基于物聯網技術的無源RFID多卡識別系統設計

劉穎 鹿玉紅 孫曉葉 郭娜

摘 ?要： 傳統的無源RFID多卡識別系統在識別時很容易受到外界信號干擾，準確率低。針對這一問題，利用物聯網技術設計一種新的無源RFID多卡識別系統，在系統硬件和軟件上進行強化。系統硬件包括上位機、物聯網和射頻模塊三部分，對處理芯片、協調器模塊及射頻模塊進行設計。利用ZigBee 2006協議棧設定軟件程序。為檢測系統應用效果，與傳統識別系統進行對比實驗，結果表明，基于物聯網技術設計的無源RFID多卡識別系統不易受到外界信號干擾，識別準確率更高。

關鍵詞： 物聯網; 無源RFID; 多卡識別; 識別系統; 醫療系統; 射頻識別

中圖分類號： TN92?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）15?0038?05

Design of passive RFID multi?card recognition system based on

Internet of Things technology

LIU Ying， LU Yuhong， SUN Xiaoye， GUO Na

（School of Information Engineering， Institute of Disaster Prevention， Sanhe 065201， China）

Abstract： The traditional passive RFID multi?card recognition system is easy to be disturbed by external signals， and its accuracy is low. In order to solve this problem， a new passive RFID multi?card identification system is designed based on Internet of Things technology， which is strengthened in its hardware and software. The hardware of the system includes three parts： PC， Internet of Things and radio frequency module. The processing chip， coordinator module and radio frequency module are designed. The software program is set up by using ZigBee 2006 protocol stack. In order to detect the application effect of the system， a comparison experiment was carried out with the traditional identification system. The results show that the passive RFID multi?card recognition system based on the Internet of Things technology is not easy to be disturbed by external signals， and its recognition accuracy is higher.

Keywords： Internet of Things; passive RFID; multi?card identification; identification system; medical system; radio frequency identification

0 ?引 ?言

無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術最早起源于英國，在第二次世界大戰中被用于辨別敵我飛機身份，直到20世紀60年代被商業使用[1]。射頻識別技術可以利用無線電信號對特定的目標進行識別，并完成相關的讀寫操作，識別過程中，系統和目標不需要任何設備進行接觸，也不需要光學接觸[2]。射頻識別技術應用的傳播信號為無線電信號，通過調成無線電頻率的電磁場，利用附著在物品上的標簽識別數據，具有自動識別和追蹤的能力[3]。

由于識別過程中，識別器發出的電場會向部分標簽傳遞能量，所以不需要電池，一些標簽內部擁有電源，可以主動發出無線電波，將大量存儲信息存入其中，即使不在識別器的視線范圍中，數百米之內也可以追蹤識別[4]。

目前人們對無源RFID多卡識別系統進行了大量研究，RFID識別系統的工作頻率包括低頻、高頻和甚高頻[5]。盡管RFID多卡識別系統取得了相當大的成功，但是仍然要面臨諸多問題，例如，成本問題、信號干擾問題、頻段管制問題以及隱私問題。雖然人們在努力降低研發電子標簽的成本，但是高昂的造價仍然限制了RFID技術的發展速度[6]。由于射頻識別技術依賴電磁波傳輸信號，當遇到其他導體時，電磁波的信號會受到干擾，信號強度減弱，甚至出現錯誤數據。國家與國家的頻段管制范圍不同，射頻信號在國際應用上有很多問題。一些人將射頻識別產品放置在其他人的衣物、貼身物品，甚至植入體內，在未經過他人允許的前提下盜取別人隱私[7]。

本文利用物聯網技術設置一種新的無源RFID多卡識別系統，設計了識別系統硬件結構圖，并選擇合適的元件和芯片，分別對各硬件模塊和接口進行軟件調試，通過實驗驗證無源RFID多卡系統與物聯網技術相組合的可行性。

1 ?無源RFID多卡識別系統硬件設計

1.1 ?無源RFID多卡識別系統硬件平臺設計

本文設計的基于物聯網的無源RFID多卡識別系統硬件主要包括三部分：上位機、物聯網和射頻模塊。上位機負責存儲系統得到的數據，并對數據進行處理，選取信息展示，在系統中發揮著控制和管理的作用;物聯網作為信息的傳輸通道，擁有大量自組網絡，可以確保RFID模塊與PC機順利傳播通信數據;RFID模塊主要負責采集各類數據，并對采集到的數據無源標簽信息進行讀寫，利用物聯網實現讀寫功能，與PC機中的數據與信息進行交換[8]。

基于物聯網設計的無源多卡識別系統硬件結構如圖1所示。

圖1 ?無源多卡識別系統硬件結構

1.2 ?處理芯片設計

由圖1可知，本文選用的無線通信節點共有三個：節點1選用的芯片為射頻芯片，能夠支持物聯網協議，并根據IEEE 182.15.4協議開發出與之對應的軟件;節點2確保硬件開發平臺和軟件開發程序并行工作;節點3內部嵌入控制芯片和協議棧軟件，是系統級芯片。三個節點協同使用，滿足系統在不同硬件條件下的要求[9]。物聯網通信模塊選用CC2430作為處理芯片，內部結構如圖2所示。

圖2 ?CC2430處理芯片內部結構

CC2430在物聯網通信網絡中起到很強的處理作用，是系統內部協調器、路由器以及終點節點都需要使用的核心無線處理芯片。處理芯片內部擁有12個A/D轉換模塊，4路USART串口，RAM存儲容量共有8 KB，最大可擴展至128 KB。芯片采用的設計工藝為CMOS工藝，工作過程中消耗的最大電流不會超過30 mA，損耗功率極低。芯片的工作模式共有兩種：主模式和休眠模式，它們以交替的方式進行工作。當系統進行信號發送以及信息采集等工作時，處理芯片會進入主模式;當系統為空閑狀態時，芯片會自動進入休眠模式，降低功耗。CC2430處理芯片消耗功率低、性價比高、靈活性好，在系統識別領域優勢十分明顯[10]。

1.3 ?協調器模塊設計

在無線識別模塊中，協調器是最重要的設備，一個物聯網中只會設定一個協調器，因此它既是無線網的建立者，同時也是管理者，負責儲備所有的信息。協調器需要對物聯網的所有設備運行狀況進行監聽，要始終保證在正常工作狀態下，一旦協調器出現崩潰，物聯網就會隨之崩潰[11]。協調器對于電能的消耗很高，需要加入外接電源供電。協調器結構如圖3所示。

圖3 ?協調器結構圖

觀察圖3，協調器主要由微處理器、串口模塊、電源轉換模塊、USB接口模塊、無線收發模塊微處理器、外圍阻抗匹配電路、時鐘和JTAG組成。協調器接口電路如圖4所示。

圖4 ?協調器接口電路

圖4中包括接口電路、芯片電路、電源電路以及復位電路。在接口電路處通過12個腳排針將I/O引腳、電源引腳以及復位引腳全部引出，用戶可以根據使用過程中遇到的實際情況重新定義I/O引腳的功能，使無線模塊具有通用能力[12]。協調器利用USB接口與PC機進行通信，大大減小系統的占地面積，使電路變得更加簡單，內部加入低功耗電壓轉換芯片，方便電腦及電池使用。

1.4 ?射頻模塊設計

無源RFID多卡識別系統的射頻節點有兩個，分別為路由器節點、射頻終端節點，與物聯網模塊中的各個節點相對應，需要連接RFID的刷卡設備。射頻模塊中的路由器消耗功率較低，要始終保持工作狀態，內部加入終端設備的所有功能，同時還具備數據存儲能力。射頻模塊終端節點結構如圖5所示，共包含五部分：處理芯片、電源轉換模塊、串口模塊、晶振復位模塊以及收發天線[13]。

圖5 ?射頻模塊終端節點結構圖

射頻模塊中的終端節點只負責采集數據，要隨時保持工作狀態，終端節點后端連接刷卡設備，利用串口與刷卡設備保持通信聯系，為了增加硬件的通用性，射頻模塊內部未加入USB接口電路。

利用設計的終端節點設計射頻模塊結構如圖6所示。

圖6 ?射頻模塊結構圖

觀察圖6可知，RFID射頻模塊共分為三部分：第一部分為處理器，主要負責控制后端射頻模塊的工作狀態，對傳輸協議進行解析;第二部分為識別模塊，內部擁有天線電路和匹配電路，負責將數據轉換成信號幀，并填寫在無源電子標簽上;第三部分是無源電子標簽，與前兩部分的設備協調匹配。

圖7 ?射頻模塊實物圖

觀察圖7，射頻模塊實物圖采用的布線方式為雙層布線，與射頻電路布線要求相符，通過測試證明該板與設計的系統性能一致。

2 ?無源RFID多卡識別系統軟件設計

物聯網是本文設計的無源RFID多卡識別系統的重要數據傳輸通道，在該通道上利用ZigBee 2006協議棧設定軟件程序。識別系統軟件程序編程界面如圖8所示。

圖8 ?識別系統軟件編程界面

圖9 ?識別系統工作流程圖

由圖9可知，系統在進行軟件工作之前會建立一個新的物聯網絡，在新的物聯網絡中重新配置需要使用的默認參數，根據系統下發的命令進行監聽或等待工作，對空中是否有無線信號進行判斷，如果有控制信號，需要對是否有節點加入和離開網絡進行判斷，如果沒有控制信號，則需要將發送端信號傳輸給終端節點，由此完成識別工作。

數據在傳輸過程中，采用的傳輸方式為主從方式，與網絡連接的節點作為主節點，其他節點為從節點，所有軟件程序在設立之前都需要在協議棧中進行重新定義，直到輸出的代碼與編寫代碼一致。

3 ?實驗研究

3.1 ?實驗目的

為了檢測本文研究的基于物聯網技術的無源RFID多卡識別系統的實際效果，與傳統識別系統進行對比，分析實驗結果。

3.2 ?實驗參數設置

設置實驗參數如表1所示。

表1 ?實驗參數表

3.3 ?實驗結果與分析

根據上述參數進行實驗，選用本文研究的基于物聯網技術的無源RFID多卡識別系統和傳統識別系統同時對醫療系統內部的電子標簽進行識別，記錄識別結果的準確率，根據得到的結果對兩種系統的性能進行具體分析。得到的實驗結果如圖10所示。

分析圖10可知：第一次識別時，傳統識別系統的識別結果準確率為15%，本文識別系統的準確率為50%;第三次識別，傳統識別系統的識別結果準確率為40%，本文識別系統的準確率為45%;第五次識別，傳統識別系統的識別結果準確率為37%，本文識別系統的準確率為88%;第七次識別，傳統識別系統的識別結果準確率為34%，本文識別系統的準確率為48%。

由于系統在工作過程中可能會受到外界因素干擾，所以識別結果具有不穩定性。對比上述實驗結果可知，傳統識別系統識別結果準確率始終低于50%，本文識別系統識別結果準確率在40%～90%之間波動，識別效果好于傳統識別系統，更加值得推廣使用。

圖10 ?識別結果準確率

4 ?結 ?語

本文利用物聯網設計了系統的硬件模塊。利用協調器和射頻節點構建讀卡設備硬件，通過硬件給出軟件識別流程。引用物聯網技術設計的無源RFID多卡識別系統有效降低系統消耗功率和使用成本，加強了系統的保密性，具有很好的應用效果。雖然具備上述優點，但仍有不足之處：系統內部缺少閱讀器，一些項目存在加載困難的問題;本文沒有考慮到數據幀紊亂這一現象，缺少數據幀校驗的相關算法。未來需要在上述兩方面進行加強。

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