基于射频识别技术的实践教学平台建设方法研究

史伟光+杜江霞+闫淑霞+张晨光

摘 要：随着物联网技术在各领域应用的不断深入，基于射频识别技术的实践教学已经成为电子信息类专业应用型人才培养的重要组成部分。本文首先简要概述射频识别技术，然后研究了工作在主流工作频率分别为125 kHz、13.56 MHz、900 MHz与2.4 GHz应用下的射频识别实践平台的软硬件系统建设方法，建设该平台有助于学生全面掌握射频识别系统的功能用途，提高学生的动手能力和创新能力，具有广阔前景和深远意义。

关键词：射频识别技术；实践教学；多频段

一、 引言

近年来，物联网技术引发了一阵信息热潮，RFID作为其中的一个分支也备受研究者关注。与此同时，高等院校的电子信息类专业陆续开展各种物联网实践课程、学术交流活动和学科竞赛等实践教学改革方法，取得了较好的反响。尽管如此，相关调研数据表明，现有面向物联网技术的实践教学体系仍然缺乏针对射频识别技术的专用实践教学平台，学生对射频识别技术的知识掌握和实践能力仅限于13.56 MHz频段的适于ISO14443B协议的射频模块，而对具有更低功耗、更低成本、更远距离的其他通信协议及其他通信频段（如13.56 MHz的ISO15693协议、915 MHz的ISO18000-6C协议、2.4 GHz的ISO18000-7协议）的射频技术了解较少，对高频段的射频系统的综合设计能力（如信号隔离方式、微带天线布线方式、天线匹配、多标签防碰撞等）有待进一步提升。

针对以上问题，本文旨在探索研究基于射频识别技术的实践教学平台建设的新方法。在目前单一频率的射频识别技术实验的基础上，设计和实现多种频率多种协议的射频识别技术实验平台，计划使用本射频识别系统平台为学生展示射频识别内部结构和比较不同频率下的射频通信技术特征，并通过寻卡和联机通信等多种实验对卡片信息读写并进行相关控制。该平台能够有效帮助学生理解射频识别关键技术的主要原理和实现流程，进一步提升学生在RFID技术领域的创新能力。

二、 射频识别概述

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）是兴起于20世纪90年代的一种自动识别技术。通过无线射频耦合的方式进行非接触通信，可对目标加以识别并获取相关信息。近年来，RFID凭借非接触、非视距、短时延、低成本、高速率和支持多标签识别操作等诸多优势，成为室内通信的首选技术，广泛应用于物流仓储、医疗卫生和工业自动化等方面，RFID技术也已被业界公认为是本世纪最有前途的技术之一。因此，RFID具有广阔的发展前景和重要的研究意义。

RFID系统主要由三部分组成，包括阅读器、应答器和通信接口。其工作原理如图1所示。每个应答器上有唯一的编码信息，进入读头的磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号（包括能量、时序和数据），无源标签凭借产生的感应电流获得的能量发送存储芯片中的信息，或有源标签主动发送某一频率的信号，信息经阅读器读取与解码后，经通信接口传输到其他通信设备，进一步对信息进行整合处理。

图1 RFID基本原理框图

三、 多频段多标准的RFID实践教学平台建设

RFID系统的工作频段和耦合方式是影响成本、读取速率、识别范围、精度与应用场合等的重要因素。RFID系统工作频段可分为四段：低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波（MW）。本文提及的实践教学平台选取对应典型工作频率分别为125 kHz、13.56 MHz、900 MHz和2.4 GHz进行教育教学实验。需指出，125 kHz频段和13.56 MHz頻段的近距离通信系统采用电感耦合实现数据通信，而900 MHz和2.4 GHz的远距离通信系统采用电磁反向散射实现数据通信。建设面向多频段多标准的RFID实践教学平台有利于学生学习并体会不同频段下的射频电路和天线设计的差异性，有利于学生学习并体会不同标准下的基带信号和调制方式的差异性，有利于学生深入理解《电磁场和电磁波》《微波技术与天线》《通信原理》等专业课的重要内容。

图2 射频识别技术的实践教学平台流程结构示意图

本文研究的面向多频段多标准的RFID实践教学平台示意图如图2所示，本实验教学过程可分为三部分，可帮助学生理解射频识别设备基本工作方式、了解模块的内部设计结构及深入理解射频通信工作原理，从而进一步使用实验平台实现实验数据的查询、信息读写和修改等功能。下面结合图2对三部分内容进行简要说明。

第一部分为RFID所需硬件开发平台的认识和使用，具体包括：对系统控制主板上供电方式、各种连接座、RFID选择拨码开关、按键、JTAG调试接口和USB接口等的功能和实际应用的熟悉；对MSP430仿真器和CC2530仿真器的应用场合及其JTAG引脚功能的熟练使用；掌握各个频段的RFID模块引脚开关以及其拨码开关设置方式。

第二部分为在软件开发平台IAR环境下对MSP进行程序仿真和固化，使学生熟悉使用IAR Embedded Workbench for MSP430，并且熟练掌握在软件开发环境下创建并打开一个工程这一操作，最后将程序下载固化到系统控制底板上的MSP430F2370里。

第三部分是在前期实验内容基础上的重要实验内容，主要包括不同频段不同协议内射频识别系统观测实验，即利用射频识别平台已有模块，平台监控系统对应答器（标签）进行访问，然后在固定显示器上显示实验所需数据。平台监控管理系统可对应答器进行寻卡实验、脱机实验、寻找标签实验、读写标签实验、擦除和销毁标签实验。以13.56 MHz频段下的实践教学为例，其多频段特征体现在平台可进行适于ISO15693协议的联机通信实验、适于ISO14443A协议的联机通信实验、适于ISO14443B协议的联机通信实验。以900 MHz频段下的获取模块信息和设置模块的输出功率实验为例，学生可通过调节：SOF、LEN、CMD、*CRC、EOF、STATUS、SERIAL、VERSON、FREMODE/FREBASE/POWER等数据段指令长度，利用相关API函数对900 MHz模块信息进行询问状态信息、读取模块信息、读取频率设置和读取功率五个操作。

需指出，本文探索建设的基于射频识别技术的实践教学平台可以依托电子信息工程类专业在教育领域的应用成果、院内已有的实验环境和硬件资源，依据典型工作频段的通信协议引入电路模组，即可建立基于MSP430单片机的多频段实践教学内容，这种实践平台建设方法具有一定的继承性和可扩展性，有利于推动并健全物联网实践教学内容，全面提升电子信息类专业的实践教学质量。

四、 总结

本文针对电子信息类专业在射频识别技术的实践教学中存在的问题，提出了多频段多标准的RFID实践教学平台建设方法，该方法以多种射频识别通信模组构建阅读器扩展板，将单片机控制主板模块、仿真器模块、输入输出模块进行有机整合，进而完成实践教学平台的构建。同时，结合各频段各协议的工作原理、技术特点、适用场景来规划实践教学内容，依托实践教学平台通过标签识别的手段来增加学生对射频识别系统的系统架构、工作原理、故障调试等内容的深入理解，引导学生自主学习、积极创新，提高动手能力，最终达到增强学生实践创新能力的培养目标。该教学实践平台具有很好的应用前景与推广价值，可帮助学生快速学习当今最流行的非接触式射频技术，并应用到设计产品以提高技术竞争力。

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