基于物聯(lián)網(wǎng)應用的高頻RFID閱讀器設計

　　一 設計摘要

　　“物聯(lián)網(wǎng)”的概念最早在1999年提出，具體來說是一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”：在物聯(lián)網(wǎng)中，RFID標簽攜帶的ID編碼可以與真實世界中的任何物品相捆綁，從而使物體擁有網(wǎng)絡上的虛擬“身份”;通過RFID標簽上的ID編碼，可以在網(wǎng)絡上實時查詢和動態(tài)跟蹤標簽所貼附物品的屬性、特征及其他信息。“物聯(lián)網(wǎng)”可以實現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享，大幅提高管理與運作效率，降低成本，給全球供應鏈的各個環(huán)節(jié)(倉儲物流、生產(chǎn)制造、物品追蹤、商業(yè)零售、公共服務等等行業(yè))帶來深層次變革。而要實現(xiàn)上述愿景，則必須有大量分布式的基礎設施——具有聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式RFID閱讀器終端，才能“隨時隨地”的采集RFID標簽信息，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的無縫全面覆蓋。因此，本項目的目標就是基于PIC32技術，實現(xiàn)具有聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式RFID閱讀器終端。

　　系統(tǒng)原理和技術特點 ：

　　射頻識別(Radio Frequency Identity, RFID)系統(tǒng)主要由電子標簽(tag)、閱讀器(reader)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)這三個主要部分組成，如圖1【RFID系統(tǒng)原理】所示：

圖1 RFID系統(tǒng)原理

　　電子標簽部分又可以細分為標簽天線和標簽芯片兩部分。每個電子標簽都含有唯一的識別碼，用來表示電子標簽所附著的物體。當電子標簽接收到閱讀器的發(fā)射信號的時候，電子標簽被“喚醒”，然后根據(jù)閱讀器發(fā)射的指令完成相應的動作，并將響應信息發(fā)射回給閱讀器。電子標簽上的存儲單元，可以反復讀寫10,000次以上。

　　閱讀器也可以細分為閱讀器天線和閱讀器兩部分。閱讀器通過閱讀器天線發(fā)射信號“喚醒”和傳送指令給電子標簽，并接收標簽返回的信號。在初步濾波、處理信號之后，完成對電子標簽信息的獲取和解析，將有用的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)交互。

　　數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲及管理。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以由簡單的本地軟件擔當，也可以是集成了RFID管理模塊的分布式ERP管理軟件。

　　RFID系統(tǒng)的通信過程是閱讀器給RFID標簽信息和獲得標簽上信息的過程。由于RFID標簽本身無電源，所以必須依靠從閱讀器發(fā)送的射頻信號中獲得的能量，即所謂的波束供電技術。而標簽獲得能量僅夠供給標簽本身使用，沒有多余的能量可供射頻信號源工作，必須利用無源反射調(diào)制技術來實現(xiàn)RFID閱讀器與標簽之間的通信。無源反射調(diào)制技術就是在RFID系統(tǒng)的整個通信過程中，只存在一個發(fā)射機，即閱讀器。而RFID標簽在應答過程中對閱讀器發(fā)射的連續(xù)波射頻信號進行調(diào)制，再將已調(diào)制的射頻信號反射回去，被閱讀器接收解碼，完成信息傳遞功能。波束供電技術和無源反射調(diào)制技術是反射調(diào)制式RFID系統(tǒng)的兩大關鍵技術。

　　由圖2【RFID系統(tǒng)技術特點】所示，UHF頻段反射調(diào)制式RFID系統(tǒng)主要包括RFID閱讀器和RFID標簽兩個部分，兩者之間通過閱讀器天線和標簽天線建立無線信道通信。

圖2 RFID系統(tǒng)技術特點

　　RFID系統(tǒng)通信的按照時序先后大致可分為兩個階段：

　　第一階段：閱讀器將基帶發(fā)射信號調(diào)制到載波上，發(fā)送給標簽;標簽從載波中獲取能量，并解調(diào)閱讀器發(fā)射的基帶信號，得到閱讀器發(fā)出的指令。

　　第二階段：閱讀器連續(xù)發(fā)射無調(diào)制的載波用以提供標簽持續(xù)工作的能量，以及標簽反射調(diào)制需要的載波;標簽根據(jù)接收的閱讀器指令內(nèi)容，將標簽的返回信息反射調(diào)制到來自閱讀器的連續(xù)載波上，傳輸給閱讀器。閱讀器接收到標簽返回信號后，解調(diào)出所需的基帶信號。

　　軟件流程介紹(允許的格式 doc，pdf，vsd，rar，zip)：

圖3【系統(tǒng)軟件流程】

圖4【標簽識別協(xié)議】

　　二 項目背景

　　21世紀以來，RFID技術在全世界迅猛發(fā)展，應用層次愈來愈多元化。尤其是長距離識別的UHF頻段RFID技術，被視為RFID的“殺手級”應用。全球最大的零售商——美國Wal-Mart公司自2004年開始將UHF頻段RFID技術導入其物流供應鏈：要求全球供貨商送貨至世界各地的Wal-Mart物流倉庫時，其產(chǎn)品必須攜帶UHF頻段RFID標簽，以利物流作業(yè)。在Wal-Mart及其它跨國零售業(yè)巨頭的帶動下，RFID技術正成為繼條碼之后的全球貿(mào)易和供應鏈管理基礎。

　　在此情景下，全球各地(包括我國)的制造商、物流批發(fā)商和零售業(yè)者都在興建滿足Wal-Mart要求的RFID基礎設施。RFID讀寫器，特別是UHF頻段的RFID讀寫器的需求與日俱增。在全球巨大需求的帶動下，RFID讀寫器有希望成為繼手機和電腦以后的電子信息產(chǎn)業(yè)的又一增長點，國內(nèi)外電子行業(yè)巨頭紛紛投巨資涉足開發(fā)。本項目運用Microchip公司的PIC32系列MCU器件，實現(xiàn)低成本小型化的UHF頻段RFID讀寫器，大幅度降低現(xiàn)有RFID讀寫器的體積、成本和功耗，提升我國自主知識產(chǎn)權(quán)的RFID讀寫器產(chǎn)業(yè)的競爭力。

　　三 適用范圍：

　　本作品實現(xiàn)的UHF頻段RFID閱讀器，與RFID標簽相配合成RFID系統(tǒng)，可以廣泛應用在以下行業(yè)領域：

　　制造業(yè)：

　　實現(xiàn)“精細制造”和個性化定制生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品的質(zhì)量，從而增加企業(yè)利潤。

　　企業(yè)供應鏈管理：

　　可有效降低庫存的存貨量，提高資金周轉(zhuǎn)效率，減少流動資金的需求，為企業(yè)帶來潛在的巨大效益。

　　倉儲物流業(yè)和交通運輸：

　　監(jiān)控物流全過程，實現(xiàn)運輸路線的自動跟蹤。提高調(diào)度的準確性，送貨的可靠性和效率，降低倉儲配送和運輸?shù)某杀尽?/P>

　　商業(yè)流程管理：

　　有利于零售商提高訂單的供給率，降低商品脫銷和滯銷的風險，提高清貨和盤點的工作效率。

　　資產(chǎn)跟蹤管理：

　　可有效跟蹤企業(yè)固定資產(chǎn)和貴重物品，降低這方面的人力和物力開支。

　　四 項目總體設計

　　如上圖5【RFID閱讀器結(jié)構(gòu)圖】所示，RFID讀寫器分成基帶前端、射頻前端和外部接口三大塊，其中基帶部分完全由Cerebot 32M*4開發(fā)板實現(xiàn)，而外部接口包括網(wǎng)絡通信外圍模塊Pmod NIC和人機界面Pmod CLS 字符LCD接口。

　　RFID閱讀器各功能實現(xiàn)方法：

　　(1)事件調(diào)度：使用PIC32芯片實現(xiàn)簡單的RFID識別、顯示及通信事件調(diào)度功能。

　　(2)對外通訊：使用Pmod NIC外圍模塊實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊功能。

　　(3)RFID信號處理：使用PIC32芯片實現(xiàn)基本的信號采樣、整形、數(shù)字濾波和解碼功能。

　　(4)人機界面：所有事件調(diào)度信息、調(diào)試信息及識別到的RFID標簽ID號都經(jīng)過Pmod CLS外圍模塊顯示給操作者。