低頻磁場無線穿透金屬壁通信系統設計

沈建明，張越，張睿，李金熠

（嘉興職業技術學院，浙江嘉興，314036）

0 引言

有統計數據顯示，我國冷鏈的增長率在18%～23%之間，在整個物流板細分領域中增長是較快的。從數據來看，2021年冷鏈市場規模達到4000億元，據行業專業人士預測，未來三年內將要達到5500 億元的市場規模。食材供應鏈天然分散，必然帶來長距離冷鏈運輸巨大需求，如RFID、GPS、溫度控制等領域的應用成為冷鏈物流領域的一個趨勢。

RFID 應用程序的核心是一塊重要小于200 克，被稱為“JRFW-1 型溫度標簽”的卡片設備，采用全密封防水設計以便應用在各種極端條件，通過上層軟件設置相關的溫度參數，并通過讀卡器的讀和寫操作，了解標簽所在貨物的各項參數。由于它性能可靠，價格低廉，易于使用，被廣泛應用于對溫度敏感的貨物運輸中，如血液制品、疫苗和新鮮食品等[1]，從根本上解決冷鏈運輸的問題，實現冷鏈產品狀態監測、冷鏈項目總體流程信息回溯。

1 研究現狀

120～135kHz頻譜段是無線電頻譜中的低頻無線電信號，廣泛應用于諸多領域。軍事方面主要應用于水下通信、水下兵器的遙控，民用主要應用于醫學治療、大地物理勘探、工程探測等方面，但是在諸多應用中，以潛艇水下通信最為突出，目前美國等幾個發達國家掌握了超低頻對潛通信技術[2]。

在無線電通信高速發展的時代，5G 和6G 技術飛速發展，但是我們依舊沒能利用低頻電磁波在導電介質中建立起有效的低頻無線電系統[3]。主要原因有以下3 個方面：

①頻率越低，波長越長，低頻電磁波的天線效率低下，輻射電磁能量困難；

②大氣噪聲和人為干擾的影響；

③低頻段上的靈敏檢測元件和技術的缺乏。

低頻無線電磁通信技術增加了物聯網的功能，同時，物聯網也賦予了低頻無線電磁通信技術的內涵，強化了電磁通信技術在未來社會中的作用。2021 年，工信部發布了《“十四五”信息通信行業發展規劃》，指明了未來必將屬于萬物互聯的時代，電磁通信技術也必將在其中扮演著不可替代的作用。低頻電磁通信技術因其自身獨特的優勢，近年來獲得了全球的快速發展和應用。

低頻信號穿壁通信不受時間影響，一定功率的低頻信號可以穿透一定厚度的金屬，在接收端更加容易識別解調出信息[4]。125kHz 波段磁場通訊屬于低頻無線電通訊系統，具有穿透性強、成本低等優點，受金屬、液體的影響較小，125kHz 波段磁場通訊具有可靠性高、操作方便和安全保密性好等三大優點。

行業企業的實力與冷鏈物流的發展息息相關，突破長途冷鏈運輸限制目前是一個挑戰，保證冷鏈不“斷鏈”是優先考慮的重點之一。醫療物流領域的冷藏車機構，如疫苗冷藏藥品，冷鏈是需要經過生產，工廠，運輸，存儲，終端五個過程，在運輸過程中保持全程冷鏈和實時溫度控制是一個挑戰，需要通過藥品經營企業、冷鏈物流企業和監管部門三方共同努力下建立一個冷鏈物流產業發展需要的統一物流標準。受技術限制，信息限制，目前，一些物流公司采用人工確認溫度進行溫度管理。但這種方式僅限于測量時，出庫和庫存。缺乏運輸連續性溫度控制數據。因此，急需通過一種無線通訊系統穿透冷藏車金屬壁監測內部溫度。

2 設計目標

■2.1 應答器和發射器的設計要求

①應答器負責讀取125kHz 喚醒載波信號，采集測量數據并發射125kHz 調制信號；由應答線圈、應答電路構成；

②應答器的應答信號與信息組成都仿照RFID 125kHz的EM4100 規范實現；

③發射端采用MCU 模擬EM4100 卡信號，其中的數據為測量到的溫度值；

④發射端使用線圈接收讀取線圈發出的載波信號，有載波信號時，發射端在發射數據，無載波信號時，發射端休眠；載波信號作為喚醒電源，啟動發射端MCU 喚醒；節省電源。

■2.2 ID 卡讀取器設計要求

采用單片機開發ID 卡讀取器，替代YL0301 完成穿壁通訊實驗，以下是單片機開發的ID 卡讀取器（替代YL0301）的設計要求：

①讀取器負責發射125kHz 喚醒載波信號，接收應答器發射的125kHz 調制信號并解調輸出；由讀取線圈、讀取電路構成；

②讀取器與應答器與采用線圈作為信號收、發天線；

③讀取器與應答器兩者獨立供電；

④讀取器的讀取與解調也完全實現對EM4100 規范地支持；

⑤讀取端采用商業的RFID 讀取器，不作任何修改，只是采用查詢方式讀卡，當要讀取數據時，上位機發出查詢命令，再進行讀卡。

■2.3 穿壁通信軟件設計要求

①ID 卡模擬器發射EM4100模擬信號，傳輸溫度傳感器數據；

②讀取器解碼ID 卡發出的模擬信號，讀取溫度系數值。

具體過程如下：因箱體內需要分布式測溫，所以采用DS18B20 電源供電、單總線掛載多個溫度傳感器的方案；根據DS18B20 的通訊協議，單片機控制DS18 B20 實現溫度轉換，實現測溫；溫度數據由ID卡模擬器轉換成125kHz 載波信號，穿透輕薄金屬壁，讀取器解碼ID 卡發出的載波信號，讀取溫度值。

3 實施方案

穿壁通信采用RFID 125kHz作為通信頻率，該頻率下，采用線圈作為收發天線，通過磁耦合，實現穿透金屬壁（2～5mm）進行通信的目的。其通訊原理如圖1 所示。

圖1 閱讀器與應答器之間的耦合

穿壁通信有壁外“讀取器”與壁內“應答器”兩部分組成。采用單片機模擬EM4100 卡發射信號，傳輸溫度傳感器數據，YL0301 讀取發射信號，完成通信試驗，其穿壁通信組成框圖如圖2 所示。

圖2 穿壁通信組成框圖

■3.1 讀取電路硬件實現方案

讀取電路有發射125kHz 載波信號以完成喚醒應答器，解調應答器發射的125kHz 調制信號的功能。

由于應答器信號協議采用RFID 125kHz E4100 協議實現，因此，讀取電路功能與組成與125kHz RFID 讀取電路完全相同，所以，讀取器實現方案可有3 種：

（1）采購商業化的125kHz 讀卡器模塊實現，優點：開發快速，缺點：性能固化，往往是功能最簡化、指標最普通；

采購RFID 讀卡器外殼4 個，RFID 讀卡線圈125kHz天線4 個，RFID 射頻讀卡模塊125kHz YL0301 2 個，即可制成讀取電路。

（2）直接使用125kHz RFID讀取器芯片U2270B 實現模塊，優點在于可實現不同讀寫距離，性能功能都可自主優化設計，如圖3所示。

圖3 U2270B 構成的讀寫電路組成框圖

U2270B 作為核心器件，其組成有3部分：線圈，U2270B，單片機。

U2270B：載波生成、調制信號的解調；

單片機：控制U2270B 工作模式、解調信號的解析；

外圍電路：為U2270B 功能、性能實現提供條件。

目前，射頻技術在低頻有廣泛應用。在低頻讀寫器工作頻率主 要 是 在125kHz，U2270B 芯片，是ATMEL 公司生產的基站芯片，基站可以對非接觸式的IC 卡進行讀寫，基站的射頻頻率工作在100～150kHz 的范圍內。

在頻率為125kHz 的標準情況下，數據傳輸速率可以達到5000b/s。U2207B 組成框圖如圖4 所示。

圖4 U2207B 組成框圖

不同的外圍電路，實現的讀卡器性能不同，常規電路能實現讀卡功能；原距離電路可增強讀卡器讀卡距離；頻率可調電路通過微調工作頻率，增強讀卡距離，如圖5所示。

圖5 工作頻率可調、長距離通信條件下實現電路

（3）采用單片機自主開發125kHz 讀取模塊，優點：最大程度地實現功能、性能、成本優化；缺點：開發周期長，需要自主設計很多電路。

單片機實現方案不采用專用的IC 芯片實現載波生成、放大與信號檢波，而是用分立元件實現載波的生成、放大和信號檢波，同時載波生成直接使用單片機PWM 端口生成，載波放大采用H 型全橋驅動電路實現，信號檢波采用簡單的阻容電路實現，如圖6 所示。

圖6 單片機實現讀寫電路原理框圖

■3.2 應答電路硬件實現方案

為進行讀取器配合通信，必須開發應答電路，應答電路硬件由4 部分組成：

(1)溫度傳感器電路；

(2)ID 卡模擬器；

(3)發射線圈；

(4)單片機控制電路。

為發射EM4100 模擬信號；傳輸溫度傳感器數據，首先要開發ID 卡模擬器硬件，ID 卡模擬器即125kHz調制信號發射電路，主要由功率放大、整形濾波、線圈匹配、載波信號組成；ID 卡模擬器硬件框圖和穿壁通信125kHz 發射鏈路如圖7 和圖8 所示。

圖7 ID 卡模擬器硬件框圖

圖8 穿壁通信125kHz 發射鏈路

ID 卡模擬器發射信號時用并聯諧振，檢波用串聯諧振，此時應答器需要發射信號因此采用并聯諧振，如圖9 所示。

■3.3 穿壁通信軟件設計

采用單片機時鐘輸出端口，產生標準的125kHz 載波；ID 卡模擬器總體思路：單片機主機通常處于休眠狀態；載波提取電路處于始終上電接收狀態；載波提取電路輸出端口，經耦合電容，加載在單片機中斷喚醒端口；載波提取電路輸出端口，經耦合電容，也加載在單片機的某個GPIO 輸入端口上；開關卡處于導通狀態；當ID 卡讀取器需要讀取數據時，其首先發送125kHz 載波信號；具體流程圖如圖10 所示。

圖10 主控程序流程圖

■3.4 測溫電路設計

測溫電路采用DS18B20 單總線數字溫度計實現。

因箱體內需要分布式測溫，所以采用DS18 B20 電源供電、單總線掛載多個溫度傳感器的方案，如圖11 所示。

圖11 溫度傳感器布線圖

■3.5 發射天線的設計

發射天線的電感值大約為345μH,因此天線采用線徑φ0.29mm 進行設計，根據形狀和直徑(長×寬)不同繞制不同的圈數，具體設計方案如表1所示。

表1 發射天線設計參考

4 總結

低頻磁場穿透金屬壁通信樣機可通過磁耦合實現穿透金屬壁（2～5mm）進行通信的目的，即用分立元件實現穿壁通信，后續將采用FPGA 實現ASIC 芯片的研制，即商業化的穿墻通信低頻產品，向用戶提供產品化的商品，滿足多項目需求。