功率自適應(yīng)超高頻RFID讀寫器系統(tǒng)設(shè)計*

楊 鳳,劉 迪

(河池學院 物理與機電工程學院，廣西 宜州546300)

在車輛安監(jiān)預(yù)警類型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，確保RFID讀寫器能可靠地識讀到安裝在車輛內(nèi)部的電子標簽是系統(tǒng)正常運作的前提和基礎(chǔ)[1]。超高頻RFID讀寫器憑借其遠距離識讀能力占據(jù)了較大的應(yīng)用市場[2]，但是在實際部署過程中，讀寫器的發(fā)射功率通常是恒定的，系統(tǒng)的能耗表現(xiàn)不佳，且在惡劣天氣情況下，讀寫器不能靈活調(diào)節(jié)其發(fā)射功率，容易出現(xiàn)漏讀的情況。針對此問題，參考文獻[3]在分析前后兩次讀取標簽數(shù)量差值的基礎(chǔ)上，采用模糊控制算法來動態(tài)改變讀寫器的發(fā)射功率，但該方法只適用于連續(xù)、大批量標簽讀取業(yè)務(wù)，無法滿足間歇性小批量讀取系統(tǒng)的應(yīng)用需求；參考文獻[4]設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器，可以在聯(lián)網(wǎng)模式下批量調(diào)節(jié)讀寫器的發(fā)射功率,大幅提高系統(tǒng)部署效率及使用過程中的靈活性，但該讀寫器未能引入自適應(yīng)的控制策略，需要人工值守。本文在基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器的基礎(chǔ)上，利用雨量傳感、溫度傳感和雷達探測等模塊感知的信息，制定了一套簡單、靈活且可靠的讀寫器功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略。應(yīng)用該調(diào)節(jié)策略和傳輸網(wǎng)絡(luò)，讀寫器的發(fā)射功率可雙重自適應(yīng)控制，具有較高的識讀成功率和良好的節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)的工作原理及整體結(jié)構(gòu)概述

圖1 系統(tǒng)整體框圖

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。主控機和物聯(lián)網(wǎng)多源信息終端通過 3G、LAN、WiFi等多種通信方式來實現(xiàn)組網(wǎng)[5]，它們是系統(tǒng)的傳輸與處理核心。每個物聯(lián)網(wǎng)多源信息終端可以連接最多16個讀寫器，通過多源信息終端來實現(xiàn)異構(gòu)讀寫器協(xié)同工作，降低讀寫器在通信方面的復(fù)雜度，并提高系統(tǒng)部署的靈活性。為了實現(xiàn)讀寫器發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，增加了溫度、雨量和雷達探測等傳感模塊，利用這些模塊采集到的信息作為自適應(yīng)調(diào)節(jié)的原始數(shù)據(jù)。功率調(diào)節(jié)策略可以通過傳輸網(wǎng)絡(luò)由主控機遠程設(shè)定，如未遠程設(shè)定，則執(zhí)行讀寫器本地存儲的默認策略來控制射頻發(fā)射功率。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)的超高頻RFID讀寫器硬件框架如圖2所示。

圖2 讀寫器硬件框架圖

根據(jù)參考文獻[1]所述方案實現(xiàn)基本平臺，控制核心采用STM32F103ZET6 MCU,可通過本地按鍵進行控制。在規(guī)模化部署時也可以通過串行通信方式與信息終端連接，利用主控機進行集中控制、設(shè)置液晶顯示屏，用來顯示本地信息；系統(tǒng)的射頻模塊選用RMU900+[3-4]，并通過SMA接口連接13 dBi增益的射頻天線；雨量傳感、溫度傳感和雷達探測模塊將檢測到的信息通過I/O口傳輸給MCU，MCU根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)節(jié)策略實時地控制系統(tǒng)的射頻發(fā)射功率[6-8]。

2.1 雷達探測模塊

在預(yù)警型園區(qū)車輛管理系統(tǒng)中,只有當車輛經(jīng)過時，相應(yīng)的RFID讀寫器才需要工作;沒有車輛經(jīng)過時，讀寫器可以處在休眠狀態(tài)，達到節(jié)省電能、延長讀寫器工作壽命的目的。在讀寫器兩邊分別布設(shè)10.525 GHz微波模塊來探測是否有車輛移動，如果有車輛移動，則啟動RFID模塊工作，準備識讀標簽(本系統(tǒng)同時也完成方向識別功能)。微波處理模塊電路如圖3所示，根據(jù)雷達測速原理，ft與fr的差值是計算車輛的移動速度的原始數(shù)據(jù)，該輸出信號會送入圖4所示的驅(qū)動電路進行運算放大。

在本系統(tǒng)中，當IF端的頻率為72 Hz時，車輛移動速度大約為3.6 km/h，略高于成人正常的步行速度 (在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，可以靈活調(diào)整)。

圖3 微波處理模塊電路圖

圖4 雷達模塊驅(qū)動電路圖

2.2 溫度傳感模塊

在本系統(tǒng)中,在沒有車輛經(jīng)過的情況下RFID讀寫器可能長時間處于休眠狀態(tài)，且在極端氣候環(huán)境下，射頻模塊可能因溫度原因無法立即被喚醒并正常工作。因此,本文設(shè)計了溫度控制模塊,將模塊溫度控制在0～+50℃之間。

溫度探測模塊直接使用2片DS18B20,該模塊在-10℃～+85℃范圍內(nèi)的精度可以滿足系統(tǒng)要求，當檢測溫度低于0℃時，給RFID模塊供電以保持其溫度不至于過低；當溫度高于5℃時，恢復(fù)休眠狀態(tài)；當檢測到溫度高于50℃時,啟動散熱風扇工作，以免系統(tǒng)溫度過高。

2.3 雨量傳感模塊

UHF頻段的電磁波能量較容易被雨水吸收，因此，在雨量比較大的惡劣天氣狀況下，需要提高讀寫器的發(fā)射功率。本文設(shè)計了一個紅外散射式雨量傳感器系統(tǒng)以檢測降雨情況。

利用MCU內(nèi)的定時器輸出頻率為28 kHz的方波信號來驅(qū)動紅外發(fā)射管，紅外光以固定角度投射到玻璃上，反射光被紅外接收器接收。如果玻璃上無雨水，則接收器收到的紅外線總量穩(wěn)定且與發(fā)射器發(fā)出的紅外線基本相等；有降雨發(fā)生時，散射現(xiàn)象會導(dǎo)致接收到的紅外線總量小于發(fā)射總量，系統(tǒng)以此來判定是否有降雨發(fā)生。為盡量排除可見光的干擾，在玻璃下方疊加了一片濾光片。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

在基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器的基礎(chǔ)平臺上，發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊主要包括雷達探測、溫度檢控、雨量檢控等功能。具體軟件實現(xiàn)流程如圖5所示。

參數(shù)預(yù)置模塊用于控制對應(yīng)場景的射頻發(fā)射功率調(diào)節(jié)策略，可以通過網(wǎng)絡(luò)進行集中預(yù)置，也可以直接讀取本地存儲的預(yù)置參數(shù)。初始化并自檢通過后系統(tǒng)打開對應(yīng)中斷，開始各功能模塊的檢測工作;否則轉(zhuǎn)向錯誤處理模塊進行處理并發(fā)出警告信息。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 測試與分析

在模塊初始化成功后，能通過網(wǎng)絡(luò)讀取和預(yù)置調(diào)節(jié)參數(shù)，人為斷開各功能模塊電路，錯誤處理模塊均能做出響應(yīng)并向遠程集控機提交警告信息，系統(tǒng)進入應(yīng)急工作模式。在基礎(chǔ)性模塊測試通過的基礎(chǔ)上逐項進行功能性測試。

4.1 雷達探測模塊測試

雷達探測模塊主要用于將休眠中的射頻模塊喚醒，設(shè)定好喚醒的速度閾值，超過后就喚醒射頻模塊工作，發(fā)射功率則由雨量傳感模塊控制?？紤]到在較低速度情況下汽車比較難于精確控制車速[9]，設(shè)計用改裝的電控小車來模擬車輛行駛狀態(tài)。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 雷達檢控測試統(tǒng)計表

按照理論計算，3.6 km/h應(yīng)為射頻輸出控制的閾值，經(jīng)實際測得，車速在3.5 km/h時無射頻輸出，車速超過4.0 km/h時有射頻輸出,表明雷達探測模塊能夠正常工作并喚醒射頻模塊輸出。

4.2 溫度傳感模塊

由于受氣溫及實驗條件的限制，低溫環(huán)境最低只能測試到0℃，測試運行時臨時設(shè)定射頻模塊退出休眠的溫度為1℃，結(jié)果表明，溫度檢控模塊也能按照預(yù)期正常運作。測試數(shù)據(jù)如表2所示。

4.3 雨量傳感模塊

雨量傳感模塊主要用于控制射頻模塊的發(fā)射功率，以確保可靠識讀車內(nèi)標簽。測試運行時，分別用霧化裝置和花灑來模擬4檔降雨量。測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 溫度檢控測試統(tǒng)計表

在正常工作狀態(tài)下，配合13 dBi增益的射頻天線，系統(tǒng)的射頻輸出功率約15 dBm,可以實現(xiàn)約3 m的識讀距離。在微量降雨(LL)至高強度降雨(HH)等4種狀態(tài)下，射頻輸出功率自動調(diào)節(jié)為20 dBm～30 dBm，基本實現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。

本文通過多模塊協(xié)同工作，設(shè)計并實現(xiàn)了RFID讀寫器射頻發(fā)射功率的寬范圍自適應(yīng)調(diào)節(jié)，同時實現(xiàn)了調(diào)節(jié)策略本機單獨設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)定兩種模式，方便靈活部署。

表3 雨量檢控測試統(tǒng)計表

[1]劉迪．用于園區(qū)車輛預(yù)警系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)框架研究[J]．計算機應(yīng)用與軟件，2012，29(11)：190-192．

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[3]姜濤,肖迎元,袁曉潔.RFID讀寫器功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略[J].計算機工程,2010(20):291-293.

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[5]劉迪,楊鳳.物聯(lián)網(wǎng)信息終端異構(gòu)多徑路由算法[J].控制工程,2013(3):562-565.

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