射頻識別技術在物聯網中的應用設計

陳渭力，李 偉，林永興

浙江理工大學科技與藝術學院，浙江杭州 311121

0 引言

射頻識別技術RFID( radio frequency identifiestion) 是21世紀非常流行的一種自動識別技術，其應用場合越來越廣，尤其隨著物聯網技術發展，應用將更上一層樓，目前在停車場，學校圖書館，食堂，公交車上已經屢見不鮮。這里我們設計一種利用單片機開發的新型手持射頻卡讀寫器，作為通用射頻卡檢測設備。

1 系統設計

本系統主要由電源管理單元、單片機AT89C52、射頻卡讀寫模塊（主要由MFRC500構成）、無線模塊、鍵盤顯示電路及其他外圍電路構成，系統如圖1所示。

圖1

手持射頻卡讀寫器的工作原理如下：整個手持機由電源管理單元給各個模塊提供工作電壓，由單片機控制射頻卡芯片，并通過天線發射電磁波(區域大小取決于天線的設計質量)，當有射頻卡（也可以稱作電子標簽，RFID卡，非接觸卡）進入天線發射的有效范圍時，射頻卡里有一個LC串聯諧振電路，它的工作頻率與射頻卡讀寫器天線發射的頻率相一致，由于電磁波提供的激勵能量，使得射頻卡里的LC諧振電路產生了感應電勢，電壓達到一定電壓值，就作為卡內其它電路工作的電源，然后射頻卡將數據通過內部電路以同樣的頻率發送回去，讀寫器通過天線接收到射頻卡的信號后，進行解調解碼，并根據沖突檢測和校驗，來判斷有效的數據，接著通過單片機的串口發送數據給無線模塊SIM900D，SIM900D可使用短信或者TCP/IP數據流兩種方式來進行數據的無線傳輸，由于短信方式比較適合數據量少，單方向的場合，這里為了使該設計具有更廣的使用，所以采用TCP/IP數據流的方式，與遠程控制數據中心進行數據交互。

2 硬件電路設計

2.1 讀寫器的主要控制器

手持讀寫器的主要的CPU采用ATMEL公司的AT89C52。它是一款常用的51單片機。被應用到各種工業控制和消費電子領域中。其成本低，開發平臺簡單。當然在這個系統里理論上完全可以用其他單片機或者ARM控制器來替換。

2.2 射頻卡讀寫器設計

射頻卡讀寫主要通過射頻卡芯片MF RC500及其必要的外圍電路構成，射頻卡芯片是整個讀寫器的核心，它可以實現讀寫射頻卡（電子標簽）所有必要的功能，包括射頻信號的產生、調制、解調等。此芯片實際上是單片機與射頻卡之間進行數據傳輸的關鍵。任何射頻卡上的數據讀寫都要通過此芯片來傳送。通過傳送不同的命令給此芯片，就能實現不同的控制。

此芯片需要在OSCSIN和OSCOUT引腳上外接13.56MHz晶振，當然也可使用其他外部時鐘，但不推薦這樣做，因為它本身的時鐘已經足夠穩定。

為了實現最佳性能，射頻卡芯片的模擬部分使用單獨的電源，它對內部的震蕩器、模擬解調器和解碼器提供工作電壓，同時對驅動部分和數字部分也各使用單獨電源供電，此讀卡器，我利用磁珠把各電源進行分開。

此芯片支持不同的CPU接口，單片機通過控制射頻卡芯片的NCS引腳來選擇射頻卡芯片，在射頻卡芯片上電或硬件復位后，此芯片馬上復位它的接口模式，并根據幾個固定引腳上的邏輯電平來識別當前CPU接口的類型。我們這里選擇了地址線與數據線分時復用的接口類型，其具體操作是：當ALE為邏輯1時，將地址鎖存到內部的相應鎖存器中，然后由讀寫信號完成對芯片的數據讀寫。

在這個部分，讀寫器的天線設計也相當的重要，它的設計質量將直接影響讀寫射頻卡的有效距離，我們參考芯片的數據手冊，采用直接匹配的天線，其有效距離最遠可以達到10cm。在天線電路的設計里，我們主要考慮兩個方面的問題：

第一個方面是對電磁干擾的濾波，由于這個讀寫器的工作頻率為13.56MHz，由時鐘電路產生，但它也伴隨產生13.56 MHz中的3次、5次等高次諧波。為達到國際EMC要求，良好地控制這些電磁干擾。本讀寫器使用低通濾波器來控制電磁干擾。

第二個方面是為了天線的性能達到最好，需要考慮天線電路的阻抗匹配。

2.3 電源的設計

由于本手持機在使用無線模塊時，需要較大的電流。另外本設備為手持機，所以系統設計采用優科能源的可充電聚合物鋰離子電池組件（2節串聯，每節3.7V的標稱電壓），可充電（需另購充電器，充電電壓為8.4V），電池電壓通過降壓型DCDC芯片AOZ1016A轉換成5V電壓輸出，此芯片的輸入電壓范圍較大（從4.5V～16V），最大可以輸出3.6A的電流，完全滿足本手持機的電壓需要。

2.4 顯示器的設計

顯示部分采用160×96點陣液晶屏，這個液晶屏是總線型的，它與單片機的連接采用數據并行模式，直接與單片機的PO口相連，而液晶屏的讀寫控制信號R/W則直接連接單片機的讀寫信號上，另外液晶屏的片選信號CS，指令/數據寄存器選擇信號A0，復位信號RESET和串并行選擇端P/S，都需要分別連接到單片機的其他I/O口。

2.5 鍵盤的設計

鍵盤設計使用單片機P1口的八個I/O口實現，采用4×4矩陣動態掃描模式，可設計提供11個數字鍵（包括小數點）、確認鍵、取消鍵、退格鍵、2個功能鍵，共16個按鍵。滿足一般手持設備的按鍵需求。

2.6 無線通訊模塊

目前市場上提供的無線通訊模塊有很多，為了適應更多的國家使用，我們使用剛剛推出的四頻的無線模塊SIM900D（它是SIM340DZ的替代品），此模塊自帶TCP/IP協議棧，無需其他CPU的支持就能利用TCP/IP數據流方式進行無線數據傳輸。當然它也使用標準的AT命令，性能穩定，使用方便。本手持機中，單片機通過串口與SIM900D進行通信，由于單片機AT89C52采用5V供電，而SIM900D使用4.3V供電，所以需要在5V電壓的基礎上進行降壓，我們這里采用簡單的二極管進行串接降壓。當然此模塊還需要SIM卡接口電路，由于SIM卡是經常被手碰到的地方，需要給SIM卡加上ESD保護電路。

3 軟件設計

手持機軟件系統用C51進行直接編寫，當然如果擴展外部儲存器，也可考慮在本系統中采用嵌入式操作系統，并在操作系統的基礎上編寫自己的應用驅動程序，我們這里考慮到本手持機只是作為物流讀寫射頻卡的中間設備，數據處理類型和任務較少，較復雜的應用處理可以由遠程數據控制中心來實現，所以這里采用C51直接編寫全部程序，系統的各個單元部分用單獨的任務線程設計，在減少了軟件設計的復雜度的同時，也增強了軟件系統的穩定性和可讀性。

本系統軟件設計主要包括，系統初始化，鍵盤掃描處理，液晶顯示，射頻卡的讀寫，以及無線模塊的控制與數據通訊等主要部分，由于系統初始化，鍵盤掃描處理，LCD顯示，都是非常常見的應用設計，下面主要說明射頻卡的讀寫部分的設計。

3.1 射頻卡的讀寫軟件設計

射頻卡的讀寫，最主要是對芯片進行控制。因此讀寫程序也主要是完成單片機對射頻卡芯片MF RC500的控制，從而實現芯片與射頻卡之間的數據交互，工作流程如下：

1）單片機對射頻卡芯片進行初始化，使其進入正常的工作狀態；

2）等待中斷信號（射頻卡芯片通過天線檢測到有效的射頻卡進入有效范圍后，產生中斷信號給單片機）；

3）由單片機發送相應的指令給射頻卡芯片，進行請求，防碰撞，選擇等操作；

4）單片機發送相應的指令對讀寫射頻卡密碼進行驗證；

5）驗證完畢后，讀取射頻卡指定塊的內容或者寫入相應地址塊的數據；

6）完成數據讀寫后，向卡發送停止命令，并可判斷卡有沒有離開。

3.2 無線模塊的數據傳輸的軟件設計

由于無線模塊SIM900D自帶TCP/IP協議棧，在本手持讀寫器里，單片機通過其串口，利用AT命令就可以對SIM900D進行數據通訊。主要流程如下：

1）先由單片機通過I/O腳控制模塊上電，使SIM900D上電復位；

2）單片機通過串口發送AT命令控制無線模塊SIM900D與遠程服務器建立TCP連接(預先需要知道遠程數據控制中心服務器的IP地址和端口)；

3）連接建立后，單片機把準備好的數據發送給無線模塊SIM900D，通過前面建立好的數據通道進行數據傳輸；并讀取無線模塊SIM900D從遠程數據中心返回的數據；

4）數據處理好后，關閉當前建立的TCP連接，然后再關閉無線模塊SIM900D的電源，以節約耗電，繼續等待下一次的通訊。

4 結論

本手持機主要支持IS014443A協議的射頻卡的讀寫，此射頻卡目前已經被廣泛使用。利用此設計方案，開發的物流手持射頻卡讀寫器，具有攜帶方便，成本低，軟件修改方便，可使用場合多的特點，隨著物聯網的發展，其應用前景一定非常廣闊。

[1]謝高生，易靈芝，王根平.動態密鑰在Mifare射頻IC卡識別系統中的應用[J].計算機測量與控制，2009，17(4)：725-726.

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