RFID技术基本模型描述射频识别的应用方向的定位与应用

一、RFID技术概述

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，是一种自动识别技术。它通过无线射频进行非接触式双向数据通信，以识别目标并获取相关数据。射频识别的主要核心部件是阅读器和电子标签。电子标签可以接收阅读器在几厘米到几米的距离内发出的无线电波，阅读器可以读取电子标签中存储的信息并识别电子标签。标签所代表的物品、人员和设备的身份。

射频识别技术有很多突出的优点：RFID可以工作在各种恶劣的环境中，不需要人工干预，不需要直接接触，不需要光学可视化就可以完成信息的输入和处理，可以识别高速运动的物体并且可以同时识别多个标签，操作快捷方便，实现被动无接触操作，应用方便，无机械磨损，寿命长；RFID的整体成本一直在下降，越来越接近接触式IC卡的成本。甚至更低，这为其广泛、大规模应用奠定了基础。如果RFID技术能够与电子供应链紧密相连，那么它很可能在几年内取代条码扫描技术。

二、RFID技术基本模型说明

RFID的基本模型如图1所示。其中，电子标签又称为射频标签、转发器、数据载体；阅读器也称为阅读器、扫描仪、读头、通讯器、阅读器（取决于电子标签是否可以无线改写数据）。电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（非接触）耦合；在耦合通道中，根据时序关系实现能量传输和数据交换。

三、基于RFID的嵌入式系统设计与实现

(一)系统函数

本系统的初衷是实现一个基于RFID的嵌入式系统，根据嵌入式的裁剪性、便携性等特点，实现一个能有效防止碰撞、能有效识别多个近距离物体的手持式RFID系统。.

(二)系统应用方向位置

由于系统集成度高，防撞效果好，可广泛应用于图书馆图书管理、图书借还等应用。

本系统可以方便馆员随时随身携带，捕捉图书智能标签信息，快速搜索图书，对货架上杂乱无章的图书进行管理和分类；图书借还无需馆员干预，读者可自行前往自助借阅。在还书电脑上完成借还书手续。

还有超市物品管理和价格扫描的应用程序，以及农场动物的管理应用程序。总而言之，在目前的硬件条件下，只需对上位机相关软件进行修改，系统就可以有效地应用于不同的应用领域。当然，应用程序的任何方面都必须配合其他相关软件进行开发，本系统只是设计应用程序的整体模型，后续开发还需进一步扩展和完善。

(三)系统设计

系统主要由电源管理单元、单片机AT89C52、射频卡读写模块（主要由MFRC500组成）、无线模块、键盘显示电路等外围电路组成。

手持射频读卡器的工作原理如下：整个手持的电源管理单元给各个模块提供工作电压，单片机控制射频卡芯片，通过天线发射电磁波（大小为面积取决于天线的设计质量），当有射频卡（又称电子标签、RFID卡、非接触卡）进入天线传输的有效范围时，有LC系列射频卡中的谐振电路，其工作频率与射频卡读写器天线发射的频率相同。一致，由于电磁波提供的激发能量，射频卡内的LC谐振电路产生感应电势，电压达到一定的电压值，作为卡内其他电路的电源，射频卡再通过内部电路将数据传递在同一频率。发送回来，读写器通过天线接收到射频卡的信号后，对其进行解调解码，根据冲突检测和验证判断数据有效，然后通过串口将数据发送给无线模块SIM900D单片机的端口。SIM900D 可以使用 SMS 或 TCP/IP 数据流两种方式无线传输数据。由于SMS模式更适合数据量少、方向单一的场合，为了让设计应用更广泛，采用了TCP/IP数据流。

(四)硬件电路设计

1.阅读器主控制器

手持读写器的主CPU采用ATMEL公司的AT89C52。是常用的51单片机。应用于各种工业控制和消费电子领域。成本低，开发平台简单。当然，这个系统理论上可以用其他微控制器或ARM控制器来代替。

2.射频读卡器设计

射频卡读写主要由射频卡芯片MF RC500及其必要的外围电路组成。射频卡芯片是整个读卡器的核心。产生、调制、解调等。这个芯片实际上是单片机和射频卡之间数据传输的关键。任何射频卡上的数据读写都必须通过该芯片进行传输。通过向该芯片发送不同的命令可以实现不同的控制。该芯片在 OSCSIN 和 OSCOUT 引脚上需要一个外部 13.56MHz 晶振。当然，也可以使用其他外部时钟，但不建议这样做，因为它自己的时钟已经足够稳定了。

为了达到最佳性能，射频卡芯片的模拟部分使用了单独的电源，为内部振荡器、模拟解调器和解码器提供工作电压，驱动部分和数字部分也使用单独的电源。部分。读卡器使用磁珠来分离电源。该芯片支持不同的CPU接口。单片机通过控制射频卡芯片的NCS管脚来选择射频卡芯片。射频卡芯片上电或硬件复位后，芯片立即复位其接口模式，并根据几个固定引脚上的逻辑电平来识别当前CPU接口的类型。这里我们选择地址线和数据线时分复用的接口类型。具体操作是：当ALE为逻辑1时，将地址锁存到对应的内部锁存器中，然后通过读写信号完成芯片。数据读写。

在这部分，阅读器的天线设计也很重要。其设计质量将直接影响读写射频卡的有效距离。我们参考芯片的数据手册，使用直接匹配的天线。有效距离最远可达10cm。在天线电路的设计中，我们主要考虑两个方面：

第一个方面是电磁干扰的过滤。由于本阅读器的工作频率为13.56MHz，它是由时钟电路产生的，但它也在13.56MHz、5次等高次谐波中产生3次。为了满足国际EMC要求，这些电磁干扰得到了很好的控制。该阅读器使用低通滤波器来控制电磁干扰。第二个方面是为了达到天线的最佳性能，需要考虑天线电路的阻抗匹配。

3.电源设计

因为这款手机在使用无线模块时需要很大的电流。另外本设备为手持设备，因此系统设计采用Ruckus Energy的可充电聚合物锂离子电池组件（2节串联，每节标称电压3.7V），可充电（需需另外购买充电器），充电电压为8.4V），电池电压经降压DCDC芯片AOZ1016A转换成5V电压输出，该芯片输入电压范围大（从4.5V~16V)，最大输出3.6A的电流完全满足这款手机的电压要求。

4.展示设计

显示部分采用160×96点阵液晶屏。此液晶屏为总线型。它与单片机的连接采用数据并行方式，直接连接单片机的PO口，直接连接液晶屏的读写控制信号R/W。在连接单片机的读写信号上，液晶屏的片选信号CS、指令/数据寄存器选择信号A0、复位信号RESET和串并选择端P/S需要分别连接到单片机的其他I/O口。

5.键盘设计

键盘设计由单片机P1口的8个I/O口实现。采用4×4矩阵动态扫描方式，可设计提供11个数字键（含小数点）、确认键、取消键、退格键、2个功能键。，一共16个键。满足一般手持设备的关键要求。

6.无线通讯模块

目前，市场上有很多无线通信模块。为了适应更多国家的使用，我们使用了刚刚推出的四频无线模块SIM900D（它是SIM340DZ的替代品）。本模块有自己的 TCP/IP 协议栈，没有其他的，在 CPU 的支持下，可以使用 TCP/IP 数据流进行无线数据传输。当然，它也使用标准的AT指令，性能稳定，使用方便。在这款手持设备中，单片机通过串口与SIM900D进行通信。由于单片机AT89C52采用5V供电，而SIM900D采用4.3V供电，需要在5V电压的基础上进行降压。我们在这里使用一个简单的二极管。串联电压降。当然，这个模块还需要一个SIM卡接口电路。

(五)软件设计

手持软件系统直接用C51编写。当然，如果扩展了外部存储基于mf rc500射频卡信息的读写实现，也可以考虑在这个系统中使用嵌入式操作系统，在操作系统的基础上编写自己的应用驱动程序。本机仅作为物流读写射频卡的中间设备。数据处理类型和任务很少。更复杂的应用处理可以通过远程数据控制中心来实现。因此，这里采用C51直接编写所有程序，并且系统的各个单元采用了单独的独特的任务线程设计，不仅降低了软件设计的复杂度，而且增强了软件系统的稳定性和可读性。

本系统的软件设计主要包括系统初始化、键盘扫描处理、液晶显示、射频卡读写、无线模块控制与数据通信等。由于系统初始化，键盘扫描处理，LCD显示都非常常见。下面主要介绍射频卡的应用设计。

1.射频卡读写软件设计

射频卡的读写主要是控制芯片。因此，读写程序也主要是完成单片机对射频卡芯片MF RC500的控制，从而实现芯片与射频卡的数据交互。工作流程如下：

1)单片机初始化射频卡芯片，使其进入正常工作状态；

2)等待中断信号（射频卡芯片通过天线检测到有效射频卡进入有效范围后，会向单片机产生中断信号）；

3)MCU向射频卡芯片发送相应指令，进行请求、防碰撞、选择等操作；

4)单片机发送相应指令验证读写射频卡密码；

5)校验通过后，读取射频卡指定块的内容或写入对应地址块的数据；

6)数据读写完成后，向卡发送停止命令基于mf rc500射频卡信息的读写实现，即可判断卡是否离开。

2.无线模块数据传输软件设计

由于SIM900D无线模块自带TCP/IP协议栈，在这款手持阅读器中，单片机可以通过串口使用AT指令与SIM900D进行通信。主要流程如下：

1)首先单片机通过I/O管脚控制模块上电，使SIM900D上电复位；

2)单片机通过串口发送AT指令，控制无线模块SIM900D与远程服务器建立TCP连接（远程数据控制中心服务器的IP地址和端口需要知道进步）;

3)连接建立后，单片机将准备好的数据发送给无线模块SIM900D，通过之前建立的数据通道进行数据传输；从远程数据中心读取无线模块SIM900D返回的数据；

4)数据处理完毕后，关闭当前建立的TCP连接，然后关闭无线模块SIM900D的电源以节省功耗，继续等待下一次通信。

四、结论

本手持机主要支持IS014443A协议的射频卡读写，目前已广泛使用。采用该设计方案，研制的物流手持射频读卡器具有携带方便、成本低、软件修改方便、应用广泛等特点。随着物联网的发展，其应用前景必定十分广阔。

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