基于微波射頻識別的物聯網前端讀寫器設計研究

韓俊

摘要：為了滿足社會對物聯網以及微波射頻技術的使用要求，對基于微波射頻識別的物聯網前端讀寫器進行設計研究，首先簡單闡述了微波射頻識別系統的工作原理，并從主控制模塊和外圍電路以及讀寫模塊電路兩個方面闡述了讀寫器硬件設計，并闡述了讀寫器系統軟件設計思路，最后通過實驗驗證了微波射頻識別的物聯網前端讀寫器的有效性。

關鍵詞：物聯網；微波射頻；讀寫器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0153-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

近年來微波射頻識別技術已經被廣泛應用在社會各個地方，例如小區門禁、高速收費路口、物流行業等，而物聯網的出現將微波射頻識別技術推向了新的高度。物聯網是以計算機網絡為載體結合射頻識別通訊技術實現對物體的實時控制。所以，對基于微波射頻識別的物聯網前端讀寫器設計研究是非常有意義的，本文設計了一款體積小、結構簡單的物聯網前端讀寫器，通過實驗驗證了其能夠有效地識別目標事物。

1 微波射頻識別系統的工作原理

微波射頻識別系統是利用反向散射耦合的方式實現信息的交互以及能量的傳送。其主要的工作過程是：讀寫器天線發送電磁能量波，其中的一部分電磁能量波傳送到目標處，被目標接受后，激活目標內部電路使并將內部儲存的信息發射出來，另一部分電磁波能量向任意方向并以不同強度被散射，之后被散射的一些電磁波能量又回歸到讀寫器天線，最后，讀寫器天線接收到信號后，通過對數據信息的分析處理，最終實現對目標的識別。

2 讀寫器硬件設計

基于微波射頻識別的物聯網前端讀寫器硬件主要由主控制模塊和天線等組成。外圍電路主要由三種模塊組成，分別是電源、顯示和通信模塊，整個硬件系統的核心部分是主控制模塊以及射頻讀寫模塊。圖1是讀寫器硬件結構示意圖。

2.1 主控制模塊和外圍電路

實驗中主控制使用的是WINB公司生產的W77E58芯片，其芯片的主要特征有八位處理器，最高能夠達到40M時鐘，4個八位I/O口，3個十六位計數器及計時器，1K的片上外部存儲器等，有著價格低廉、功能強大、性價比高的優勢。

外圍電路主要由單片機最小系統、電源模塊和LED顯示模塊等組成，詳見下圖2所示。主控制模塊的P1口相通與讀寫模塊的I/O口，是數據總線和地址總線的輔助線路。圖2為主控制模塊和外圍電路。

LED顯示模塊的工作職責是當有信號傳送到時，LED顯示模塊接收到信號并將目標地址顯示在顯示屏上；當沒有信號送達時，LED顯示屏顯示時間以及日期。

上位機通信模塊在將TX以及RX實施雙工串口通信時，需要先通過MAX232將其進行電平轉化，最后將目標信息發送給上位機。

電源模塊的主要職責是對所有模塊提供電能，保證所有模塊能夠正常工作，通常提供給模塊的電壓是5V和3.3V。

2.2 讀寫模塊電路

讀寫芯片使用的是奧地利AVL公司生產的射頻芯片AS3992，其內部設置了壓控振蕩器以及鎖相環倍頻輸出技術，可以實現860至960MHz的工作區間，同時也設置了集成模擬前端，擁有數字版權管理過濾器，并且集成了精確度高的接收器，正常工作的使用能耗低。

AS3992內部設置了20dBm的功率放大器，同時在外部設置了SP2811功率放大器，并將其設置為低功率線性模式，主要目的是得到更大的工作區間。

射頻芯片AS3992有兩個輸出管腳，分別是RFOXN以及RFOPX，輸出位置設有50歐姆的電阻，所以，必須要外接匹配電路、平衡器等。圖3是讀寫模塊電路圖。

3 讀寫器系統軟件設計

圖4是系統軟件流程圖。從圖4中可以看出，本系統軟件工作流程主要分為5個部分：第一，主控制器以及讀寫模塊復位初始化，初始化的內容包含編碼方式、協議配置等；第二，與上位機進行信號交流，上位機將信號傳送給主控制器并讓其尋找目標；第三，當尋找出較多目標時，通過防碰撞算法逐個讀取目標；第四，將讀取的目標信息顯示出來；第五，控制目標執行指定的動作。

4 實驗結論

將硬件系統以PCB板為載體焊接制作完成，再將軟件輸入到單片機中，完成后進行實驗驗證。實驗內容主要是在0.5～7m不同的通信距離處，對讀寫器的讀寫操作成功數進行統計，試驗次數為100次，具體數值見表1。從表中可以看出，在0.5～3m的通信距離時，讀寫操作的成功數均為100，在5～6m的通信距離時，讀寫成功數為72和61，超過6m后，讀寫成功數大幅下降。另外，表1中可以得知在不同的通信距離處，讀操作成功數均要大于等于寫操作成功數，這樣的數據結果是讀寫器天線以及標簽天線的特性所導致的。因此，該讀寫器的設計滿足實際使用需求。

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