基于射頻識(shí)別技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方法研究

史偉光+杜江霞+閆淑霞+張晨光

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，基于射頻識(shí)別技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)成為電子信息類專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的重要組成部分。本文首先簡(jiǎn)要概述射頻識(shí)別技術(shù)，然后研究了工作在主流工作頻率分別為125 kHz、13.56 MHz、900 MHz與2.4 GHz應(yīng)用下的射頻識(shí)別實(shí)踐平臺(tái)的軟硬件系統(tǒng)建設(shè)方法，建設(shè)該平臺(tái)有助于學(xué)生全面掌握射頻識(shí)別系統(tǒng)的功能用途，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，具有廣闊前景和深遠(yuǎn)意義。

關(guān)鍵詞：射頻識(shí)別技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)；多頻段

一、 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引發(fā)了一陣信息熱潮，RFID作為其中的一個(gè)分支也備受研究者關(guān)注。與此同時(shí)，高等院校的電子信息類專業(yè)陸續(xù)開展各種物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐課程、學(xué)術(shù)交流活動(dòng)和學(xué)科競(jìng)賽等實(shí)踐教學(xué)改革方法，取得了較好的反響。盡管如此，相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)有面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)體系仍然缺乏針對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)的專用實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生對(duì)射頻識(shí)別技術(shù)的知識(shí)掌握和實(shí)踐能力僅限于13.56 MHz頻段的適于ISO14443B協(xié)議的射頻模塊，而對(duì)具有更低功耗、更低成本、更遠(yuǎn)距離的其他通信協(xié)議及其他通信頻段（如13.56 MHz的ISO15693協(xié)議、915 MHz的ISO18000-6C協(xié)議、2.4 GHz的ISO18000-7協(xié)議）的射頻技術(shù)了解較少，對(duì)高頻段的射頻系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力（如信號(hào)隔離方式、微帶天線布線方式、天線匹配、多標(biāo)簽防碰撞等）有待進(jìn)一步提升。

針對(duì)以上問題，本文旨在探索研究基于射頻識(shí)別技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的新方法。在目前單一頻率的射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多種頻率多種協(xié)議的射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，計(jì)劃使用本射頻識(shí)別系統(tǒng)平臺(tái)為學(xué)生展示射頻識(shí)別內(nèi)部結(jié)構(gòu)和比較不同頻率下的射頻通信技術(shù)特征，并通過尋卡和聯(lián)機(jī)通信等多種實(shí)驗(yàn)對(duì)卡片信息讀寫并進(jìn)行相關(guān)控制。該平臺(tái)能夠有效幫助學(xué)生理解射頻識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)的主要原理和實(shí)現(xiàn)流程，進(jìn)一步提升學(xué)生在RFID技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。

二、 射頻識(shí)別概述

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）是興起于20世紀(jì)90年代的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。通過無線射頻耦合的方式進(jìn)行非接觸通信，可對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)信息。近年來，RFID憑借非接觸、非視距、短時(shí)延、低成本、高速率和支持多標(biāo)簽識(shí)別操作等諸多優(yōu)勢(shì)，成為室內(nèi)通信的首選技術(shù)，廣泛應(yīng)用于物流倉(cāng)儲(chǔ)、醫(yī)療衛(wèi)生和工業(yè)自動(dòng)化等方面，RFID技術(shù)也已被業(yè)界公認(rèn)為是本世紀(jì)最有前途的技術(shù)之一。因此，RFID具有廣闊的發(fā)展前景和重要的研究意義。

RFID系統(tǒng)主要由三部分組成，包括閱讀器、應(yīng)答器和通信接口。其工作原理如圖1所示。每個(gè)應(yīng)答器上有唯一的編碼信息，進(jìn)入讀頭的磁場(chǎng)后，如果接收到閱讀器發(fā)出的特殊射頻信號(hào)（包括能量、時(shí)序和數(shù)據(jù)），無源標(biāo)簽憑借產(chǎn)生的感應(yīng)電流獲得的能量發(fā)送存儲(chǔ)芯片中的信息，或有源標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)，信息經(jīng)閱讀器讀取與解碼后，經(jīng)通信接口傳輸?shù)狡渌ㄐ旁O(shè)備，進(jìn)一步對(duì)信息進(jìn)行整合處理。

圖1 RFID基本原理框圖

三、 多頻段多標(biāo)準(zhǔn)的RFID實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

RFID系統(tǒng)的工作頻段和耦合方式是影響成本、讀取速率、識(shí)別范圍、精度與應(yīng)用場(chǎng)合等的重要因素。RFID系統(tǒng)工作頻段可分為四段：低頻（LF）、高頻（HF）、超高頻（UHF）和微波（MW）。本文提及的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)選取對(duì)應(yīng)典型工作頻率分別為125 kHz、13.56 MHz、900 MHz和2.4 GHz進(jìn)行教育教學(xué)實(shí)驗(yàn)。需指出，125 kHz頻段和13.56 MHz頻段的近距離通信系統(tǒng)采用電感耦合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而900 MHz和2.4 GHz的遠(yuǎn)距離通信系統(tǒng)采用電磁反向散射實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。建設(shè)面向多頻段多標(biāo)準(zhǔn)的RFID實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)有利于學(xué)生學(xué)習(xí)并體會(huì)不同頻段下的射頻電路和天線設(shè)計(jì)的差異性，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)并體會(huì)不同標(biāo)準(zhǔn)下的基帶信號(hào)和調(diào)制方式的差異性，有利于學(xué)生深入理解《電磁場(chǎng)和電磁波》《微波技術(shù)與天線》《通信原理》等專業(yè)課的重要內(nèi)容。

圖2 射頻識(shí)別技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)流程結(jié)構(gòu)示意圖

本文研究的面向多頻段多標(biāo)準(zhǔn)的RFID實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)示意圖如圖2所示，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程可分為三部分，可幫助學(xué)生理解射頻識(shí)別設(shè)備基本工作方式、了解模塊的內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及深入理解射頻通信工作原理，從而進(jìn)一步使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的查詢、信息讀寫和修改等功能。下面結(jié)合圖2對(duì)三部分內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

第一部分為RFID所需硬件開發(fā)平臺(tái)的認(rèn)識(shí)和使用，具體包括：對(duì)系統(tǒng)控制主板上供電方式、各種連接座、RFID選擇撥碼開關(guān)、按鍵、JTAG調(diào)試接口和USB接口等的功能和實(shí)際應(yīng)用的熟悉；對(duì)MSP430仿真器和CC2530仿真器的應(yīng)用場(chǎng)合及其JTAG引腳功能的熟練使用；掌握各個(gè)頻段的RFID模塊引腳開關(guān)以及其撥碼開關(guān)設(shè)置方式。

第二部分為在軟件開發(fā)平臺(tái)IAR環(huán)境下對(duì)MSP進(jìn)行程序仿真和固化，使學(xué)生熟悉使用IAR Embedded Workbench for MSP430，并且熟練掌握在軟件開發(fā)環(huán)境下創(chuàng)建并打開一個(gè)工程這一操作，最后將程序下載固化到系統(tǒng)控制底板上的MSP430F2370里。

第三部分是在前期實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上的重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要包括不同頻段不同協(xié)議內(nèi)射頻識(shí)別系統(tǒng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，即利用射頻識(shí)別平臺(tái)已有模塊，平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)答器（標(biāo)簽）進(jìn)行訪問，然后在固定顯示器上顯示實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)。平臺(tái)監(jiān)控管理系統(tǒng)可對(duì)應(yīng)答器進(jìn)行尋卡實(shí)驗(yàn)、脫機(jī)實(shí)驗(yàn)、尋找標(biāo)簽實(shí)驗(yàn)、讀寫標(biāo)簽實(shí)驗(yàn)、擦除和銷毀標(biāo)簽實(shí)驗(yàn)。以13.56 MHz頻段下的實(shí)踐教學(xué)為例，其多頻段特征體現(xiàn)在平臺(tái)可進(jìn)行適于ISO15693協(xié)議的聯(lián)機(jī)通信實(shí)驗(yàn)、適于ISO14443A協(xié)議的聯(lián)機(jī)通信實(shí)驗(yàn)、適于ISO14443B協(xié)議的聯(lián)機(jī)通信實(shí)驗(yàn)。以900 MHz頻段下的獲取模塊信息和設(shè)置模塊的輸出功率實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生可通過調(diào)節(jié)：SOF、LEN、CMD、*CRC、EOF、STATUS、SERIAL、VERSON、FREMODE/FREBASE/POWER等數(shù)據(jù)段指令長(zhǎng)度，利用相關(guān)API函數(shù)對(duì)900 MHz模塊信息進(jìn)行詢問狀態(tài)信息、讀取模塊信息、讀取頻率設(shè)置和讀取功率五個(gè)操作。

需指出，本文探索建設(shè)的基于射頻識(shí)別技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)可以依托電子信息工程類專業(yè)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用成果、院內(nèi)已有的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和硬件資源，依據(jù)典型工作頻段的通信協(xié)議引入電路模組，即可建立基于MSP430單片機(jī)的多頻段實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，這種實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)方法具有一定的繼承性和可擴(kuò)展性，有利于推動(dòng)并健全物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，全面提升電子信息類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

四、 總結(jié)

本文針對(duì)電子信息類專業(yè)在射頻識(shí)別技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，提出了多頻段多標(biāo)準(zhǔn)的RFID實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方法，該方法以多種射頻識(shí)別通信模組構(gòu)建閱讀器擴(kuò)展板，將單片機(jī)控制主板模塊、仿真器模塊、輸入輸出模塊進(jìn)行有機(jī)整合，進(jìn)而完成實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建。同時(shí)，結(jié)合各頻段各協(xié)議的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、適用場(chǎng)景來規(guī)劃實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，依托實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)通過標(biāo)簽識(shí)別的手段來增加學(xué)生對(duì)射頻識(shí)別系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、工作原理、故障調(diào)試等內(nèi)容的深入理解，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、積極創(chuàng)新，提高動(dòng)手能力，最終達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)。該教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)具有很好的應(yīng)用前景與推廣價(jià)值，可幫助學(xué)生快速學(xué)習(xí)當(dāng)今最流行的非接觸式射頻技術(shù)，并應(yīng)用到設(shè)計(jì)產(chǎn)品以提高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

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