基于物联网应用的高频RFID阅读器设计

一 设计摘要

“物联网”的概念最早在1999年提出，具体来说是一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”：在物联网中，RFID标签携带的ID编码可以与真实世界中的任何物品相捆绑，从而使物体拥有网络上的虚拟“身份”;通过RFID标签上的ID编码，可以在网络上实时查询和动态跟踪标签所贴附物品的属性、特征及其他信息。“物联网”可以实现全球范围内物品跟踪与信息共享，大幅提高管理与运作效率，降低成本，给全球供应链的各个环节(仓储物流、生产制造、物品追踪、商业零售、公共服务等等行业)带来深层次变革。而要实现上述愿景，则必须有大量分布式的基础设施——具有联网功能的嵌入式RFID阅读器终端，才能“随时随地”的采集RFID标签信息，实现物联网的无缝全面覆盖。因此，本项目的目标就是基于PIC32技术，实现具有联网功能的嵌入式RFID阅读器终端。

系统原理和技术特点 ：

射频识别(Radio Frequency Identity, RFID)系统主要由电子标签(tag)、阅读器(reader)和数据管理系统这三个主要部分组成，如图1【RFID系统原理】所示：

图1 RFID系统原理

电子标签部分又可以细分为标签天线和标签芯片两部分。每个电子标签都含有唯一的识别码，用来表示电子标签所附着的物体。当电子标签接收到阅读器的发射信号的时候，电子标签被“唤醒”，然后根据阅读器发射的指令完成相应的动作，并将响应信息发射回给阅读器。电子标签上的存储单元，可以反复读写10,000次以上。

阅读器也可以细分为阅读器天线和阅读器两部分。阅读器通过阅读器天线发射信号“唤醒”和传送指令给电子标签，并接收标签返回的信号。在初步滤波、处理信号之后，完成对电子标签信息的获取和解析，将有用的数据通过网络和数据管理系统交互。

数据管理系统主要完成数据信息的存储及管理。数据管理系统可以由简单的本地软件担当，也可以是集成了RFID管理模块的分布式ERP管理软件。

RFID系统的通信过程是阅读器给RFID标签信息和获得标签上信息的过程。由于RFID标签本身无电源，所以必须依靠从阅读器发送的射频信号中获得的能量，即所谓的波束供电技术。而标签获得能量仅够供给标签本身使用，没有多余的能量可供射频信号源工作，必须利用无源反射调制技术来实现RFID阅读器与标签之间的通信。无源反射调制技术就是在RFID系统的整个通信过程中，只存在一个发射机，即阅读器。而RFID标签在应答过程中对阅读器发射的连续波射频信号进行调制，再将已调制的射频信号反射回去，被阅读器接收解码，完成信息传递功能。波束供电技术和无源反射调制技术是反射调制式RFID系统的两大关键技术。

由图2【RFID系统技术特点】所示，UHF频段反射调制式RFID系统主要包括RFID阅读器和RFID标签两个部分，两者之间通过阅读器天线和标签天线建立无线信道通信。

图2 RFID系统技术特点

RFID系统通信的按照时序先后大致可分为两个阶段：

第一阶段：阅读器将基带发射信号调制到载波上，发送给标签;标签从载波中获取能量，并解调阅读器发射的基带信号，得到阅读器发出的指令。

第二阶段：阅读器连续发射无调制的载波用以提供标签持续工作的能量，以及标签反射调制需要的载波;标签根据接收的阅读器指令内容，将标签的返回信息反射调制到来自阅读器的连续载波上，传输给阅读器。阅读器接收到标签返回信号后，解调出所需的基带信号。

软件流程介绍(允许的格式 doc，pdf，vsd，rar，zip)：

图3【系统软件流程】

图4【标签识别协议】

二 项目背景

21世纪以来，RFID技术在全世界迅猛发展，应用层次愈来愈多元化。尤其是长距离识别的UHF频段RFID技术，被视为RFID的“杀手级”应用。全球最大的零售商——美国Wal-Mart公司自2004年开始将UHF频段RFID技术导入其物流供应链：要求全球供货商送货至世界各地的Wal-Mart物流仓库时，其产品必须携带UHF频段RFID标签，以利物流作业。在Wal-Mart及其它跨国零售业巨头的带动下，RFID技术正成为继条码之后的全球贸易和供应链管理基础。

在此情景下，全球各地(包括我国)的制造商、物流批发商和零售业者都在兴建满足Wal-Mart要求的RFID基础设施。RFID读写器，特别是UHF频段的RFID读写器的需求与日俱增。在全球巨大需求的带动下，RFID读写器有希望成为继手机和电脑以后的电子信息产业的又一增长点，国内外电子行业巨头纷纷投巨资涉足开发。本项目运用Microchip公司的PIC32系列MCU器件，实现低成本小型化的UHF频段RFID读写器，大幅度降低现有RFID读写器的体积、成本和功耗，提升我国自主知识产权的RFID读写器产业的竞争力。

三 适用范围：

本作品实现的UHF频段RFID阅读器，与RFID标签相配合成RFID系统，可以广泛应用在以下行业领域：

制造业：

实现“精细制造”和个性化定制生产，提高劳动生产效率，保障产品的质量，从而增加企业利润。

企业供应链管理：

可有效降低库存的存货量，提高资金周转效率，减少流动资金的需求，为企业带来潜在的巨大效益。

仓储物流业和交通运输：

监控物流全过程，实现运输路线的自动跟踪。提高调度的准确性，送货的可靠性和效率，降低仓储配送和运输的成本。

商业流程管理：

有利于零售商提高订单的供给率，降低商品脱销和滞销的风险，提高清货和盘点的工作效率。

资产跟踪管理：

可有效跟踪企业固定资产和贵重物品，降低这方面的人力和物力开支。

四 项目总体设计

如上图5【RFID阅读器结构图】所示，RFID读写器分成基带前端、射频前端和外部接口三大块，其中基带部分完全由Cerebot 32M*4开发板实现，而外部接口包括网络通信外围模块Pmod NIC和人机界面Pmod CLS 字符LCD接口。

RFID阅读器各功能实现方法：

(1)事件调度：使用PIC32芯片实现简单的RFID识别、显示及通信事件调度功能。

(2)对外通讯：使用Pmod NIC外围模块实现以太网通讯功能。

(3)RFID信号处理：使用PIC32芯片实现基本的信号采样、整形、数字滤波和解码功能。

(4)人机界面：所有事件调度信息、调试信息及识别到的RFID标签ID号都经过Pmod CLS外围模块显示给操作者。