基于RFID 的智能搜寻器的设计研究

高 妍 赵婧赟 黄 康 霍 博 黄素萍*

（咸阳师范学院 计算机学院，陕西 咸阳712000）

1 概述

在日常生活中，丢失物品是经常发生的，尤其是一些小件物品，如，银行卡、公交IC 卡、钥匙串、U 盘等物品。这些物品丢失的地方往往就在人们经常活动的某一确定的范围内，如去图书馆的路上或花园、办事的某橦楼、某个房间或是某个柜子中。大多情况是人们能大概确定丢失物品就在某一范围内时，但因为它们体积小或者环境中其它物品将其遮挡等原因而无法找到。所以，当这些不具有自我反馈信息能力的物品丢失时，如何让它们告知人们它的准确位置是目前亟待解决的问题。使用传统的搜寻方式，不可避免地会遇到因障碍物无法准确找到丢失物的现象。智能搜寻器就是针对这些小物品丢失设计的，它可以满足大众的这一需求，即在物品丢失的某一确定地理范围内，可以快速的定位失物的位置，从而减少人们因丢失物品所带来的烦恼和麻烦。

智能搜寻器的设计实现是基于RFID 射频技术。它是利用射频标签体积小，易于附着在物品上，射频阅读器可不接触的识别射频标签这些特点来设计的。RFID（Radio Frequency Identification）技术作为构建“物联网”的关键技术近年来受到人们的热切关注。同时，由于RFID 这一技术的兴起以及发展，它也开始应用于解决人们生活中的遇到的很多问题。

2 RFID 技术介绍

射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种目标识别技术，其采取非机械接触式的识别方式从众多感应层技术中脱颖而出，近年来在国内外都得到了快速发展。RFID一般由中央信息系统、阅读器、标签三大部分组成，阅读器可以和中央信息系统进行数据的相互传递并且系统高层会将接收到的信息加以保存，以便于人们通过系统高层来获取有用信息，作为中间结构的阅读器与标签利用天线进行信息交换[1]。

RFID 技术的工作原理是：通过射频信号自动对目标对象进行自动识别并获取相应的数据，无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，工作运转过程全程自动化，无须人工干预，标签附着于可跟踪的物品上，并对其进行识别和读写[2]。RFID 技术将RFID 标签依附在物品上，通过射频信号将标签中的信息读取到RFID 读取器中，从而获得物品的信息。RFID 技术的基本模型如图1 所示。

图1 RFID 基本模型图

由图1 可知，当射频标签进入到阅读器发射的天线范围之内，标签内部就会产生感应电流，从而使射频标签获得能量被激活，会将自身编码等信息通过内置的发送天线发送出去。中央信息系统接收到从射频标签发送来的载波信号后，经过天线调节后会传到阅读器，阅读器会对接收到的信号进行解调和解码，最后送到中央信息系统进行相关处理。

RFID 技术就是利用RFID 标签进行与阅读器之间的信息传输，利用阅读器与中央信息系统的信息传输来完成对目标对象的识别、跟踪、监控和管理[3]。相比于传统的识别方式，射频识别技术具有非接触无磨损和读写速度快等优点，并且可以同时读写若干张RFID 标签。所以，利用RFID 技术设计实现智能搜寻器，解决生活中丢失小件物品的麻烦是可行的。

3 智能搜寻器的设计方案

3.1 智能搜寻器的结构

图2 手持设备结构示意图

图3 挂件（卡套）结构示意图

智能搜寻器由手持设备和挂件组成。其中手持设备（如图2示）由RFID 组件、芯片、开发板、蜂鸣器、LED 灯等硬件系统构成。其中的RFID 组件包括天线、阅读器等；挂件（卡套）（如图3示）内嵌RFID 射频电子标签。RFID 组件主要完成数据信息的采集与存储、管理以及对RFID 射频电子标签的读写控制，对于射频标签所带来的信息及时的处理。

手持设备中的阅读器是RFID 组件信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和射频标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给标签提供能量和时序。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场内，它携带的数据信息会被获取，帮助明确失物位置，达到搜寻的目的。

手持设备中采用的开发板电路是为了本项目需求而设计的，可连接设备的各个部件。设备的芯片是逻辑处理中心，它本身就是一种高密度的集成电路，可写入应用程序，完成相应的处理逻辑和动作，实现数据快速传输、获取、处理等功能。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子器件，广泛应用于打印机、报警器、定时器等电子产品中，作发声器件。手持设备的报警装置是由蜂鸣器和LED 灯实现，当搜寻的失物在阅读器的范围内，距离逐渐缩小或变大时，蜂鸣器发出的声音会不断变化，LED 灯闪烁的频率也随之变化，辅助使用者进行失物位置的确定。

3.2 智能搜寻器的工作原理

智能搜寻器的工作原理是：用户输入丢失物品名称，显示屏显示输入的内容，设备调用RFID 工作程序，进行目标的搜索，当手持设备中的阅读器接收到标签信号，芯片判断收到的信号是否为搜寻目标，并计算失物与手持设备之间的距离，调用蜂鸣器函数，使得蜂鸣器发出警报声，距离越近，警报声越急促，距离越远，警报声缓慢。同时，LED 灯与蜂鸣器的工作方式类似，距离失物越近，灯的闪烁频率越快；否则反之。

这套装置的优势在于高效、快速，射频标签和阅读器系统之间反应很迅速，偏差小，抗干扰能力强，当阅读器感应到范围内的标签时，装置上的蜂鸣器也会随着距离的远近发出警报声，从而精准的对丢失物品进行快速定位。

3.3 设备功能设计

智能搜寻器在开始工作时首先调用键盘部分程序，当用户输入丢失物品名称，调用显示屏程序显示。信息确认后，启动RFID 程序，可用手持设备在某一确定的范围内寻找丢失物品。手持设备内的阅读器发射一个特定频率的无线电波给电子标签，驱动标签电路将内部数据发出，当接收到丢失物品上内嵌的标签发送的信号时，根据发送的信号与输入的信息的对比，判断该物品是否为丢失物品。若确认是丢失物品，调用RFID 程序计算标签与手持设备之间的距离（用传播时间×传播速度/2）。接着调用LED 灯和蜂鸣器的程序，启动LED 灯和蜂鸣器。当标签与阅读器距离越近，LED 灯闪烁频率越快，蜂鸣器警报声音越急促。图4 为整套设备程序设计流程图。

图4 整套设备程序设计流程图

3.3.1 RFID 阅读器程序

手持设备中，RFID 组件的阅读器通过天线接收到失物标签传回的信号，从中提取出失物射频标签回送的数据，传递给芯片程序，芯片主程序调用RFID 的程序，对接收的标签数据和用户输入的物品信息进行判断处理，若一致即接收的信息为目标失物的，芯片程序将调用报警模块，实现报警功能。图5 为阅读器程序流程图。

图5 阅读器程序流程图

3.3.2 蜂鸣器程序

在扫描中，阅读器识别到失物标签的信号，处理数据后，将结果传递给芯片，芯片的主程序调用蜂鸣器控制程序。当手持设备与丢失物之间的距离小于一定范围，芯片调用蜂鸣器控制程序启动蜂鸣器，使其发出较小且缓慢的警报声，当手持设备离丢失物越来越近时，蜂鸣器报警的声音越来越大，且越来越急促。图6 为蜂鸣器的程序流程图。控制蜂鸣器的核心代码如下：

①GPIO_ResetBits（GPIOF，GPIO_Pin_8）；

②GPIO_SetBits（GPIOF，GPIO_Pin_8）；

关闭蜂鸣器时，用式①把BEEP 引脚拉低（等同BEEP=0）；打开蜂鸣器时，用式②把BEEP 引脚拉高（等同BEEP=1）。

蜂鸣器是通过调节PWM 信号占空比来调节声音的大小，当输出高电平时，占空比调四分之三，声音就变小，调二分之一，声音更小。本程序使用stm32 的pwm 输出引脚，使用IO 口的复用功能，T2-T5 这 4 个通用定时器均可输出 4 路PWM-CH1-CH4。每路程序可控制一个定时器4 个通道的pwm输出相同频率，但占空比可以不同。

此外，通过对一个定时器进行设置，控制蜂鸣器发声间隔，从而实现警报声急缓的变化。

图6 蜂鸣器程序流程图

3.3.3 LED 灯程序

LED 灯受芯片程序控制启动与关闭。同蜂鸣器类似，当标签在阅读器的检测范围内时，芯片调用程序判断所接受到的信息是否是用户想要寻找的物品上的标签，若是，则芯片主程序调用LED 灯程序，并且根据程序计算，阅读器距离标签越近时，灯闪烁的频率越快。控制led 灯的代码如下：

①控制LED0 灯灭：GPIO_SetBits（GPIOE，GPIO_Pin_14）；②控制LED1 灯亮：GPIO_ResetBits（GPIOF，GPIO_Pin_9）；E、F 为端口，14 和9 为引脚，调用LED 灯函数的时候利用这两个参数来控制LED 灯的亮和灭。①为拉高14 引脚，控制LED0 灯灭（等同LED0=1）；②为拉低9 引脚，控制LED1 灯亮（等同LED1=0）

此外，通过设置定时器中断时间，可控制led 闪烁的频率不断变化。

4 结论

智能搜寻器的主要功能是利用非接触式的自动识别技术——RFID 技术，通过射频信号自动识别目标对象，快速地进行物品追踪定位，进而找到所丢失的物品。该设备适合应用于不具备通信功能和自我反馈等功能的小件物品，能更好满足用户寻找丢失小物品的需求。智能搜寻器具有高效性、准确性、可重复使用等优势。