 理工分院，浙江 杭州 310036）

近年來，國內(nèi)一些醫(yī)院的嬰兒被盜案件也頻頻發(fā)生。如何有效避免這種問題的出現(xiàn)，在此設(shè)計(jì)一種基于RFID的嬰兒電子防盜系統(tǒng)，能夠防止嬰兒在醫(yī)院內(nèi)被盜，有效保護(hù)嬰兒的安全，保障各方權(quán)益。本論文闡述了基于RFID的嬰兒電子防盜系統(tǒng)，主要進(jìn)行了閱讀器設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)介紹

當(dāng)激活嬰兒標(biāo)簽并投入使用后，該系統(tǒng)便將電子標(biāo)簽的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后該系統(tǒng)將收到的標(biāo)簽和系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在終端上，如果出現(xiàn)異常或危險(xiǎn)如嬰兒標(biāo)記被破壞、檢測不到嬰兒標(biāo)記、嬰兒進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域、嬰兒被非法抱離母嬰或護(hù)理區(qū)域等，該系統(tǒng)就會報(bào)警。根據(jù)以上的要求，我們設(shè)計(jì)了基于RFID的嬰兒電子防盜系統(tǒng)(RFID-Based Infants Electronic Anti-theft System，RFID-IEATS)。

2 RFID閱讀器工作原理分析

2.1 RFID閱讀器實(shí)現(xiàn)框圖

閱讀器主要由單端天線、射頻接口、通信接口、控制和穩(wěn)壓電源組成，電子標(biāo)簽主要由PCB天線、射頻接口、控制和電源組成，而作為電子標(biāo)簽和閱讀器的最關(guān)鍵的射頻接口和控制兩大部分則基本相同。電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實(shí)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(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換。射頻接口是nRF24L01射頻模塊，射頻接口nRF24L01只需要很少的外部電路元件，應(yīng)用nRF24L01設(shè)計(jì)的主動(dòng)式RFID系統(tǒng)，發(fā)揮了射頻芯片高集成度、工作頻率穩(wěn)定、低功耗、設(shè)計(jì)簡潔、不需要曼徹斯特編碼和底層通信協(xié)議設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了研發(fā)周期，并且?guī)缀醪恍枰{(diào)試硬件，可擴(kuò)展性比較好。閱讀器和電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)框圖如圖3-1所示。

圖3-1 閱讀器和電子標(biāo)簽的設(shè)計(jì)框圖

閱讀器的微控制器采用低電壓、高性能、微功耗的COMS16位單片機(jī)MSP430F123。電子標(biāo)簽的微控制器采用的是MSP430F2101，考慮到標(biāo)簽的尺寸和電源的功率消耗，標(biāo)簽電源采用3V-330mAh紐扣電池，使用35768Hz晶體振蕩器的MSP430F2101微控制器，雖然時(shí)鐘周期相對比較長，但是這樣可以使微控制器待機(jī)功率消耗降到最低，可以滿足實(shí)際要求。

2.2 RFID閱讀器的硬件電路說明

RFID閱讀器的硬件電路包括MSP430模塊，nRF24L01模塊和MAX485模塊。為降低功耗，MSP430采用8M晶振作為工作時(shí)鐘。nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9 mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。

2.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的微功耗主動(dòng)式RFID閱讀器系統(tǒng)通信協(xié)議參考ISO/IEC 18000-7協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。為了確保閱讀器和電子標(biāo)簽?zāi)軌蚩煽康亍⒂行У亍踩剡M(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信雙方需要遵守共同約定的通信協(xié)議。因?yàn)樵撓到y(tǒng)中的電子標(biāo)簽要根據(jù)不同的情況產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)，所以相對應(yīng)的數(shù)據(jù)通信編碼也不相同。因?yàn)殚喿x器與電子標(biāo)簽之間可能被其他數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境干擾通信、發(fā)生錯(cuò)誤，所以需要通信協(xié)議來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ撓到y(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議格式中前導(dǎo)碼是nRF24L01自動(dòng)產(chǎn)生；地址則包括標(biāo)簽地址和閱讀器地址；用戶數(shù)據(jù)可以是由用戶自定義寫入標(biāo)簽的信息；CRC校驗(yàn)可選8或16位，也是硬件自動(dòng)產(chǎn)生。其中狀態(tài)字是表示標(biāo)簽、閱讀器和中間件的工作狀態(tài)，也可以用作系統(tǒng)檢測電子標(biāo)簽、中間件和閱讀器工作是否正常，與此同時(shí)可以根據(jù)狀態(tài)碼知道發(fā)生故障的類別和位置。

3 RFID閱讀器軟件設(shè)計(jì)

閱讀器軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程，通過IAR for MSP430軟件編譯。本系統(tǒng)采用nRF24L01作為閱讀器與電子標(biāo)簽的通信射頻接口。 nRF24L01的工作頻率達(dá)到2.4GHz，采用SPI接口與MCU連接，最高支持8Mbps傳輸速率，ShockBurst傳輸模式，自動(dòng)生成前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼。采用半雙工方式通信,在發(fā)射和接收模式間切換需要等待550μs 的穩(wěn)定時(shí)間。RFID系統(tǒng)中無線通信的軟件流程如圖4-1所示。

圖4-1 閱讀器工作流程

4 結(jié)語

近年來，在醫(yī)院嬰兒被盜的事件時(shí)有發(fā)生，成為社會上所關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問題。基于RFID的嬰兒電子防盜系統(tǒng)，成本低、設(shè)計(jì)簡單、對人體安全。可以更好地防止醫(yī)院嬰兒被盜和防止醫(yī)護(hù)人員抱錯(cuò)嬰兒，保護(hù)嬰兒的安全，減輕醫(yī)務(wù)人員的工作，可以提高醫(yī)院管理水平和質(zhì)量。

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