基于RFID技術的物聯網傳感系統設計與實現

谷敏

摘要 隨著物聯網產業的高速發展，RFID技術已經廣泛應用于人們的生產生活中，并促進信息技術的進一步提升。物聯網的傳感系統就好比人體皮膚，是收集資料與識別物體的重要組成部分。而RFID技術作為實現這項性能的唯一支撐條件，必須對其展開科學的設計。本文著重研究了基于RFID技術的物聯網傳感系統設計與實現。

【關鍵詞】RFID技術 物聯網 傳感系統 設計

物聯網是創建智慧服務平臺的技術支持，在計算機網絡基礎上借助RFID技術建立一個包羅萬象的局域網。通過對周圍事務的即時感知來實施智能化管理，進而提升相關產品質量。常見的物聯網接入方法有以下幾種，如Zigbee、藍牙、Wi-Fi、GPRS、PSTN、Z-wave通信技術等，但上述方法均不能準確鑒別物品。只有RFID技術才可以完成數據的采集和物品的鑒別。因此，RFID在物聯網的傳感系統中擁有極其重要的地位。

1 RFID技術簡介

RFID技術又被人們稱為射頻識別技術，全名為“Radio Frequency Identification”，可以利用無線電波識別具體目標并讀取數據資料，無需識別平臺與目標之間設置光學或機器接觸。

無線電波是通過改變無線電頻度的磁場方向，將數據從依附品的標簽上向外輸送，以自動識別或跟蹤這類物品。在識別過程中，一部分標簽可以從識別器產生的磁場中獲得能量，不需要配備任何電池。還有一類標簽自帶電源，并能發出各種電磁波，如無線電波、紅外線、X射線等。RFID標簽保存了大量的電子數據，百米以內都能有效識別。

從概念角度來講，RFID技術與條碼技術相類似。條碼技術是將條形碼放在目標物的前面位置，然后使用掃描儀借助光源將數據傳輸到該設備;而RFID技術使用RFID讀取器和電子標簽，并借助頻率信號把數據傳輸到該讀取器。

2 物聯網概念

物聯網不僅是信息加工技術的重要表現形式，還是互聯網時代的特殊發展階段。全稱為“Intemet of things （IoT）”。從字面意義上來看，物聯網就是由多個事物相連接網絡。其中包括兩層含義：

（1）物聯網的基礎與核心要素依舊是互聯網，是對互聯網的進一步擴展與延伸;

（2）其前端擴展與延伸到了不同物品之間，實施數據交換與信息交流，即物物相息。

通過智能識別、傳感技術以及普存計算等技術，物聯網才可以在網絡交融中得到應用?；谝陨显?，所以被學術界稱為繼電腦、因特網之后全球數據產業發展的又一次浪潮。實際上，物聯網就是因特網的應用延伸，與其說它是一種網絡，倒不如說它是一場業務或應用。所以，物聯網應始終圍繞應用創新來發展。

3 RFID在物聯網傳感系統中的應用

RFID技術作為一種通過無線電波來傳遞數據的識別手段，電子標簽用來表示某一特定對象。具體識別過程如下：確保標簽可以收到相關頻率信號，從而展開數據識別。按照工作頻率來劃分，RFID技術包括三種形式，即高頻頻段、低頻頻段和超高頻頻段。目前，RFID高頻技術與低頻技術己得到較快發展，并且應用于多個行業領域。與其它系統相比較，RFID系統可以同時實現兩個或兩個以上的目標識別，活動中必須遵守電磁波頻率的全部使用規范。另外，RFID技術涉及到很多學科，例如：計算機、數字通信、集成電路等。其原理為電磁理論，利用射頻信號有效識別目標并獲取相關資料，識別活動無須人為干涉，可直接應用于物聯網傳感系統中。目前存在兩類RFID傳感器標簽系統：一類為RFID標簽集合而成的電池支持傳感系統直接作用在硅芯片之上，并且自帶數/模轉換其，該項科技適用于多類傳感器，但是尺寸過大、成本過高、壽命有限。第二類把傳感器集合在標簽天線之上，能夠有效降低成本與尺寸。

從本質上來講，RFID是一組簡單的操作系統，是由電子標簽、計算機網絡和讀寫器共同組成。其中電子標簽包含兩個部分，即天線和芯片，天線主要用來發射無線電波，芯片主要用來存儲內部數據;讀寫器作為一種讀取電子標簽的設備，可以接收大量的數據資料;并將其與計算機網絡相連，進而實現數據的處理、通信等功能。通過前文分析，可以得出以下結論：RFID在識別運動物體的同時還可識別大量標簽，操作起來較為簡單。在今后，RFID技術的迅猛發展會對物聯網行業產生非常深遠的意義。

4 硬件設計

基于RFID的物聯網傳感系統需要按照相應的規則實施標準化設計，其硬件設計有上位機電路、主控制模版、天線、射頻線、電子標簽等。這些硬件相輔相成，共同實現平臺運營。

4.1 數字控制

數據集成包括一項核心功能與模塊，可以將CPU內核與外部模塊連接在一個活動單元。不僅具備良好的節能功效，還具備高級集成、定時器以及振蕩器性能，充分支持模型的仿真、編程以及在線檢測等。

4.2 芯片設計

RFID系統選用了AS3992讀取芯片，該芯片集成了讀取器傳送所必備的數字模擬與性能，完全符合平臺協議方面的有關規定，具備良好的接收靈敏度。主要包括足跡接口以及振蕩器組成的PLL，DAC和ADC。另外，AS3992讀取芯片還配備了很多活動寄存器，可以使芯片活動水平得到迅速提升。

4.3 射頻放射電路設計

在對射頻電路進行設計時，RFID系統選用了AS3992芯片發送的20dBm的信號，這種信號經常采取差分輸出模式。該模式需要連接RFF扼流電感以及阻抗匹配體系，同時還應該有一個光纖轉換器，便于RFID系統向單端輸出模式轉變，這樣才可以實現信號的即時發送。

4.4 接口電路設計

RFID系統的接口線路主要由兩部分構成，其一是USB數據接口，其二是RS232通信接口。其中，USB數據接口包括一個lOnF的儲能器件與27歐的終端電阻，旨在取得與智能設備的通信;和射頻放射模塊相連的電路包含以下內容：數據的控制總線、服務總線、電源線以及時鐘端口等。旨在實現命令的輸出、使讀取器連接到電子芯片上，便于更好地管理讀取芯片。

5 系統軟件設計

除計算機硬件以外，系統軟件也是物聯網傳感系統的重要部分。它應該先連接到工作站、控制機、觸摸屏等上位機，并與RFID標簽展開通信，它是操作用戶與RFID標簽之間的紐帶。整個系統軟件被分成四個部分，即物理層、網絡層、傳輸層、應用層，在物理層利用并行接口與USB接口建立邏輯關系，然后利用AS3992接口協議與USB接口協議進行通信。網絡層是基于IS0 18000-6B/C標準與EPC Gen2標準。傳輸層的關鍵作用是AS3992輸出形式與主控制器。應用層主要是顯示用戶軟件、處理服務器數據等。

5.1 選擇操作

電子標簽與讀取器之間的操作目的如下：為系統訪問與查詢工作建立一個標簽集。倘若系統在同一時間內出現很多標簽，那么就應該在主控制器中采用防碰撞算法，避免產生標簽沖突的狀況，然后按照用戶要求發出正確指令，最后完成特定標簽集的選擇。

5.2 查詢操作

為了準確識別RFID電子標簽，專門進行了查詢操作，讀取器利用查詢命令統計標簽集，此時會反饋大量的RFID標簽，然后讀取器分別對他們實施檢測，并請求協議判斷，實現系統功能目標。

5.3 訪問操作

為了和RFID電子標簽建立聯系，專門進行了訪問操作，系統會在第一時間內訪問那個被唯一鑒別的標簽，其操作指令有讀取、上鎖、解鎖、刪除等，有利于消除標簽識別的各種隱患，提升其安全性。

6 系統實現分析

6.1 系統電路板

物聯網傳感系統在選擇通信電路時，采用了數字射頻技術，電路板創建模式為PCB布局，這樣就可以有效防止模擬電路與數字電路之間的相互干擾，以及排線過程中遇到的不合理問題。由于系統設計選用了PA設備與VC0設備（壓控震蕩器），所以系統質量較輕、體積較小、集成能力較強，可以優化通信電路，進而實現全部的系統功能。

6.2 系統傳輸活動

一般情況下，物聯網傳感系統的傳輸電路是由AS3992芯片完成，首先AS3992芯片將天線收到的信號發送到混頻器，再由濾波電路和共射電路對傳輸電路展開解碼或判決，最后消除數據幀與CRC驗證，使數據進入FIFO中、傳輸部分主要是把控制器輸出的操作命令傳送到FIFO中。

6.3 系統時鐘波和通信性能的實現

物聯網傳感系統通過LeCmy WaveSurfer永渡器來實現射頻頻率的勘測，當啟動電源開關后，CLSYS頻率上升到60kHz;當系統進入運行狀態后，其頻率顯示為lOkHz;根據測試結果可以發現，距離越大則功能越低，距離越小則功能越高。基于這種狀態，讀取操作要比輸入操作更容易獲得成功。這一檢測結果可以滿足當前系統需求，符合人們的心理預期。

7 結束語

隨著科學技術的不斷進步，信息技術也實現了全面發展，物聯網就是其中的表現形式之一。它是一種規模較大的網絡體系，而RFID技術與傳感器又是物聯網的重要技術支撐。基于RFID技術的物聯網傳感系統設計，使系統質量、集成能力、體積更具優勢，降低了系統難度，使其成為低能耗的運行機制。通過距離檢測可以表明該系統能夠實現功能任務。

參考文獻

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