基于软件无线电的RFID教学实验平台

陈翔 曾祥健 邱继云 刘敏

[摘 要]射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术作为一种安全、可靠、低成本、适用性广的非接触式识别技术，已被广泛引用于多个产业和领域，并成为构建物联网的關键技术。在RFID技术越来越受到人们的关注，产业潜力逐渐凸显的当下，为高校提供直观便利、功能完备的RFID教学实验工具成为广泛存在的需求。基于EPC RFID G2 UHF（v2.0.1）协议，通过USRP和LabVIEW的软件无线电平台，设计并开发了一个用户界面友好、功能齐全的RFID教学实验平台，满足高校实验教学的需要，也可作为RFID协议研究、功能拓展的软件无线电模板。

[关键词]RFID;USRP;LabVIEW;教学实验平台

[基金项目]教育部-NI产学合作协同育人项目“基于USRP的RFID协议测试模拟器的设计与研制”（20190131）;国家重点研发专项“基于服务的开放网络架构研究与验证”（2017YFE0121300-6）

[作者简介]陈 翔（1980—），男，湖南长沙人，清华大学博士生，中山大学副教授（通信作者），主要从事无线与移动通信、卫星通信研究。

[中图分类号] G642.0[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）45-0-04[收稿日期] 2020-06-10

一、引言

射频识别技术（Radio Frequency Identification，以下简称RFID）是一种利用射频信号自动识别目标对象、获取相关信息的技术。作为构建“物联网”的关键技术，它被运用于越来越多的行业以提高物流效率和服务水平。随着相关领域在国内的不断发展，RFID教学实验平台的建设也成为实际的需求。

现今，已有不少研究者发表了软件无线电实现RFID系统的相关成果，主要有以下方面：文献[1]论证和分析了通过软件无线电实现RFID读写器的可行性和系统框架;通过软件无线电实现读写器以验证RFID中的一些研究内容，如文献[2]验证了对防碰撞算法进行改进的有效性，文献[3]验证了一种对标签测距算法的有效性;通过软件无线电实现具有特定功能的读写器，如文献[4，5]实现了具有对标签定位功能的RFID读写器;文献[6-9]通过软件无线电实现RFID的标签测试设备;文献[10-12]通过软件无线电实现RFID的物理层基带传输;文献[13，14]通过软件无线电实现开放式的RFID读写器;文献[15，16]通过软件无线电实现RFID读写器、标签，形成统一的使用平台。

本文主要通过USRP-2922和LabVIEW的软件无线电平台，基于EPC RFID G2 UHF协议标准，实现了功能完备的RFID教学实验平台，它也可作为RFID协议的软件无线电相关项目的开发模板。与上述研究者所开发的RFID系统相比，具有以下的特点和优势：完整实现读写器与标签;应用目标明确，实用性较强;程序功能较为丰富，有丰富的控制接口与展示面板。

二、RFID系统及其协议

（一）RFID系统

RFID系统由读写器和标签两大硬件实体及其相应的软件构成。读写器属于有源器件，负责对标签进行数据的读写，并对无源电子标签进行供电。

最常见的标签为无源标签，它具有成本低、体积小的优点。根据读写器对无源标签的供电方式的不同，使用无源标签的RFID系统可分为磁耦合式与电磁波反射式两种。其中更常用的是电磁波反射式系统（如图1所示），标签通过接收读写器的电磁波来为自己供电，双方通过电磁波的振幅调制来通信。

（二）EPC RFID G2 UHF协议

EPC RFID G2 UHF是EPCglobal制定的超高频段射频识别空中接口的第二代协议标准。协议规定了860MHz-960MHz频段内读写器与无源标签的半双工通信标准、无源标签的内部工作逻辑。

协议的物理层部分规定，读写器到标签的调制方式为DSB-ASK、SSB-ASK或PR-ASK，波形编码为脉冲间隔编码;标签到读写器的调制方式ASK或PSK，采用的波形编码为FM0或Miller Subcarrier。

协议的逻辑层部分规定，标签中有Reserved、EPC、

TID、USER四块非易失性存储区，有ready、arbitrate、reply、acknowledged、open、secured、killed七种状态，有盘存标志S0、S1、S2、S3以及选择标志SL。

不论是对标签进行读、写还是锁定等操作，读写器都必须先经过一系列的命令来识别标签，使其处于open或secured状态，这个过程如图2所示。

三、USRP和LabVIEW的软件无线电平台

（一）USRP

USRP全称Universal Software Radio Peripheral即通用软件无线电外设，是由National Instruments（以下简称NI）及其子公司Ettus Research研发和销售的一系列软件无线电产品，是目前最主流的软件无线电硬件平台之一，其内部逻辑结构如图3所示。

（二）LabVIEW

LabVIEW全称Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，是由NI公司研制开发的一种程序开发环境，与其他程序开发环境的显著区别是，它使用图形化的形式来编写程序，产生的程序以框图来呈现。使用LabVIEW开发平台编写的程序称为虚拟仪器（Virtual Instrument，以下简称VI）程序。

LabVIEW由于其开发周期短、驱动和函数多样、数据处理方便等特点，被广泛应用于测试测量、控制、仿真等领域。NI公司也为LabVIEW提供了USRP的相关驱动，通过简单的几个VI即可完成USRP的初始化设置、信号发送、信号接收等过程。

（一）系统设计方案

本系统的设计方案如图4所示。上位机中运行LabVIEW程序，程序在逻辑上可划分为用户控制、模拟读写器、模拟标签三个部分，其中模拟读写器负责实现RFID协议中读写器的物理层与逻辑层处理，模拟标签负责实现RFID协议中标签的物理层与逻辑层处理，而用户控制与界面部分则负责用户对程序的交互控制与物理层波形、逻辑层收发情况等内容的展示。

LabVIEW程序中的模拟读写器与模拟标签通过千兆以太网口，分别与两台USRP-2922相连接，完成接收端基带数据、发送端基带数据的传递。USRP-2922通过其射频模块，实现基带信号的空口接收和发送。此外，除了无线信道以外，用户也可选择软件模拟信道来运行程序。

（二）模拟读写器与模拟标签

模拟读写器与模拟标签是程序中的核心模块，他们的逻辑流程图分别如图5和图6所示。

五、实际测试

首先，接通两台USRP-2922的电源并将它们连接起来，然后用千兆以太网光纤将其中一台USRP与上位机连接起来。然后，在上位机上打开本文所开发的LabVIEW程序，完成USRP的IP地址、各命令参数等設置后，即可运行该程序。

此处，选择命令组合发送模式进行测试，使用的命令组合为Read命令组合。读写器端的物理波形、最终测试结果（总模块的局部展示）分别如图7和图8所示。

六、结语

本文介绍了RFID的主要概念及被广泛应用的EPC RFID G2 UHF协议标准，对USRP与LabVIEW的软件无线电平台进行了一定的阐述，设计并开发了以USRP-2922为射频收发设备、LabVIEW程序为上位机软件的软件无线电式RFID教学实验平台，且顺利通过了实际测试。

由于时间和个人水平的限制，该平台仍有不足之处，体现在：仍有一部分较复杂的可选命令没有实现;由于以太网传输和操作系统的限制，在接收时延等方面，该平台无法满足协议的要求;读写器未专门设计多标签识别的模式，功能不够完善，等等。后续的工作可以着力于解决这些方面的问题，进一步丰富和完善其功能。

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A RFID Teaching Experiment Platform Based on Software Defined Radio

CHEN Xiang， ZENG Xiang-jian， QIU Ji-yun， LIU Min

（School of Electronics and Information Engineering， Sun Yat-sen University，

Guangzhou， Guangdong 510006， China）

Abstract： Radio Frequency Identification （RFID） technology， as a safe， reliable， low-cost non-contact identification technology with extensive applicability， has been widely used in many fields， and has become a key technology for building the Internet of things （IoT）. As RFID technology gains more and more attention and industry potential becomes more and more prominent， it has become a widespread demand to provide an intuitive， convenient and functional RFID teaching experiment tool for colleges and universities. Based on EPC RFID G2 UHF （v2.0.1） protocol， through the software radio platform of USRP and LabVIEW， a RFID teaching experiment platform with friendly user interface and complete functions was designed and developed， which can meet the needs of experimental teaching in colleges and universities， and can also be used as a software radio template for RFID protocol research and function expansion.

Key words： RFID; USRP; LabVIEW; teaching experiment platform