基于UHF RFID的物联网前端读写器设计.doc

基于UHF RFID的物联网前端读写器设计*杨学敏，曾煜，熊东（重庆大学通信工程学院，重庆 400030）联系作者：摘要：基于物联网前端感知系统中的一种热门技术UHF RFID（超高频射频识别），提出了一种新的读写器系统设计方案。首先给出了UHF RFID系统的工作原理，然后分别从系统硬件和软件部分进行了详细阐述，最后分析了系统测试结果。其中重点描述了主控制器外围电路，UHF读写模块电路设计，以及系统的软件流程。测试结果证明该设计可实现，支持EPC GEN2和ISO/IEC 18000-6A/6B协议，具有结构简单、体积小、功耗低的优点，并且读写距离能达到6m，满足实际应用的需要。关键词：超高频射频识别；物联网；读写器；AS3992；电路Design of The Front-End Interrogator of Internet of Things Based on UHF RFIDYANG Xue-min,ZENG Yu,XIONG Dong（College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030）Abstract: Propose an interrogator system design scheme based on UHF RFID (UHF radio frequency identification), which is a popular technology in the front-end apperceiving system of internet of things. Firstly, the working principle of the UHF RFID system is given. And then, elaborate the hardware and software of the system, respectively. At last, the system test results is analysed. In which it focuses on the main controller peripheral circuit, the design of UHF interrogating module circuit, and the software flow of the system. The results show that the design can be realized, support the protocol of EPC GEN2 and ISO/IEC 18000-6A /6B. The system has the advantages of simple structure, small size, low power consumption, and the working distance can reach 6meters, which can meet the needs of practical application.Keword: UHF RFID;internet of things;interrogator;AS3992;circuit中图分类号：TN710 文献标识码：A0 引言近几年RFID技术得到了国内外的广泛关注，尤其是物联网概念的再次提出，将RFID技术推向了高潮1。物联网是在计算机互联网的基础上利用RFID无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的网络。在这个网络中，每个物品均被赋予唯一的ID，这个ID是存储在和物品绑定的电子标签中，它们能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用RFID技术通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享2。因此RFID技术在物联网感知前端中起到重要的技术支撑作用。*基金项目： 中央高校基本科研业务费（CDJZR10160008;CDJRC11160002）基于RFID的产品被广泛应用于在高速公路收费、公共交通、动植物电子标志、食品、药品、邮件实时状态跟踪以及物流等领域，这些应用不但提高了各个领域的管理效率和实施速度，还改善了人们的生活3。同时，这些RFID技术的应用带动了一个巨大的新兴产业，使得越来越多的企业都投入到RFID的技术开发和软硬件生产中来。因此，对基于UHF RFID的物联网前端读写器的研究是非常有必要的，本文提出了一种结构简单、体积小、功耗低的读写器设计方案，能可靠地完成对目标ID的识别。 1 UHF RFID系统的工作原理UHF RFID系统工作是通过反向散射耦合方式来进行信息交换和能量传递4。读写器天线发射的电磁波能量一部分被目标吸收，目标吸收后，获得能量并发送出目标存储的信息；另一部分则从不同方向，并且以不同强度被散射。在散射的这部分能量中，有小部分反射回读写器天线，这样，读写器对接收到的数据信号进行处理，识别目标5。2 系统硬件设计基于UHF RFID的物联网前端读写器的硬件结构是由主控制器及外围电路，UHF读写模块，标签和天线构成。其中，外围电路包括上位机通信模块，电源模块和显示模块。而主控制器和UHF读写模块的电路设计是整个硬件系统的核心。图1为系统硬件结构框图。图1系统硬件结构框图Fig1 The hardware block diagram of the system2.1 主控制器及外围电路主控制器采用的是Winbond公司的W77E58F芯片,它是一款8位处理器，最高可达40MHz时钟，4机器周期的指令执行速度，指令和管脚与标准8051完全兼容，含有12级中断，两个增强型双工串口，内部集成上电复位电路，可编程看门狗，具有价格低、速度快、功能强、外部数据访问周期可编程等优点6。其外围电路包括：单片机最小系统，复位电路，开关上电发光电路，电源模块，上位机通信模块和LCD显示模块。如图2所示，主控制器的P1口与UHF读写模块的I00:7相连，是复用的数据和地址总线。LCD显示模块的功能是当有目标进入工作范围时，将目标ID进行实时显示；当无目标时进入工作范围时，显示日期和当前时间。上位机通信模块是采用MAX232进行电平转换后通过TX和RX进行双工串口通信，将目标信息上传给上位机。图2 主控制器及外围电路图Fig 2 The schematic diagram of MCU电源模块采用的是LM317集成三端稳压芯片对所有器件进行5V和3.3V供电。2.2 UHF读写模块电路 本系统的UHF读写芯片采用的是奥地利微系统公司的AS3992芯片，它内部集成了VCO和PLL，因此能够在860960MHz工作，还整合了一个集成模拟前端，配备了可编程的DRM过滤器、预失真和灵敏度高的接收器，而且能够采用极低的电量来工作，而不会影响性能。它还同时支持EPC GEN2和ISO/IEC 18000-6A/6B协议7。射频芯片AS3992内部集成了20dBm的功率放大器，为了获得更大的工作范围，本文采用低功率线性模式，外部加功率放大器SPA2811.从图3可以看出，AS3992的输出管脚为RFONX和RFOPX。输出有50的阻抗，因此需要外接匹配电路和去耦合电容，以及平衡器。图3 UHF读写模块电路图Fig3 The schematic diagram of UHF reader moduleEN是使能管脚，当EN为低时，芯片进入掉电状态，CLSYS为60kHz；当EN为高时，芯片进入正常工作状态，CLSYS被激活为5MHz（默认情况下）。IRQ为中断管脚，当有中断产生时，IRQ将给出一个脉冲通知主控制器。在并行接口通信模式中，当CLK为高，IO7为上升沿时，数据开始通信；当CLK为低，IO7连续下降沿时，通信结束。3 系统软件设计如图4所示，本系统软件设计的流程为：1)主控制器复位初始化， UHF读写模块的寄存器初始化，主要包括协议配置、AS3992系统时钟、锁相环、编码方式和信号调制方式等；2)与上位机进行通信，主控制器通过串口接收上位机命令，寻找目标；3)当有多个目标时，运行防碰撞算法，分别读取目标ID；4)显示所读取的目标ID；5)对目标执行相应的操作和控制。其中在主控制器和读写模块进行通信时，应当先写入地址，后写入命令或数据。图4 系统软件流程图Fig4 System softwoare flowchart4 实验结果本文对所设计的系统进行了PCB板制作，并焊接成实际硬件系统，将软件烧写进单片机后，进行了实际的验证。主要包括通信距离的性能测试，测试环境为开阔的场地（天线功率为8dBi），测试仪器包括读写器系统、笔记本电脑和串口线，测试距离为0.5m7m，实验标签数为100，通过观察电脑上显示的数据，记录下了读写操作的成功率，如表1所示。很明显地看出，随着测试距离的加大，读写器的读写成功率不断减小，尤其是到6m的时候，读写成功率仅达到60%。还可以看出读操作的成功率要比写操作的成功率高，造成这种情况的原因与标签天线和读写器天线的特性有关。该实验结果满足实际应用的要求。表1不同距离时的读写成功数（单位：m）Table1 The success number of reading or writing in different distance通信距离0.533 4455667读操作成功数100100877341写操作成功数10092716221 当系统上电后，首先进入掉电状态，此时EN为低，通过LeCroy WaveSurfer示波器测量CLSYS脚，其频率为60kHz，如图5所示。图5 EN为低时，CLSYS的波形图Fig5 Waveform of CLSYS, when EN is low 图6 距离读写器天线5m处的频谱图Fig6 The frequency spectrogram，when the distance between the antenna of reader and the spectrum analyzer is 5m系统还可通过配置AS3992的PLL R, A/B 除法器主寄存器，使得读写器工作频率在860960MHz可调。本系统中对该寄存器配置为0X40D84F，其工作频率为867MHz。图6是在距离读写器天线5m处，通过频谱仪获得的频谱图，可见系统工作正常。5 结论通过实验结果可知，该系统符合EPC GEN2和ISO/IEC 18000-6A/6B协议，能够通过串口实时的将目标信息发送给上位机，稍作改进即可应用于食品、药品、物流等领域，对物联网前端感知系统的研究和发展具有重大的意义。参考文献1 耿小川.谈RFID技术在物联网中的应用前景EB/OL.2010-07-18. /news/zgzljsjd/339941.html.2 刘勇,候荣旭.浅谈物联网的感知层.电脑学习J.2010.（1）：55-62.3刘国海.引领物联网时代的先锋RFIDEB/OL.2010-11-26./news/cjxw/201011/t3318216.htm.4KlausFinkenzelIer.射频识别技术，M.吴晓峰，陈大才，译.第三版.北京：电子工业出版社，2006.5单承赣，单玉峰，姚磊.射频识别原理与应用，M.北京：电子工业出版社，2008.6 Winbond electronics corp. W77E58数据手册EB/OL.Winbond electronics corp,1999-7月-10日./pdf/69555_WINBOND_W77E58.pdf.7A