基于RFID 的智能搜尋器的設計研究

高 妍 趙婧赟 黃 康 霍 博 黃素萍*

（咸陽師范學院 計算機學院，陜西 咸陽712000）

1 概述

在日常生活中，丟失物品是經常發(fā)生的，尤其是一些小件物品，如，銀行卡、公交IC 卡、鑰匙串、U 盤等物品。這些物品丟失的地方往往就在人們經常活動的某一確定的范圍內，如去圖書館的路上或花園、辦事的某橦樓、某個房間或是某個柜子中。大多情況是人們能大概確定丟失物品就在某一范圍內時，但因為它們體積小或者環(huán)境中其它物品將其遮擋等原因而無法找到。所以，當這些不具有自我反饋信息能力的物品丟失時，如何讓它們告知人們它的準確位置是目前亟待解決的問題。使用傳統(tǒng)的搜尋方式，不可避免地會遇到因障礙物無法準確找到丟失物的現(xiàn)象。智能搜尋器就是針對這些小物品丟失設計的，它可以滿足大眾的這一需求，即在物品丟失的某一確定地理范圍內，可以快速的定位失物的位置，從而減少人們因丟失物品所帶來的煩惱和麻煩。

智能搜尋器的設計實現(xiàn)是基于RFID 射頻技術。它是利用射頻標簽體積小，易于附著在物品上，射頻閱讀器可不接觸的識別射頻標簽這些特點來設計的。RFID（Radio Frequency Identification）技術作為構建“物聯(lián)網”的關鍵技術近年來受到人們的熱切關注。同時，由于RFID 這一技術的興起以及發(fā)展，它也開始應用于解決人們生活中的遇到的很多問題。

2 RFID 技術介紹

射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）是一種目標識別技術，其采取非機械接觸式的識別方式從眾多感應層技術中脫穎而出，近年來在國內外都得到了快速發(fā)展。RFID一般由中央信息系統(tǒng)、閱讀器、標簽三大部分組成，閱讀器可以和中央信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的相互傳遞并且系統(tǒng)高層會將接收到的信息加以保存，以便于人們通過系統(tǒng)高層來獲取有用信息，作為中間結構的閱讀器與標簽利用天線進行信息交換[1]。

RFID 技術的工作原理是：通過射頻信號自動對目標對象進行自動識別并獲取相應的數(shù)據(jù)，無須識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸，工作運轉過程全程自動化，無須人工干預，標簽附著于可跟蹤的物品上，并對其進行識別和讀寫[2]。RFID 技術將RFID 標簽依附在物品上，通過射頻信號將標簽中的信息讀取到RFID 讀取器中，從而獲得物品的信息。RFID 技術的基本模型如圖1 所示。

圖1 RFID 基本模型圖

由圖1 可知，當射頻標簽進入到閱讀器發(fā)射的天線范圍之內，標簽內部就會產生感應電流，從而使射頻標簽獲得能量被激活，會將自身編碼等信息通過內置的發(fā)送天線發(fā)送出去。中央信息系統(tǒng)接收到從射頻標簽發(fā)送來的載波信號后，經過天線調節(jié)后會傳到閱讀器，閱讀器會對接收到的信號進行解調和解碼，最后送到中央信息系統(tǒng)進行相關處理。

RFID 技術就是利用RFID 標簽進行與閱讀器之間的信息傳輸，利用閱讀器與中央信息系統(tǒng)的信息傳輸來完成對目標對象的識別、跟蹤、監(jiān)控和管理[3]。相比于傳統(tǒng)的識別方式，射頻識別技術具有非接觸無磨損和讀寫速度快等優(yōu)點，并且可以同時讀寫若干張RFID 標簽。所以，利用RFID 技術設計實現(xiàn)智能搜尋器，解決生活中丟失小件物品的麻煩是可行的。

3 智能搜尋器的設計方案

3.1 智能搜尋器的結構

圖2 手持設備結構示意圖

圖3 掛件（卡套）結構示意圖

智能搜尋器由手持設備和掛件組成。其中手持設備（如圖2示）由RFID 組件、芯片、開發(fā)板、蜂鳴器、LED 燈等硬件系統(tǒng)構成。其中的RFID 組件包括天線、閱讀器等；掛件（卡套）（如圖3示）內嵌RFID 射頻電子標簽。RFID 組件主要完成數(shù)據(jù)信息的采集與存儲、管理以及對RFID 射頻電子標簽的讀寫控制，對于射頻標簽所帶來的信息及時的處理。

手持設備中的閱讀器是RFID 組件信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和射頻標簽之間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時閱讀器通過耦合給標簽提供能量和時序。工作時，射頻標簽位于閱讀器天線輻射場內，它攜帶的數(shù)據(jù)信息會被獲取，幫助明確失物位置，達到搜尋的目的。

手持設備中采用的開發(fā)板電路是為了本項目需求而設計的，可連接設備的各個部件。設備的芯片是邏輯處理中心，它本身就是一種高密度的集成電路，可寫入應用程序，完成相應的處理邏輯和動作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸、獲取、處理等功能。

蜂鳴器是一種一體化結構的電子器件，廣泛應用于打印機、報警器、定時器等電子產品中，作發(fā)聲器件。手持設備的報警裝置是由蜂鳴器和LED 燈實現(xiàn)，當搜尋的失物在閱讀器的范圍內，距離逐漸縮小或變大時，蜂鳴器發(fā)出的聲音會不斷變化，LED 燈閃爍的頻率也隨之變化，輔助使用者進行失物位置的確定。

3.2 智能搜尋器的工作原理

智能搜尋器的工作原理是：用戶輸入丟失物品名稱，顯示屏顯示輸入的內容，設備調用RFID 工作程序，進行目標的搜索，當手持設備中的閱讀器接收到標簽信號，芯片判斷收到的信號是否為搜尋目標，并計算失物與手持設備之間的距離，調用蜂鳴器函數(shù)，使得蜂鳴器發(fā)出警報聲，距離越近，警報聲越急促，距離越遠，警報聲緩慢。同時，LED 燈與蜂鳴器的工作方式類似，距離失物越近，燈的閃爍頻率越快；否則反之。

這套裝置的優(yōu)勢在于高效、快速，射頻標簽和閱讀器系統(tǒng)之間反應很迅速，偏差小，抗干擾能力強，當閱讀器感應到范圍內的標簽時，裝置上的蜂鳴器也會隨著距離的遠近發(fā)出警報聲，從而精準的對丟失物品進行快速定位。

3.3 設備功能設計

智能搜尋器在開始工作時首先調用鍵盤部分程序，當用戶輸入丟失物品名稱，調用顯示屏程序顯示。信息確認后，啟動RFID 程序，可用手持設備在某一確定的范圍內尋找丟失物品。手持設備內的閱讀器發(fā)射一個特定頻率的無線電波給電子標簽，驅動標簽電路將內部數(shù)據(jù)發(fā)出，當接收到丟失物品上內嵌的標簽發(fā)送的信號時，根據(jù)發(fā)送的信號與輸入的信息的對比，判斷該物品是否為丟失物品。若確認是丟失物品，調用RFID 程序計算標簽與手持設備之間的距離（用傳播時間×傳播速度/2）。接著調用LED 燈和蜂鳴器的程序，啟動LED 燈和蜂鳴器。當標簽與閱讀器距離越近，LED 燈閃爍頻率越快，蜂鳴器警報聲音越急促。圖4 為整套設備程序設計流程圖。

圖4 整套設備程序設計流程圖

3.3.1 RFID 閱讀器程序

手持設備中，RFID 組件的閱讀器通過天線接收到失物標簽傳回的信號，從中提取出失物射頻標簽回送的數(shù)據(jù)，傳遞給芯片程序，芯片主程序調用RFID 的程序，對接收的標簽數(shù)據(jù)和用戶輸入的物品信息進行判斷處理，若一致即接收的信息為目標失物的，芯片程序將調用報警模塊，實現(xiàn)報警功能。圖5 為閱讀器程序流程圖。

圖5 閱讀器程序流程圖

3.3.2 蜂鳴器程序

在掃描中，閱讀器識別到失物標簽的信號，處理數(shù)據(jù)后，將結果傳遞給芯片，芯片的主程序調用蜂鳴器控制程序。當手持設備與丟失物之間的距離小于一定范圍，芯片調用蜂鳴器控制程序啟動蜂鳴器，使其發(fā)出較小且緩慢的警報聲，當手持設備離丟失物越來越近時，蜂鳴器報警的聲音越來越大，且越來越急促。圖6 為蜂鳴器的程序流程圖。控制蜂鳴器的核心代碼如下：

①GPIO_ResetBits（GPIOF，GPIO_Pin_8）；

②GPIO_SetBits（GPIOF，GPIO_Pin_8）；

關閉蜂鳴器時，用式①把BEEP 引腳拉低（等同BEEP=0）；打開蜂鳴器時，用式②把BEEP 引腳拉高（等同BEEP=1）。

蜂鳴器是通過調節(jié)PWM 信號占空比來調節(jié)聲音的大小，當輸出高電平時，占空比調四分之三，聲音就變小，調二分之一，聲音更小。本程序使用stm32 的pwm 輸出引腳，使用IO 口的復用功能，T2-T5 這 4 個通用定時器均可輸出 4 路PWM-CH1-CH4。每路程序可控制一個定時器4 個通道的pwm輸出相同頻率，但占空比可以不同。

此外，通過對一個定時器進行設置，控制蜂鳴器發(fā)聲間隔，從而實現(xiàn)警報聲急緩的變化。

圖6 蜂鳴器程序流程圖

3.3.3 LED 燈程序

LED 燈受芯片程序控制啟動與關閉。同蜂鳴器類似，當標簽在閱讀器的檢測范圍內時，芯片調用程序判斷所接受到的信息是否是用戶想要尋找的物品上的標簽，若是，則芯片主程序調用LED 燈程序，并且根據(jù)程序計算，閱讀器距離標簽越近時，燈閃爍的頻率越快。控制led 燈的代碼如下：

①控制LED0 燈滅：GPIO_SetBits（GPIOE，GPIO_Pin_14）；②控制LED1 燈亮：GPIO_ResetBits（GPIOF，GPIO_Pin_9）；E、F 為端口，14 和9 為引腳，調用LED 燈函數(shù)的時候利用這兩個參數(shù)來控制LED 燈的亮和滅。①為拉高14 引腳，控制LED0 燈滅（等同LED0=1）；②為拉低9 引腳，控制LED1 燈亮（等同LED1=0）

此外，通過設置定時器中斷時間，可控制led 閃爍的頻率不斷變化。

4 結論

智能搜尋器的主要功能是利用非接觸式的自動識別技術——RFID 技術，通過射頻信號自動識別目標對象，快速地進行物品追蹤定位，進而找到所丟失的物品。該設備適合應用于不具備通信功能和自我反饋等功能的小件物品，能更好滿足用戶尋找丟失小物品的需求。智能搜尋器具有高效性、準確性、可重復使用等優(yōu)勢。