采用RFID技术和U盘存储的抄表器设计

张勇,梁宝全,侯玉文,3,袁新润

(1.天津大学管理学院,天津300072; 2.天津市电力公司,天津300072; 3.中国科学院软件研究所,北京100081)

采用RFID技术和U盘存储的抄表器设计

张勇1,梁宝全2,侯玉文1,3,袁新润2

(1.天津大学管理学院,天津300072; 2.天津市电力公司,天津300072; 3.中国科学院软件研究所,北京100081)

将单片机技术与U盘存储技术两者结合起来,设计基于射频识别(RFID)技术和U盘存储的抄表系统.系统利用单片机直接读写U盘,通过MAX485接口芯片完成单片机与电力仪表的信息交换,通信协议为标准MODBUS-RTU,主控芯片89C2052完成信息的处理与双向传递.RFID采用的工作频率为433 M Hz,以循环冗余校验法校验传输数据,同时采用时分多路(TDMA)来实现射频识别系统的防碰撞.

射频识别;U盘存储;抄表系统;防碰撞;单片机

射频识别(RFID)技术是利用无线射频方式进行非接触双向通信,以达到识别目的并交换数据.我国自20世纪90年代末引进首套RFID示范系统后,迅速跨越技术先期起步阶段而进入大规模应用,特别是进入21世纪以后,大规模制造加工企业纷纷采用引进的RFID技术成果进行技术改造.国内外在变电设备管理工作中应用RFID技术已有成功的解决方案.近年来,随着闪存非易失性存储技术的发展,基于USB接口的闪存——U盘已得到广泛应用.以U盘作为便携式采集存储系统的存储载体,完全能够满足长时间采集海量数据的要求.将单片机技术与U盘存储技术两者结合起来,利用单片机直接读写U盘,从而实现便携仪器的外挂式海量存储,具有广阔的应用前景[1].本文设计了基于RFID技术和U盘存储的抄表系统,详细介绍RFID标签和读写器的硬件原理和软件设计思想.

1 系统组成与工作原理

基于RFID技术和U盘存储的抄表系统由两部分组成,分别为电力仪表与RFID标签(固定部分)和抄表器(移动部分),如图1所示.其中:固定部分包括RFID标签,电力仪表和完成两者信息交换功能的数据处理与接口部分;移动部分包括射频收发模块,MCU,U盘存储电路和显示电路.

系统工作原理:抄表人员通过抄表器发送指令到RFID标签,单片机根据RFID标签接收到的指令对电力仪表进行查询,并将查询结果在通过RFID标签回送给抄表器,抄表器对该数据进行处理,并将处理结果存储和显示.

图1 系统组成原理框图Fig.1 Schematic diagram of system components

2 电力仪表与RFID标签部分的设计

2.1 硬件设计

RFID标签属于主动式标签,具有低成本、低功耗、阅读距离长等特点.RFID标签与RS-485电路,如图2所示.IA 4420芯片具有-109 dBm的接收灵敏度和最大8 dBm的射频信号输出功率,室外开阔地实测传输距离达200 m以上.按“6 dB”法则,在无线系统中,总增益每增加或减少6 dB,传输距离延长或缩短一倍.IA 4420芯片的信号输出功率有0,-3,-6,-9,-12,-15,-18,-21 dBm共8个级调,配合0,-6,-14,-20可调的接收端LAN增益,实现了标签阅读距离的大范围多级可调[2-4].

IA 4220芯片与单片机信息交换通过1～4脚,而这4个脚是标准的SPI接口.单片机通过接口完成对IA 4420芯片内部寄存器的配置,以及发送和接收FSK数据.IA 4420芯片的第5脚(nlRQ)是中断请求.当发送寄存器准备接收下一个字节,或FIFO收到预定的位的个数,或遇到上电复位和FIFO溢出等情况时,第5脚都会发出一个低电平.由于具有自动频率控制功能(A FC),所以,IA 4420芯片允许使用低精度(低成本)的晶振.

通过M AX485接口芯片完成单片机与电力仪表的信息交换,系统中允许该设备带32个同类仪表,通信协议为标准MODBUS-RTU.89C2052为主控芯片,完成信息的处理与双向传递.

图2 RFID标签与RS-485电路Fig.2 RFID tags and RS-485 circuit

2.2 频段选择

考虑到成本等方面的问题,设计时RFID采用的工作频率为433 M Hz.经过试验测试,证明在传输距离及数据可靠性等方面可以达到系统的功能要求.

2.3 防碰撞设计

时分多路(TDMA)法是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术.因此,系统选择用TDMA法来实现射频识别系统的防碰撞.设计中,抄表器周期性地发送同步信号,标签在初始化完成后处于接收状态;收到同步信号后,它按照一定的算法产生一个与自己的ID号相关的延时(产生自己的时间段),然后,将自身的ID号发送出去.由于ID号是唯一的,因此有效区域的不同标签发送时间不同,避免了冲突的产生.

2.4 电力仪表

系统中的电力仪表选择江苏斯菲尔电气有限公司的PD194E型系列多功能电力仪表.系统主要利用该仪表的远程RS-485数字接口通信,并采用MODBUS-RTU通信协议,可完成电量测量、电能计量、数据显示、采集与传输.

3 抄表器部分的设计

图3 U盘存储器接口电路Fig.3 Interface circuit of U disk sto rage

3.1 USB接口

系统的USB接口芯片选择CH340单片机[5-6]. CH 340单片机是一个USB总线的转接芯片,可实现USB转串口、USB转IrDA红外,或者USB转打印口.系统利用该单片机实现数据从M SP430单片机到U盘的双向传输功能.其通信接口为CH430单片机的RXD,TXD分别与M SP430的TXD,RXD相连,如图3,4所示.该单片机也可使用3.3 V供电,进而降低了系统的功耗.

3.3 抄表器主控电路

系统的主控芯片选择MSP430单片机,晶振选择8 M Hz的无源晶振.图4为主控电路,主要负责整个系统的程序调度与功能的实现,完成对IA 4220芯片的数据处理、与U盘接口电路的通信、响应外部键盘的输入请求和液晶显示功能.

图4 主控电路Fig.4 Control circuit

由于主动式RFID标签为电池供电,为了延长电池使用寿命,系统对低功耗性能要求严格.M SP430单片机拥有0.5 m A的保持模式待机电流和250 m A/M IPS的运行功耗,是目前业界公认的低功耗单片机;IA 4420芯片的低功耗待机模式电流消耗低至0.3 m A,这是设计的低功耗性能的基础保证.

IA 4420芯片与M SP430单片机的P4口相连;液晶显示选用128×64点阵型液晶显示器(LCD),分别与MSP430单片机的P1口和P2.0～P2.2口相连;选用4按键键盘,分别与M SP430单片机的P3.0～P3.3口相连,完成操作功能.

图5 单片机程序流程图Fig.5 Program flow chart of microcontroller

4 软件设计

单片机M SP430主程序设计流程,如图5所示.

4.1 初始化程序

对系统的I/O口与寄存器进行分配和初始化.

4.2 采样及处理程序

先判断是否进入睡眠时间范围.如果进入了,就开始检测是否有高电平到来;如果高电平到来就准备采样.采样点必须大致位于每一位的中间.因此,要适当的延长一段时间,以检测完所有电子标签的有效ID位.为了提高RIFD的可靠性与安全性,对于同一标签必须连续采样3次.如果每次采样所得到的有效ID位均相同,则采样成功.

4.3 LCD显示程序

根据数据处理结果,将相应的电子标签信息与采样数据进行显示.

4.4 USB数据存储

M SP430将采样数据经过串口送到CH 340单片机,而CH340单片机将数据存储到U盘.

4.5 数据校验

使用RFID技术传输数据时很容易受外界的干扰,使传输的数据发生改变导致错误.因此,设计中采用了循环冗余校验法校验.循环冗余校验法的信息字段和校验字段的长度可以任意选定,正好适合本系统数据采集的特征.

将无线射频识别技术和U盘存储技术应用在电力技术和产业当中,有很大的实际意义和经济效益.在研究分析系统作用原理基础上,给出了系统硬件与软件实现方案.所提出的方案可以解决传统纸笔抄录、攀高爬梯、环境恶劣、抄表难度大、存储容量小和提高工作效率等问题.下一步工作是完成集调度、营销和监控一体的管理系统,以解决电力营销管理中遇到的一些实际问题.

5 结束语

[1] 王志勇,朱洪涛,李大勇.基于U盘的单片机低功耗海量存储系统[J].单片机开发与应用,2006,22(14):91-93.

[2] 吴永祥.射频识别(RFID)技术研究现状及发展展望[J].微计算机信息,2006,22(32):234-236.

[3] 刘冬生,邹雪城.高频RFID读写器射频模拟前端的实现[J].半导体技术,2006,31(9):669-672.

[4] 侯玉文,王海宾,夏鹏,等.基于RFID/GIS技术的车辆指挥中心及其实现[J].科学技术与工程,2008,8(2):151-153

[5] 黄平平,吉荣廷,沈大鹏.基于CH375实现单片机读写U盘[J].现代电子技术,2006(18):12-14.

[6] 刘建峰,刘爱华.基于CH375的海量数据采集存储系统[J].仪表技术,2006(2):44-46.

Design and Research of Meter-Reading Device Based on RFID Tecnology and U Disk Storage

ZHANG Yong1,L IANG Bao-quan2, HOU Yu-w en1,3,Yuan Xin-run2
(1.School of Management,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Tianjin Electrical Power Cooperation,Tianjin 300072,China; 3.Institute of Software,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100081,China)

After combining themicrocontroller technology and the U disk storage technology,this paper introduces the designing of meter-reading system based on radio frequency tdentification(RFID)technology and U disk sto rage technology.The reading and w riting of the U disk is controlled through microcontroller,the info rmation exchange between the microcontroller and the electricalmeters are carried out through MAX 485 interfacing chip,and the standard MODBUSRTU p rotocol is used fo r the communication.89C2052 is used as the MCU of the system,and it is used fo r data p rocessing and bi-directional transmission.The working frequency of the RFID is set as 433 M Hz,and cyclic redundancy check method is adop ted for the data calibration.The anti-collision of the radio frequency Identification system is realized through adop tion of the Time Division M ulti Access(TDMA)algo rithm.

radio frequency identification;U disk sto rage;meter-reading system;anti-collision;microcontroller

TM 764;TN 911.72

A

(责任编辑:陈志贤 英文审校:吴逢铁)

1000-5013(2010)05-0507-04

2009-09-21

张勇(1965-),男,教授级高级工程师,博士后,主要从事城市化规划与建设的研究.E-mail:yuwen@iscas. ac.cn.

国家发改委及国家电网公司电力重点技改项目(KJ09-1-10)