【導讀】射頻識別技術，即利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術，是從20世紀80年代發(fā)展起來的一項自動識別技術，是無線電技術在自動識別領域中的具體運用。近年來，RFID技術的研究和應用在世界范圍內(nèi)得到了快速發(fā)展。本設計采用了Nordic公司最新的低功耗無線射頻收發(fā)芯片nRF24LE1，該芯片在一個極小封裝、增強型51高速單片機、豐富的外設接口SOC芯片，性價比高，。本文的主要研究工作基于RFID技術的倉庫管理系統(tǒng)的硬件部分的具體設計以及軟件部分的簡要介紹。系統(tǒng)的硬件電路主要分為電源、電子標簽電路、閱讀器電路、串口轉(zhuǎn)換電路。該硬件系統(tǒng)在室內(nèi)的傳輸距離可達30～40米，室外的傳輸距離可達100～200米。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷成熟和發(fā)展，RFID人員檢測在物聯(lián)網(wǎng)中的應用會有一個更好的前景并不斷得到體現(xiàn)。本課題通過對RFID閱讀器和標簽的深入研究，尋求研制出性能和價格上都比較好的產(chǎn)品，并可以很方便的和物聯(lián)網(wǎng)相融合。

　　

【正文】 10 標簽電路圖該倉庫管理系統(tǒng)所研究的標簽為有源電子標簽，芯片選用的是nRF24LE1無線射頻收發(fā)芯片。讀寫器(閱讀器)上電復位后，首先對各功能模塊進行初始化，然后發(fā)出詢卡/應答的指令。當標簽芯片位于讀寫器(閱讀器)的有效工作范圍之外，標簽芯片處于無電狀態(tài)， 不能進行任何操作。當其進入讀寫器(閱讀器)的有效工作范圍，標簽芯片上電復位，進入等待狀態(tài)，在此狀態(tài)下，標簽芯片可以正確接收和響應讀寫器(閱讀器)所發(fā)送的詢卡/應答指令，并進行相互認證。如果在從尋卡/應答認證過程中發(fā)生錯誤，讀寫操作將不能進行。相互認證通過之后，讀寫器向電子標簽發(fā)出讀、寫、增加、減少、恢復、傳輸、停止等指令。電子標簽一方面將讀寫器的指令接受、識別，另一方面對當前的工作狀態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)滿足指令執(zhí)行的條件，就經(jīng)過指令譯碼，執(zhí)行讀寫器指定的操作，并返回相應的處理結果，并將工作狀態(tài)返回至初始狀態(tài)。如果電子標簽發(fā)現(xiàn)指令不滿足執(zhí)行條件，電子標簽將向讀寫器發(fā)出錯誤的信息，并將工作狀態(tài)返回至初始狀態(tài)。讀寫器要再對該卡進行操作，只有從發(fā)送詢卡/應答指令開始，直到所有的步驟滿足條件并執(zhí)行為止。讀寫器與電子標簽之間的通信主要包括如下內(nèi)容：(1)復位應答：標簽的通信協(xié)議和通信的波特率是定義好的，通過這兩項內(nèi)容，讀寫器與標簽相互驗證，當標簽進入讀寫器的操作范圍時，讀寫器以特定的協(xié)議與它通信，從而確定卡片的類型。(2)防沖突閉合機制：當有多張卡在讀寫器的操作范圍內(nèi)時，防沖突閉合電路首先從眾多卡中選擇其中的一張作為下一步處理的對象，而未選中的卡則處于空閑模式以等待下一次被選擇，該過程返回一個被選中的卡的序列號。(3)選擇卡片：選擇被選中的卡的序列號。(4)相互確認：讀寫器與卡片相互認證，然后進行通訊。(5)指令操作：相互確認后可以進行讀，寫，加，減，傳輸，存儲，暫停操作。ISO/IEC15693協(xié)議簡介目前，按照作用距離分類，供非接觸式卡采用的標準主要有三種，ISO/IEC10536（Closecoupledcards）、ISO/IEC14443（Proximity cards）和ISO/IEC15693（Vicinitycards）。由于電子標簽的作用距離較遠，所以采用標準ISO/IEC15693。在通信過程中，讀寫設備作為源端發(fā)射電磁波產(chǎn)生能量場，當標簽進入該電磁場，由于耦合效應在標簽上會感應出電壓，ISO/IEC15693規(guī)定該電磁場的頻率為：fc=177。7KHz，并要求磁場強度H在(150mA/mrms，5A/mrms)之間。讀寫器到標簽的通信：(1)調(diào)制：閱讀器與標簽之間的通信的調(diào)制法則是ASK(振幅鍵控)，有100% 振幅調(diào)制和10%振幅調(diào)制兩種，用哪種調(diào)制方法由閱讀器決定，所以與之對應，標簽就應該有兩種解調(diào)方式。(2)數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)解碼：數(shù)據(jù)解碼采用的是PPM(脈沖位置調(diào)制)。標簽應該支持兩種解碼方式：1/4解碼和1/256解碼。選用哪種編碼方式由閱讀器發(fā)出的請求幀的幀頭決定。標簽到讀寫器的通信：(1)載波：標簽應該支持兩種載波方式即單載波和雙載波，而使用哪種載波方式由閱讀器決定。使用單載波時，載波頻率fs1為fc/32()。使用雙載波時，載波頻率fs1為fc/32()，fs2為fc/28()。(2)數(shù)據(jù)傳輸速率：數(shù)據(jù)傳輸率有低速和高速兩種模式，低速模式適合長距離傳輸，高速模式適合短距離傳輸。 標簽應該支持這兩種速率方式，而使用哪種數(shù)據(jù)傳輸速率由閱讀器決定。(fc /2048)，(fc/2032)。高速模式的數(shù)據(jù)傳輸率是低速模式的四倍。(3)數(shù)據(jù)編碼：數(shù)據(jù)編碼采用曼切斯特編碼。圖311 標簽工作流程讀寫器也稱閱讀器、詢問器（reader，interrogator），是對RFID標簽進行讀/寫操作的設備，主要包括射頻模塊和數(shù)字信號處理單元兩部分。讀寫器是RFID系統(tǒng)中最重要的基礎設施，一方面，RFID標簽返回的微弱電磁信號通過天線進入讀寫器的射頻模塊中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過讀寫器的數(shù)字信號處理單元對其進行必要的加工整形，最后從中解調(diào)出返回的信息，完成對RFID標簽的識別或讀/寫操作；另一方面，上層中間件及應用軟件與讀寫器進行交互，實現(xiàn)操作指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)匯總上傳。在上傳數(shù)據(jù)時，讀寫器會對RFID標簽原子事件進行去重過濾或簡單的條件過濾，將其加工為讀寫器事件后再上傳，以減少與中間件及應用軟件之間數(shù)據(jù)交換的流量，因此在很多讀寫器中還集成了微處理器和嵌入式系統(tǒng)，實現(xiàn)一部分中間件的功能，如信號狀態(tài)控制、奇偶位錯誤校驗與修正等。未來的讀寫器呈現(xiàn)出智能化、小型化和集成化趨勢，還將具備更加強大的前端控制功能，例如直接與工業(yè)現(xiàn)場的其它設備進行交互甚至是作為控制器進行在線調(diào)度。在物聯(lián)網(wǎng)中，讀寫器將成為同時具有通訊、控制和計算（munication，control，puting）功能的核心設備。圖312 閱讀器電路圖讀寫器是RFID系統(tǒng)中的基本單元。讀寫器主要包括基帶模塊和射頻模塊兩大部分。其中，基帶模塊部分包括基帶信號處理、應用程序接口、控制與協(xié)議處理、數(shù)據(jù)和命令收發(fā)接口及必要的緩沖存儲區(qū)等；射頻模塊可以分為發(fā)射通道和接收通道兩部分，主要包括射頻信號的調(diào)制解調(diào)處理、數(shù)據(jù)和命令收發(fā)接口、發(fā)射通道和接收通道、收發(fā)分離（天線接口）等。按通訊方式來分類，RFID讀寫器可以分為讀寫器優(yōu)先和標簽優(yōu)先兩類。讀寫器優(yōu)先是指讀寫器首先向標簽發(fā)送射頻能量和命令，標簽只有在被激活且收到完整的讀寫器命令后，才對讀寫器發(fā)送的命令做出響應，返回相應的數(shù)據(jù)信息。標簽優(yōu)先是指對于無源標簽系統(tǒng)，讀寫器只發(fā)送等幅的、不帶信息的射頻能量。標簽被激活后，反向散射標簽數(shù)據(jù)信息。按傳送方向上分類，RFID讀寫器可以分為全雙工和半雙工。全雙工方式是指RFID系統(tǒng)工作時，允許標簽和讀寫器在同一時刻雙向傳送信息。半雙工方式是指RFID系統(tǒng)工作時，在同一時刻僅允許讀寫器向標簽傳送命令或信息，或者是標簽向讀寫器返回信息。按應用模式分類，可以分為固定式讀寫器、便攜式讀寫器、一體式讀寫器和模塊式讀寫器。固定式讀寫器是指天線、讀寫器和主控機分離，讀寫器和天線可分別固定安裝，主控機一般在其它地方安裝或安置，讀寫器可有多個天線接口和多種I/O接口；便攜式讀寫器是指讀寫器、天線和主控機集成在一起，讀寫器只有一個天線接口，讀寫器與主控機的接口與廠家設計有關；一體式讀寫器是指天線和讀寫器集成在一個機殼內(nèi)，固定安裝，主控機一般在其它地方安裝或安置，一體式讀寫器與主控機可有多種接口；模塊式讀寫器是指讀寫器一般作為系統(tǒng)設備集成的一個單元，讀寫器與主控機的接口與應用有關。 串口轉(zhuǎn)換電路表32 MAX3232引腳功能名稱功能V+電荷泵產(chǎn)生的+VC1+倍壓電荷泵電容的正端C1倍壓電荷泵電容的負端C2+反相電荷泵電容的正端C2反相電荷泵電容的負端T_INTTL/CMOS發(fā)送器輸入T_OUTRS232發(fā)送器輸出R_INRS232接收器輸入R_OUTTTL/CMOS接收器輸出圖313 串口轉(zhuǎn)換電路MAX3232。MAX3232確保在120kbps數(shù)據(jù)速率下維持RS232輸出電平。MAX3232具有2路接收器和2路驅(qū)動器。MAX3222提供1μA關斷模式，有效降低功耗并延長便攜式產(chǎn)品的電池使用壽命。關斷模式下，接收器保持有效狀態(tài)，對外部設備(例如調(diào)制解調(diào)器)進行監(jiān)測，僅消耗1μA電源電流。MAX3232的引腳、封裝和功能分別與工業(yè)標準的MAX242和MAX232兼容。只要輸入電壓(VCC)，即可提供+ (倍壓電荷泵) (反相電荷泵)輸出電壓。電荷泵工作在非連續(xù)模式，將開啟電荷泵；，即刻關閉電荷泵。每個電荷泵需要一個飛電容(CC2)和一個儲能電容(CC4)，產(chǎn)生V+和V電壓。大多數(shù)情況下。在對電源噪聲敏感的應用中，采用與電荷泵電容C1相同的電容將VCC旁路到地，進行去耦。（去耦專指去除芯片電源管管腳上的噪聲，該噪聲是芯片本身工作產(chǎn)生的。在直流電源回路中，負載的變化會引起電源噪聲。例如在數(shù)字電路中，當電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。配置去耦電容可以抑制因負載變化而產(chǎn)生的噪聲，是印制電路板的可靠性設計的一種常規(guī)做法，配置原則如下： 電源輸入端跨接一個電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用比較大的電解電容器的抗干擾效果會更好。如遇到印制電路板空間小而裝不下時，可每4～10個芯片配置一個1～10uF鉭電解電容器，這種器件的高頻阻抗特別小，在500kHz～20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1Ω，而且漏電流很小（）。對于噪聲能力弱、關斷時電流變化大的器件和ROM、RAM等存儲型器件，應在芯片的電源線（Vcc）和地線（GND）間直接接入去耦電容。 去耦電容的引線不能過長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。）整個串口轉(zhuǎn)換電路的工作原理大致為，閱讀器向電腦傳輸數(shù)據(jù)時，經(jīng)過轉(zhuǎn)換通過RS232的2口傳輸?shù)接嬎銠C上；計算機將數(shù)據(jù)通過RS232的3口傳送到MAX3232上，完成數(shù)據(jù)的傳送過程。 天線選型及匹配電路天線（antenna）是RFID標簽和讀寫器之間實現(xiàn)射頻信號空間傳播和建立無線通訊連接的設備。RFID系統(tǒng)中包括兩類天線，一類是RFID標簽上的天線，由于它已經(jīng)和RFID標簽集成為一體，因此不再單獨討論，另一類是讀寫器天線，既可以內(nèi)置于讀寫器中，也可以通過同軸電纜與讀寫器的射頻輸出端口相連。目前的天線產(chǎn)品多采用收發(fā)分離技術來實現(xiàn)發(fā)射和接收功能的集成。天線在RFID系統(tǒng)中的重要性往往被人們所忽視，在實際應用中，天線設計參數(shù)是影響RFID系統(tǒng)識別范圍的主要因素。高性能的天線不僅要求具有良好的阻抗匹配特性，還需要根據(jù)應用環(huán)境的特點對方向特性、極化特性和頻率特性等進行專門設計。圖314 50歐姆天線圖315 50歐姆天線匹配電路讀寫器可以達到的讀寫距離依賴于下面幾個因素：讀寫器天線的尺寸；天線的匹配電路的性能；周圍環(huán)境的影響?？ǖ哪芰坑勺x寫器提供，卡要達到一個可工作的能量依賴于讀寫器天線和卡的距離。能量的傳輸基于變壓器的原理，描述變壓器的一個重要的參數(shù)是耦合系數(shù)，這取決于讀寫器天線和卡天線的距離，以及天線的大小。天線、饋線、接收設備、傳輸器件、終端等，都要求阻抗匹配，阻抗匹配的目的，簡單說就是：（1）使信號傳輸具有最大能量，傳輸效率高；（2）避免因不匹配時造成信號在系統(tǒng)中來回反射，形成反射干擾，對于老式電視信號來說，就是造成電視機的重影。 軟件基本框圖圖316 閱讀器和標簽軟件流程圖本設計采用主動發(fā)射方式，定時2s發(fā)射ID一次，發(fā)射完畢進入低功耗模式，低功耗電流3181。A，ID長度為6字節(jié)。從而實現(xiàn)有源RFID卡定時喚醒，并發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進入深度睡眠模式。，如帶傳感器的RFID。致 謝本課題是在導師李慧貞老師的悉心指導下完成的。從課題的選擇、理論研究、最終方案的確立到論文的撰寫、定稿，都滲透著指導老師的心血，她兢兢業(yè)業(yè)的工作作風、科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和寬以待人、認真負責的優(yōu)秀品質(zhì)必將在今后的學習和工作中時時激勵我、督促我。通過四年大學學習，我取得了很大的進步，這與李老師在生活上、工作上和學習上給予我的關心和幫助是分不開的，在此我深表謝意！課題進行當中還受到許多老師的關心和指導，在此向他們表示最誠摯的謝意。同時對在畢業(yè)設計期間給過我?guī)椭耐瑢W表示由衷的感謝！家人的關懷給予了我支持和鼓勵，使我順利完成學業(yè)。感謝他們四年來對我耐心的教育與培養(yǎng)。在此謹向他們表示衷心的感謝！參 考 文 獻[1][M].北京：北京航空航天大學出版社，.[2]李文仲，[M].北京：北京航空航天大學出版社，.[3]黃剛，[J].電子測量與儀器學報，2010，24（10）：979984.[4]宋旭亮，[J].現(xiàn)代電子技術，2008，1（264）：7275.[5][J].電力系統(tǒng)通信，1995，1：3537.[6]肖林榮，應時彥，[J].信息技術，2009，12：1320.[7]范博，[M].北京：機械工業(yè)出版社，.[8][J].物流技術，2006，9：4546.[9]William Communication Systems[M].2006：203237.[10][J].物流技術與應用，2008，6.附錄 總體電路圖