超高頻RFID讀寫器如何達(dá)到最佳的功率

在車輛安監(jiān)預(yù)警類型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中，確保RFID讀寫器能可靠地識(shí)讀到安裝在車輛內(nèi)部的電子標(biāo)簽是系統(tǒng)正常運(yùn)作的前提和基礎(chǔ)［1］。超高頻RFID讀寫器憑借其遠(yuǎn)距離識(shí)讀能力占據(jù)了較大的應(yīng)用市場(chǎng)［2］，但是在實(shí)際部署過(guò)程中，讀寫器的發(fā)射功率通常是恒定的，系統(tǒng)的能耗表現(xiàn)不佳，且在惡劣天氣情況下，讀寫器不能靈活調(diào)節(jié)其發(fā)射功率，容易出現(xiàn)漏讀的情況。針對(duì)此問(wèn)題，參考文獻(xiàn)［3］在分析前后兩次讀取標(biāo)簽數(shù)量差值的基礎(chǔ)上，采用模糊控制算法來(lái)動(dòng)態(tài)改變讀寫器的發(fā)射功率，但該方法只適用于連續(xù)、大批量標(biāo)簽讀取業(yè)務(wù)，無(wú)法滿足間歇性小批量讀取系統(tǒng)的應(yīng)用需求;參考文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器，可以在聯(lián)網(wǎng)模式下批量調(diào)節(jié)讀寫器的發(fā)射功率，大幅提高系統(tǒng)部署效率及使用過(guò)程中的靈活性，但該讀寫器未能引入自適應(yīng)的控制策略，需要人工值守。本文在基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器的基礎(chǔ)上，利用雨量傳感、溫度傳感和雷達(dá)探測(cè)等模塊感知的信息，制定了一套簡(jiǎn)單、靈活且可靠的讀寫器功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略。應(yīng)用該調(diào)節(jié)策略和傳輸網(wǎng)絡(luò)，讀寫器的發(fā)射功率可雙重自適應(yīng)控制，具有較高的識(shí)讀成功率和良好的節(jié)能效果。

1 系統(tǒng)的工作原理及整體結(jié)構(gòu)概述

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。主控機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)多源信息終端通過(guò)3G、LAN、WiFi等多種通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)［5］，它們是系統(tǒng)的傳輸與處理核心。每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)多源信息終端可以連接最多16個(gè)讀寫器，通過(guò)多源信息終端來(lái)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)讀寫器協(xié)同工作，降低讀寫器在通信方面的復(fù)雜度，并提高系統(tǒng)部署的靈活性。為了實(shí)現(xiàn)讀寫器發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，增加了溫度、雨量和雷達(dá)探測(cè)等傳感模塊，利用這些模塊采集到的信息作為自適應(yīng)調(diào)節(jié)的原始數(shù)據(jù)。功率調(diào)節(jié)策略可以通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)由主控機(jī)遠(yuǎn)程設(shè)定，如未遠(yuǎn)程設(shè)定，則執(zhí)行讀寫器本地存儲(chǔ)的默認(rèn)策略來(lái)控制射頻發(fā)射功率。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)的超高頻RFID讀寫器硬件框架如圖2所示。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］所述方案實(shí)現(xiàn)基本平臺(tái)，控制核心采用STM32F103ZET6 MCU，可通過(guò)本地按鍵進(jìn)行控制。在規(guī)?；渴饡r(shí)也可以通過(guò)串行通信方式與信息終端連接，利用主控機(jī)進(jìn)行集中控制、設(shè)置液晶顯示屏，用來(lái)顯示本地信息;系統(tǒng)的射頻模塊選用RMU900+［3-4］，并通過(guò)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(dá)探測(cè)模塊將檢測(cè)到的信息通過(guò)I/O口傳輸給MCU，MCU根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)節(jié)策略實(shí)時(shí)地控制系統(tǒng)的射頻發(fā)射功率［6-8］。

2.1雷達(dá)探測(cè)模塊

在預(yù)警型園區(qū)車輛管理系統(tǒng)中，只有當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，相應(yīng)的RFID讀寫器才需要工作;沒(méi)有車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，讀寫器可以處在休眠狀態(tài)，達(dá)到節(jié)省電能、延長(zhǎng)讀寫器工作壽命的目的。在讀寫器兩邊分別布設(shè)10.525 GHz微波模塊來(lái)探測(cè)是否有車輛移動(dòng)，如果有車輛移動(dòng)，則啟動(dòng)RFID模塊工作，準(zhǔn)備識(shí)讀標(biāo)簽（本系統(tǒng)同時(shí)也完成方向識(shí)別功能）。微波處理模塊電路如圖3所示，根據(jù)雷達(dá)測(cè)速原理，ft與fr的差值是計(jì)算車輛的移動(dòng)速度的原始數(shù)據(jù)，該輸出信號(hào)會(huì)送入圖4所示的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行運(yùn)算放大。

在本系統(tǒng)中，當(dāng)IF端的頻率為72 Hz時(shí)，車輛移動(dòng)速度大約為3.6 km/h，略高于成人正常的步行速度（在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，可以靈活調(diào)整）。

2.2 溫度傳感模塊

在本系統(tǒng)中，在沒(méi)有車輛經(jīng)過(guò)的情況下RFID讀寫器可能長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，且在極端氣候環(huán)境下，射頻模塊可能因溫度原因無(wú)法立即被喚醒并正常工作。因此，本文設(shè)計(jì)了溫度控制模塊，將模塊溫度控制在0~+50℃之間。

溫度探測(cè)模塊直接使用2片DS18B20，該模塊在-10℃~+85℃范圍內(nèi)的精度可以滿足系統(tǒng)要求，當(dāng)檢測(cè)溫度低于0℃時(shí)，給RFID模塊供電以保持其溫度不至于過(guò)低;當(dāng)溫度高于5℃時(shí)，恢復(fù)休眠狀態(tài);當(dāng)檢測(cè)到溫度高于50℃時(shí)，啟動(dòng)散熱風(fēng)扇工作，以免系統(tǒng)溫度過(guò)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(fā)射功率。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)紅外散射式雨量傳感器系統(tǒng)以檢測(cè)降雨情況。

利用MCU內(nèi)的定時(shí)器輸出頻率為28 kHz的方波信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)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(wú)雨水，則接收器收到的紅外線總量穩(wěn)定且與發(fā)射器發(fā)出的紅外線基本相等;有降雨發(fā)生時(shí)，散射現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致接收到的紅外線總量小于發(fā)射總量，系統(tǒng)以此來(lái)判定是否有降雨發(fā)生。為盡量排除可見(jiàn)光的干擾，在玻璃下方疊加了一片濾光片。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器的基礎(chǔ)平臺(tái)上，發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊主要包括雷達(dá)探測(cè)、溫度檢控、雨量檢控等功能。具體軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

參數(shù)預(yù)置模塊用于控制對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的射頻發(fā)射功率調(diào)節(jié)策略，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中預(yù)置，也可以直接讀取本地存儲(chǔ)的預(yù)置參數(shù)。初始化并自檢通過(guò)后系統(tǒng)打開(kāi)對(duì)應(yīng)中斷，開(kāi)始各功能模塊的檢測(cè)工作;否則轉(zhuǎn)向錯(cuò)誤處理模塊進(jìn)行處理并發(fā)出警告信息。

4 測(cè)試與分析

在模塊初始化成功后，能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)讀取和預(yù)置調(diào)節(jié)參數(shù)，人為斷開(kāi)各功能模塊電路，錯(cuò)誤處理模塊均能做出響應(yīng)并向遠(yuǎn)程集控機(jī)提交警告信息，系統(tǒng)進(jìn)入應(yīng)急工作模式。在基礎(chǔ)性模塊測(cè)試通過(guò)的基礎(chǔ)上逐項(xiàng)進(jìn)行功能性測(cè)試。

4.1雷達(dá)探測(cè)模塊測(cè)試

雷達(dá)探測(cè)模塊主要用于將休眠中的射頻模塊喚醒，設(shè)定好喚醒的速度閾值，超過(guò)后就喚醒射頻模塊工作，發(fā)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于精確控制車速［9］，設(shè)計(jì)用改裝的電控小車來(lái)模擬車輛行駛狀態(tài)。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

按照理論計(jì)算，3.6 km/h應(yīng)為射頻輸出控制的閾值，經(jīng)實(shí)際測(cè)得，車速在3.5 km/h時(shí)無(wú)射頻輸出，車速超過(guò)4.0 km/h時(shí)有射頻輸出，表明雷達(dá)探測(cè)模塊能夠正常工作并喚醒射頻模塊輸出。

4.2 溫度傳感模塊

由于受氣溫及實(shí)驗(yàn)條件的限制，低溫環(huán)境最低只能測(cè)試到0℃，測(cè)試運(yùn)行時(shí)臨時(shí)設(shè)定射頻模塊退出休眠的溫度為1℃，結(jié)果表明，溫度檢控模塊也能按照預(yù)期正常運(yùn)作。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

4.3 雨量傳感模塊

雨量傳感模塊主要用于控制射頻模塊的發(fā)射功率，以確?？煽孔R(shí)讀車內(nèi)標(biāo)簽。測(cè)試運(yùn)行時(shí)，分別用霧化裝置和花灑來(lái)模擬4檔降雨量。測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

在正常工作狀態(tài)下，配合13 dBi增益的射頻天線，系統(tǒng)的射頻輸出功率約15 dBm，可以實(shí)現(xiàn)約3 m的識(shí)讀距離。在微量降雨（LL）至高強(qiáng)度降雨（HH）等4種狀態(tài)下，射頻輸出功率自動(dòng)調(diào)節(jié)為20 dBm~30 dBm，基本實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。

本文通過(guò)多模塊協(xié)同工作，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了RFID讀寫器射頻發(fā)射功率的寬范圍自適應(yīng)調(diào)節(jié)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)策略本機(jī)單獨(dú)設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)集中設(shè)定兩種模式，方便靈活部署。

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