基于RFID的艦艙身份識別系統設計

楊 帆 ，劉 圓 ，李國平 ，高俊林 ，曾 華

（1.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢 430073；2.湖北省智能機器人重點實驗室，武漢 430073）

無線射頻識別是一種新興的信息通信技術，它利用無線電射頻信號識別特定目標并讀寫相關數據，無需在識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸，其最早起源于雷達技術的發展和應用[1-2]。RFID的應用非常廣泛，如教育、農業、交通、醫療、防偽、圖書館、生產管理、倉儲、物流等[3]。

艦船裝備作為內外部環境復雜多樣的大系統，其安全性影響因素甚多，相關工作開展的難度較大。隨著人們對其重要性認識的不斷深入，艦船安全性受到廣泛關注。為了進一步推動艦船裝備的安全性工作系統全面地展開以及智能化，本文運用RFID技術對艦艇上的人員出入各個船艙的情況進行管理，從而有效地防止機密技術的泄露。

1 系統總體設計

系統設計包括電子標簽IC卡、接收器和上位機。在船艙上的工作人員都佩戴屬于自己的IC卡，IC卡每2 s向外發射ID號和校驗信息。接收器由STM32處理模塊、雙通道射頻接收模塊、信號增益控制模塊和天線等部分構成。該船艙內置的雙通道射頻接收器通過調節接收信號的增益使其剛好能接收到本房間的IC卡發出的信號，通過串口傳送給中央處理裝置STM32。STM32對接收到的數據進行打包處理，加上時間標志后，再發送到上位機中來顯示標簽中的個人信息。通過上位機，可查詢到在某一船艙內的人員出入時間及人員信息。系統總體方案的結構如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 Block diagram of the system

2 硬件設計

硬件設計包括射頻收發模塊和中央處理裝置。

2.1 射頻收發模塊

nRF24LE1采用Nordic最新的無線和超低功耗技術，在一個極小封裝中集成了包括2.4 GHz無線傳輸、增強型51Flask高速單片機、豐富外設及接口等的單片Flash芯片，是一個綜合了性能及成本的完美結合，很適合應用于各種2.4 GHz的產品設計[4-5]。

IC卡核心部分是nRF24LE1芯片，將發射程序中的ID號和校驗碼通過射頻發射器每隔2 s向外發射一次。接收器設計成雙通道，以降低人員信息的丟失率。接收器由2個電路板組成，每個電路板包含有ISP下載接口、接收模塊和天線等部分。接收模塊主要由nRF24LE1芯片和HM4274芯片構成。接收器通過天線接收IC卡發送過來的數據，經過nRF24LE1芯片控制HMC274調節接收信號的增益使其剛好能接收到本房間的IC卡發出的信號，當接收裝置在船艙中固定時，接收器只能接收船艙內的IC卡發送過來的信息，而無法接收到船艙外的IC卡的信息，接收完成時，主接收器通過ISP協議讀取從接收器接收到的信息，然后對所有數據進行整理，并將數據存儲在AT24C01，等待STM32詢問。射頻收發模塊硬件框圖如圖2所示。

圖2 射頻收發模塊硬件Fig.2 Hardware block diagram of RF transceiver module

2.2 中央處理裝置

STM32F103“增強型”系列時鐘頻率達到72 MHz，是同類產品中性能最高的產品[6-7]。結合本文的設計需求，采用STM32f103RBT6芯片作為中央處理裝置中的主控芯片，內核為ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72 MHz，處理速度快，片上集成32～512 KB的Flash存儲器，存儲空間較大，足夠保存一天所存儲的數據。

中央處理裝置主要由STM32和MAX323構成。MAX3232為電荷泵芯片，用于和接收器、上位機的串口通信。串口1和串口2用于連接MAX3232芯片和其它模塊之間的通信。本系統利用LM2596將7 V～45 V的直流電壓降至5 V。因為STM32F103這款芯片是3.3 V供電，所以用LM1117_3.3穩壓芯片對LM2596輸出的5 V電壓做進一步調整。JTAG接口是可編程芯片的在線系統編程，通過JTAG接口將程序燒錄到STM32中。FT232是FTDI公司的多種快速USB通信解決方案之一，其主要功能是實現USB和串行I/O口之間的協議轉換。芯片一方面可以接收從PC主機發來的USB數據，并將其轉換為串行I/O數據格式發送給單片機串口；另一方面可把單片機從串口發出的數據轉換為USB的數據格式傳回PC主機。中央處理裝置硬件框圖如圖3所示。

圖3 中央處理裝置硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of central processing unit

3 軟件設計

系統的軟件設計包括射頻發射模塊、無線射頻接收模塊和STM32處理模塊3個部分。

3.1 射頻發射模塊軟件設計

配置RF收發器的過程包括使能收發器、啟動RF時鐘、允許RF中斷、設置發射和接受地址長度、啟動自動應答功能、設置收數據區域、設置最大重傳次數、設置射頻通道頻率、設置發射功率和傳輸速率以及接收數據包的長度。上述的設置都需要通過將某一個值寫入到寄存器里。配置RTC2定時時間為2 s，檢測發射是否完成就是檢測發送完畢中斷位是否為1或最大重傳次數中斷標志位是否為1。軟件設計流程如圖4所示。

圖4 射頻發射模塊軟件設計流程Fig.4 Software block flow chart of RF emission module

3.2 無線射頻接收模塊軟件設計

接收模塊與發射模塊相比，只是多了一個串口的設置。軟件設計流程如圖5所示。

圖5 無線射頻接收模塊軟件設計流程Fig.5 Software block flow chart of wireless RF receiving module

3.3 STM32處理模塊軟件設計

串口初始化主要有6個部分：串口時鐘使能、GPIO時鐘使能、串口復位、GPIO端口模式設置、串口參數初始化、初始化NVIC并且開啟中斷。

定時器配置方法主要有6個部分：TIM3時鐘使能、初始化定時器參數、設置TIM3_DIER允許更新中斷、TIM3中斷優先級設置、使能TIM3、編寫中斷服務函數。軟件設計整體流程如圖6所示。

圖6 STM32處理模塊軟件設計流程Fig.6 Software block flow chart of STM32 treatment module

4 上位機顯示面板設計

本文利用LabVIEW軟件設計出友好的上位機人機交互界面，顯示出從電子標簽中讀取到的信息[8-10]。 在顯示面板設置字符串輸入控件、串口資源檢測控件、確定（OK）按鈕控件等控件，設計出上位機前面板如圖7所示。單擊“開始運行”，開始將接收到的信號顯示在上位機上；單擊“停止采集”，則停止接收數據；單擊“保存數據”，則將接收的歷史數據保存在.txt文檔中；單擊“退出程序”，則退出上位機程序。

圖7 上位機前面板Fig.7 Front panel of upper computer

5 系統調試結果

在STM32硬件模塊調試和軟件調試均獲得成功之后，最后進行有效距離的測量。在封閉的房間中進行有效距離的測量。在沒有障礙物的條件下，首先進行最遠距離的測試，再依次按照衰減分貝大小進行測量，最后測量的結果如表1所示。

表1 有效距離測試Tab.1 Effective distance measuremen

6 結語

由表1實驗數據可知，有效距離隨著衰減分貝數的遞增而減小，在沒有障礙物的條件下，有效距離的范圍為0.3～11.4 m。從而得知，在接收模塊中，可以通過調節HCM274芯片的引腳電平狀態來確定接收器能夠接收到信號的有效距離。

本文運用RFID技術對艦艇上的人員出入各個船艙的情況進行管理。在硬件設計時通過對電子標簽進行電源供應使其由被動式變為主動式，與傳統的RFID系統相比，不僅在讀寫的準確性上得到了改善，在讀寫距離上也有了很大的提高。在軟件設計時以模塊化設計思想為基礎對讀寫器進行了重點研究與設計。RFID技術的應用使得系統的安全性有了較大的提高。

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