可配套手機app的RFID實驗箱的研制

李天松 周曉燕 沈學源 吳成吉

摘要：目前，很多電子類大學或電子類專業開設了射頻實驗，但是許多學生僅僅只是在機械式按著例程進行操作，可能連基本的實驗原理都無法理解。通過制作RFID實驗箱及配套的手機APP，讓學生能夠更深入的了解實驗過程中的實質，讓學生對實驗的了解不僅僅停留在紙上。將實驗箱和手機進行連接，在手機上顯示相關數據和波形，改善教學效果。為了完成這個目標，則需要建立射頻模塊和手機之間的連接，開發一款便于實驗學習的手機APP，實現創新與實踐應用的相結合。

關鍵詞：射頻；手機APP；教學；實驗箱；實踐應用

中圖分類號：G482 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0247-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Development of RFID Experimental Box with Mobile Phone App

LI Tian-song， ZHOU Xiao-yan， SHEN Xue-yuan， WU Cheng-ji

（School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004，China）

Abstract： at present， many universities have set up radio frequency experiments， but many students only work in mechanical routines， and even the basic experimental principles can not be understood. Through the production of RFID experimental box and supporting mobile phone APP， students can be more in-depth understanding of the essence of the experiment process， so that students do not just stay on the paper understanding of the paper. The experiment box and the mobile phone are connected， and the relevant data and the waveform are displayed on the mobile phone， so as to improve the teaching effect. To accomplish this goal， we need to build a connection between the RF module and the cell phone and develop an easy to experiment handset APP.

Key words： Radio frequency； mobile phone APP； teaching； experiment box； practical application

1 引言

射頻實驗箱在電子類大學普遍出現在學生的實驗教學中，射頻技術也涉及各個領域。無線射頻識別技術（Radio Frequency Idenfication，RFID）是一種非接觸的自動識別技術，它基本由三部分組成：標簽（Tag）、閱讀器（Reader）和天線（Antenna），是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。RFID 技術可識別高速運動物體并可同時識別多個識別卡，操作快捷方便。隨著智能手機的普及與3G/4G技術的成熟，手機上網用戶尤其大學生用戶數量和應用需求不斷增長，目前，手機在大學生中極為普遍，越來越多的讀者傾向于使用更加便捷的方式來接收知識，傳統WAP（wireless application protocol，無線應用協議）網站服務是為PC機定制的，用戶在移動終端使用不方便，為了解決和彌補這些不足，針對手機定制的Android平臺下的射頻實驗箱可以使廣大讀者更加靈活的使用上課的資源。

2 研究目的與應用前景

在今天，隨著社會經濟和科技的發展，智能手機已經成為人類生活的必需品。運用智能手機教學，不僅使教學更加方便，而且能讓教學跟上科技發展的節奏。

目前，射頻識別實驗箱種類繁多，無法直接顯示卡的UID、載波波形和調制信號波形，需靠外接PC端，運行讀卡軟件，讀出卡的UID，以及外接示波器，顯示載波波形和調制信號波形。因此，改進該類射頻實驗箱的使用方式，在實驗箱內嵌入藍牙模塊或Wifi模塊，通過這個模塊將實驗箱和手機進行連接，在手機上顯示相關數據和波形，改善教學效果。為了完成這個目標，我們需要建立射頻模塊和手機之間的連接，開發一款便于實驗的手機APP。

3 設計思路及設計方案

開發一款包含基本射頻實驗的實驗箱，能夠滿足基本的教學實驗內容，讓學生深入理解實驗原理。實驗箱包括基本的電源模塊，測量點模塊，可以通過示波器觀測信號，125K模塊，高頻13.56MHz ISO14443協議模塊、高頻13.56MHz ISO15693M RFID原理模塊以及超高頻900MHz ISO18000-6C協議模塊；開發一款與實驗內容相關的，具有協助學習功能的手機APP，將實驗箱和手機進行連接，在手機上顯示相關數據和波形，輔助教師教學，幫助學生學習；自主開發設計射頻電路卡，具有集成電路卡的功能，并且設置多個測量點。

可配套手機app的RFID實驗箱主要實現以下功能：

1） 通過藍牙或WiFi連接，可以將實驗時產生的實驗數據傳輸到手機端，并在APP界面上進行顯示，可以不借助大體積的PC機，這樣將會變得非常的便捷。

2） 在手機APP上學生可以選擇點擊特定的實驗，手機上會出現相關的實驗原理、實驗步驟及注意事項，讓學生隨時隨地都能學習，方便課后復習。

3） 設計電子標簽，并自主搭建電子標簽電路，使得各個點的波形可測。

射頻識別基本原理如圖1所示。實驗箱包括基本教學模塊，信號波形顯示于示波器，并與PC端進行數據交換。另外實驗箱嵌入藍牙模塊或者WiFi模塊，并編寫出一款手機app，實驗箱數據、波形和相關提示均可直接從手機看到，從而達到學生可以課下便捷地學習實驗知識，改善教學的目的。設計方案圖如圖2所示。

4 軟件開發環境

目前智慧型手機已經成為社會主流，基本上達到了人手至少一部智能機。而且在智能機系統中，Android成了廣泛用于手機和平板電腦等移動設備的開放的手機作業系統。因此，Android開發占據了應用開發榜首。

可配套手機app的RFID實驗箱，需要一個APP作為中介的控制途徑，程序用簡單的JAVA語言編寫。首先電腦安裝JAVA開發包（JDK），版本在7.0以上均可（推薦使用電腦安裝的版本為jdk 1.7.0_71-b14），接下來在許多Android開發環境中選擇了Android Studio，因為其完全免費還處于不斷更新完善階段。相比其他開發軟件，Android Studio可以智能保存，響應速度也快一些，會提升開發人員效率，在配置、編譯、打包方面都很實用，同時有超強的代碼補全功能，不需要記憶眾多代碼關鍵詞，對于新手很好上手。安裝Android Studio時必須安裝專屬的軟件開發工具包Android SDK才可以正常使用。

在Android Studio中首先新建一個程序，在彈出的設置對話框中大都保持默認。界面設計有2種方式：編寫代碼設計和使用XML，使用XML設計界面更加容易上手而且容易設置界面樣式，因此選擇使用XML進行界面設計。用鼠標將按鈕控件拖放到畫布上，安排好清晰明了的位置并在旁邊頁面設置好各自的名稱屬性；在新建工程中的MainActivity.java中開始編寫主程序，從OnCreate（）后放入編寫的程序，表示開始創建活動。初涉JAVA語言和Android開發，為了使編程簡潔明了，可采用創建多個線程的方式來判斷不同狀態下APP可以進行的活動；利用extends Thread 擴展線程類創造多個線程，這樣在多種狀態下程序都可以照常執行，且彼此獨立，各自擁有自己的資源，線程的優勢就在于其程序的移植性強，代碼和數據資源獨立性。

5 創新試驗箱問題解決途徑

每一項創新都有問題等待解決，每一個問題解決了，創新就實現了。可配套手機app的RFID實驗箱的創新設計在于開發一款與實驗內容相關的，具有協助學習的手機APP，將實驗箱和學生手機可以通過藍牙或WiFi直接連接起來，達到學生可以課下學習復習鞏固實驗內容，手機顯示實驗相關數據和實驗波形并一定程度上顯示解釋實驗原理，幫助學生學習，輔助教師教學。為了實現可配套手機app的RFID實驗箱的設計，創新實驗箱問題解決流程途徑可參考如下：

1） 前期先進行資料的查詢，進行仿真，了解基本的協議及相關編碼。

2） 查閱相關資料，相關的射頻實驗書，使用PCB制作軟件畫出電路圖，并做出電路板進行調試。

3） 學習JAVA，并使用JAVA編寫安卓APP，使用一定的算法，能夠在手機上顯示編碼前、編碼后的波形以及相關的資料都將通過手機發送給學生了解。

4） 學習電子標簽的內部結構及原理，通過仿真調試，設計開發射頻電路卡。

6 結語

可配套手機app的RFID實驗箱的設計是便于教師教學、利于學生學習實驗的一款多功能實驗箱。在基本射頻實驗箱的基礎上嵌入藍牙或WiFi模塊，并編寫一款適用本實驗箱的手機APP，學習射頻實驗的學生只要下載APP，就能在手機上隨時隨地學習實驗，鞏固知識。可以線下復習每一個實驗，分析相關數據和波形，從而達到便利教學便利學習的目的，利用一部智能手機每一位同學線下交流學習內容就很方便。可配套手機app的RFID實驗箱的設計是一款可以應用于教學的實驗箱，改善教學質量和效果。

參考文獻：

[1] 侯玉寶，陳忠平，鄔書躍.51單片機C語言程序設計經典實例[M] .北京：電子工業出版社，2016.

[2] 曹才開，劉輝，湯群芳，等.模擬電子電路[M] .北京：電子工業出版社，2013.

[3] Ed Burnette，袁國忠（譯）.Android基礎教程（第4版）[M].北京：人民郵電出版社， 2015.

[4] 丁振凡.Java語言實用教程[M] .北京：北京郵電大學出版社，2016.

[5] 姜奇平，闕星文，謝然.App小應用大世界[J]. 互聯網周刊. 2013（21）

[6] 郭夢玲，王艷輝，劉暢，瞿春霞，苗俊宏，葛玲，王然，張經韜.淺談基于HTML5的Web前端APP開發[J].電腦迷，2017（9）.

[7] 呂敬.物聯網技術下智慧校園的建設研究[J].無線互聯科技，2017（15）.

[8] 謝杭，朱鵬羽，孟慶賀.基于安卓平臺的掌上校園APP的設計與開發[J].軟件工程，2016（3）.

[9] Duan L. Research on Wireless Video Access Control System Application Based on Android Smart Phone[J].Video Engineering，2013.

【通聯編輯：王力】