基于RFID技术的固定资产查询系统的设计与实现

【摘要】为提高固定资产查询的效率，提出了一种基于UHF RFID技术的查询系统，通过对关键技术的研究设计，实现了对固定资产快速唯一性的查询，试验结果表明，该系统运行稳定、抗干扰能力强、可靠性高。

【关键词】UHF;RFID;电子标签;固定资产

引言

随着单位的发展，为了满足工作需要，各部门都购置了大量固定资产。由于固定资产使用地点分散的特点，即使在管理系统的支持下，固定资产管理依然是手工和计算机管理相结合，固定资产数据分散采集依然是管理系统的输入的瓶颈和难题。

如何借助无源RFID技术平台将固定资产的查询、识别操作化繁为简、优化管理环节、提高业务流程效率，最终达到固定资产日常管理活动与固定资产管理系统有效的整合在一起，从而达到实物信息与系统信息的实时同步一致，因此，建立一套基于RFID 技术的固定资产查询系统实现自动管理成为解决固定资产管理困难的有效途径之一。

为突破传统识别技术的限制，本文设计了一种超高频无源射频识别系统（Radio Frequency Identificatio，简称：RFID）。该系统的读写器和电子标签之间的通信协议主要采用国际标准化组织（ISO）制订的ISO 18000-6C标准[1]，该标准兼容全球电子产品编码组织（EPC Global）提出的EPC Class-1 Generation-2标准[2]。系统的工作频率范围为860MHz-960MHz，系统通过无线射频信号实现对固定资产的自动识别，具有识别速度快、准确率高、受外界环境影响小的特点，同时克服了条形码、二维码在模拟环境实验后易损、易污、识别距离近等诸多缺点。

1.系统的构成

基本的RFID 系统由电子标签（Tag） 、读写器（Reader）、天线（Antenna） 三部分组成，如图1所示。电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附着在待识别固定资产的表面。读写器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别固定资产的目的。通常读写器与电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步处理。

图1 无源射频识别系统组成

图2 无源射频识别系统工作原理

系统工作原理：电子标签和读写器之间采用电磁耦合反向散射的机制进行信息交互，读写器发射一定功率的调制信号，经过自由空间衰减后到达电子标签，到达功率的一部分使电子标签产生感应电流被激活;另一部分被电子标签天线反射回去，天线反射的效率受负载变化的影响。为了实现电子标签到读写器的数据传输，采用需要传输的数据比特流来控制天线负载的变化，从而使得反射信号的功率变化与数据流一致，完成电子标签反向散射的幅度调制。电子标签返回的信号经过自由空间衰减后到达读写器天线，完成数据的接收。原理如图2所示[3]。

2.读写器设计

读写器包括发射部分和接收部分两部分。发射部分包括重构滤波器、上变频混频器、驱动放大器和功率放大器等四个部分。接收部分包括低噪声放大器、下变频混频器和抗混叠滤波器等。图3为读写器硬件实现结果。系统中的所有模块采用己有的商用芯片来实现。

图3 读写器硬件电路的实现

在电路设计方面，主要是根据芯片特点进行片外元器件的设计和端口的匹配设计，确保芯片在最好的状态下工作。上变频和下变频混频器芯片的结构框图如图4所示。由图4可知，上变频混频器对差分正交的IQ基带信号采用直接上变频调制方式，单端RF输出，输出阻抗为50Ω，因此可直接与单端RF驱动放大器和RF功率放大器相连;下变频混频器采用直接下变频解调出差分IQ基带信号，输入为差分的RF信号，与单端LNA级联时中间需要加一个单端转差分的Balun。此外，两个混频器都采用差分本振输入，内部生成正交的本振，因此只需要一个本振即可完成上下变频。混频器的片外元器件比较少，主要是电源的去耦电容和输入输出的AC耦合电容等。

（a）上变频混频器         （b）下变频混频器

图4 混频器结构框图

低噪声放大器的端口匹配程度对接收机性能的影响较大。低噪声放大器的匹配分为增益优先匹配和噪声优先匹配两种。增益优先匹配是采用匹配网络将LNA的输入阻抗匹配到系统的特征阻抗50Ω，使LNA的功率增益最大化。噪声优先匹配采用匹配网络将LNA的输入阻抗匹配到最佳阻抗点，使LNA的噪声系数最小化。本系统采用噪声优先匹配来进行端口匹配。低噪声放大器的匹配电路如图5所示。

图5 低噪声放大器的匹配电路

在实际应用中，还应考虑具体的固定资产及固定资产使用环境电磁辐射强度的要求[4]，因此，在功率输出上应进行调节，以满足实际环境的要求。

3.电子标签设计

超高频无源电子标签一般由天线、射频电路、处理器芯片3部分组成，其中射频电路由解调电路、电源产生电路、ASK反向散射调制电路组成。为了有效的进行数据交互，无源射频标签采用跳频工作模式，工作距离可达10m[5]。

基于电子标签的无源体系，解调电路采用二极管峰值包络检波法。包络检波器由二极管和并联的RC电路组成，只有时间常数 RC 大于等于载波周期的100倍时，包络检波器的输出信號才能够正确地跟随输入端调制信号的包络变化[6]。

设计中标签天线接收到的是载波频率fc=915MHz的ASK信号，根据ISO 18000-6B协议标准，读写器发送调制信号的频率fc=40Kbps，调制深度ma=0.9，负载电阻RL=10KΩ。

电源产生电路中的整流电路采用二极管半波整流，设计中由于负载电流仅为 300μA，所以通过一个简单的“π”形R C 低通滤波器可滤除整流后的纹波， 使负载电压比较平滑。

出于减小芯片面积和功耗的考虑，无源RFID标签采用ASK反向散射调制[7]，即通过改变芯片输入阻抗来改变芯片与天线间的反射系数，从而达到调制的目的。

4.软件的设计

读写器在执行操作时发出的命令格式严格遵守ISO 18000-6C协议，该协议对标签进行识别的过程如图6所示。

图6 ISO 18000-6C读写器标签通信示意图

UHF無源电子标签的固件设计必须配合协议的要求，结合硬件电路和MCU的性能水平编写程序。固件程序主要包含数据接收、协议解析和数据发送3个部分，根据接收和发送数据速率的要求和标签整体功耗的考虑，本设计中MCU主频选择 1Mbps，在软件编写时，读写器向标签发送的数据包含帧头、地址位、命令字、数据位、校验位。

接收程序用采样的办法，即以固定的频率进行I/O口采样，采样后比较一个码元周期的前后半个采样结果进行判决，数据接收和解码是同时完成的。

在测量定位上，采用测距定位（Range-based）技术中的信号到达时间（Time of Arrival，ToA） 测距原理，即：射频信号传输的速度恒定为光速c（3.0×l08米/秒），通过检测发射和接收信号的时间差，即可得到信号传输的距离，该方案不受视距和环境的影响，也不需要复杂的天线，定位精度能达到30cm，但由于系统噪声会影响测距精度，在抗干扰设计中应增加过采样、抖动、相干平均技术来减小噪声，提高系统的测距精度[8]。

在实际应用中，信道会存在干扰，标签在接收Select、Query、ACK命令时错误，使读写器和标签之间的信息交互可能丢失或发生误码，使得读写器无法识别标签，造成的漏识。因此，程序设计中应设置为多次发送命令，提高签接收该命令概率，减小漏识的概率。

5.结论

通过对硬件、软件和定位精度及降低漏识关键技术的研究，设计出了一种基于超高频RFID技术的实验室固定资产快速查找系统的可行方案，该设计符合ISO 18000-6C现行国际标准的要求，在实际应用表明：该系统安全性高，识别性强，抗干扰能力高、寿命较长等优点，具有较强的适用性和领域扩展性。

参考文献

[1]Information technology：Radio frequency identification for item management-Part6：Parameters for air interface communications at 860-960MHz[S].ISO-IEC_18000-6C，2005.

[2]EPC UHF Radio-Frequency Identity Protocols：Class 1 Generation 2 UHF RFID[S].Ver.1.2.0，EPC Global，2007.

[3][德]Finkenzeller，K.射频识别（RFID）技术[M].陈大才，译.北京：电子工业出版社，2001.

[4]GB 3836.1-2010，爆炸性环境 第1部分：设备 通用技术要求[S].北京：中国标准出版社出版，2010.

[5]张晖，王东辉.RFID技术及其应用的研究[J].北京：微计算机信息，2007，23（4-2）：252-254.

[6]周晓光.射频识别（RFID）系统设计、仿真与应用[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[7]Udo Karthaus.Fully Integrated Passive UHF RFID Transponder IC With 16.7-μW Minimum RF Input Pow er[J].IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIR-CUITS，2003，36（10）.

[8]熊廷文.基于无源超高频射频识别技术的实时定位系统的研究[D].上海：复旦大学信息科学与工程学院，2010.

基金项目：重庆市基础与前沿研究计划杰青项目（编号：cstc2013jcyjjq90001）。

作者简介：石发强（1979 —），男，重庆人，工程师，中国电子学会会员，现供职于中煤科工集团重庆研究院有限公司，主要从事矿山安全生产监测监控系统、仪器仪表的科研工作。