基于RFID的手持式實驗設備信息讀取終端與系統設計

俞恩軍，吳飛青

（浙江大學寧波理工學院信息科學與工程學院，浙江 寧波315100）

1 、前言

目前，高校實驗設備信息化管理水平還比較低，絕大數高校的實驗設備的管理還是主要依靠人工完成。隨著實驗設備日益繁雜和信息化的不斷發展，我們對實驗設備管理作了一些信息化和智能化的探索，從而提高實驗設備管理的自動化的水平。

由于高等院校辦學規模的不斷擴大和對學生實踐能力的越來越重視，高校在實驗環境和儀器設備上的投入也在不斷地增加。但是，實驗室環境里人多物雜，依靠傳統方式如人工等方式不僅管理工作量大而且容易出錯且，管理效率低下。如何實現科學高效的實驗設備管理，充分提高設備的利用率，使設備能在教學科研效益最大化，已經成為當前高校管理工作的一個重要課題。射頻識別技術作為從20世紀90年代開始興起并迅速成長的一種非接觸式自動識別技術，與傳統標簽相比，防水防磁、壽命長、數據容量達、讀寫方便[2]，非常適合并有利于高校的實驗設備管理。合理使用可推動和促進設備管理過程中的數據采集流程，減少了繁瑣的人工過程，避免管理員頻繁對實驗設備信息的更新；因此是加強高校實驗儀器設備管理的有效手段，使管理工作逐步實現系統化，規范化，程序化[3]，從而大大提高了設備信息處理準確性和便捷性。

2 、實驗設備信息讀取系統的基本組成和工作原理

2.1 基本組成

實驗設備信息讀取系統系統（下文簡稱為系統）由電子標簽、閱讀器和天線三部分組成[4]，如圖1所示。電子標簽（Tag，也稱射頻標簽）包括芯片和內置天線兩個部分。芯片內保存有唯一的編碼的電子數據，一般將含有設備特性信息的電子標簽貼實驗設備上。讀/寫電子標簽信息的閱讀器由信號處理控制模塊、射頻IC讀寫模塊、天線、LCD液晶顯示器等組成。閱讀器的主要工作有兩個：一是控制射頻模塊向電子標簽發送信號和接受電子標簽的應答，二是接收電子標簽中信息的調制信號，將目標特性信息和其它相關信息傳輸到主機以供處理。電子標簽與閱讀器之間傳輸數據通過天線實現。

圖1 系統組成

2.2 工作原理

當無源的電子標簽接收閱讀器發出的射頻信號后，即產生感應電流，從而把存儲在芯片中的設備特性信息發送給閱讀器，閱讀器讀取信息并送至信號處理控制模塊進行有關數據的處理，從而實現非接觸式自動識別事物的效果。

3 、系統設計

3.1 系統的硬件平臺

3.1.1 控制模塊

信號處理控制模塊采用高速、低功耗、超強抗干擾能力強的新一代8051單片機單片機—STC11F32XE[5]，其指令代碼安全兼容 8051，但速度要快8-12倍，可用低頻晶振，大幅降低EMI。擁有高抗靜電（ESD保護），寬電壓，不怕電源抖動，溫度適應范圍寬（-40℃～85℃），輸入/輸出口多，復位簡單；功耗低，外部中斷喚醒功耗＜0.1uA，還有掉電喚醒專用定時器，啟動掉電喚醒定時器典型功耗＜2uA，可用電池供電；這款單片機可在線編程，可遠程升級。

3.1.2 讀寫模塊

讀寫模塊選用的是工作頻率為13.56MHz非接觸式高度集成的讀寫芯片MFRC522，它具有以下功能[6]：MFRC522內部發送器可以驅動讀寫天線與符合ISO 14443A/MIFARE電子標簽通訊，且無需外部電源。接收器模塊是一個功能強健、高效的解調和譯碼器，用來接受電子標簽的信號。數字模塊處理全部的ISO 14443A幀和錯誤的檢測 （包括奇偶校驗和CRC校驗）。MFRC522與主機可以實現SPI接口、串行UART和I2C接口，本電路采用SPI方式與MCU通訊。

3.1.3 天線及相關電路的設計

天線模塊由天線線圈、匹配電路和EMC濾波三個電路組成，如圖2所示。數據經MFC522調制后由TX1和TX2以射頻的形式發送，發送的頻率為 13.56MHZ。 L1、L2、C7、C8、C9、C10 組成 EMC 濾波電路。C2、C4、C0、R0是天線匹配電路，其中R0用來降低天線的品質因數，以保證足夠的通頻帶，C0用來調整由于元件參數不同帶來的影響。天線上收到電子標簽的響應信號通過接受電路經RX送入MFC522進行解調、譯碼后送入MCU處理。接受電路中C5、R1用來保證RX的直流輸入電壓保持在VIMD；R2、C6用來調整RX的交流信號[7-13]。

圖2 EMC濾波與天線匹配電路圖

3.2 系統軟件設計

3.2.1 控制主程序設計

系統的主要功能是能正確選卡，實現對RFID卡的讀寫操作。首先對單片機和MFRC522進行初始化配置，配置好MFRC522就可以接收單片機的命令執行操作，實現與RFID卡進行通信。RFID卡可以根據接收到的指令進行操作，但要進行一系列的操作才能完成通信。主要包括尋卡、防沖突、選擇卡片、驗證密碼和讀寫卡片。當有RFID卡進入到射頻天線的有效范圍，讀卡程序將按固定的順序進行才能有效的對卡片進行操作，主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

當程序開始運行的時候，首先將系統進行初始化，包括主控芯片的初始化和MFRC522進行初始化及LCD的初始化。然后查詢有沒有事件發生，即查詢按鍵有沒有按下。一旦當RFID卡進入射頻識別的范圍內就會產生一個信號，之后進入事件處理過程。若沒有卡片的話就將報警。

3.2.2 讀寫器讀程序設計

本設計中，MCU為主機，MFRC522模塊為從機，由主機提供SPI時鐘SCK。信號通過MOSI（主機輸出從機輸入）和MISO（主機輸入從機輸出）線實現MFRC522和主機之間的通訊。兩者通訊時數據在時鐘的上升沿保持不變，在時鐘的下降沿改變。采用表1的結構可將數據通過兼容SPI的接口讀出[5]，這樣可能讀出n個字節數據。發送的第一個字節定義為模式本身和地址。

表1 數據讀取MOSI與MISO的數據次序

對RFID卡進行操作的時候，需要先將系統初始化，清空所有標志位，在進行尋卡讀寫等操作。在讀卡的過程中，為了識別卡片，需要判斷尋到的卡片是否是庫中的標簽，這樣有助于排除干擾等。如是正確的標簽，采用蜂鳴器來確認，并進行防沖突檢測，防止多卡在識別的范圍內，接著進行選卡、卡片的驗證工作，然后獲取到卡片上的信息。獲取卡片的信息主要獲得實驗設備的名稱、生產廠家、采購日期、管理員信息、產品的價格及維修記錄。如不是庫中標簽，則發出報警，用來警示，并將所有發送緩沖區內的內存釋放掉，繼續尋找卡片，如此重復的進行下去。

對RFID卡進行讀操作的流程圖如圖4所示。

圖4 RC522讀程序流程圖

3.2.3讀寫器寫程序設計

讀寫器對卡片進行數據寫入是使用表2的結構，這樣對應一個地址可以寫入n個數據，發送的第一個字節定義了模式本身和地址[5]。

表2 數據寫入MOSI與MISO的數據次序

對RFID卡進行寫操作的時候，首先進行系統的初始化，然后選通讀寫模塊，才可以進行對RFID進行操作。對RFID卡進行操作的時候，是通過中斷模式的，當有信號輸入的時候，觸發中斷啟動，這時候，進入中斷操作，讀取卡片信息，判斷是否有新的卡片，是否在有效期內，便可以對RFID卡進行寫操作，并且對RFID卡上的信息進行修改操作。寫操作的流程圖如圖5所示。

圖5 RC522寫程序流程圖

每當實驗設備的信息需要更新時，都需要進行卡片寫操作，需經過尋卡、防沖突、選卡、密碼驗證等過程，才能對卡片上的信息進行更新。

4 、實驗結果

系統完成后，進行了測試。以下為實際測試情況：開機后界面如圖6所示：

圖6 開機界面

當RFID卡接近天線時（20cm以內）系統就讀取RFID卡上的信息，并顯示在顯示屏上（圖7）。通過對按鍵的操作，可以調用設備不同的信息資料：如采購價格（圖8）、管理員信息（圖9）、維修記錄(圖10)等。

圖7 讀取信息界面

圖8 采購金額界面

圖9 管理員信息界面

圖10 維修信息界面

5 、結論

本設計把無線射頻技術應用于實驗設備管理信息化中，系統抗干擾能力強、模塊化等特點，可以根據系統的實際需要對其進行擴展，通過與計算機相結合可以實現對實驗設備信息的自動監控及報警。實驗結果表明了整個系統的可靠性和有效性。