射频识别技术在物联网中的应用设计

2012-10-14陈渭力林永兴

科技传播 2012年6期

陈渭力，李伟，林永兴

浙江理工大学科技与艺术学院，浙江杭州 311121

0 引言

射频识别技术RFID( radio frequency identifiestion) 是21世纪非常流行的一种自动识别技术，其应用场合越来越广，尤其随着物联网技术发展，应用将更上一层楼，目前在停车场，学校图书馆，食堂，公交车上已经屡见不鲜。这里我们设计一种利用单片机开发的新型手持射频卡读写器，作为通用射频卡检测设备。

1 系统设计

本系统主要由电源管理单元、单片机AT89C52、射频卡读写模块（主要由MFRC500构成）、无线模块、键盘显示电路及其他外围电路构成，系统如图1所示。

图1

手持射频卡读写器的工作原理如下：整个手持机由电源管理单元给各个模块提供工作电压，由单片机控制射频卡芯片，并通过天线发射电磁波(区域大小取决于天线的设计质量)，当有射频卡（也可以称作电子标签，RFID卡，非接触卡）进入天线发射的有效范围时，射频卡里有一个LC串联谐振电路，它的工作频率与射频卡读写器天线发射的频率相一致，由于电磁波提供的激励能量，使得射频卡里的LC谐振电路产生了感应电势，电压达到一定电压值，就作为卡内其它电路工作的电源，然后射频卡将数据通过内部电路以同样的频率发送回去，读写器通过天线接收到射频卡的信号后，进行解调解码，并根据冲突检测和校验，来判断有效的数据，接着通过单片机的串口发送数据给无线模块SIM900D，SIM900D可使用短信或者TCP/IP数据流两种方式来进行数据的无线传输，由于短信方式比较适合数据量少，单方向的场合，这里为了使该设计具有更广的使用，所以采用TCP/IP数据流的方式，与远程控制数据中心进行数据交互。

2 硬件电路设计

2.1 读写器的主要控制器

手持读写器的主要的CPU采用ATMEL公司的AT89C52。它是一款常用的51单片机。被应用到各种工业控制和消费电子领域中。其成本低，开发平台简单。当然在这个系统里理论上完全可以用其他单片机或者ARM控制器来替换。

2.2 射频卡读写器设计

射频卡读写主要通过射频卡芯片MF RC500及其必要的外围电路构成，射频卡芯片是整个读写器的核心，它可以实现读写射频卡（电子标签）所有必要的功能，包括射频信号的产生、调制、解调等。此芯片实际上是单片机与射频卡之间进行数据传输的关键。任何射频卡上的数据读写都要通过此芯片来传送。通过传送不同的命令给此芯片，就能实现不同的控制。

此芯片需要在OSCSIN和OSCOUT引脚上外接13.56MHz晶振，当然也可使用其他外部时钟，但不推荐这样做，因为它本身的时钟已经足够稳定。

为了实现最佳性能，射频卡芯片的模拟部分使用单独的电源，它对内部的震荡器、模拟解调器和解码器提供工作电压，同时对驱动部分和数字部分也各使用单独电源供电，此读卡器，我利用磁珠把各电源进行分开。

此芯片支持不同的CPU接口，单片机通过控制射频卡芯片的NCS引脚来选择射频卡芯片，在射频卡芯片上电或硬件复位后，此芯片马上复位它的接口模式，并根据几个固定引脚上的逻辑电平来识别当前CPU接口的类型。我们这里选择了地址线与数据线分时复用的接口类型，其具体操作是：当ALE为逻辑1时，将地址锁存到内部的相应锁存器中，然后由读写信号完成对芯片的数据读写。

在这个部分，读写器的天线设计也相当的重要，它的设计质量将直接影响读写射频卡的有效距离，我们参考芯片的数据手册，采用直接匹配的天线，其有效距离最远可以达到10cm。在天线电路的设计里，我们主要考虑两个方面的问题：

第一个方面是对电磁干扰的滤波，由于这个读写器的工作频率为13.56MHz，由时钟电路产生，但它也伴随产生13.56 MHz中的3次、5次等高次谐波。为达到国际EMC要求，良好地控制这些电磁干扰。本读写器使用低通滤波器来控制电磁干扰。

第二个方面是为了天线的性能达到最好，需要考虑天线电路的阻抗匹配。

2.3 电源的设计

由于本手持机在使用无线模块时，需要较大的电流。另外本设备为手持机，所以系统设计采用优科能源的可充电聚合物锂离子电池组件（2节串联，每节3.7V的标称电压），可充电（需另购充电器，充电电压为8.4V），电池电压通过降压型DCDC芯片AOZ1016A转换成5V电压输出，此芯片的输入电压范围较大（从4.5V～16V），最大可以输出3.6A的电流，完全满足本手持机的电压需要。

2.4 显示器的设计

显示部分采用160×96点阵液晶屏，这个液晶屏是总线型的，它与单片机的连接采用数据并行模式，直接与单片机的PO口相连，而液晶屏的读写控制信号R/W则直接连接单片机的读写信号上，另外液晶屏的片选信号CS，指令/数据寄存器选择信号A0，复位信号RESET和串并行选择端P/S，都需要分别连接到单片机的其他I/O口。

2.5 键盘的设计

键盘设计使用单片机P1口的八个I/O口实现，采用4×4矩阵动态扫描模式，可设计提供11个数字键（包括小数点）、确认键、取消键、退格键、2个功能键，共16个按键。满足一般手持设备的按键需求。

2.6 无线通讯模块

目前市场上提供的无线通讯模块有很多，为了适应更多的国家使用，我们使用刚刚推出的四频的无线模块SIM900D（它是SIM340DZ的替代品），此模块自带TCP/IP协议栈，无需其他CPU的支持就能利用TCP/IP数据流方式进行无线数据传输。当然它也使用标准的AT命令，性能稳定，使用方便。本手持机中，单片机通过串口与SIM900D进行通信，由于单片机AT89C52采用5V供电，而SIM900D使用4.3V供电，所以需要在5V电压的基础上进行降压，我们这里采用简单的二极管进行串接降压。当然此模块还需要SIM卡接口电路，由于SIM卡是经常被手碰到的地方，需要给SIM卡加上ESD保护电路。

3 软件设计

手持机软件系统用C51进行直接编写，当然如果扩展外部储存器，也可考虑在本系统中采用嵌入式操作系统，并在操作系统的基础上编写自己的应用驱动程序，我们这里考虑到本手持机只是作为物流读写射频卡的中间设备，数据处理类型和任务较少，较复杂的应用处理可以由远程数据控制中心来实现，所以这里采用C51直接编写全部程序，系统的各个单元部分用单独的任务线程设计，在减少了软件设计的复杂度的同时，也增强了软件系统的稳定性和可读性。

本系统软件设计主要包括，系统初始化，键盘扫描处理，液晶显示，射频卡的读写，以及无线模块的控制与数据通讯等主要部分，由于系统初始化，键盘扫描处理，LCD显示，都是非常常见的应用设计，下面主要说明射频卡的读写部分的设计。