基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的超高頻RFID閱讀器詳細(xì)講解

設(shè)計(jì)摘要 ：

“物聯(lián)網(wǎng)”的概念最早在1999年提出，具體來(lái)說(shuō)是一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of Things”：在物聯(lián)網(wǎng)中，RFID標(biāo)簽攜帶的ID編碼可以與真實(shí)世界中的任何物品相捆綁，從而使物體擁有網(wǎng)絡(luò)上的虛擬“身份”；通過(guò)RFID標(biāo)簽上的ID編碼，可以在網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)查詢(xún)和動(dòng)態(tài)跟蹤標(biāo)簽所貼附物品的屬性、特征及其他信息?！拔锫?lián)網(wǎng)”可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品跟蹤與信息共享，大幅提高管理與運(yùn)作效率，降低成本，給全球供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)（倉(cāng)儲(chǔ)物流、生產(chǎn)制造、物品追蹤、商業(yè)零售、公共服務(wù)等等行業(yè)）帶來(lái)深層次變革。而要實(shí)現(xiàn)上述愿景，則必須有大量分布式的基礎(chǔ)設(shè)施——具有聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式RFID閱讀器終端，才能“隨時(shí)隨地”的采集RFID標(biāo)簽信息，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫全面覆蓋。因此，本項(xiàng)目的目標(biāo)就是基于PIC32技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有聯(lián)網(wǎng)功能的嵌入式RFID閱讀器終端。

系統(tǒng)原理和技術(shù)特點(diǎn) ：

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identity， RFID）系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽（tag）、閱讀器（reader）和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)這三個(gè)主要部分組成，如圖1【RFID系統(tǒng)原理】所示：

圖1 RFID系統(tǒng)原理

電子標(biāo)簽部分又可以細(xì)分為標(biāo)簽天線和標(biāo)簽芯片兩部分。每個(gè)電子標(biāo)簽都含有唯一的識(shí)別碼，用來(lái)表示電子標(biāo)簽所附著的物體。當(dāng)電子標(biāo)簽接收到閱讀器的發(fā)射信號(hào)的時(shí)候，電子標(biāo)簽被“喚醒”，然后根據(jù)閱讀器發(fā)射的指令完成相應(yīng)的動(dòng)作，并將響應(yīng)信息發(fā)射回給閱讀器。電子標(biāo)簽上的存儲(chǔ)單元，可以反復(fù)讀寫(xiě)10，000次以上。

閱讀器也可以細(xì)分為閱讀器天線和閱讀器兩部分。閱讀器通過(guò)閱讀器天線發(fā)射信號(hào)“喚醒”和傳送指令給電子標(biāo)簽，并接收標(biāo)簽返回的信號(hào)。在初步濾波、處理信號(hào)之后，完成對(duì)電子標(biāo)簽信息的獲取和解析，將有用的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)交互。

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)及管理。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以由簡(jiǎn)單的本地軟件擔(dān)當(dāng)，也可以是集成了RFID管理模塊的分布式ERP管理軟件。

RFID系統(tǒng)的通信過(guò)程是閱讀器給RFID標(biāo)簽信息和獲得標(biāo)簽上信息的過(guò)程。由于RFID標(biāo)簽本身無(wú)電源，所以必須依靠從閱讀器發(fā)送的射頻信號(hào)中獲得的能量，即所謂的波束供電技術(shù)。而標(biāo)簽獲得能量?jī)H夠供給標(biāo)簽本身使用，沒(méi)有多余的能量可供射頻信號(hào)源工作，必須利用無(wú)源反射調(diào)制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)RFID閱讀器與標(biāo)簽之間的通信。無(wú)源反射調(diào)制技術(shù)就是在RFID系統(tǒng)的整個(gè)通信過(guò)程中，只存在一個(gè)發(fā)射機(jī)，即閱讀器。而RFID標(biāo)簽在應(yīng)答過(guò)程中對(duì)閱讀器發(fā)射的連續(xù)波射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再將已調(diào)制的射頻信號(hào)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(shù)和無(wú)源反射調(diào)制技術(shù)是反射調(diào)制式RFID系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵技術(shù)。

由圖2【RFID系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)】所示，UHF頻段反射調(diào)制式RFID系統(tǒng)主要包括RFID閱讀器和RFID標(biāo)簽兩個(gè)部分，兩者之間通過(guò)閱讀器天線和標(biāo)簽天線建立無(wú)線信道通信。

圖2 RFID系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

RFID系統(tǒng)通信的按照時(shí)序先后大致可分為兩個(gè)階段：

第一階段：閱讀器將基帶發(fā)射信號(hào)調(diào)制到載波上，發(fā)送給標(biāo)簽；標(biāo)簽從載波中獲取能量，并解調(diào)閱讀器發(fā)射的基帶信號(hào)，得到閱讀器發(fā)出的指令。

第二階段：閱讀器連續(xù)發(fā)射無(wú)調(diào)制的載波用以提供標(biāo)簽持續(xù)工作的能量，以及標(biāo)簽反射調(diào)制需要的載波；標(biāo)簽根據(jù)接收的閱讀器指令內(nèi)容，將標(biāo)簽的返回信息反射調(diào)制到來(lái)自閱讀器的連續(xù)載波上，傳輸給閱讀器。閱讀器接收到標(biāo)簽返回信號(hào)后，解調(diào)出所需的基帶信號(hào)。

軟件流程介紹（允許的格式 doc，pdf，vsd，rar，zip）：

圖3【系統(tǒng)軟件流程】

圖4【標(biāo)簽識(shí)別協(xié)議】

項(xiàng)目背景

21世紀(jì)以來(lái)，RFID技術(shù)在全世界迅猛發(fā)展，應(yīng)用層次愈來(lái)愈多元化。尤其是長(zhǎng)距離識(shí)別的UHF頻段RFID技術(shù)，被視為RFID的“殺手級(jí)”應(yīng)用。全球最大的零售商——美國(guó)Wal-Mart公司自2004年開(kāi)始將UHF頻段RFID技術(shù)導(dǎo)入其物流供應(yīng)鏈：要求全球供貨商送貨至世界各地的Wal-Mart物流倉(cāng)庫(kù)時(shí)，其產(chǎn)品必須攜帶UHF頻段RFID標(biāo)簽，以利物流作業(yè)。在Wal-Mart及其它跨國(guó)零售業(yè)巨頭的帶動(dòng)下，RFID技術(shù)正成為繼條碼之后的全球貿(mào)易和供應(yīng)鏈管理基礎(chǔ)。

在此情景下，全球各地（包括我國(guó)）的制造商、物流批發(fā)商和零售業(yè)者都在興建滿(mǎn)足Wal-Mart要求的RFID基礎(chǔ)設(shè)施。RFID讀寫(xiě)器，特別是UHF頻段的RFID讀寫(xiě)器的需求與日俱增。在全球巨大需求的帶動(dòng)下，RFID讀寫(xiě)器有希望成為繼手機(jī)和電腦以后的電子信息產(chǎn)業(yè)的又一增長(zhǎng)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外電子行業(yè)巨頭紛紛投巨資涉足開(kāi)發(fā)。本項(xiàng)目運(yùn)用Microchip公司的PIC32系列MCU器件，實(shí)現(xiàn)低成本小型化的UHF頻段RFID讀寫(xiě)器，大幅度降低現(xiàn)有RFID讀寫(xiě)器的體積、成本和功耗，提升我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的RFID讀寫(xiě)器產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

適用范圍：

本作品實(shí)現(xiàn)的UHF頻段RFID閱讀器，與RFID標(biāo)簽相配合成RFID系統(tǒng)，可以廣泛應(yīng)用在以下行業(yè)領(lǐng)域：

制造業(yè)：

實(shí)現(xiàn)“精細(xì)制造”和個(gè)性化定制生產(chǎn)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品的質(zhì)量，從而增加企業(yè)利潤(rùn)。

企業(yè)供應(yīng)鏈管理：

可有效降低庫(kù)存的存貨量，提高資金周轉(zhuǎn)效率，減少流動(dòng)資金的需求，為企業(yè)帶來(lái)潛在的巨大效益。

倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè)和交通運(yùn)輸：

監(jiān)控物流全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸路線的自動(dòng)跟蹤。提高調(diào)度的準(zhǔn)確性，送貨的可靠性和效率，降低倉(cāng)儲(chǔ)配送和運(yùn)輸?shù)某杀尽?/p>

商業(yè)流程管理：

有利于零售商提高訂單的供給率，降低商品脫銷(xiāo)和滯銷(xiāo)的風(fēng)險(xiǎn)，提高清貨和盤(pán)點(diǎn)的工作效率。

資產(chǎn)跟蹤管理：

可有效跟蹤企業(yè)固定資產(chǎn)和貴重物品，降低這方面的人力和物力開(kāi)支。

項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)

如上圖5【RFID閱讀器結(jié)構(gòu)圖】所示，RFID讀寫(xiě)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(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)，而外部接口包括網(wǎng)絡(luò)通信外圍模塊Pmod NIC和人機(jī)界面Pmod CLS 字符LCD接口。

RFID閱讀器各功能實(shí)現(xiàn)方法：

（1）事件調(diào)度：使用PIC32芯片實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的RFID識(shí)別、顯示及通信事件調(diào)度功能。

（2）對(duì)外通訊：使用Pmod NIC外圍模塊實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊功能。

（3）RFID信號(hào)處理：使用PIC32芯片實(shí)現(xiàn)基本的信號(hào)采樣、整形、數(shù)字濾波和解碼功能。

（4）人機(jī)界面：所有事件調(diào)度信息、調(diào)試信息及識(shí)別到的RFID標(biāo)簽ID號(hào)都經(jīng)過(guò)Pmod CLS外圍模塊顯示給操作者。