基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

谷敏

摘要 隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中，并促進(jìn)信息技術(shù)的進(jìn)一步提升。物聯(lián)網(wǎng)的傳感系統(tǒng)就好比人體皮膚，是收集資料與識別物體的重要組成部分。而RFID技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)性能的唯一支撐條件，必須對其展開科學(xué)的設(shè)計(jì)。本文著重研究了基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】RFID技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng) 傳感系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)是創(chuàng)建智慧服務(wù)平臺的技術(shù)支持，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上借助RFID技術(shù)建立一個包羅萬象的局域網(wǎng)。通過對周圍事務(wù)的即時感知來實(shí)施智能化管理，進(jìn)而提升相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量。常見的物聯(lián)網(wǎng)接入方法有以下幾種，如Zigbee、藍(lán)牙、Wi-Fi、GPRS、PSTN、Z-wave通信技術(shù)等，但上述方法均不能準(zhǔn)確鑒別物品。只有RFID技術(shù)才可以完成數(shù)據(jù)的采集和物品的鑒別。因此，RFID在物聯(lián)網(wǎng)的傳感系統(tǒng)中擁有極其重要的地位。

1 RFID技術(shù)簡介

RFID技術(shù)又被人們稱為射頻識別技術(shù)，全名為“Radio Frequency Identification”，可以利用無線電波識別具體目標(biāo)并讀取數(shù)據(jù)資料，無需識別平臺與目標(biāo)之間設(shè)置光學(xué)或機(jī)器接觸。

無線電波是通過改變無線電頻度的磁場方向，將數(shù)據(jù)從依附品的標(biāo)簽上向外輸送，以自動識別或跟蹤這類物品。在識別過程中，一部分標(biāo)簽可以從識別器產(chǎn)生的磁場中獲得能量，不需要配備任何電池。還有一類標(biāo)簽自帶電源，并能發(fā)出各種電磁波，如無線電波、紅外線、X射線等。RFID標(biāo)簽保存了大量的電子數(shù)據(jù)，百米以內(nèi)都能有效識別。

從概念角度來講，RFID技術(shù)與條碼技術(shù)相類似。條碼技術(shù)是將條形碼放在目標(biāo)物的前面位置，然后使用掃描儀借助光源將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撛O(shè)備;而RFID技術(shù)使用RFID讀取器和電子標(biāo)簽，并借助頻率信號把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撟x取器。

2 物聯(lián)網(wǎng)概念

物聯(lián)網(wǎng)不僅是信息加工技術(shù)的重要表現(xiàn)形式，還是互聯(lián)網(wǎng)時代的特殊發(fā)展階段。全稱為“Intemet of things （IoT）”。從字面意義上來看，物聯(lián)網(wǎng)就是由多個事物相連接網(wǎng)絡(luò)。其中包括兩層含義：

（1）物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)與核心要素依舊是互聯(lián)網(wǎng)，是對互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)展與延伸;

（2）其前端擴(kuò)展與延伸到了不同物品之間，實(shí)施數(shù)據(jù)交換與信息交流，即物物相息。

通過智能識別、傳感技術(shù)以及普存計(jì)算等技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)才可以在網(wǎng)絡(luò)交融中得到應(yīng)用?；谝陨显?，所以被學(xué)術(shù)界稱為繼電腦、因特網(wǎng)之后全球數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一次浪潮。實(shí)際上，物聯(lián)網(wǎng)就是因特網(wǎng)的應(yīng)用延伸，與其說它是一種網(wǎng)絡(luò)，倒不如說它是一場業(yè)務(wù)或應(yīng)用。所以，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)始終圍繞應(yīng)用創(chuàng)新來發(fā)展。

3 RFID在物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用

RFID技術(shù)作為一種通過無線電波來傳遞數(shù)據(jù)的識別手段，電子標(biāo)簽用來表示某一特定對象。具體識別過程如下：確保標(biāo)簽可以收到相關(guān)頻率信號，從而展開數(shù)據(jù)識別。按照工作頻率來劃分，RFID技術(shù)包括三種形式，即高頻頻段、低頻頻段和超高頻頻段。目前，RFID高頻技術(shù)與低頻技術(shù)己得到較快發(fā)展，并且應(yīng)用于多個行業(yè)領(lǐng)域。與其它系統(tǒng)相比較，RFID系統(tǒng)可以同時實(shí)現(xiàn)兩個或兩個以上的目標(biāo)識別，活動中必須遵守電磁波頻率的全部使用規(guī)范。另外，RFID技術(shù)涉及到很多學(xué)科，例如：計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、集成電路等。其原理為電磁理論，利用射頻信號有效識別目標(biāo)并獲取相關(guān)資料，識別活動無須人為干涉，可直接應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)中。目前存在兩類RFID傳感器標(biāo)簽系統(tǒng)：一類為RFID標(biāo)簽集合而成的電池支持傳感系統(tǒng)直接作用在硅芯片之上，并且自帶數(shù)/模轉(zhuǎn)換其，該項(xiàng)科技適用于多類傳感器，但是尺寸過大、成本過高、壽命有限。第二類把傳感器集合在標(biāo)簽天線之上，能夠有效降低成本與尺寸。

從本質(zhì)上來講，RFID是一組簡單的操作系統(tǒng)，是由電子標(biāo)簽、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和讀寫器共同組成。其中電子標(biāo)簽包含兩個部分，即天線和芯片，天線主要用來發(fā)射無線電波，芯片主要用來存儲內(nèi)部數(shù)據(jù);讀寫器作為一種讀取電子標(biāo)簽的設(shè)備，可以接收大量的數(shù)據(jù)資料;并將其與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、通信等功能。通過前文分析，可以得出以下結(jié)論：RFID在識別運(yùn)動物體的同時還可識別大量標(biāo)簽，操作起來較為簡單。在今后，RFID技術(shù)的迅猛發(fā)展會對物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的意義。

4 硬件設(shè)計(jì)

基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)需要按照相應(yīng)的規(guī)則實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，其硬件設(shè)計(jì)有上位機(jī)電路、主控制模版、天線、射頻線、電子標(biāo)簽等。這些硬件相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)平臺運(yùn)營。

4.1 數(shù)字控制

數(shù)據(jù)集成包括一項(xiàng)核心功能與模塊，可以將CPU內(nèi)核與外部模塊連接在一個活動單元。不僅具備良好的節(jié)能功效，還具備高級集成、定時器以及振蕩器性能，充分支持模型的仿真、編程以及在線檢測等。

4.2 芯片設(shè)計(jì)

RFID系統(tǒng)選用了AS3992讀取芯片，該芯片集成了讀取器傳送所必備的數(shù)字模擬與性能，完全符合平臺協(xié)議方面的有關(guān)規(guī)定，具備良好的接收靈敏度。主要包括足跡接口以及振蕩器組成的PLL，DAC和ADC。另外，AS3992讀取芯片還配備了很多活動寄存器，可以使芯片活動水平得到迅速提升。

4.3 射頻放射電路設(shè)計(jì)

在對射頻電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時，RFID系統(tǒng)選用了AS3992芯片發(fā)送的20dBm的信號，這種信號經(jīng)常采取差分輸出模式。該模式需要連接RFF扼流電感以及阻抗匹配體系，同時還應(yīng)該有一個光纖轉(zhuǎn)換器，便于RFID系統(tǒng)向單端輸出模式轉(zhuǎn)變，這樣才可以實(shí)現(xiàn)信號的即時發(fā)送。

4.4 接口電路設(shè)計(jì)

RFID系統(tǒng)的接口線路主要由兩部分構(gòu)成，其一是USB數(shù)據(jù)接口，其二是RS232通信接口。其中，USB數(shù)據(jù)接口包括一個lOnF的儲能器件與27歐的終端電阻，旨在取得與智能設(shè)備的通信;和射頻放射模塊相連的電路包含以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)的控制總線、服務(wù)總線、電源線以及時鐘端口等。旨在實(shí)現(xiàn)命令的輸出、使讀取器連接到電子芯片上，便于更好地管理讀取芯片。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

除計(jì)算機(jī)硬件以外，系統(tǒng)軟件也是物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)的重要部分。它應(yīng)該先連接到工作站、控制機(jī)、觸摸屏等上位機(jī)，并與RFID標(biāo)簽展開通信，它是操作用戶與RFID標(biāo)簽之間的紐帶。整個系統(tǒng)軟件被分成四個部分，即物理層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層，在物理層利用并行接口與USB接口建立邏輯關(guān)系，然后利用AS3992接口協(xié)議與USB接口協(xié)議進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)層是基于IS0 18000-6B/C標(biāo)準(zhǔn)與EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)。傳輸層的關(guān)鍵作用是AS3992輸出形式與主控制器。應(yīng)用層主要是顯示用戶軟件、處理服務(wù)器數(shù)據(jù)等。

5.1 選擇操作

電子標(biāo)簽與讀取器之間的操作目的如下：為系統(tǒng)訪問與查詢工作建立一個標(biāo)簽集。倘若系統(tǒng)在同一時間內(nèi)出現(xiàn)很多標(biāo)簽，那么就應(yīng)該在主控制器中采用防碰撞算法，避免產(chǎn)生標(biāo)簽沖突的狀況，然后按照用戶要求發(fā)出正確指令，最后完成特定標(biāo)簽集的選擇。

5.2 查詢操作

為了準(zhǔn)確識別RFID電子標(biāo)簽，專門進(jìn)行了查詢操作，讀取器利用查詢命令統(tǒng)計(jì)標(biāo)簽集，此時會反饋大量的RFID標(biāo)簽，然后讀取器分別對他們實(shí)施檢測，并請求協(xié)議判斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo)。

5.3 訪問操作

為了和RFID電子標(biāo)簽建立聯(lián)系，專門進(jìn)行了訪問操作，系統(tǒng)會在第一時間內(nèi)訪問那個被唯一鑒別的標(biāo)簽，其操作指令有讀取、上鎖、解鎖、刪除等，有利于消除標(biāo)簽識別的各種隱患，提升其安全性。

6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析

6.1 系統(tǒng)電路板

物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)在選擇通信電路時，采用了數(shù)字射頻技術(shù)，電路板創(chuàng)建模式為PCB布局，這樣就可以有效防止模擬電路與數(shù)字電路之間的相互干擾，以及排線過程中遇到的不合理問題。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了PA設(shè)備與VC0設(shè)備（壓控震蕩器），所以系統(tǒng)質(zhì)量較輕、體積較小、集成能力較強(qiáng)，可以優(yōu)化通信電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全部的系統(tǒng)功能。

6.2 系統(tǒng)傳輸活動

一般情況下，物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)的傳輸電路是由AS3992芯片完成，首先AS3992芯片將天線收到的信號發(fā)送到混頻器，再由濾波電路和共射電路對傳輸電路展開解碼或判決，最后消除數(shù)據(jù)幀與CRC驗(yàn)證，使數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO中、傳輸部分主要是把控制器輸出的操作命令傳送到FIFO中。

6.3 系統(tǒng)時鐘波和通信性能的實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)通過LeCmy WaveSurfer永渡器來實(shí)現(xiàn)射頻頻率的勘測，當(dāng)啟動電源開關(guān)后，CLSYS頻率上升到60kHz;當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，其頻率顯示為lOkHz;根據(jù)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，距離越大則功能越低，距離越小則功能越高?；谶@種狀態(tài)，讀取操作要比輸入操作更容易獲得成功。這一檢測結(jié)果可以滿足當(dāng)前系統(tǒng)需求，符合人們的心理預(yù)期。

7 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，信息技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了全面發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)就是其中的表現(xiàn)形式之一。它是一種規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)體系，而RFID技術(shù)與傳感器又是物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐?；赗FID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)質(zhì)量、集成能力、體積更具優(yōu)勢，降低了系統(tǒng)難度，使其成為低能耗的運(yùn)行機(jī)制。通過距離檢測可以表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)功能任務(wù)。

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