多種RFID標籤標準的射頻識別閱讀器設計

2021-01-11 RFID世界網

　　針對目前RFID系統工作頻率多樣，各類標準眾多且差距較大，不適合多種標籤同時應用的情況，提出了基於軟體無線電及LabVIEW 設計RFID閱讀器的思想。通過加載不同的軟體代碼，仿真閱讀器可以實現對不同頻段，符合不同標準的RFID標籤進行讀寫。通過與標準閱讀器的讀取結果進行比對，仿真閱讀器實現了對RFID標籤攜帶信息的讀取，節約了需要配置各種不同類型閱讀器的成本。

　　射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)是利用射頻信號的空間耦合及反向散射特性對目標對象進行自動識別以及數據交換的技術。因此識別過程不需要人工幹預，具有高精度、長壽命、易操作等特點。

　　超高頻射頻識別(UHF RFID)由於識別距離遠的特點，已經被越來越多地應用於物流管理、交通運輸管理、工廠生產控制等領域。目前RFID標準繁雜，沒有一個較為通用的應用標準，所以對於標籤種類眾多的應用場合及RFID技術研究開發院所，開發一個能夠支持多種RFID 標籤標準的閱讀器就顯得很有必要。利用軟體無線電的特性，將不同的RFID標準用軟體代碼來實現。通過加載不同軟體代碼的方法實現對符合不同標準的RFID標籤進行讀寫操作。可以方便地解決需要購買不同的閱讀器才可以對不同類型的RFID標籤進行讀寫的問題。

　　軟體無線電是20世紀90年代以後逐漸興起的一種全新的設計思想，其核心是在通用的模塊化。可編程的硬體平臺上通過加載不同的通信軟體，以實現不同通信方式間的轉換。這種設計思想使通信中的無線電臺可以適應不同的通信方式，軟體無線電良好的兼容性和可編程性使得通信系統的開發主要成為數位訊號處理軟體的研究。基於這一思想，可以試圖將RFID的各種標準以軟體代碼的形式實現，從而實現通過加載不同軟體來完成符合各種不同標準的RFID閱讀器的功能。

　　本文使用NI公司開發的LabVIEW軟體來編寫軟體無線電的代碼，LabVIEW 是目前國際上應用最廣的數據採集和控制開發環境之一，其在通信仿真領域有著重要的作用。它使用圖形化的程式語言(又稱「G」語言)編寫程序，產生的程序是框圖的形式。LabVIEW 也是通用的編程系統，有一個完成任何編程任務的龐大函數庫，包括數據採集、GPIB、串口控制、數據分析、數據顯示及數據存儲等。可以增強研究和開發人員構建自己科學和工程系統的能力，並提供實現儀器編程和數據採集系統的便捷途徑。

　　1、基於軟體無線電的RFID閱讀器模型

　　RFID 標籤要反射回自身所攜帶的信息，需要首先獲得激勵信號，然後經過電壓調節器將閱讀器傳送過來的射頻信號轉換為直流穩壓電源。所以需要軟體無線電(仿真閱讀器)首先發射激勵波，在一些較為安全的RFID 應用協議中，還包括了安全認證以及對標籤進行操作的過程，這就需要在激勵波中增加一些操作指令代碼，來從標籤中獲取相應的信息。標籤的反射信號攜帶了自身的信息，在反射信號的接收過程中，信道的衰落。多徑效應，加上接收器本身也會引進噪聲。因此，在信息解析之前需要濾掉這些影響。仿真閱讀器採用與激勵波頻率相同的載波進行相干解調。整個RFID仿真閱讀器的框架如圖1所示。

　　

　　圖1：軟體無線電閱讀器系統框架

　　2、標籤信息的解析

　　本文對符合AAR S-918標準的RFID標籤進行了讀取。該標準對RFID系統的工作頻率、發送/接收帶寬、調製方式、發射機功率以及編碼方案等做了詳細的規定。

　　其編碼方案如圖2所示，從圖2中可以看出，每1位用戶數據位用8 個子位來代替，即用戶數據「1」用「10101100」來代替，用戶數據「0」用「11001010」 來代替。數據幀標識頭為「1010101010101100」。在對標籤反射信號進行濾波。解調等信號處理之後，還原出基帶原始信號。接下來對標籤攜帶信息進行還原。AAR S-918標準中採用特有6 b ASCII編碼，編碼的對應關係如表1所示。

　　

　　圖2：AAR S-918信源編碼方案

　　

　　表1:6b ASCII 碼對應表

　　3、閱讀器性能測試

　　根據RFID系統的工作原理及AAR S-918標準中對工作的頻率的規定，首先使用LabVIEW 軟體編寫發射激勵波的程序，設置載波頻率為915 MHz,採樣率為800 kHz，發射增益為30 dB。程序前面板與系統框圖如圖3、圖4所示。

　　

　　圖3、4：標籤激勵信號發射程序

　　當標籤進入閱讀器的識別區域後，就會將自身所攜帶的信息通過電磁反射回傳給閱讀器，仿真閱讀器根據AAR S-918 標準規範，將反射回來的ASK 信號進行解調，並根據AAR S-918標準的編碼規則對其所攜帶的信息進行解碼，閱讀器的信號處理及解碼程序如圖5、圖6所示。

　　

　　圖5、6：標籤反射信號的採集

　　從圖6 中可以看出，經過解析，標籤所攜帶的信息為「$1(B,S1$」,用標準商用閱讀器讀到的數據如圖7所示。從圖7中可以看出，商用閱讀器讀出的數據與仿真閱讀器讀出的數據完全一致。仿真閱讀器成功讀取到了標籤自身所攜帶的信息，實現了標準閱讀器的功能。

　　

　　圖7：標準閱讀器讀取結果

　　4、結語

　　本文通過對軟體無線電和RFID 系統的學習研究，採用LabVIEW圖形化程式語言設計了一個基於軟體無線電的RFID仿真閱讀器。通過與標準閱讀器的讀取結果進行比對，這一設計能夠實現標準閱讀器的讀取功能。從而實現了通過加載不同軟體來讀寫符合不同標準的RFID標籤的功能，適合於多種不同標準的標籤同時應用的場合。

　　本文所針對的AAR S-918標準因其不具有複雜的協議認證過程，可以較為簡單地實現。在以後的工作中，將對其他協議標準進行研究，將其加入到代碼庫中，以方便地實現用加載代碼的方式來完成對RFID標籤的讀寫操作。

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