用于农产品信息管理的RFID读写器设计

近年来,食品安全危机频繁发生,严重影响了人们的身体健康。为加强食品安全监管,必须对产品的生产、流通进行全过程的监管。RFID标签以其无接触、存储容量大、可重复使用等优点而成为重要的产品识别与跟踪手段。美、日、欧洲和国内都在RFID信息追踪方面作过较多的研究,并取得一定的应用[1]。如美国农业部利用可植入RFID标签跟踪马匹,四川的RFID生猪项目等。但是目前国内农业方面存在读写机具少、功能不全面、接口简单、价格高、没有自主知识产权等问题,不能满足农业信息化的要求,限制了国家的农业信息化发展。因此有必要开发低成本、多功能、拥有自主知识产权的农用RFID读写器。

本文提出一种带有新型网络接口的读写器设计方案,可用于农产品生产、加工、流通等环节的信息写入和读取,如农产品施肥信息、病虫害信息、检疫信息、有效期等,支持中文输入和网络通信,有效弥补了当前读写器数据处理方式不合理、操作复杂、接口简单以及难以推广等缺点。根据样机的测试结果,读写器读写成功率高,网络传输可靠。

1 系统组成及原理

系统运行原理是用于跟踪检测的卡片附着于农产品上,管理者把生产、加工、流通中的关键信息通过读写器实时地写入卡中,同时通过网络把信息传送到公共数据库中,信息可以通过全球唯一的卡片ID进行查询。普通消费者或购买产品的单位,通过把商品的RFID标签内容和数据库中的记录进行比对,能够有效地识别假冒产品。考虑系统的使用方式,设计的读写器具有控制模块、供电管理模块、时钟模块、存储模块、键盘模块、网络接口模块、液晶显示模块、无线射频模块。

2 RFID读写器设计

2.1 控制模块

考虑到读写器的处理能力,控制模块选用C8051F120,它有高速的CIP-51内核、8 448KB的RAM和128KB程序存储器,有20个中断源,5个通用定时器,可满足系统数据处理能力和程序代码量的要求。如需了解详细功能可以查阅参考文献[2]。

基于功耗的要求,控制模块工作频率为1.843 2MHz。其P0口用作特殊的功能口,如SUMBUS总线接口、MFRC530中断输入口、CP2201中断输入口等,P5口作为液晶输出信号,P6口用于高8位地址端口,P7口作为低8位地址/数据复用端口。其他的I/O口作为控制接口,如MFRC530、CP2201的选通和控制线等。

2.2 射频模块

射频芯片选用MFRC530,工作频率为13.56MHz,支持ISO14443A协议。电源采用3V和5V混合供电,设计时作为外部存储器使用,如图1所示。通过将A0、A1接3.3V,A2接地设置为地址/数据复用方式。15pF电容和晶振形成自激振荡电路,TX1和TX2经过低通滤波和耦合后接天线。中断引脚接C8051F120的外部中断1,中断信号输出可由内部寄存器IRQPinConfig设置为CMOS输出或漏极开路(OD)输出。根据交叉开关的配置规则,数据读写控制端口ALE、RD、WR分别为P4.5～P4.7。

在MFRC530与卡片的通信中,发送信号为100%调制变形的Miller编码,接收信号为10%调制的Manchester编码。发送信号通过天线以电磁波的形式发出去,接收信号经过天线匹配电路送到RX脚,信号的调制和解调都由内部专用电路根据寄存器的设置进行处理。电源是否可靠对卡片读写成功率影响很大,设计电源要严格保证电压和电流的要求。在射频电路设计中,防止和抑制电磁干扰,提高电磁兼容性,是非常重要的环节。要选择介电常数公差小的基材,并对电路的射频部分和数字部分进行分块处理。射频部分应尽量使用表帖式(SMT)元件,减少过孔,并在表面加接地金属屏蔽层。

2.3 供电管理模块

基于便携式仪器使用场所变动的特点,系统采用外部电源和锂电池结合供电的方案。供电管理模块原理图如图2所示,有外部电源时,经过外部变压器得到DC6V电压,经降压芯片REG1117降压,得到DC4.2V电压,该电压经过低压差稳压芯片TPS7333得到DC3.3V电压。同时DC4.2V电压经过充电管理芯片LTC4055给锂电池充电。DC3.3V电压经过升压芯片MAX756得到DC5V电压,DC3V和DC5V电压共同经过电源管理芯片TPS2044进行管理。无外部电源时,则由锂电池通过LTC4055给系统供电。

2.4 网络接口模块

网络芯片采用新华龙公司的CP2201,它集成了IEEE 802.3以太网媒体访问控制器(MAC)、10Base-T物理层(PHY)。有专用的2KB发送缓冲RAM和4KB接收FIFO缓冲RAM,可一次发送46～1 500B的数据 。电源电压为3.1～3.6V。

通信方式和射频模块相同,网络接口模块如图3所示,中断引脚接C8051F120的外部中断0,差分接收引脚(RD+/RD-)和发送引脚(TD+/TD-)都连接用于10Base-T的1:1脉冲变压器HR61101G,变压器具有2kV以上的电压隔离性能。发送端采用两个8Ω(精度为1%)的电阻和一个560pF的电容,接收端用一个100Ω匹配电阻用于抑制信号的二次反馈,数字地和模拟地共同接地。LA输出电平驱动网络活动/连接LED指示灯。变压后的信号经过RJ45接口的1、2、3、6端,NC端加75Ω电阻经过1 000pF/2kV的电容接地,防止静电干扰。所有电源端口接旁路电容。