超高頻RFID讀寫器如何達到最佳的功率

2021-01-06 電子發燒友
超高頻RFID讀寫器如何達到最佳的功率

楊 鳳, 劉 迪 發表於 2019-12-25 15:09:11

在車輛安監預警類型的物聯網應用系統中，確保RFID讀寫器能可靠地識讀到安裝在車輛內部的電子標籤是系統正常運作的前提和基礎［1］。超高頻RFID讀寫器憑藉其遠距離識讀能力佔據了較大的應用市場［2］，但是在實際部署過程中，讀寫器的發射功率通常是恆定的，系統的能耗表現不佳，且在惡劣天氣情況下，讀寫器不能靈活調節其發射功率，容易出現漏讀的情況。針對此問題，參考文獻［3］在分析前後兩次讀取標籤數量差值的基礎上，採用模糊控制算法來動態改變讀寫器的發射功率，但該方法只適用於連續、大批量標籤讀取業務，無法滿足間歇性小批量讀取系統的應用需求;參考文獻［4］設計並實現了一種基於STM32和RMU900+的物聯網工程讀寫器，可以在聯網模式下批量調節讀寫器的發射功率，大幅提高系統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的控制策略，需要人工值守。本文在基於STM32和RMU900+的物聯網工程讀寫器的基礎上，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調節策略。應用該調節策略和傳輸網絡，讀寫器的發射功率可雙重自適應控制，具有較高的識讀成功率和良好的節能效果。

1 系統的工作原理及整體結構概述

整個系統結構框架如圖1所示。主控機和物聯網多源信息終端通過3G、LAN、WiFi等多種通信方式來實現組網［5］，它們是系統的傳輸與處理核心。每個物聯網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異構讀寫器協同工作，降低讀寫器在通信方面的複雜度，並提高系統部署的靈活性。為了實現讀寫器發射功率的自適應調節，增加了溫度、雨量和雷達探測等傳感模塊，利用這些模塊採集到的信息作為自適應調節的原始數據。功率調節策略可以通過傳輸網絡由主控機遠程設定，如未遠程設定，則執行讀寫器本地存儲的默認策略來控制射頻發射功率。

2 硬體系統設計與實現

功率自適應調節的超高頻RFID讀寫器硬體框架如圖2所示。

根據參考文獻［1］所述方案實現基本平臺，控制核心採用STM32F103ZET6 MCU，可通過本地按鍵進行控制。在規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、設置液晶顯示屏，用來顯示本地信息;系統的射頻模塊選用RMU900+［3-4］，並通過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根據預先設定的調節策略實時地控制系統的射頻發射功率［6-8］。

2.1雷達探測模塊

在預警型園區車輛管理系統中，只有當車輛經過時，相應的RFID讀寫器才需要工作;沒有車輛經過時，讀寫器可以處在休眠狀態，達到節省電能、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，準備識讀標籤（本系統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據，該輸出信號會送入圖4所示的驅動電路進行運算放大。

在本系統中，當IF端的頻率為72 Hz時，車輛移動速度大約為3.6 km/h，略高於成人正常的步行速度（在實際應用系統中，可以靈活調整）。

2.2 溫度傳感模塊

在本系統中，在沒有車輛經過的情況下RFID讀寫器可能長時間處於休眠狀態，且在極端氣候環境下，射頻模塊可能因溫度原因無法立即被喚醒並正常工作。因此，本文設計了溫度控制模塊，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℃範圍內的精度可以滿足系統要求，當檢測溫度低於0℃時，給RFID模塊供電以保持其溫度不至於過低;當溫度高於5℃時，恢復休眠狀態;當檢測到溫度高於50℃時，啟動散熱風扇工作，以免系統溫度過高。

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射功率。本文設計了一個紅外散射式雨量傳感器系統以檢測降雨情況。

利用MCU內的定時器輸出頻率為28 kHz的方波信號來驅動紅外發射管，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定且與發射器發出的紅外線基本相等;有降雨發生時，散射現象會導致接收到的紅外線總量小於發射總量，系統以此來判定是否有降雨發生。為儘量排除可見光的幹擾，在玻璃下方疊加了一片濾光片。

3 軟體系統設計與實現

在基於STM32和RMU900+的物聯網工程讀寫器的基礎平臺上，發射功率自適應調節模塊主要包括雷達探測、溫度檢控、雨量檢控等功能。具體軟體實現流程如圖5所示。

參數預置模塊用於控制對應場景的射頻發射功率調節策略，可以通過網絡進行集中預置，也可以直接讀取本地存儲的預置參數。初始化並自檢通過後系統打開對應中斷，開始各功能模塊的檢測工作;否則轉向錯誤處理模塊進行處理並發出警告信息。

4 測試與分析

在模塊初始化成功後，能通過網絡讀取和預置調節參數，人為斷開各功能模塊電路，錯誤處理模塊均能做出響應並向遠程集控機提交警告信息，系統進入應急工作模式。在基礎性模塊測試通過的基礎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於將休眠中的射頻模塊喚醒，設定好喚醒的速度閾值，超過後就喚醒射頻模塊工作，發射功率則由雨量傳感模塊控制。考慮到在較低速度情況下汽車比較難於精確控制車速［9］，設計用改裝的電控小車來模擬車輛行駛狀態。測試數據如表1所示。

按照理論計算，3.6 km/h應為射頻輸出控制的閾值，經實際測得，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並喚醒射頻模塊輸出。

4.2 溫度傳感模塊

由於受氣溫及實驗條件的限制，低溫環境最低只能測試到0℃，測試運行時臨時設定射頻模塊退出休眠的溫度為1℃，結果表明，溫度檢控模塊也能按照預期正常運作。測試數據如表2所示。

4.3 雨量傳感模塊

雨量傳感模塊主要用於控制射頻模塊的發射功率，以確保可靠識讀車內標籤。測試運行時，分別用霧化裝置和花灑來模擬4檔降雨量。測試數據如表3所示。

在正常工作狀態下，配合13 dBi增益的射頻天線，系統的射頻輸出功率約15 dBm，可以實現約3 m的識讀距離。在微量降雨（LL）至高強度降雨（HH）等4種狀態下，射頻輸出功率自動調節為20 dBm~30 dBm，基本實現了自適應調節功能。

本文通過多模塊協同工作，設計並實現了RFID讀寫器射頻發射功率的寬範圍自適應調節，同時實現了調節策略本機單獨設定和網絡集中設定兩種模式，方便靈活部署。

責任編輯：ct

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