功率自适应超高频RFID读写器系统设计*

杨 凤,刘 迪

(河池学院 物理与机电工程学院，广西 宜州546300)

在车辆安监预警类型的物联网应用系统中，确保RFID读写器能可靠地识读到安装在车辆内部的电子标签是系统正常运作的前提和基础[1]。超高频RFID读写器凭借其远距离识读能力占据了较大的应用市场[2]，但是在实际部署过程中，读写器的发射功率通常是恒定的，系统的能耗表现不佳，且在恶劣天气情况下，读写器不能灵活调节其发射功率，容易出现漏读的情况。针对此问题，参考文献[3]在分析前后两次读取标签数量差值的基础上，采用模糊控制算法来动态改变读写器的发射功率，但该方法只适用于连续、大批量标签读取业务，无法满足间歇性小批量读取系统的应用需求；参考文献[4]设计并实现了一种基于STM32和RMU900+的物联网工程读写器，可以在联网模式下批量调节读写器的发射功率,大幅提高系统部署效率及使用过程中的灵活性，但该读写器未能引入自适应的控制策略，需要人工值守。本文在基于STM32和RMU900+的物联网工程读写器的基础上，利用雨量传感、温度传感和雷达探测等模块感知的信息，制定了一套简单、灵活且可靠的读写器功率自适应调节策略。应用该调节策略和传输网络，读写器的发射功率可双重自适应控制，具有较高的识读成功率和良好的节能效果。

1 系统的工作原理及整体结构概述

图1 系统整体框图

整个系统结构框架如图1所示。主控机和物联网多源信息终端通过 3G、LAN、WiFi等多种通信方式来实现组网[5]，它们是系统的传输与处理核心。每个物联网多源信息终端可以连接最多16个读写器，通过多源信息终端来实现异构读写器协同工作，降低读写器在通信方面的复杂度，并提高系统部署的灵活性。为了实现读写器发射功率的自适应调节，增加了温度、雨量和雷达探测等传感模块，利用这些模块采集到的信息作为自适应调节的原始数据。功率调节策略可以通过传输网络由主控机远程设定，如未远程设定，则执行读写器本地存储的默认策略来控制射频发射功率。

2 硬件系统设计与实现

功率自适应调节的超高频RFID读写器硬件框架如图2所示。

图2 读写器硬件框架图

根据参考文献[1]所述方案实现基本平台，控制核心采用STM32F103ZET6 MCU,可通过本地按键进行控制。在规模化部署时也可以通过串行通信方式与信息终端连接，利用主控机进行集中控制、设置液晶显示屏，用来显示本地信息；系统的射频模块选用RMU900+[3-4]，并通过SMA接口连接13 dBi增益的射频天线；雨量传感、温度传感和雷达探测模块将检测到的信息通过I/O口传输给MCU，MCU根据预先设定的调节策略实时地控制系统的射频发射功率[6-8]。

2.1 雷达探测模块

在预警型园区车辆管理系统中,只有当车辆经过时，相应的RFID读写器才需要工作;没有车辆经过时，读写器可以处在休眠状态，达到节省电能、延长读写器工作寿命的目的。在读写器两边分别布设10.525 GHz微波模块来探测是否有车辆移动，如果有车辆移动，则启动RFID模块工作，准备识读标签(本系统同时也完成方向识别功能)。微波处理模块电路如图3所示，根据雷达测速原理，ft与fr的差值是计算车辆的移动速度的原始数据，该输出信号会送入图4所示的驱动电路进行运算放大。

在本系统中，当IF端的频率为72 Hz时，车辆移动速度大约为3.6 km/h，略高于成人正常的步行速度 (在实际应用系统中，可以灵活调整)。

图3 微波处理模块电路图

图4 雷达模块驱动电路图

2.2 温度传感模块

在本系统中,在没有车辆经过的情况下RFID读写器可能长时间处于休眠状态，且在极端气候环境下，射频模块可能因温度原因无法立即被唤醒并正常工作。因此,本文设计了温度控制模块,将模块温度控制在0～+50℃之间。

温度探测模块直接使用2片DS18B20,该模块在-10℃～+85℃范围内的精度可以满足系统要求，当检测温度低于0℃时，给RFID模块供电以保持其温度不至于过低；当温度高于5℃时，恢复休眠状态；当检测到温度高于50℃时,启动散热风扇工作，以免系统温度过高。

2.3 雨量传感模块

UHF频段的电磁波能量较容易被雨水吸收，因此，在雨量比较大的恶劣天气状况下，需要提高读写器的发射功率。本文设计了一个红外散射式雨量传感器系统以检测降雨情况。

利用MCU内的定时器输出频率为28 kHz的方波信号来驱动红外发射管，红外光以固定角度投射到玻璃上，反射光被红外接收器接收。如果玻璃上无雨水，则接收器收到的红外线总量稳定且与发射器发出的红外线基本相等；有降雨发生时，散射现象会导致接收到的红外线总量小于发射总量，系统以此来判定是否有降雨发生。为尽量排除可见光的干扰，在玻璃下方叠加了一片滤光片。

3 软件系统设计与实现

在基于STM32和RMU900+的物联网工程读写器的基础平台上，发射功率自适应调节模块主要包括雷达探测、温度检控、雨量检控等功能。具体软件实现流程如图5所示。

参数预置模块用于控制对应场景的射频发射功率调节策略，可以通过网络进行集中预置，也可以直接读取本地存储的预置参数。初始化并自检通过后系统打开对应中断，开始各功能模块的检测工作;否则转向错误处理模块进行处理并发出警告信息。

图5 系统软件流程图

4 测试与分析

在模块初始化成功后，能通过网络读取和预置调节参数，人为断开各功能模块电路，错误处理模块均能做出响应并向远程集控机提交警告信息，系统进入应急工作模式。在基础性模块测试通过的基础上逐项进行功能性测试。

4.1 雷达探测模块测试

雷达探测模块主要用于将休眠中的射频模块唤醒，设定好唤醒的速度阈值，超过后就唤醒射频模块工作，发射功率则由雨量传感模块控制。考虑到在较低速度情况下汽车比较难于精确控制车速[9]，设计用改装的电控小车来模拟车辆行驶状态。测试数据如表1所示。

表1 雷达检控测试统计表

按照理论计算，3.6 km/h应为射频输出控制的阈值，经实际测得，车速在3.5 km/h时无射频输出，车速超过4.0 km/h时有射频输出,表明雷达探测模块能够正常工作并唤醒射频模块输出。

4.2 温度传感模块

由于受气温及实验条件的限制，低温环境最低只能测试到0℃，测试运行时临时设定射频模块退出休眠的温度为1℃，结果表明，温度检控模块也能按照预期正常运作。测试数据如表2所示。

4.3 雨量传感模块

雨量传感模块主要用于控制射频模块的发射功率，以确保可靠识读车内标签。测试运行时，分别用雾化装置和花洒来模拟4档降雨量。测试数据如表3所示。

表2 温度检控测试统计表

在正常工作状态下，配合13 dBi增益的射频天线，系统的射频输出功率约15 dBm,可以实现约3 m的识读距离。在微量降雨(LL)至高强度降雨(HH)等4种状态下，射频输出功率自动调节为20 dBm～30 dBm，基本实现了自适应调节功能。

本文通过多模块协同工作，设计并实现了RFID读写器射频发射功率的宽范围自适应调节，同时实现了调节策略本机单独设定和网络集中设定两种模式，方便灵活部署。

表3 雨量检控测试统计表

[1]刘迪．用于园区车辆预警系统的物联网框架研究[J]．计算机应用与软件，2012，29(11)：190-192．

[2]王永华,杨健,余松森,等.超高频 RFID读写器组网与协调技术研究[J].电信科学,2007(12):54-58.

[3]姜涛,肖迎元,袁晓洁.RFID读写器功率的自适应调节策略[J].计算机工程,2010(20):291-293.

[4]杨凤.基于STM32和RMU900+的物联网工程读写器设计与实现[J].河池学院学报,2013(5):68-72.

[5]刘迪,杨凤.物联网信息终端异构多径路由算法[J].控制工程,2013(3):562-565.

[6]王伟国,姚骏,史骥.汽车红外雨量传感器的设计[J].仪表技术,2011(1):65-67.

[7]夏宏,吴济文.超高频RFID读写器系统的设计与实现[J].计算机应用,2012(8):2369-2373.

[8]刘军君.UHF RFID读写器设计[D].南京:南京邮电大学，2011.

[9]靖朋,王和明,魏蔚.基于FPGA和 ARM的船舶防撞系统设计[J].电子技术应用,2013,39(4):32-34.