一種適用于食品供應(yīng)鏈的UHF RFID讀寫器設(shè)計(jì)

高海韜，李丹寧

(1.貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州科學(xué)院，貴州 貴陽 550001)

0 引 言

射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)概念的關(guān)鍵無線技術(shù)之一，能夠成功地保證物體的可追溯性和物品監(jiān)控[1-2]。作為一種潛力巨大的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，RFID被廣泛用于食品安全、倉儲(chǔ)物流、商品防偽、交通等領(lǐng)域[3-5]，對改善人們的生活質(zhì)量、提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)信息化水平有著重要影響。

國內(nèi)對于RFID終端讀寫器的研究設(shè)計(jì)大部分是基于單片機(jī)芯片開發(fā)，針對不同的應(yīng)用場景需求進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。如桑海偉等人[6]通過RFID技術(shù)和STM32芯片聯(lián)動(dòng)控制攝像頭，采用自修復(fù)機(jī)制改進(jìn)的RFID定位算法自動(dòng)定位牲畜活動(dòng)區(qū)域，采集牲畜活動(dòng)信息，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，從而降低畜產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用成本。洪琪璐[7]同樣將STM32作為系統(tǒng)的主控芯片，設(shè)計(jì)了一種面向文物管理的超高頻RFID閱讀器系統(tǒng)。將標(biāo)簽與文物綁定，通過RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)文物的信息輸入、信息查詢、信息修改等功能，快速、準(zhǔn)確地獲取博物館中的文物信息。

RFID技術(shù)最早可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)時(shí)無線雷達(dá)的出現(xiàn)，20世紀(jì)60年代至90年代是RFID發(fā)展史上最為重要的時(shí)期。RFID技術(shù)在國外發(fā)展較早也較快，尤其是在發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等國都較早地開始推進(jìn)RFID應(yīng)用，具有較為先進(jìn)而且成熟的RFID系統(tǒng)。美國的Symbol、TI公司，德國的西門子等國外廠商基本壟斷了RFID芯片市場，占據(jù)了RFID系統(tǒng)集成研究的有利位置。相比于國外，國內(nèi)在行業(yè)發(fā)展核心的前期階段沒有掌握技術(shù)和產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢，在很長的一段時(shí)間里RFID行業(yè)發(fā)展主要依靠引入國外集成產(chǎn)品和解決方案。近幾年，隨著國內(nèi)RFID產(chǎn)品市場需求的不斷增大，RFID技術(shù)的發(fā)展速度越來越快，RFID產(chǎn)品逐漸“國產(chǎn)化”。國內(nèi)眾多芯片廠商研制出了自己的UHF RFID芯片，讀寫設(shè)備的集成度也變得越來越高。另一方面，隨著RFID識(shí)讀算法的改進(jìn)，RFID讀寫器芯片和RFID標(biāo)簽的有效識(shí)讀距離也在逐步提高[8]。

雖然射頻識(shí)別技術(shù)的不斷突破讓RFID讀寫設(shè)備的性能得到進(jìn)一步提升，并且降低了RFID產(chǎn)品的開發(fā)成本和技術(shù)門檻，但由于國內(nèi)RFID技術(shù)起步晚，目前市場上的UHF RFID讀寫設(shè)備主要還是以傳統(tǒng)的手持讀寫器為主，這種讀寫器由繁多的硬件堆疊而成，開發(fā)成本高、體積偏大，不利于使用人員操作。這些問題對RFID技術(shù)在食品溯源等普通民用領(lǐng)域的快速普及和應(yīng)用造成了極大阻礙。目前市場上的RFID讀寫終端機(jī)價(jià)格大多在3 000元至10 000元區(qū)間，產(chǎn)品單價(jià)長期居高不下，市面上價(jià)格適中且能和手機(jī)搭配使用的RFID讀寫器只占極少數(shù)。

1 RFID技術(shù)在食品供應(yīng)鏈中的應(yīng)用

食品安全一直是國家公共安全防控管理的重點(diǎn)。此次新冠肺炎疫情中病毒隨食品冷鏈供應(yīng)流通至消費(fèi)者導(dǎo)致多起病例，更是凸顯出食品安全保障措施的重要性?；ヂ?lián)互通、快速流動(dòng)的食品供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶來的不只是經(jīng)濟(jì)效益的提高，同時(shí)也意味著食品安全問題風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步加大。錯(cuò)綜復(fù)雜的食品流通環(huán)節(jié)使得食品流通時(shí)的各種相關(guān)信息呈爆炸式增長，食品管理鏈對于RFID產(chǎn)品的需求量已經(jīng)十分龐大。

Fu等人[9]應(yīng)用博弈論分析了零售商、制造商和供應(yīng)商組成的生鮮食品供應(yīng)鏈的RFID投資決策。他們的研究結(jié)果證明了RFID技術(shù)在食品行業(yè)管理應(yīng)用中的高效性。RFID的應(yīng)用可為管理者及時(shí)提供食品供應(yīng)鏈中的關(guān)鍵信息，包括轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲(chǔ)及銷售情況，管理者可由此快速識(shí)別并糾正低效率運(yùn)作情況，因而從財(cái)務(wù)、運(yùn)營效率及食品安全方面都能提供最佳回報(bào)的解決方案，實(shí)現(xiàn)快速供貨并最大限度地減少儲(chǔ)存成本，這對于鮮果蔬菜和肉類等存儲(chǔ)成本高的食品尤為重要。

從農(nóng)田到餐桌，食品在整個(gè)供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流通過程中步驟繁多，情況復(fù)雜，傳統(tǒng)的食品供應(yīng)鏈管理模式很難掌握食品在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)步驟中的信息，包括原材料來源是否安全，食物的儲(chǔ)存狀態(tài)，供應(yīng)鏈中是否有潛在危險(xiǎn)食品在流通等，而RFID技術(shù)正是解決這一問題的關(guān)鍵[10]。如圖1所示，在食品出產(chǎn)地給食品植入電子標(biāo)簽建立身份信息。食品供應(yīng)過程中，工作人員通過RFID終端機(jī)掃描食品上的標(biāo)簽進(jìn)行身份識(shí)別，完成信息的讀取和錄入，實(shí)時(shí)掌握每一件食品的流通情況。在食品安全問題發(fā)生后也能通過RFID電子標(biāo)簽中的信息，快速找到問題的源頭，保障食品安全。

圖1 RFID在食品供應(yīng)鏈中的應(yīng)用

2 總體設(shè)計(jì)

食品供應(yīng)鏈管理所需的RFID產(chǎn)品數(shù)量龐大，但是傳統(tǒng)讀寫器用于食品供應(yīng)鏈管理不僅笨重難用而且價(jià)格昂貴，市場的需求決定了未來RFID產(chǎn)品的發(fā)展趨勢朝向必然是輕量化、小型化和低成本化。因此，文中設(shè)計(jì)了一種便攜式UHF RFID讀寫器，將傳統(tǒng)RFID技術(shù)和當(dāng)前正飛速發(fā)展的智能手機(jī)技術(shù)相結(jié)合，以小型RFID讀寫芯片和智能手機(jī)為硬件基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)手機(jī)應(yīng)用程序下發(fā)指令控制RFID模塊進(jìn)行信息讀取和寫入。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示，工作人員的手機(jī)與RFID讀寫模塊建立無線通信后可以使用手機(jī)上的APP遠(yuǎn)程控制RFID讀寫模塊和一個(gè)或多個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，手機(jī)APP讀取到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)上傳至后臺(tái)云服務(wù)器。利用這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析有利于管理人員做出合理的運(yùn)輸銷售決策，實(shí)現(xiàn)智慧化、信息化供應(yīng)鏈管理。

圖2 RFID系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3 基于RFID的便攜式超高頻讀寫器

3.1 RFID電子標(biāo)簽

通用的RFID系統(tǒng)由固定在其識(shí)別對象上的RFID閱讀器、電子標(biāo)簽和軟件應(yīng)用組成。RFID閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送一個(gè)無線電信號(hào)，標(biāo)簽在接收到信號(hào)后響應(yīng)一個(gè)包含標(biāo)簽標(biāo)識(shí)符和其他有關(guān)識(shí)別對象數(shù)據(jù)的信號(hào)[11]。閱讀器是RFID系統(tǒng)中的核心元素，每個(gè)RFID標(biāo)簽包含一個(gè)集成電路和一個(gè)射頻天線。電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的用戶區(qū)專用于保存用戶自定義的數(shù)據(jù)，食品在供應(yīng)鏈流通過程中，用戶將食品的產(chǎn)地、存儲(chǔ)狀態(tài)、物流等信息存儲(chǔ)在用戶區(qū)，需要時(shí)再讀取。RFID系統(tǒng)這種可以識(shí)別某一類實(shí)體元素和歸屬大量身份類別的能力共同構(gòu)成了它的概念優(yōu)勢。

根據(jù)標(biāo)簽是否含有電源的不同，標(biāo)簽可以分為無源電子標(biāo)簽和有源電子標(biāo)簽。無源標(biāo)簽沒有電源，而是通過將接收到的讀寫器信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為電流進(jìn)行工作。無源標(biāo)簽成本低且使用周期長，所以在產(chǎn)品供應(yīng)鏈管理中一般選用無源標(biāo)簽。無源RFID標(biāo)簽內(nèi)部電路見圖3。

圖3 無源RFID標(biāo)簽內(nèi)部電路

3.2 RFID讀寫器超高頻讀寫模塊

文中采用RFID R200模塊作為讀寫器的核心超高頻讀寫模塊，它的工作頻率在840 MHz～960 MHz，多功率可調(diào)，讀寫距離最遠(yuǎn)達(dá)20 m，具有低功耗、小尺寸、遠(yuǎn)距離的特點(diǎn)，滿足本次系統(tǒng)開發(fā)低成本、小體積的設(shè)計(jì)理念。同時(shí)支持C/C++、JAVA等多種開發(fā)語言。

目前RFID主要的工作頻段有四種：分別為低頻(125～135 kHz)、高頻(13.56 MHz)、超高頻(860 M～928 MHz)和微波(2.4～5.8 GHz)。無線通信系統(tǒng)在不同頻段上的讀取范圍和特點(diǎn)都有所不同，不同頻段的RFID應(yīng)用領(lǐng)域自然也大不相同。文中設(shè)計(jì)的讀卡器頻段為超高頻(UHF)，超高頻頻段可以在10米左右的距離內(nèi)進(jìn)行高速通信，常用于對各種物品進(jìn)行跟蹤、定位和控制[12-13]，如智能卡、供應(yīng)鏈管理等應(yīng)用領(lǐng)域。

R200模塊本身不含無線通信模塊，但可以通過接口上的TTL管腳用串口線外接藍(lán)牙(WIFI)無線模塊，十分簡便。R200讀寫模塊和藍(lán)牙模塊的電路見圖4，其中ANT為天線管腳，模塊的射頻輸出端?？梢愿鶕?jù)不同的應(yīng)用場景的讀卡距離需求匹配不同增益、不同接口的超高頻天線，控制讀寫器和標(biāo)簽的識(shí)讀距離；TTL_RXD、TTL_TXD分別為模塊串口接收和發(fā)送管腳，與無線通信模塊的UART接口連接，RFID讀寫模塊可以通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)建立通信連接。文中選用國產(chǎn)的DX-BT04-E藍(lán)牙模塊作為RFID讀寫模塊的拓展無線通信模塊，該模塊成本低、體積小、收發(fā)靈敏度高，契合讀寫器設(shè)計(jì)需求。

圖4 UHF RFID讀寫模塊電路

3.3 Android手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

R200模塊支持EPCglobal UHF Class 1 Gen 2 / ISO 18000-6C協(xié)議，在進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)前先對核心讀寫模塊的通信協(xié)議進(jìn)行分析，掌握其固件指令格式。根據(jù)官方手冊介紹，R200讀寫模塊的指令幀格式如表1所示。其中指令幀類型有三種：

表1 指令幀格式

(1)0x00 命令幀：由上位機(jī)發(fā)送給RFID芯片。讀寫器與標(biāo)簽通信的關(guān)鍵步驟有三步，分別對應(yīng)三個(gè)核心操作命令： 選擇(Select)命令、盤存(Inventory)命令和訪問(Access)命令。

(2)0x01 響應(yīng)幀：由RFID芯片發(fā)回給上位機(jī)。每一條指令幀都有對應(yīng)的響應(yīng)幀，響應(yīng)幀表示指令是否已經(jīng)被執(zhí)行了。

(3)0x02 通知幀：由RFID芯片發(fā)回給上位機(jī)。讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送輪詢指令時(shí)有對應(yīng)的通知幀，通知幀的個(gè)數(shù)由MCU根據(jù)讀取到的標(biāo)簽數(shù)決定。

指令幀發(fā)送后會(huì)有對應(yīng)的響應(yīng)幀，發(fā)送通知幀的個(gè)數(shù)由讀寫器讀取標(biāo)簽的情況決定。如果指令幀被正常接收且CRC校驗(yàn)碼準(zhǔn)確就會(huì)返回響應(yīng)的通知幀，否則返回錯(cuò)誤代碼。

表2為本次系統(tǒng)開發(fā)中超高頻模塊和標(biāo)簽通信時(shí)主要的幾個(gè)基本指令代碼和指令的具體功能描述。

表2 RFID通信操作命令

設(shè)計(jì)的UHF RFID讀寫器配套手機(jī)對象為安卓操作系統(tǒng)手機(jī)，使用的Android開發(fā)工具為Android Studio(以下簡稱AS)，AS版本為Android sudioV3.5.2， SDK版本為Android 7.0，APP開發(fā)環(huán)境變量配置參考文獻(xiàn)[14]。手機(jī)APP主程序設(shè)計(jì)流程見圖5，判斷手機(jī)與RFID讀寫模塊建立連接后進(jìn)入主程序流程，監(jiān)聽事件的按鍵響應(yīng)[15]。當(dāng)用戶在APP上進(jìn)行操作時(shí)，觸發(fā)對應(yīng)編碼，手機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與RFID模塊進(jìn)行通信，完成一次通信后循環(huán)，直至手機(jī)和RFID讀寫模塊斷開連接。

圖5 APP程序設(shè)計(jì)流程

按照RFID讀寫模塊的通信協(xié)議進(jìn)行程序設(shè)計(jì)[15]，以讀取單個(gè)標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)為例(其他操作指令的程序設(shè)計(jì)與此相近)，通過APP下發(fā)“讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)”指令在AS中的JAVA代碼[16]實(shí)現(xiàn)見圖6。

圖6 JAVA程序段：“讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)”

新建一個(gè)“readID MemBank”按鈕，用于讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，將該按鍵設(shè)置為一個(gè)事件，監(jiān)聽該事件。根據(jù)表1和表2，定義一個(gè)數(shù)組data3，寫入?yún)f(xié)議規(guī)定的字符數(shù)據(jù)：“0xBB 0x00 0x39 0x00 0x09 0x03 0x45 0x7E”。當(dāng)檢測到“讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)”事件時(shí)，該數(shù)組傳入至writeDataToSerial函數(shù)。RFID模塊讀取到標(biāo)簽后將返回響應(yīng)消息，經(jīng)過TTL 串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊將該消息通知傳入手機(jī)，顯示至APP操作頁面。

如果命令幀執(zhí)行失敗，則R200芯片向上位機(jī)發(fā)送執(zhí)行失敗的響應(yīng)幀。執(zhí)行失敗的響應(yīng)幀共用指令代碼：0xFF。如果在執(zhí)行失敗之前沒有得到標(biāo)簽的EPC，則指令參數(shù)固定為1個(gè)byte的錯(cuò)誤代碼。如果在執(zhí)行失敗前得到了標(biāo)簽的EPC，則響應(yīng)幀參數(shù)為1個(gè)byte 的錯(cuò)誤代碼再加上標(biāo)簽的PC+EPC數(shù)據(jù)。

如果命令幀執(zhí)行成功，R200正確讀到指定區(qū)域數(shù)據(jù)，標(biāo)簽會(huì)返回如下響應(yīng)幀：

0xBB,0x01,0x39,0x0013,0x0E,0x3400,0x30751FEB70, 0x12345678,0xB0

其中，“0x0E”表示標(biāo)簽的PC和EPC碼總長度為14，“0x3400”為標(biāo)簽PC碼，“0x30751FEB70”為標(biāo)簽的EPC碼，“0x12345678”表示返回的標(biāo)簽存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，“0xB0”為校驗(yàn)位，是從幀類型(Type)到最后一個(gè)指令參數(shù)(Parameter)的最低一個(gè)字節(jié)的累加和。

3.4 讀寫器系統(tǒng)功能測試實(shí)驗(yàn)

將編譯成功的AS項(xiàng)目打包為APK文件，發(fā)送至安卓手機(jī)上進(jìn)行功能測試。首先，系統(tǒng)程序進(jìn)行判斷：安卓手機(jī)是否已經(jīng)正常連接讀寫卡器，即RFID讀寫模塊是否已經(jīng)通過外接藍(lán)牙模塊與手機(jī)建立連接。點(diǎn)擊“藍(lán)牙掃描”按鈕掃描藍(lán)牙，打開藍(lán)牙功能后點(diǎn)擊名稱進(jìn)行連接，設(shè)備連接成功后才能在APP頁面進(jìn)行相關(guān)操作，控制RFID讀寫模塊與標(biāo)簽通信。程序開始監(jiān)聽APP頁面上各個(gè)控制按鍵的事件，在用戶觸發(fā)按鍵后根據(jù)所觸發(fā)的按鍵對應(yīng)的編碼向底層硬件發(fā)送特定的字符串，從而完成與超高頻RFID芯片通信的功能。如圖7所示，可以在“標(biāo)簽”頁面點(diǎn)擊“EPC”按鈕識(shí)別標(biāo)簽的EPC區(qū)域，識(shí)別到的數(shù)據(jù)顯示為“24位的EPC號(hào)”同時(shí)顯示總讀取次數(shù)和標(biāo)簽識(shí)別的個(gè)數(shù)。

圖7 Android手機(jī)應(yīng)用程序界面

標(biāo)簽讀寫操作功能可以在“訪問”頁進(jìn)行，以識(shí)別到標(biāo)簽號(hào)為：“E211 3343 5565 7789 9722 1133”的標(biāo)簽為例，對標(biāo)簽的EPC區(qū)進(jìn)行寫入操作：長按需要寫入的標(biāo)簽號(hào)進(jìn)行選擇，程序自動(dòng)切換到“訪問”界面。點(diǎn)擊“訪問”按鈕，數(shù)據(jù)框顯示出選擇的標(biāo)簽號(hào)。然后可以對標(biāo)簽進(jìn)行讀取或?qū)懭氩僮鳌＿x擇對標(biāo)簽號(hào)進(jìn)行“寫”操作，選擇需要寫入的區(qū)域：EPC，寫入：“E211 3343 5565 7789 9722 6666”，寫入成功后系統(tǒng)顯示“寫入成功”消息提示，再次訪問寫入后的標(biāo)簽，標(biāo)簽EPC已經(jīng)變?yōu)閷懭氲臄?shù)據(jù)，見圖8。

圖8 RFID讀寫器系統(tǒng)功能測試

R200模塊支持功率可調(diào)，因此在應(yīng)用程序中加入了配置RFID通信頻率、功率等參數(shù)的功能選項(xiàng)。安卓應(yīng)用程序的真機(jī)測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的UHF RIFD讀寫器系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，基本滿足食品供應(yīng)鏈管理的功能需求。

4 結(jié)束語

食品供應(yīng)鏈管理所需的RFID產(chǎn)品數(shù)量龐大，但是傳統(tǒng)讀寫器不滿足食品供應(yīng)鏈的實(shí)際應(yīng)用需求。設(shè)計(jì)了一種便攜式超高頻RFID讀寫器，并在安卓手機(jī)上完成了功能測試實(shí)驗(yàn)。這種讀寫器采用UFH RFID R200模塊作為核心讀寫模塊，外接無線藍(lán)牙模塊DX-BT04-E。食品在供應(yīng)鏈流通時(shí)，用戶可以通過手機(jī)應(yīng)用程序控制RFID讀寫模塊對食品上的電子標(biāo)簽信息進(jìn)行讀寫，完成信息交換，實(shí)時(shí)掌握食品在供應(yīng)鏈中的流通狀況，智慧化、信息化食品供應(yīng)鏈，提高管理效率，保障食品安全。在接下來的設(shè)計(jì)工作中，可以根據(jù)R200芯片的硬件底層驅(qū)動(dòng)接口庫擴(kuò)展超高頻RFID讀寫器功能，和手機(jī)進(jìn)行交互測試，從系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用需求方面進(jìn)一步完善讀寫器功能設(shè)計(jì)，優(yōu)化手機(jī)APP的UI設(shè)計(jì)，使得操作界面更加美觀、易用。