（检测技术与自动化装置专业论文）基于mf+rc500的集成rfid读写器设计与研究.pdf

天津科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或 撰写的成果内容。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 影晰 日期：卅年i 月如同 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科技 大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 夯鸯叮 日期：卅年r a j l 如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权天 津科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 1 ( 请在方框内打，) ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 口( 请在方框内打“、”) 。 作者签名： 协秆1 ， 、 剔憷轹两吩队 i 同期：司年i 可月7 , , o y l 嗍：1 和2 胪日 摘要 随着人们生活水平的提高，食品安全关系到每个人的切身利益，有着极其重要的 地位。其中，果蔬肉蛋制品等因具有保鲜时限，其保鲜物流尤为重要。而目前在我国 的食品保鲜物流中存在着监管脱节、实时性差、无法预警等问题，造成资源的极大浪 费。本课题针对这一问题，将r f i d 技术引入食品保鲜运输，设计了基于m fr c 5 0 0 的集成r f i d 射频读写器。该读写器在传统读写器基础上集成了温度、湿度、氧气浓 度传感器，g p s 和g s m 模块构成系统，可以在物流全程对食品的储藏环境进行记录、 监控和改善，对即将超过保鲜时效的食品进行及时的处理与分销，确保了食品的安全 与资源的合理利用。 该读写器的研制主要分为三大块：信号测量部分，g p s 定位、g s m 无线通信监 控部分，读写器硬件设计及软件实现。 信号测量部分主要指食品储藏环境的指标采集。采用了一线式d s l 8 8 2 0 ，h s u 0 7 和0 2 - a 2 传感器分别对食品储藏环境的温度、湿度和氧气浓度进行测量，在硬件设计 中对传感器输出信号进行了合理的处理，能得到有效的环境指标信息。信号测量部分 总体上还进行了小体积低功耗抗干扰设计，主要有电源设计、器件选型、实时时钟设 计、电路设计等。 g p s 定位、g s m 无线通信监控部分中，由m c u 从g m 一8 2 模块接收到的g p s 的 定位信息中提取出有用的经度、纬度信息后，通过q 2 4 0 3 a 模块以g s m 短消息的形 式发送给监控中心。同时，读写器也可以通过短消息接受监控中心的查询与控制。 读写器的软硬件设计部分中，以m fr c 5 0 0 为核心，对其外围电路，天线及匹配 电路进行了设计，通过对天线的调谐与优化，识读距离可达6 c m 。在软件上实现了 m c u 对m fr c 5 0 0 的初始化控制，m fr c 5 0 0 与m i f a r ei c $ 5 0 卡的通信，并对$ 5 0 卡的存储空间进行了再分配，使得一张卡的可记录数据达1 6 8 个。 关键词：保鲜物流；r f i d ；射频读写器；环境指标；g p s 定位：g s m 通信；m fr c 5 0 0 。 a b s t r a c t a st h ep e o p l e ，sl i v i n gs t a n d a r dh a sb e e ng r e a t l yi n c r e a s e d ，f o o d s a f e t yp l a y s a l l e x t r 锄e l yi m p o r t a n tr o l e f r e s hf o o dh a s t h et i m el i m i to ff r e s h - k e e p i n g , s ot h e 仔e s h k e e p i n gl o g i s t i c sa r ee s p e c i a l l yi m p o r t a n t i n t h i sp a p e r , i n t e g r a t e dr f i d ( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) r e a d e rh a sb e e nd e s i g n e db a s e do nt h em f r c 5 0 0 t h i s r e a d e ri n t e g r a t e st h es e n s o r so ft e m p e r a t u r e ，h u m i d i t ya n do x y g e nd e n s i t y i t w i l lr e c o r d ， m o n i t o ra n di m p r o v et h ef o o dp r e s e r v a t i v ee n v i r o n m e n ti nt h ee n t i r el o g i s t i c sw h i c h u n i f i e s t h eg p sp o s i t i o n i n ga n dg s mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w h e nt h e f o o dc a nn o tb e m a i n t a i n e df r e s h ，i tw i l lc a r r yo np r o m p tp r o c e s s i n ga n dr e t a i lt ok e e pt h ef o o ds a f e t ya n d t h er a t i o n a lu t i l i z a t i o no fr e s o u r c e s t h es i g n a lm e a s u r e m e n tm a i n l yr e f e r s t ot h ei n d e xc o l l e c t i o n o ff o o ds t o r a g e e n v 的锄a l t 1 - w i r es a 嗨o fd s i8 8 2 0 ，h s u - 0 7a n d0 2 a 2a r es e p a r a t e l yu s e dt om e a s u r e t 蜘a p e r a t u r 氐h u m i d i t ya n do x y g e nd e n s i t yo ft h e f o o ds t o r a g ee n v i r o n m e n t t h es i g n a l m e a s u r 锄e n th a sa l s oc a r r i e d0 1 1t h ed e s i g no fs m a l lv o l u m e ，l o w 。p o w e rc o n s u m p t i o na n d a n t i i n t e r f e r e n c e i tm a i n l yc o n s i s t so ft h ep o w e rd e s i g n ，p a r t ss e l e c t i o n ，r e a l t i m e c l o c k d e s i g n ，c i r c u i td e s i g na n d s oo i l i nt h eg p sp o s i t i o n i n ga n dg s m w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o n i t o r i n gp a r t ，t h eu s e f u l d e 觥o fl o n g i t u d e sa n dl a t i t u d e sa r e e x t r a c t e db yt h eg p sp o s i t i o n i n gi n f o r m a t i o n r e c e i v e db vg m 8 2m o d u l e t h e nt h r o u g hq 2 4 0 3 am o d u l e ，t h ed e g r e eo fl o n g i t u d e sa n d l a t i t u d e sw a ss e n tt ot h em o n i t o r i n gc e n t e ra sg s ms h o r tm e s s a g e s a tt h es a m et i m e ，t h e r e a d e ra l s oc a na c c e p tt h es e a r c ha n dc o n t r o lf r o mt h em o n i t o r i n gc e n t e rb ys h o r tm e s s a g e s h 1t h es o 脚锄ea n dh a r d w a r ed e s i g np a r t ，u s i n gm f r c 5 0 0a st h ec o r e ，t h ep e r i p h e r a l c i r c u i t s a n t e n n aa n dm a t c h i n gc i r c u i t s i sd e s i g n e d t h er e a d i n gd i s t a n c ec a np o s s i b l e l y r e a c h6 c r nb yt h et u n i n ga n do p t i m i z a t i o no ft h ea n t e n n a i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h e i n i t i a l i z a t i o nc o n t r o lo fm fr c 5 0 0b ym c u ，t h ec o m m u n i c a t i o no fm f r c 5 0 0a n dm i f a r e i c $ 5 0c a r di sr e a l i z e d t h e $ 5 0c a r d sm e m o r ys p a c e i sr e d i s t r i b u t e d ，w h i c hc a r lm a k et h e r e c o r d i n gd a t ar e a c h16 8 k e yw o r d s ：f r e s h k e e p i n gl o g i s t i c s ，r f i d ，r fr e a d e r , e n v i r o n m e n t i n d e x ，g p s p o s i t i o n i n g ，g s mc o m m u n i c a t i o n ，m fr c 5 0 0 1 前言 目录 1 1 课题研究背景1 1 1 1 引言1 1 1 2 研究背景l 1 2 研究内容3 1 2 1 设计目标及拟解决的关键性问题3 1 2 2 系统丌发的应用前景及学术价值3 2 系统总体结构与方案设计 5 2 1r f i d 系统基本理论5 2 1 1r f i d 技术概述5 2 1 2r f i d 系统分类6 2 2 研究对象的选取7 2 3 系统总体结构。7 2 3 1m c u 的选择8 2 3 2 运算放大器的选择8 3 环境指标采集与控制部分设计9 3 1 食品保鲜对环境指标的要求9 3 2 温度的采集9 3 2 1d s l 8 8 2 0 的引脚和内部结构l o 3 2 26 4 位r o m 1l 3 2 3 温度传感器1 l 3 2 4d s l 8 8 2 0 的温度测量1 2 3 2 5d s l 8 8 2 0 的读写1 3 3 3 湿度的采集1 5 3 3 1 湿度及其表示方式1 5 3 3 2 湿度传感器的选择1 6 3 3 3h s u 0 7 型湿度传感器测湿度1 6 3 4 氧气浓度的采集17 3 4 1a l p h a s e n s e 系列氧气传感器l7 3 4 20 2 a 2 型传感器测氧气浓度1 8 3 5m c u 对环境指标的采集1 9 3 5 1a t m e g a 6 4 的a d 转换2 0 3 5 2m c u 对氧气浓度的采集2 l 3 5 3m c u 对湿度的采集2 l 4g p s 定位、g s m 通信监控部分设计 2 3 4 1 采用g p s 定位、g s m 通信监控的必要性一2 3 4 2g p s 定位部分2 3 4 2 1g p s 定位原理2 4 4 2 2g m 8 2 型g p s 模块2 5 4 2 3m c u 对g m 8 2 的控制一2 6 4 3g s m 通信监控部分2 8 4 3 1a t 指令2 8 4 3 2m c u 控制模块收发短消息2 9 5 射频读写器硬件部分设计 3 0 5 1m fr c 5 0 0 简介3 0 5 2m fr c 5 0 0 外围电路设计3l 5 2 1m fr c s 0 0 并行接口类型的选择3 l 5 2 2m fr c 5 0 0 外围电路3 2 5 3 读写器天线设计一3 3 5 3 1r f i d 天线概述3 3 5 3 2 设计思路分析3 4 5 3 3 直接匹配天线的设计3 7 5 - 3 4 天线的调谐4 4 5 4 读写器模块的制作4 5 6 射频读写器软件部分设计 4 7 6 1m fr c 5 0 0 接口类型的初始化4 7 6 2m fr c 5 0 0 关键寄存器设置4 7 6 2 1 页寄存器与寻址方式4 8 6 2 2p r i m a r y s t a t u s 寄存器4 9 6 2 3 中断请求系统与中断控制寄存器一4 9 6 2 4f i f o 缓冲区与相关寄存器5 l 6 3 读写器与卡的通信5 2 6 3 1 射频识别系统中信号的编码和调制5 2 6 3 2 数据传输5 5 6 3 3m fr c 5 0 0 与卡通信5 7 6 4 射频卡存储空间的分配6 0 u 6 5 数据读写实验6 4 7 其它硬件设计 7 1 电源部分的设计6 6 7 2 实时时钟d s13 3 7 设计6 6 7 2 1d s l 3 3 7 的控制寄存器6 7 7 2 2d s13 3 7 的应用6 8 7 3 电源旁路、解耦和稳定性问题6 9 8 结论 9 展望 7 0 l o 参考文献 1 1 攻读硕士学位期间发表论文情况” 1 2 致 射” 附录 7 7 7 8 天津l ： 技人学硕i ：学位论义 1 前言 1 1 课题研究背景 1 1 1 引言 无线射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是二十世纪九十年代 兴起的一项非接触的自动识别技术。其基本原理是利用射频信号和空间耦合( 电感或 电磁耦合) 的传输特性，实现对被识别物体的自动识别【i 】。 射频识别系统一般由两个部分组成，即射频卡( 电子标签、应答器、t a g ) 和读 写器( 读头、阅读器、r e a d e r ) 。在r f i d 的实际应用中，射频卡附着在被识别的物体 上，当带有射频卡的被识别物品通过其可识读范围时，读写器自动以无接触的方式将 卡中的约定识别信息读取出来，从而实现自动识别物品或自动收集物品标志信息的功 能。读写器系统又包括读写器和天线，有的读写器将天线和读写器模块集成在一个设 备单元中1 2 1 。 在传统意义读写器的基础上，本课题所设计的基于m fr c 5 0 0 的集成r f i d 读写 器，是针对食品保鲜物流应用的综合型读写器系统它突破了传统读写器仅用于目标 识别或信息读写的局限，在集成了传感器、g p s 、g s m 模块等外设和控制电路后，可 以为食品保鲜物流提供解决方案，具有了更强大的功能和更广泛的应用空间。 1 1 2 研究背景 r f i d 成功地将射频识别技术和l c 卡技术结合起来，射频读写器能通过无线方式 传输能量和数据，解决了卡内能量来源和非接触信息交换两大难题。r f i d 的特点是 利用无线电波来传送识别信息，不受空问限制，可快速地进行物品追踪和数据交换， 通过对多种状态下( 运动或静止) 的目标( 物体、设备、车辆和人员) 进行非接触式 的信息采集，可对其自动识别和自动化管理。由于r f i d 技术免除了跟踪过程中的人 工干预，节省大量人力的同时可极大提高工作效率，在将读写器嵌入到不同的应用背 景中形成系统后，有着巨大的应用潜力【3 】。 在安全防护领域，使用集成了控制电路和声光报警等外设的集成r f i d 读写器主 要应用有门禁保安、汽车防盗、电子物品监视系统。在智能门禁应用中，集成读写器 由射频读写模块，门禁控制器和r s 4 8 5 通信模块组成系统，与管理计算机相连，可实 现多入口的门禁控制。只有经过授权的射频卡在被授权的有效时段内接受门禁读写器 的识别，读写器上的控制器才向电控门锁发出丌锁指令。每次读卡的信息，无论是否 向电控门锁发出丌锁指令，系统都通过r s 4 8 5 模块传给管理计算机记录备案，方便查 阅人员出入情况【4 1 。 在工业生产领域，将r f i d 技术用于生产线自动化，在生产流水线上的每个工作 点处放置集成了l c d 液品显示和存储器的集成r f i d 读写器系统，可以为用户定制型 产品的复杂生产过程提供简化的解决方案。该类型读写器可以重复读写产品部件上的 射频卡，卡上带有产品所需的所有部件的要求，通过l c d 显示，指导装配工人的工 作。实现自动控制、监视，提高生产率，改进生产方式，节约了成本。 在智能仓库货物管理的应用中，由于货物种类繁多，故无法采用统一的电子标签， 而且在该应用中，处理数据量大，这就对读写器系统的功能有着很高的要求。使用集 成了多频率读写芯片、存储器、u s b 通信模块和声光报警等外设的r f i d 读写器，可 以多次读取不同频率的标签信息并存储，通过u s b 模块一次性向管理计算机输入货 物信息。而且，如果货物被存储在错误的储藏区域时，该类型读写器还可控制声光报 警系统指示仓库管理人员进行货物再分配，有效地解决了与货物流动有关的信息管 理，不但增加了处理货物的速度，还可监视货物的一切信息【5 】。 由于金融电子领域的应用比较复杂，所以对读写器的处理速度、程序存储量、数 据存储容量等的要求也很高，基于单片机的读写器已经不能满足要求，从而出现了基 于a r m 并集成了键盘、l c d 的人机交互界面的读写器系统【6 】【7 1 。例如在目前我国很 多大中城市已经在推行的城市“一卡通”工程中，采用该类型的读写器可以进行卡检 测、票卡读写、退卡控制等功能。通过人机交互界面，还可以使持卡人进行余额查询、 历史交易明细查询等业务。另外，该类型读写器还可以向上层应用程序提供二次软件 开发的平台，已从整体上形成了智能化较高的读写器系统。 r f i d 技术在在医疗上的应用可以用可植入的医用射频读写器来实现【8 j 。例如，青 光眼是因为两眼问的眼压不断增加引起的，而导致患者失明的不仅仅是眼压的绝对 值，更多的是眼压的波动。因此，可将带有电容压力传感器的特制标签植入患者的眼 中，用内置于眼镜上的微型读写器系统来定时检测患者的眼压，并通过信号线与手持 机通信，利于提高医疗保健的品质。 在数据管理与统计领域，如在在多人参赛的运动项目中，运动计时需要同时处理 的数据量大且要求计时精确不能有任何差错，应用集成有无线通信模块的r f i d 读写 器系统进行计时，能同时识别记录大量数据，通过无线通信模块能向数据库提供实时 结果，从根本上消除人工计时带来的偏差。 目i j i ，r f i d 应用最广泛，最有应用价值，发展最快的是在物流和供应链管理领 域中【9 】o 利用r f i d 双向通信非接触的优点，可实现批鼍读取和远程读耿，可实现真 j 下的“一物一码”。 但是在目前的物流应用中，使用最多的还是传统的用于目标识别的r f i d 读写器， 功能单一、应用范围狭窄。在现代物流产品和供应链结构纷繁复杂，经常有较大的地 域跨度和对信息的准确性和及时性要求只益提高的情况下，对r f i d 读写器技术也提 出了更高的要求。尤其在需要追踪产品的生命周期，提供更多、更深入的产品记录的 应用中，将信号采集、数据存储与传输和无线通信等技术集于一身的读写器更具发展 2 天津科技人学顺i ：学位论义 潜力。 本课题就是针对当前国内外低温保鲜运输系统技术发展的趋势和现状，研究并设 计在面向物流产业的低温保鲜系统中的关键设备之一集成r f i d 读写器。 1 2 研究内容 1 2 1 设计目标及拟解决的关键性问题 随着人民生活水平的提高，食品是否安全，关系到每个人的切身利益，因此，食 品安全有着极其重要的地位。其中，水果、蔬菜、肉制品、水产品、蛋制品等因具有 保鲜时限、低单价、体积较重、易折损等特性，它的安全显得尤为重要，此类食品的 保鲜是重要环节。 本课题针对食品保鲜运输而设计的集成r f i d 读写器，以a t m e g a 6 4 为控制核 心，可在食品的物流运输过程中，实时采集食品运输环境的温度、湿度和氧气浓度， 将采集得到的信息记录入射频卡中，反映食品在运输过程中的状态。同时，该读写器 可根据采集到的信息监控食品的存储环境，能根据环境参数的改变做出实时的控制， 如制冷机的开启或关闭等，有效的发挥r f i d 对食品安全跟踪与追溯的作用。同时， g p s 模块的引入可以为物流运输提供定位，g s m 模块的弓i 入可实现数据的无线传输 与远程控制。该读写器系统应用于食品保鲜物流，可以实现运输中食品的温度控制、 环境改良和货品定位的功能，并能根据食品的状态及时做出决策，在食品腐坏变质前 分销，既保证了食品的安全又避免浪费，节省了资源，提高了物流保鲜的效率和可靠 性。 拟解决的关键性问题：单片机外围电路、传感器接口电路及m fr c 5 0 0 外围电路 的设计；环境参数的提取与处理；控制自动发送短消息及定位数据的获取；m fr c 5 0 0 的天线设计及优化；读写器与射频卡通信的控制等。 1 2 2 系统开发的应用前景及学术价值 我国食品的年产量约l o 亿吨，其中5 0 为易腐食品。在5 亿吨易腐食品中，进 入流通的生鲜和冻结食品仅1 0 约5 0 0 0 力吨。许多食品得不到低温贮藏更得不到完 整的冷链保证而腐败变质，尤其是果蔬类食品，大部分在常温下运行，每年腐烂损失 高达2 0 , - - 3 0 ，造成了极大的资源与经济浪费【i o 】。而且，目前我国的消费水平和消 费意识还没有达到要求食品完全保鲜运输的高度，比如人们会认为只要食品没有腐败 就是好的，不会觉得未经过低温贮减的蛋类制品及水果有什么问题，这给人们的健康 埋下了安全隐患。人们的饮食健康，建立在健康饮食上。为了保证健康饮食、提高百 姓的健康品质及节约资源，与食品保鲜相关的每一个细节都需要我们百分之百的重视 e 1 1 o 食品保鲜运输的首要因素是冷链物流。所谓食品冷链( c o l dc h a i n ) 是指易变质的食 品，从产地到到达消费者手中，所经历的加工、贮藏、运输、分销和零售整个过程始 终处于相应的低温环境，达到保证食品质量、确保食用健康、减少损耗和防止污染的 特殊供应系统【1 2 】【1 3 】。引入食品冷链保鲜运输可以在物流环节有效的保证食品的新鲜。 而现阶段我国还缺乏行之有效的冷链物流管理方法，原有的监测技术手段滞后是 最大的技术瓶颈，主要症结有：人工测量和纸面记录；无统一的数据系统支持；实时 性差、监管脱节；无法预警、损失率大等。本课题设计的集成r f i d 读写器，正是食 品冷链保鲜运输在物流环节的应用，可以很好的解决以上问题。该读写器可以在物流 全程对食品的储藏环境进行监控和改善，将环境指标写入射频卡内向消费者反映食品 的新鲜程度，满足“绿色食品消费”需求，同时环境指标信息还带有准确的时间记录， 方便信息追溯。结合g p s 定位和g s m 短消息技术，对即将超过保鲜时效的食品进行 及时的处理与分销，确保了食品的安全与资源的合理利用。 4 天津科技人学烦i ：学位论义 2 系统总体结构与方案设计 2 1r fld 系统基本理论 2 1 1r fid 技术概述 典型的r f i d 系统包含三个部分【1 4 】【1s 】：射频卡( 标签) ：由耦合元件及芯片组成， 卡内含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。读写器：读取( 在读写卡中还可以写 入) 射频卡信息的设备。天线( a n t e n n a ) ：在卡和读写器间传递射频信号。r f i d 系统组 成原理如图2 1 所示。 标签识别通信 图2 - 1 r fi d 系统组成示意图 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i co fr f i ds y s t e mc o m p o n e n t s r f i d 系统的基本工作原理( 无源) 是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信 号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活：射频 卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从卡发送来 的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码，然 后送到后台主系统进行相关处理。射频卡与读写器之间通过耦合元件实现射频信号的 空间( 无接触) 耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换 【n 6 en t o 发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种： ( 1 ) 电感耦合 电感耦合采用变压器模型，通过空f h j 高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应 定律，如图2 2 所示。电感耦合方式一般适用于中、低频工作的近距离射频识别系统， 典型的工作频率有：1 2 5 k h z 、2 2 5 k h z 和1 3 5 6 m h z ，识别距离小于l m ，典型作用 距离为1 0 + 2 0 c m 。 c 2 ) 电磁反向散射耦合 电磁反向散射耦合采用雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同 时携带回目标消息，依据的是电磁波的空间传播规律，如图2 3 所示。电磁反向散射 耦合方式一般适用于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有： 2 系统总体结构j 方案砹汁 4 3 3 m h z 、9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 和5 8 g h z ，识别距离大于l m ，典型作用距离为3 1 0 m 。 图2 - 2 电感耦合 f i g 2 - 2i n d u c t i v e l yc o u p l e d 2 1 2r fid 系统分类 图2 - 3 电磁反向散射耦合 f i g 2 - 3e l e c t r o m a g n e t i cb a c k s c a t t e rc o u p l e d 根据标签的供电形式分为有源系统和无源系统。有源射频标签使用标签内电池的 能量，识别距离较长，可达几十米甚至上百米【博l 。无源射频标签不含电池，利用耦合 的读写器发射的电磁场能量作为自己的能量，它的重量轻、体积小，寿命可以很长， 但它的发射距离受限制，一般是几十厘米到几十米，且需要较大的读写器发射功率【i 引。 根据调制方式的不同可分为主动式、被动式和半主动式。一般来讲，无源系统为 被动式，有源系统为主动式。主动式的射频系统用自身的射频能量主动发送数据给读 写器，调制方式可为调幅、调频或调相。被动式的射频系统，使用调制散射方式发射 数据，它必须利用读写器的载波束调制自己的信号。在有障碍物的情况下，采用调制 散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频标签发射的信 号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作的射频标签主要用于障碍物的应用中，距离 更远。 根据标签的工作频率可以分为低频、高频及甚高频和微波系统1 2 们。读头发送无线 信号时所使用的频率被称为r f i d 系统的工作频率，基本的频率划分如图2 4 所示， 可以划分为：低频( 3 0 3 0 0 k h z ) 、高频( 3 3 0 m h z ) 和甚高频( 8 6 0 m h z 9 6 0 m h z ) 以及微波 ( 2 4 5 g h 以上) 。低频系统一般工作在1 0 0 5 0 0 k h z ，常见的工作频率有1 2 5 k h z 、 1 3 4 2 k h z ：高频系统工作在1 0 1 5 m h z 左右，常见的高频工作频率为1 3 5 6 m h z ；甚 高频工作频率为8 6 0 9 6 0 m h z ，常见的工作频率为9 1 5 m h z ；微波工作在2 4 5 g h z 的 微波频段。低频系统用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、动物监管、 货物跟踪；高频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用；甚高频系统应用于需要 较长的读写距离和较高的读写速度的场合，如火车监控、高速公路收费系统。 6 天津科技人学硕i ：学位论文 l o o k h z1m h z1 0 m h z1 0 0 m h zi g h zl o g h z 酽二鞲，7 7t ” 蜜 嬲嬲黟秒”戮即一哪甲 岬r 叩鄹鼍月f ”j 瓣丐”甲秽o z 叶7 越觏纛一。哆 y h f u h f _ 缸h o 五垃山缸盖t 趟 蠡菇_ 矗赢五。盔瞳抵d 时叠妊k u 一 & 磁t l 盛。一7 ，! 龇i l ， 廿 o 2 4 5 j h z 置i g 日 低频高频甚高频 图2 - 4r f l d 系统的工作频率划分 f i g 2 - 4f r e q u e n c yo f r f i d 根据射频标签内部使用存储器类型的不同可分为三种：可读写卡( r w ) 、一次写 入多次读出卡( w o i w ) 和只读卡( r o ) 。 2 2 研究对象的选取 本课题选取p h i l i p s 公司的m fr c 5 0 0 芯片设计制作读写器。该读写器为采用电感 耦合的高频( 1 3 5 6 m h z ) 读写器。这样选择的原因为：使用该频率的射频卡不再需要 线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线，利于采用已有的射频卡产品 进行研究【2 。读写器一般通过负载调制的方式进行工作，也就是通过射频卡上的负载 电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现卡对天线感应电压进行振 幅调制。如果通过数据控制负载电阻的接通和断开，就可以实现读写器与卡的通信。 该频率下读写器还具有一系列优良特性，如：除了金属材料外，该频率的波长可 以穿过大多数的材料；该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制；能够产生相对均 匀的读写区域；具有防冲撞特性，可以同时读取多个射频卡；可以将大量的数据信息 写入卡中；数据传输速率较快，价格合理。 综上所述，针对本课题在食品保鲜物流中的应用这一具体的研究背景，选择m f r c 5 0 0 为研究对象设计集成式r f i d 读写器具有易实现、可靠性高、低成本的特点。 2 3 系统总体结构 基于m fr c 5 0 0 的r f i d 集成式射频读写器的组成如图2 5 所示。 。_ - 1 。 r j ，f 能景f一1 频 f ，天线4 m f l 卡i 1 7 r c 5 0 0 ；： m c u l i 一数据v l l 一温度、湿度、氧气l 厂_ | 浓度传感器 乍一一二二i 9 p ! 鉴垫j 仁二玎- - g s m 模块一：一- 、l j 匝堑塑 图2 - 5 基于肝r c 5 0 0 的集成r f i d 读写器系统组成框图 f i g 2 5c o m p o n e n t so ft h ei n t e g r a t e dr f i dr e a d e rb a s e do nm fr c 5 0 0 7 2 系统总体结构o j 方案没汁 选用d s18 8 2 0 、h s u 0 7 和0 2 a 2 型传感器构成环境指标采集部分，通过m c u 的控制分别采集温度、湿度和氧气浓度。由g m 8 2 和q 2 4 0 3 a 模块构成g p s 定位、 g s m 无线通信监控部分，在m c u 的控制下完成定位信息的提取和g s m 短消息的收 发。m c u 与m fr c 5 0 0 构成狭义的射频读写器部分，m fr c 5 0 0 与射频卡通过天线进 行能量和数据的传输，在本文中是从硬件设计和软件实现两部分进行介绍的。其他外 设部分包括电源设计、实时时钟等。本文将在以后各章中对每一部分的设计进行详细 论述。 2 3 1m c u 的选择 选用a v r 单片机a t m e g a 6 4 作为主控制器【2 2 1 。a t m e g a 6 4 是带6 4 k 字节 f l a s h 的在 线可编程8 位微控制器，是a v r 单片机的高档系列。它是基于a v rr i s c 结构的低功耗 c m o s8 位单片机，通过在一个时钟周期内执行一条命令，a t m e g a 6 4 i 作于1 6 m h z 时性能高达1 6 m i p s ，从而使得设计人员可以在功耗和执行速度之间取得平衡。a v r 核将3 2 个工作寄存器和丰富的命令集联结在一起，所有的工作寄存器都与a l u 算术逻 辑单元直接相连，允许在一个时钟周期内执行的单条命令同时访问两个独立的寄存 器。这种结构提高了代码效率，使a v r 得到了比普通c i s c 单片机高将近1 0 倍的性能。 a t m e g a 6 4 有如下特点：6 4 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有同时读写的能力，即 r w w ) ，4 k 字节e e p r o m ，2 k 字节s r a m ，多达6 4 k 字节的优化的外部存储器空间， 5 3 个可编程i o e i ，3 2 个通用工作寄存器，只需两个时钟周期的硬件乘法器，对于信 号处理较其他处理器有较大优势。支持片内调试与编程，两个具有独立预分频器和比 较器功能的8 位定时器计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的1 6 位定时 器计数器，具有独立预分频器的实时时钟计数器。两路8 位p w m ，6 路分辨率可编程 ( 2 到1 6 位) 的p w m ，8 路l o 位a d c ，面向字节的两线接口，两个可编程的串行u s a r t ， 可工作于主机从机模式的s p i 串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时 器，片内模拟比较器，6 种睡眠模式：空闲模式、a d c 噪声抑制模式、省电模式、掉 电模式、s t 锄d b y 模式以及扩展的s t a n d b y 模式l 乃j 。 2 3 2 运算放大器的选择 l f 3 5 3 是一款低功耗、高速双j e f r r 且内部自带输入偏置电压调整电路的高性能运 算放大器f 2 4 1 。输入阻抗1 0 垃q ，工作电流仅为3 6 m a ，输入偏置电流仅为5 0 p a ，但具 有4 m h z 的频带，非常适合本课题的应用。 8 天津科技人学硕l ：学位论义 3 环境指标采集与控制部分设计 3 1 食品保鲜对环境指标的要求 生鲜食品保鲜物流是指农副产品在加工、储存、运输、销售等各个环节中，保持 其恒定的温度，这样既保证品质新鲜，又可延长保鲜期，它们大多以托盘包装的形式 出现在市场上，生鲜食品冷链保鲜物流工程是一场食品行业中的革命【2 5 1 。其中，冷藏 食品相对于一般的食品来讲，品质更易发生变化，对于保鲜的要求更高。这些特征决 定了对于冷藏食品的物流过程，必须是一个完整的冷藏链条f 2 6 】【2 7 1 。不同的食品在这个 链条中对温度、湿度、储存期都有不同的要求，如表3 1 所示，它是保证生鲜食品质 量的关键因素。 表3 - 1 各类食品的贮藏条件 t a b l e3 - 1f o o ds t o r a g ec o n d i t i o n s 因此，在食品的物流过程中，要对食品贮藏环境的温度、湿度及氧气浓度进行实 时的监控。在本课题中，采用一系列的传感器来实现这一要求。 3 2 温度的采集 本课题选用具有“一线技术 d a l l a s 公司生产的数字温度传感器d s 18 8 2 0 2 3 】 用于温度的测量。它的特点如下： ( 1 ) 采用单总线的接1 2 1 方式： “单线总线”具有经济性好、抗干扰能力强和使用方便等优点，适合应用在便携 式低功耗场合中，本课题选用的器件，从微控制器到各种器件都是具有低功耗小体积 的特点，各种资源的合理分配影响到整个终端的性能，该温度传感器的“一线 接口 所具备的特点适合本课题，微控制器的任一普通i o 口即可对其编程、采集温度。 ( 2 ) 测量温度范围宽，测量精度高： d s l 8 8 2 0 的测量温度范围为5 5 至1 j + 1 2 5 ；在1 0 n + 8 5 范围内，测量精度 为士0 5 ，完全能够满足环境温度的测量范围与精度要求。 ( 3 ) 供电方式灵活： 9 3 环境指标采集o j 控制部分设汁 d s l 8 8 2 0 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此当数据线上的时序满 足一定要求时，可以不接外部电源，对于本课题低功耗设计提供了理想的解决方案。 ( 4 ) 测量参数可配置： d s l 8 8 2 0 的测量分辨率可通过程序设定为9 1 2 位，可以根据不同的需求方便地 通过程序来改变测量精度