【正文】 基于NRF2401的RFID讀卡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要 射頻識(shí)別(RFID，Radio Frequency Identification)技術(shù)是一種利用無(wú)線射頻通信實(shí)現(xiàn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。與目前廣泛采用的條形碼技術(shù)相比，RFID 具有容量大、識(shí)別距離遠(yuǎn)、識(shí)別速度快、穿透能力強(qiáng)、可多卡識(shí)別、抗污性強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來(lái)越來(lái)越受到業(yè)界人士的廣泛關(guān)注。 本文首先介紹了射頻識(shí)別技術(shù)的基本工作原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的RFID系統(tǒng)，包括讀卡器和有源標(biāo)簽兩部分，可以適用于停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛管理等場(chǎng)合。本系統(tǒng)采用無(wú)線收發(fā)一體芯片NRF2401（讀卡器用）和NRF24e1（標(biāo)簽用），～。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩部分，標(biāo)簽設(shè)計(jì)為有源式，可主動(dòng)發(fā)送向讀卡器發(fā)送標(biāo)簽內(nèi)帶有的信息；讀卡器接收到相關(guān)信息后，由MCU芯片控制，通過(guò)串口將有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)PC機(jī)內(nèi)，進(jìn)行相關(guān)處理。關(guān)鍵詞射頻識(shí)別 讀卡器 有源標(biāo)簽 NRF2401/24e1 RS232 AT89S52正文 課題背景 RFID技術(shù)概述在我們的現(xiàn)實(shí)生活中，各種各樣的活動(dòng)或事件都會(huì)產(chǎn)生這樣或那樣的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括人、物質(zhì)、財(cái)務(wù)的數(shù)據(jù)，也包括采購(gòu)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的采集與分析對(duì)于我們的生產(chǎn)或者生活決策來(lái)說(shuō)十分重要。如果沒(méi)有這些實(shí)際的數(shù)據(jù)支持，生產(chǎn)和決策將成為一句空話，將缺乏現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。在信息系統(tǒng)早期，相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)的處理都是通過(guò)人工手工錄入的，這樣不僅數(shù)據(jù)量十分龐大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且數(shù)據(jù)誤碼率較高，也失去了實(shí)時(shí)的意義了。為了解決這些問(wèn)題，人們需要研究和發(fā)展了各種各樣的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)（automatic identification system, AIS），將人們從繁重且十分不精確的手工勞動(dòng)中解放出來(lái)，提高了系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，從而為生產(chǎn)的實(shí)時(shí)調(diào)整、財(cái)務(wù)的及時(shí)總結(jié)以及決策的正確制定提供了正確的參考依據(jù)。在計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集是信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的分析和過(guò)濾，最終成為影響我們決策的信息。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)就是應(yīng)用一定的識(shí)別裝置，通過(guò)被識(shí)別物品和識(shí)別裝置之間的接近活動(dòng)，自動(dòng)地獲取被識(shí)別物品的相關(guān)信息，并提供給后臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做后續(xù)處理的一種技術(shù)。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)技術(shù)，它是信息數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)輸入到計(jì)算機(jī)的重要方法和手段?？梢赃@么說(shuō)，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是一種高度自動(dòng)化的信息和數(shù)據(jù)采集技術(shù)。自動(dòng)識(shí)別技術(shù)近幾十年來(lái)在全球范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展，初步形成了一個(gè)包括條碼技術(shù)、磁卡磁條技術(shù)、IC 卡技術(shù)、光學(xué)字符識(shí)別技術(shù)、射頻技術(shù)、聲音識(shí)別及視頻識(shí)別等集計(jì)算機(jī)、光、磁、物理、機(jī)電、通信技術(shù)為一體的高新技術(shù)學(xué)科。其中，射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification簡(jiǎn)稱RFID)技術(shù)是 90 年代興起的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。RFID標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間進(jìn)行無(wú)線通信的頻段的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)達(dá) 5 種之多，分別是135KHz以下、860 MHz911 MHz（UHF）、 。五者各具特色也都有缺陷，前兩者使用最廣，但通信速度較慢，傳輸距離也不夠長(zhǎng)，而后三者頻段高，耗電量也大。目前RFID存在兩個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)陣營(yíng)，一個(gè)是歐美的EPC標(biāo)準(zhǔn)，其RFID采用的是UHF頻段，如 902MHz~928MHz，側(cè)重于物流管理、庫(kù)存管理等；另一個(gè)是日本的UID標(biāo)準(zhǔn)，采用的頻段為 ，可用于庫(kù)存管理、信息發(fā)送與接收以及產(chǎn)品和零部件的跟蹤管理等。本課題研究的內(nèi)容為 ，其讀寫(xiě)距離較遠(yuǎn)，非常適合用于倉(cāng)儲(chǔ)物流與供應(yīng)管理，以及車(chē)庫(kù)車(chē)輛管理等等。由于射頻標(biāo)簽的讀取依靠輻射電磁場(chǎng)而不是依靠可見(jiàn)光，這就克服了條碼技術(shù)由于惡劣天氣環(huán)境、條碼污損等限制帶來(lái)的識(shí)別難，甚至不能識(shí)別的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)的目的。又由于不用近距離接觸，甚至閱讀距離可以長(zhǎng)達(dá)近百米，而且電子標(biāo)簽可以粘附在任何動(dòng)態(tài)目標(biāo)上，只要運(yùn)動(dòng)速度在讀寫(xiě)器識(shí)別速度限制之內(nèi)，就可以遠(yuǎn)距離讀取運(yùn)動(dòng)物品標(biāo)簽上的信息。射頻識(shí)別系統(tǒng)從狹義的角度說(shuō)，由兩個(gè)部分組成，即電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器。廣義的射頻識(shí)別系統(tǒng)還應(yīng)該包括實(shí)際應(yīng)用中的后臺(tái)軟硬件，甚至包括所構(gòu)建的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際的應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別的物品上，當(dāng)附著有電子標(biāo)簽的待識(shí)別物品通過(guò)讀寫(xiě)器可識(shí)讀范圍時(shí)，讀寫(xiě)器會(huì)以無(wú)接觸的方式自動(dòng)將電子標(biāo)簽中的約定識(shí)別信息取出，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別物品或者自動(dòng)收集物品標(biāo)識(shí)信息的功能。電子標(biāo)簽是射頻識(shí)別系統(tǒng)真正的數(shù)據(jù)載體，讀寫(xiě)器是射頻識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)保證。 基本工作原理射頻識(shí)別系統(tǒng)的基本模型如圖 11 所示。其中，電子標(biāo)簽又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器、數(shù)據(jù)載體；閱讀器又稱為讀卡器、掃描器、讀頭、讀寫(xiě)器。電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過(guò)耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間（無(wú)接觸）耦合；在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換。圖11 射頻識(shí)別系統(tǒng) 由圖 11 可以看出，在射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作過(guò)程中，應(yīng)答器與閱讀器之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)空氣介質(zhì)以無(wú)線電波的形式進(jìn)行的。一般地，可以利用兩個(gè)參數(shù)衡量數(shù)據(jù)在空氣介質(zhì)中傳播，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蛿?shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。由于應(yīng)答器的體積、電能有限，從應(yīng)答器發(fā)出的無(wú)線信號(hào)很弱，因而信號(hào)傳輸?shù)乃俣扰c傳輸?shù)木嚯x就很有限。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離、高速度傳輸，必須把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)疊加在一個(gè)規(guī)則變化、信號(hào)比較強(qiáng)的電波上，這個(gè)過(guò)程就是調(diào)制，規(guī)則變化的電波即載波。在 RFID 系統(tǒng)中，載波一般由閱讀器發(fā)出并進(jìn)行調(diào)制，而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)制也有許多方法，如用數(shù)據(jù)信息改變載波的波幅即調(diào)幅、改變載波的頻率即調(diào)頻、改變載波的相位即調(diào)相。射頻識(shí)別系統(tǒng)一般采用調(diào)幅或調(diào)頻方式。 實(shí)際應(yīng)用中，RFID 標(biāo)簽除了具有數(shù)據(jù)存貯量、數(shù)據(jù)傳輸速率、工作頻率、多標(biāo)簽識(shí)讀特征等電學(xué)參數(shù)之外，還根據(jù)其內(nèi)部是否需要加裝電池及電池供電的作用而將電子標(biāo)簽分為無(wú)源標(biāo)簽(passive)、半無(wú)源標(biāo)簽(semipassive)和有源標(biāo)簽(active)三種類型。無(wú)源標(biāo)簽沒(méi)有內(nèi)裝電池，在閱讀器的閱讀范圍之外時(shí)，標(biāo)簽處于無(wú)源狀態(tài)，在閱讀器的閱讀范圍之內(nèi)時(shí)標(biāo)簽從閱讀器發(fā)出的射頻能量中提取其工作所需的電能。半無(wú)源標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，但電池僅對(duì)標(biāo)簽內(nèi)要求供電維持?jǐn)?shù)據(jù)的電路或標(biāo)簽芯片工作所需的電壓作輔助支持，標(biāo)簽電路本身耗電很少。標(biāo)簽未進(jìn)入工作狀態(tài)前，一直處于休眠狀態(tài)，相當(dāng)于無(wú)源標(biāo)簽。標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的閱讀范圍時(shí)，受到閱讀器發(fā)出的射頻能量的激勵(lì)，進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，用于傳輸通信的射頻能量與無(wú)源標(biāo)簽一樣源自閱讀器。有源標(biāo)簽的工作電源完全由內(nèi)部電池供給，同時(shí)標(biāo)簽電池的能量供應(yīng)也部分地轉(zhuǎn)換為標(biāo)簽與閱讀器通信所需的射頻能量。射頻識(shí)別系統(tǒng)的另一主要性能指標(biāo)是閱讀距離，也稱為作用距離，它表示在最遠(yuǎn)距離上，閱讀器能夠可靠地與電子標(biāo)簽交換信息，即閱讀器能讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)。實(shí)際系統(tǒng)這一指標(biāo)相差很大，取決于標(biāo)簽及閱讀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、成本的要求、應(yīng)用的需求等，范圍從 0～100m 左右。典型的情況是，在低頻 125kHz、作用距離在 10～30cm 左右，個(gè)別有到 的系統(tǒng)。在高頻 UHF 頻段，無(wú)源標(biāo)簽的作用距離可達(dá)到 3～10m。更高頻段的系統(tǒng)一般均采用有源標(biāo)簽。采用有源標(biāo)簽的系統(tǒng)，其作用距離一般可以達(dá)到 30~200m 左右。 應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展 RFID技術(shù)的應(yīng)用范疇可分為四類：商品電子防盜系統(tǒng)EAS（Electronic Article Surveillance）、移動(dòng)數(shù)據(jù)采集（Portable data capture）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Networked systems）、定位系統(tǒng)（Positioning systems）。 商品電子防盜系統(tǒng)已經(jīng)不是一個(gè)陌生的名詞了，現(xiàn)在的各大超市和零售店中都可以看到。早期的 EAS 主要應(yīng)用于防止貴重物品被盜，將射頻電子標(biāo)簽附在貴重商品上，讀卡器定時(shí)監(jiān)測(cè)該物品是否在商店內(nèi)，一旦監(jiān)測(cè)到物品在射頻電子標(biāo)簽未被使無(wú)效之前離開(kāi)了商店，便會(huì)發(fā)出警鐘。而現(xiàn)在，EAS 已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種個(gè)樣的商品中。 比如說(shuō)，在一種移動(dòng)設(shè)備上安裝感應(yīng)器，可感應(yīng)周?chē)h(huán)境的溫度、濕度、亮度或某種移動(dòng)速度，這些數(shù)據(jù)均會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)