基於物聯網應用的高頻RFID閱讀器設計方案

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/347496.htm

一 設計摘要

「物聯網」的概念最早在1999年提出，具體來說是一個覆蓋世界上萬事萬物的「Internet of Things」：在物聯網中，RFID標籤攜帶的ID編碼可以與真實世界中的任何物品相捆綁，從而使物體擁有網絡上的虛擬「身份」；通過RFID標籤上的ID編碼，可以在網絡上實時查詢和動態跟蹤標籤所貼附物品的屬性、特徵及其他信息。「物聯網」可以實現全球範圍內物品跟蹤與信息共享，大幅提高管理與運作效率，降低成本，給全球供應鏈的各個環節（倉儲物流、生產製造、物品追蹤、商業零售、公共服務等等行業）帶來深層次變革。而要實現上述願景，則必須有大量分布式的基礎設施——具有聯網功能的嵌入式RFID閱讀器終端，才能「隨時隨地」的採集RFID標籤信息，實現物聯網的無縫全面覆蓋。因此，本項目的目標就是基於PIC32技術，實現具有聯網功能的嵌入式RFID閱讀器終端。

系統原理和技術特點 ：

射頻識別（Radio Frequency Identity, RFID）系統主要由電子標籤（tag）、閱讀器（reader）和數據管理系統這三個主要部分組成，如圖1【RFID系統原理】所示：

圖1 RFID系統原理

電子標籤部分又可以細分為標籤天線和標籤晶片兩部分。每個電子標籤都含有唯一的識別碼，用來表示電子標籤所附著的物體。當電子標籤接收到閱讀器的發射信號的時候，電子標籤被「喚醒」，然後根據閱讀器發射的指令完成相應的動作，並將響應信息發射回給閱讀器。電子標籤上的存儲單元，可以反覆讀寫10,000次以上。

閱讀器也可以細分為閱讀器天線和閱讀器兩部分。閱讀器通過閱讀器天線發射信號「喚醒」和傳送指令給電子標籤，並接收標籤返回的信號。在初步濾波、處理信號之後，完成對電子標籤信息的獲取和解析，將有用的數據通過網絡和數據管理系統交互。

數據管理系統主要完成數據信息的存儲及管理。數據管理系統可以由簡單的本地軟體擔當，也可以是集成了RFID管理模塊的分布式ERP管理軟體。

RFID系統的通信過程是閱讀器給RFID標籤信息和獲得標籤上信息的過程。由於RFID標籤本身無電源，所以必須依靠從閱讀器發送的射頻信號中獲得的能量，即所謂的波束供電技術。而標籤獲得能量僅夠供給標籤本身使用，沒有多餘的能量可供射頻信號源工作，必須利用無源反射調製技術來實現RFID閱讀器與標籤之間的通信。無源反射調製技術就是在RFID系統的整個通信過程中，只存在一個發射機，即閱讀器。而RFID標籤在應答過程中對閱讀器發射的連續波射頻信號進行調製，再將已調製的射頻信號反射回去，被閱讀器接收解碼，完成信息傳遞功能。波束供電技術和無源反射調製技術是反射調製式RFID系統的兩大關鍵技術。

由圖2【RFID系統技術特點】所示，UHF頻段反射調製式RFID系統主要包括RFID閱讀器和RFID標籤兩個部分，兩者之間通過閱讀器天線和標籤天線建立無線信道通信。

圖2 RFID系統技術特點

RFID系統通信的按照時序先後大致可分為兩個階段：

第一階段：閱讀器將基帶發射信號調製到載波上，發送給標籤；標籤從載波中獲取能量，並解調閱讀器發射的基帶信號，得到閱讀器發出的指令。

第二階段：閱讀器連續發射無調製的載波用以提供標籤持續工作的能量，以及標籤反射調製需要的載波；標籤根據接收的閱讀器指令內容，將標籤的返回信息反射調製到來自閱讀器的連續載波上，傳輸給閱讀器。閱讀器接收到標籤返回信號後，解調出所需的基帶信號。

軟體流程介紹（允許的格式 doc，pdf，vsd，rar，zip）：

圖3【系統軟體流程】

圖4【標籤識別協議】

二 項目背景

21世紀以來，RFID技術在全世界迅猛發展，應用層次愈來愈多元化。尤其是長距離識別的UHF頻段RFID技術，被視為RFID的「殺手級」應用。全球最大的零售商——美國Wal-Mart公司自2004年開始將UHF頻段RFID技術導入其物流供應鏈：要求全球供貨商送貨至世界各地的Wal-Mart物流倉庫時，其產品必須攜帶UHF頻段RFID標籤，以利物流作業。在Wal-Mart及其它跨國零售業巨頭的帶動下，RFID技術正成為繼條碼之後的全球貿易和供應鏈管理基礎。

在此情景下，全球各地(包括我國)的製造商、物流批發商和零售業者都在興建滿足Wal-Mart要求的RFID基礎設施。RFID讀寫器，特別是UHF頻段的RFID讀寫器的需求與日俱增。在全球巨大需求的帶動下，RFID讀寫器有希望成為繼手機和電腦以後的電子信息產業的又一增長點，國內外電子行業巨頭紛紛投巨資涉足開發。本項目運用Microchip公司的PIC32系列MCU器件，實現低成本小型化的UHF頻段RFID讀寫器，大幅度降低現有RFID讀寫器的體積、成本和功耗，提升我國自主智慧財產權的RFID讀寫器產業的競爭力。

三 適用範圍：

本作品實現的UHF頻段RFID閱讀器，與RFID標籤相配合成RFID系統，可以廣泛應用在以下行業領域：

1. 製造業：

實現「精細製造」和個性化定製生產，提高勞動生產效率，保障產品的質量，從而增加企業利潤。

1. 企業供應鏈管理：

可有效降低庫存的存貨量，提高資金周轉效率，減少流動資金的需求，為企業帶來潛在的巨大效益。

1. 倉儲物流業和交通運輸：

監控物流全過程，實現運輸路線的自動跟蹤。提高調度的準確性，送貨的可靠性和效率，降低倉儲配送和運輸的成本。

1. 商業流程管理：

有利於零售商提高訂單的供給率，降低商品脫銷和滯銷的風險，提高清貨和盤點的工作效率。

1. 資產跟蹤管理：

可有效跟蹤企業固定資產和貴重物品，降低這方面的人力和物力開支。

四 項目總體設計

如上圖5【RFID閱讀器結構圖】所示，RFID讀寫器分成基帶前端、射頻前端和外部接口三大塊，其中基帶部分完全由Cerebot 32M*4開發板實現，而外部接口包括網絡通信外圍模塊Pmod NIC和人機界面Pmod CLS 字符LCD接口。

RFID閱讀器各功能實現方法：

(1)事件調度：使用PIC32晶片實現簡單的RFID識別、顯示及通信事件調度功能。

(2)對外通訊：使用Pmod NIC外圍模塊實現乙太網通訊功能。

(3)RFID信號處理：使用PIC32晶片實現基本的信號採樣、整形、數字濾波和解碼功能。

(4)人機界面：所有事件調度信息、調試信息及識別到的RFID標籤ID號都經過Pmod CLS外圍模塊顯示給操作者。