基于微波射頻識(shí)別的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫器設(shè)計(jì)研究

韓俊

摘要：為了滿足社會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)以及微波射頻技術(shù)的使用要求，對(duì)基于微波射頻識(shí)別的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，首先簡(jiǎn)單闡述了微波射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理，并從主控制模塊和外圍電路以及讀寫模塊電路兩個(gè)方面闡述了讀寫器硬件設(shè)計(jì)，并闡述了讀寫器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微波射頻識(shí)別的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫器的有效性。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；微波射頻；讀寫器

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）10-0153-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

近年來(lái)微波射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在社會(huì)各個(gè)地方，例如小區(qū)門禁、高速收費(fèi)路口、物流行業(yè)等，而物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)將微波射頻識(shí)別技術(shù)推向了新的高度。物聯(lián)網(wǎng)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為載體結(jié)合射頻識(shí)別通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的實(shí)時(shí)控制。所以，對(duì)基于微波射頻識(shí)別的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫器設(shè)計(jì)研究是非常有意義的，本文設(shè)計(jì)了一款體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其能夠有效地識(shí)別目標(biāo)事物。

1 微波射頻識(shí)別系統(tǒng)的工作原理

微波射頻識(shí)別系統(tǒng)是利用反向散射耦合的方式實(shí)現(xiàn)信息的交互以及能量的傳送。其主要的工作過(guò)程是：讀寫器天線發(fā)送電磁能量波，其中的一部分電磁能量波傳送到目標(biāo)處，被目標(biāo)接受后，激活目標(biāo)內(nèi)部電路使并將內(nèi)部?jī)?chǔ)存的信息發(fā)射出來(lái)，另一部分電磁波能量向任意方向并以不同強(qiáng)度被散射，之后被散射的一些電磁波能量又回歸到讀寫器天線，最后，讀寫器天線接收到信號(hào)后，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別。

2 讀寫器硬件設(shè)計(jì)

基于微波射頻識(shí)別的物聯(lián)網(wǎng)前端讀寫器硬件主要由主控制模塊和天線等組成。外圍電路主要由三種模塊組成，分別是電源、顯示和通信模塊，整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心部分是主控制模塊以及射頻讀寫模塊。圖1是讀寫器硬件結(jié)構(gòu)示意圖。

2.1 主控制模塊和外圍電路

實(shí)驗(yàn)中主控制使用的是WINB公司生產(chǎn)的W77E58芯片，其芯片的主要特征有八位處理器，最高能夠達(dá)到40M時(shí)鐘，4個(gè)八位I/O口，3個(gè)十六位計(jì)數(shù)器及計(jì)時(shí)器，1K的片上外部存儲(chǔ)器等，有著價(jià)格低廉、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。

外圍電路主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊和LED顯示模塊等組成，詳見下圖2所示。主控制模塊的P1口相通與讀寫模塊的I/O口，是數(shù)據(jù)總線和地址總線的輔助線路。圖2為主控制模塊和外圍電路。

LED顯示模塊的工作職責(zé)是當(dāng)有信號(hào)傳送到時(shí)，LED顯示模塊接收到信號(hào)并將目標(biāo)地址顯示在顯示屏上；當(dāng)沒(méi)有信號(hào)送達(dá)時(shí)，LED顯示屏顯示時(shí)間以及日期。

上位機(jī)通信模塊在將TX以及RX實(shí)施雙工串口通信時(shí)，需要先通過(guò)MAX232將其進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化，最后將目標(biāo)信息發(fā)送給上位機(jī)。

電源模塊的主要職責(zé)是對(duì)所有模塊提供電能，保證所有模塊能夠正常工作，通常提供給模塊的電壓是5V和3.3V。

2.2 讀寫模塊電路

讀寫芯片使用的是奧地利AVL公司生產(chǎn)的射頻芯片AS3992，其內(nèi)部設(shè)置了壓控振蕩器以及鎖相環(huán)倍頻輸出技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)860至960MHz的工作區(qū)間，同時(shí)也設(shè)置了集成模擬前端，擁有數(shù)字版權(quán)管理過(guò)濾器，并且集成了精確度高的接收器，正常工作的使用能耗低。

AS3992內(nèi)部設(shè)置了20dBm的功率放大器，同時(shí)在外部設(shè)置了SP2811功率放大器，并將其設(shè)置為低功率線性模式，主要目的是得到更大的工作區(qū)間。

射頻芯片AS3992有兩個(gè)輸出管腳，分別是RFOXN以及RFOPX，輸出位置設(shè)有50歐姆的電阻，所以，必須要外接匹配電路、平衡器等。圖3是讀寫模塊電路圖。

3 讀寫器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4是系統(tǒng)軟件流程圖。從圖4中可以看出，本系統(tǒng)軟件工作流程主要分為5個(gè)部分：第一，主控制器以及讀寫模塊復(fù)位初始化，初始化的內(nèi)容包含編碼方式、協(xié)議配置等；第二，與上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)交流，上位機(jī)將信號(hào)傳送給主控制器并讓其尋找目標(biāo)；第三，當(dāng)尋找出較多目標(biāo)時(shí)，通過(guò)防碰撞算法逐個(gè)讀取目標(biāo)；第四，將讀取的目標(biāo)信息顯示出來(lái)；第五，控制目標(biāo)執(zhí)行指定的動(dòng)作。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

將硬件系統(tǒng)以PCB板為載體焊接制作完成，再將軟件輸入到單片機(jī)中，完成后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是在0.5～7m不同的通信距離處，對(duì)讀寫器的讀寫操作成功數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)次數(shù)為100次，具體數(shù)值見表1。從表中可以看出，在0.5～3m的通信距離時(shí)，讀寫操作的成功數(shù)均為100，在5～6m的通信距離時(shí)，讀寫成功數(shù)為72和61，超過(guò)6m后，讀寫成功數(shù)大幅下降。另外，表1中可以得知在不同的通信距離處，讀操作成功數(shù)均要大于等于寫操作成功數(shù)，這樣的數(shù)據(jù)結(jié)果是讀寫器天線以及標(biāo)簽天線的特性所導(dǎo)致的。因此，該讀寫器的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際使用需求。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】