基于物聯(lián)網(wǎng)應用的超高頻RFID閱讀器

設計摘要 ：

“物聯(lián)網(wǎng)”的概念最早在1999年提出，具體來(lái)說(shuō)是一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)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(shí)世界中的任何物品相捆綁，從而使物體擁有網(wǎng)絡(luò )上的虛擬“身份”；通過(guò)RFID標簽上的ID編碼，可以在網(wǎng)絡(luò )上實(shí)時(shí)查詢(xún)和動(dòng)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(shí)現全球范圍內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(gè)環(huán)節（倉儲物流、生產(chǎn)制造、物品追蹤、商業(yè)零售、公共服務(wù)等等行業(yè)）帶來(lái)深層次變革。而要實(shí)現上述愿景，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(shí)隨地”的采集RFID標簽信息，實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫全面覆蓋。因此，本項目的目標就是基于PIC32技術(shù)，實(shí)現具有聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式RFID閱讀器終端。

系統原理和技術(shù)特點(diǎn) ：

射頻識別（Radio Frequency Identity, RFID）系統主要由電子標簽（tag）、閱讀器（reader）和數據管理系統這三個(gè)主要部分組成，如圖1【RFID系統原理】所示：

圖1 RFID系統原理

電子標簽部分又可以細分為標簽天線(xiàn)和標簽芯片兩部分。每個(gè)電子標簽都含有唯一的識別碼，用來(lái)表示電子標簽所附著(zhù)的物體。當電子標簽接收到閱讀器的發(fā)射信號的時(shí)候，電子標簽被“喚醒”，然后根據閱讀器發(fā)射的指令完成相應的動(dòng)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(xiě)10,000次以上。

閱讀器也可以細分為閱讀器天線(xiàn)和閱讀器兩部分。閱讀器通過(guò)閱讀器天線(xiàn)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，將有用的數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )和數據管理系統交互。

數據管理系統主要完成數據信息的存儲及管理。數據管理系統可以由簡(jiǎn)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系統的通信過(guò)程是閱讀器給RFID標簽信息和獲得標簽上信息的過(guò)程。由于RFID標簽本身無(wú)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(shù)。而標簽獲得能量?jì)H夠供給標簽本身使用，沒(méi)有多余的能量可供射頻信號源工作，必須利用無(wú)源反射調制技術(shù)來(lái)實(shí)現RFID閱讀器與標簽之間的通信。無(wú)源反射調制技術(shù)就是在RFID系統的整個(gè)通信過(guò)程中，只存在一個(gè)發(fā)射機，即閱讀器。而RFID標簽在應答過(guò)程中對閱讀器發(fā)射的連續波射頻信號進(jìn)行調制，再將已調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(shù)和無(wú)源反射調制技術(shù)是反射調制式RFID系統的兩大關(guān)鍵技術(shù)。

由圖2【RFID系統技術(shù)特點(diǎn)】所示，UHF頻段反射調制式RFID系統主要包括RFID閱讀器和RFID標簽兩個(gè)部分，兩者之間通過(guò)閱讀器天線(xiàn)和標簽天線(xiàn)建立無(wú)線(xiàn)信道通信。

圖2 RFID系統技術(shù)特點(diǎn)

RFID系統通信的按照時(shí)序先后大致可分為兩個(gè)階段：

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

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

軟件流程介紹（允許的格式 doc，pdf，vsd，rar，zip）：

圖3【系統軟件流程】

圖4【標簽識別協(xié)議】

項目背景

21世紀以來(lái)，RFID技術(shù)在全世界迅猛發(fā)展，應用層次愈來(lái)愈多元化。尤其是長(cháng)距離識別的UHF頻段RFID技術(shù)，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(kāi)始將UHF頻段RFID技術(shù)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(shí)，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(dòng)下，RFID技術(shù)正成為繼條碼之后的全球貿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(mǎn)足Wal-Mart要求的RFID基礎設施。RFID讀寫(xiě)器，特別是UHF頻段的RFID讀寫(xiě)器的需求與日俱增。在全球巨大需求的帶動(dòng)下，RFID讀寫(xiě)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(cháng)點(diǎn)，國內外電子行業(yè)巨頭紛紛投巨資涉足開(kāi)發(fā)。本項目運用Microchip公司的PIC32系列MCU器件，實(shí)現低成本小型化的UHF頻段RFID讀寫(xiě)器，大幅度降低現有RFID讀寫(xiě)器的體積、成本和功耗，提升我國自主知識產(chǎn)權的RFID讀寫(xiě)器產(chǎn)業(yè)的競爭力。

適用范圍：

本作品實(shí)現的UHF頻段RFID閱讀器，與RFID標簽相配合成RFID系統，可以廣泛應用在以下行業(yè)領(lǐng)域：

1. 制造業(yè)：

實(shí)現“精細制造”和個(gè)性化定制生產(chǎn)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品的質(zhì)量，從而增加企業(yè)利潤。

1. 企業(yè)供應鏈管理：

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

1. 倉儲物流業(yè)和交通運輸：

監控物流全過(guò)程，實(shí)現運輸路線(xiàn)的自動(dòng)跟蹤。提高調度的準確性，送貨的可靠性和效率，降低倉儲配送和運輸的成本。

1. 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(xiāo)和滯銷(xiāo)的風(fēng)險，提高清貨和盤(pán)點(diǎn)的工作效率。

1. 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(kāi)支。

項目總體設計

如上圖5【RFID閱讀器結構圖】所示，RFID讀寫(xiě)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(kāi)發(fā)板實(shí)現，而外部接口包括網(wǎng)絡(luò )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(shí)現方法：

(1)事件調度：使用PIC32芯片實(shí)現簡(jiǎn)單的RFID識別、顯示及通信事件調度功能。

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

(3)RFID信號處理：使用PIC32芯片實(shí)現基本的信號采樣、整形、數字濾波和解碼功能。

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