基于RFID技術(shù)的閱讀器二次開發(fā)實驗系統(tǒng)

韓學(xué)軍, 張立立, 李 寧

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819; 2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，射頻識別(RFID)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，現(xiàn)已應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面，并將成為未來信息社會建設(shè)的一項基礎(chǔ)技術(shù)。埃森哲實驗室首席科學(xué)家弗格森認(rèn)為RFID將是一種突破性的技術(shù)[1]：第一，可以識別單個的非常具體的物體，而不是像條形碼[2]那樣只能識別一類物體；第二，其采用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數(shù)據(jù)，而條形碼必須靠激光來讀取信息；第三，可以同時識別多個物體，而條形碼只能一個一個地讀取。此外，儲存的信息量也非常大。

RFID相對于傳統(tǒng)的條形碼，具有十分明顯的優(yōu)勢[3]，將來必然會代替?zhèn)鹘y(tǒng)的條形碼。同時正在使用的自動識別技術(shù)[4](例如條碼技術(shù))已經(jīng)無法滿足人們更高的要求。目前，射頻識別技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域[5]包括：身份識別和門禁管理；防偽應(yīng)用；商業(yè)供應(yīng)鏈應(yīng)用；公交管理(主要涉及電子車票、不停車收費(fèi)、車輛管理)；物流管理；生產(chǎn)線的自動化及過程控制；動物的跟蹤和管理等。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，RFID的市場在未來5年內(nèi)能達(dá)到數(shù)千億美元的市場空間。這個數(shù)字或許存在一定水分，但是RFID將有一個巨大的市場卻毫無疑問。

1 RFID系統(tǒng)工作原理

RFID技術(shù)的基本工作原理[6]是利用空間電磁波的耦合或者傳播來進(jìn)行通信，達(dá)到自動識別被識別對象、獲取識別對象相關(guān)信息的目的。典型的工作方法如圖1所示，閱讀器模塊通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)貼有電子標(biāo)簽的物體進(jìn)入無線識別系統(tǒng)閱讀器的識讀范圍時，其天線將產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽獲得能量被激活并向閱讀器發(fā)送自身的編碼等信息；閱讀器接收到電子標(biāo)簽發(fā)射回來的電磁波信號后，經(jīng)過處理得到電子標(biāo)簽存儲的代碼等信息。這些信息可以作為物體的特征數(shù)據(jù)被傳送到計算機(jī)進(jìn)一步處理。

一套完整的RFID系統(tǒng)，是由閱讀器(Reader)與電子標(biāo)簽(TAG)也就是所謂的應(yīng)答器(Transponder)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)3個部分所組成[7]，其工作原理是：閱讀器發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給應(yīng)答器，用以驅(qū)動應(yīng)答器電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時閱讀器便依序接收解讀數(shù)據(jù)，送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。

圖1 RFID工作原理框圖

RFID卡片閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通信及能量感應(yīng)方式大致上可以分成：感應(yīng)耦合(inductive coupling)及后向散射耦合(backscatter coupling)兩種。一般低頻的RFID大都采用感應(yīng)耦合方式，而較高頻大多采用后向散射耦合方式。

閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同可以是讀或讀/寫裝置，是RFID系統(tǒng)信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應(yīng)答器[8]提供能量和時序。在實際應(yīng)用中，可進(jìn)一步通過Ethernet或WLAN等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。應(yīng)答器是RFID系統(tǒng)的信息載體，目前應(yīng)答器大多是由耦合原件(線圈、微帶天線等)和微芯片組成無源單元。

從技術(shù)角度說，射頻識別技術(shù)的核心[9]是應(yīng)答器，閱讀器是根據(jù)應(yīng)答器的性能而設(shè)計的。雖然在RFID系統(tǒng)中應(yīng)答器的價格遠(yuǎn)比閱讀器低，但通常情況下，在應(yīng)用中應(yīng)答器的數(shù)量是很大的，尤其是在物流應(yīng)用中，應(yīng)答器用量不僅大而且可能是一次性使用，而閱讀器的數(shù)量相對要少很多。應(yīng)答器在某種應(yīng)用場合還有一些專有的名稱，如射頻卡、標(biāo)簽等。射頻卡又稱非接觸卡，為卡片狀的應(yīng)答器。在動物識別、商品貨物識別、集裝箱識別等領(lǐng)域，常用的應(yīng)答器稱為標(biāo)簽。標(biāo)簽的芯片安放在一張薄紙膜或塑料膜內(nèi)，這種薄膜往往和一層紙膠合在一起，背面涂上黏膠劑，這樣就很容易粘貼到被識別的物體上。

應(yīng)答器的主要性能參數(shù)[10]有:工作頻率、讀/寫能力、編碼調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率、信息數(shù)據(jù)存儲容量、工作距離、多應(yīng)答器識讀能力、安全性能等。根據(jù)應(yīng)答器是否需要加裝電池及電池供電的作用，可將應(yīng)答器分為無源、半無源和有源應(yīng)答器3種類型。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 閱讀器上位機(jī)二次開發(fā)需求分析

二次開發(fā)，簡單地說就是在現(xiàn)有的軟件上進(jìn)行定制修改、功能擴(kuò)展，以達(dá)到自己想要的功能，一般來說都不會改變原有系統(tǒng)的內(nèi)核。本課題就是在開源產(chǎn)品的基礎(chǔ)上擴(kuò)展功能，使其獲得更高的應(yīng)用價值。

首先，作為RFID閱讀器上位機(jī)軟件，必須能夠?qū)ぷ髟诓煌l率的閱讀器進(jìn)行相應(yīng)的操作。本軟件對125 kHz頻率的閱讀器進(jìn)行了二次開發(fā)，功能如下：

對于125 kHz頻率閱讀器，本質(zhì)上就是串口通信、設(shè)置參數(shù)、設(shè)置功能，因而可以設(shè)定不同的波特率、數(shù)據(jù)位和停止位，從而讀取不同卡號，因為卡號全球唯一，因此可將其應(yīng)用于考勤系統(tǒng)；

其次，為了方便學(xué)生學(xué)習(xí)和了解RFID閱讀器上位機(jī)二次開發(fā)的方法，應(yīng)該具備典型開發(fā)文檔和流程展示功能，同時可查看源代碼，便于學(xué)生的學(xué)習(xí);

最后，任何一款應(yīng)用程序都需要根據(jù)用戶建議和需求不斷完善，因此用戶與開發(fā)者的交流溝通方式也需要設(shè)置。

2.2 開發(fā)流程設(shè)計

軟件開發(fā)流程設(shè)計步驟如下：

(1) 打開VC++6.0 SP6[11]，新建一個基于對話框的MFC AppWizard應(yīng)用程序[12]，命名為“RFID閱讀器二次開發(fā)軟件平臺”；

(2) 將對話框Caption更改為“RFID閱讀器二次開發(fā)平臺”，并創(chuàng)建新類CRFID，作為平臺的主界面；

(3) 在對話框資源處插入一個新的對話框，更改Caption為“125 kHz系統(tǒng)二次開發(fā)”，添加控件資源并創(chuàng)建新類CRFID125，建立類向?qū)?，編輯代碼進(jìn)行功能實現(xiàn)；

(4) 在對話框資源處插入一個新的對話框，更改Caption為“聯(lián)系我們”，創(chuàng)建新類，進(jìn)行界面設(shè)計及功能實現(xiàn)；

(5) 編寫典型開發(fā)文檔，實現(xiàn)主界面對應(yīng)按鈕功能；

(6) 制作AVI動畫，實現(xiàn)主界面對應(yīng)按鈕功能；

(7) 界面美工；

(8) 添加連接、包含等代碼，將各個對話框類與主程序關(guān)聯(lián)，整體調(diào)試、運(yùn)行；

(9) 反復(fù)調(diào)試無誤，生成Release版或Debug版并發(fā)布。

流程見圖2。

圖2 流程圖

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本模塊實現(xiàn)了對125 kHz射頻卡ID號的讀取，并應(yīng)用此低頻卡開發(fā)了一個簡易的考勤系統(tǒng)，二次開發(fā)設(shè)計界面如圖3所示。

圖3 RFID 125 kHz系統(tǒng)軟件二次開發(fā)設(shè)計界面

(1) 實現(xiàn)方法步驟：

① 向標(biāo)題為“RFID125KHz系統(tǒng)二次開發(fā)”的對話框添加4個按鈕控件，分別命名為參數(shù)設(shè)置、打開串口、關(guān)閉串口和進(jìn)入考勤應(yīng)用；添加1個組合框和1個編輯框，用來顯示ID號；添加Mscomm控件，實現(xiàn)串口通信；

② 使用類向?qū)尚骂?，為組合框和編輯框分別關(guān)聯(lián)變量，為每個按鈕添加消息響應(yīng)函數(shù)；

③ 進(jìn)入代碼編輯區(qū)，實現(xiàn)每個按鈕的功能；

④ 編譯，調(diào)試，修改。

(2) 運(yùn)行及測試：將實驗箱閱讀器接口用USB線與PC機(jī)相連，打開實驗箱電源和上位機(jī)軟件，進(jìn)行測試。

首先設(shè)置串口參數(shù)，然后打開串口，進(jìn)行刷卡，發(fā)現(xiàn)程序自動退出；為此進(jìn)入代碼區(qū)檢查，發(fā)現(xiàn)沒有設(shè)置數(shù)據(jù)接收格式，添加對應(yīng)代碼，重新編譯、運(yùn)行，測試成功(運(yùn)行結(jié)果見圖4)。刷卡后在界面卡號顯示區(qū)顯示出序列號。

圖4 RFID 125 kHz系統(tǒng)軟件二次開發(fā)運(yùn)行結(jié)果

然后對考勤系統(tǒng)進(jìn)行測試，分別進(jìn)入各操作界面，分別點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，如增加、刪除、修改等，打開數(shù)據(jù)庫，測試結(jié)果正確。

4 結(jié)束語

本文基于市場現(xiàn)有的RFID無線射頻閱讀器產(chǎn)品，針對125 kHz典型工作頻率的閱讀器功能進(jìn)行二次開發(fā)，在VC++環(huán)境下搭建了一個學(xué)習(xí)和實用的平臺。在本文的設(shè)計過程中，熟練運(yùn)用MFC應(yīng)用程序開發(fā)工具是先決條件，了解閱讀器和上位機(jī)之間的通信原理是基礎(chǔ)，對開源產(chǎn)品分別進(jìn)行深入了解和界面、功能的設(shè)計是關(guān)鍵。

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