基于RFID技术的标签识别系统的设计与开发

靳晓芳，张北宁，宋金宝

(中国传媒大学 信息工程学院 ，北京100024)

基于RFID技术的标签识别系统的设计与开发

靳晓芳，张北宁，宋金宝

(中国传媒大学 信息工程学院 ，北京100024)

我国许多办公场所的设备管理手段都还比较匮乏，人工管理不但耗费较大，在设备的实时状态监控和日常防盗机制上也存在很大的局限性。本文正是利用RFID射频识别技术实现远距离无线数据的传输与接收，从而达到对重要设备的状态信息实时监控的目的。

RFID；电子标签；读写器；nRF24L01

1 引言

RFID (Radio Frequency Identification)即射频识别，是一项利用射频信号通过空间耦合交变磁场或电磁场实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目标的技术[1]。MIT(麻省理工学院)的Auto-ID中心提出了EPC(产品电子编码)的概念，即把类似于条形码编码的EPC存储在电子标签(Tag)中，将其贴在物体上，读写器(Reader)通过电磁波从电子标签中读出编码，通过这种方式可以识别物体[2]。

随着RFID射频识别技术的发展，以电子标签系统为原型的多种应用已经越来越深入人们的生活。RFID标签识别系统可以广泛地应用于日常防盗、设备监控、刷卡门禁等需要无线识别的场合中。它可以在一个广阔的范围内，以无线收发为数据传输手段，实现多通道多频段的信息识别。并且可以通过芯片和元件的选择，灵活地满足客户的各类需要，在公司、图书馆、实验室、车库等场合发挥重要作用。

本设计旨在解决人工设备管理的种种问题与缺陷，可以实时地利用读写器无线接收多台设备的状态信息，并设置一定的警戒值，当数值超出警戒值时自动报警，从而达到设备监控的目的。本系统采用了主动式电子标签，与目前被广泛应用的被动式标签相比，主动式标签具有更远的传输距离和更大的存储容量，适合学校及办公场所对重要设备的监控及管理。

2 本系统总体设计方案

系统的基本工作流程是：读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当电子标签进入发射天线工作区域时，收到读写器的发送信息后将自身编码ID、温度等信息通过天线发送出去；读写器接收到此信息后送到后台服务器进行相关处理。

本系统的射频发射芯片选用nRF24L01是由NORDIC公司出品的一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置；温度传感模块采用DS18B20温度传感器；LED显示模块采用74HC573N芯片。设计最终实现读写器对电子标签ID号读取和实时温度监控的系统功能。图1为本系统功能框图：

图1 系统功能框图

图2是本系统的结构框图。

图2 系统结构框图

单片机对nRF24L01芯片的控制包括在配置模式下对nRF24L01的初始化配置、发送数据和接收存储数据。配置字一共18byte，发送端和接收端的配置必须匹配，只有配置字的最低位不同。数据包格式包括前缀、地址、有效数据和CRC。发送数据包时单片机只向nRF24L01传送地址和数据，前缀和CRC会在nRF24L01芯片内部自动加上。接收模式时，接收端检测到本机地址的数据包，检验正确后会自动移去前缀、地址和CRC，将有效数据传送给单片机。图3为单片机与nRF24L01的连线图。

图3 单片机与nRF24L01连线图

为了避免单读写器多标签所造成的数据碰撞，本系统的读写器采用了多通道同时接收的方案，再通过按键扩展，来实现多通道切换显示。本系统所使用的读写器开发板的供电电压为5伏，而nRF24L01最高输入电压为3.6伏，为确保电压安全，本系统采用一根焊接了两个二极管(二极管导通压降为0.7伏)的电源线，用于在开发板给其供电时保护nRF24L01电压安全。

3 读写器及电子标签程序设计

3.1 读写器程序设计

本系统的程序运行流程，首先是系统自动初始化，包括STC89C52单片机一些运行方式的规定以及nRF24L01的配置等，这些初始化都是通过编程来实现的。对nRF24L01进行配置时，配置字的读取在CLK的正边沿时，从MSB(最高位)开始，新的配置从CS的下降沿开始。本设计中，电子标签所需要发送的温度数据由DS18B20实时测得，而ID号事先已经存储在单片机中。读写器在接收到一个数据包时，首先将本地的地址与其进行比对，若相同则进行下一步的处理。

设计流程图如下：

图4 读写器程序流程图

读写器要正确接收电子标签发来的数据包，就要对nRF24L01写入与电子标签匹配的地址，而每个被使用到的通道都要设置地址。数据通道0有40位可配置地址。数据通道1～5 的地址为：32位共用地址+各自的地址(最低字节)。本系统只使用通道0和通道1，地址分别设置为：

通道0：{0x00，0x10，0x10，0x10，0x10}

通道1：{0x01，0x10，0x10，0x10，0x10}

单片机对nRF24L01的配置完成后，读写器就进入接收模式。图5为接收函数的程序流程图。

图5 接收函数程序流程图

其中主要函数及变量的解释：

if(RX_DR)函数用来判断是否接收到数据。

sta=SPI_Read(STATUS);用来读取状态寄存其来判断数据接收状况。

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG，0x0e);语句的作用是配置IRQ收发完成后产生中断响应，设置16位CRC校验。

SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD，rx_buf，TX_PLOAD_WIDTH);语句用来从RX_FIFO缓存中读取接收到的数据。

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS，sta);语句使接收到数据后RX_DR，TX_DS，MAX_PT都置高为1，通过写1来清楚中断标志。

3.2 电子标签程序设计

电子标签系统的程序总流程图如图6。

图6 电子标签程序流程图

4 实验数据测量及结果分析

4.1 发射频率测量

使用Agilent N9010AEXA信号分析仪测量发射频率，效果图如图7所示。

从信号分析仪的频谱分析结果可以看出，电子标签所发送的信号频率为2.4GHz，与程序中所设计的nRF24L01发送频率完全一致的，达到理论发送频率的要求。

图7 频率读数

4.2 传输距离测量

在无阻碍物的传输空间进行测试，程序设置的发射功率为0dBm，数据传输速率为1Mbps，测试结果见表1：

表1 传输距离测试

本测试收发双方都安装2dBi增益天线，直线传输无障碍物。从测试结果看，极限传输距离为200米左右。极限传输距离内，未出现明显的数据错误和丢包现象，传输效果在理论值范围内。

5 结束语

虽然在系统中只扩展了温度和ID号的传输，但在实际应用中，湿度、光照强度、设备掉电记录等信息的传输可以参照本系统轻松地实现。根据实际需要，更换较好的天线就能实现更强大的功能。例如，采用能够补偿多普勒效应的天线，就可以成功应用在高速公路不停车收费系统中[3]。而通过更换无源电子标签，本系统则可以应用在IC卡、图书管理、物流管理等实际应用中。另外，数据传输速率也会明显影响传输距离。适当地降低传输速率，在其余参数和天线不变的情况下，有效传输距离能明显增加。因此，在不需要很大的数据量的情况下，可以通过降低传输速率的方法来提升传输距离[4]。本系统还可以扩展串口数据传输，通过串口将采集到的数据传输到PC端并编写软件即可实现软件监控和记录。

[1]凌轲，左韬.RFID技术基础及其基本应用[J].中国科技信息，2007.

[2]Klaus Finkenzeller.射频识别(RFID)技术——无线电感应应答器和非接触IC卡的原理与应用[J].2002.

[3]郎为民. 射频识别( RFID)技术原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]张华，魏臻.无线射频识别技术RFID及其应用[J].安防科技，2007.

[5]王振，胡清，黄杰.基于RFID的无线温度采集系统设计[J].电子设计工程，2009.

TheDesignandDevelopmentofTagIdentificationSystemBasedonRFID

JIN Xiao-fang，ZHANG Bei-ning，SONG Jin-bao

(Information Engineering School，Communication University of China，Beijing 100024)

Many of our office equipment management tools are still relatively scarce，manual management is not only consuming，but also has significant limitations in the real-time status monitoring and day-to-day anti-theft mechanisms.This article is utilize RFID radio frequency identification technology to achieve a long-distance wireless transmission and reception of data，so as to achieve the purpose of the real-time monitoring of important equipment status information.

RFID；Tag；Reader；nRF24L01

2012-10-26

靳晓芳(1980-)，女(汉族)，河北人，中国传媒大学信息工程学院讲师.E-mail：myjinxf@sohu.com

TN919.72

A

1673-4793(2013)01-0035-05

(责任编辑：宋金宝)