基于R F I D的开放式实验平台研究

陈美娟 朱晓荣 罗小琴

（南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏 南京210003）

0 引言

培养具有创新能力的人才，是当前高校教育的主要目标[1]。工科高校的教学过程中，实验教学在培养学生科学研究和创新能力方面起着重要作用，演示型和验证型实验有助于学生掌握学科基本原理，而创新型实验则有助于培养学生的创新能力。开放实验是学生利用实验室资源，进行自主研究和创新的一种途径[2-3]。

随着技术的进步，射频识别应用领域日益扩大，RFID技术方便了人们的日常生活，有着广阔的应用前景。本文对开放式RFID实验平台进行了研究，基于此平台，学生可以开发自己的RFID应用、深入研究RFID理论知识。

1 实验平台设计

开放式实验，具有综合性和创新性特点。基于RFID的开放式实验，就是在现有的RFID系统的基础上进行定制修改、功能扩展，以达到自己想要的功能。通常不会改变系统原有的内核。本研究就是在RFID开源产品的基础上扩展功能，使其在创新性教学活动中发挥更大的作用。

从基于RFID读卡器提供开放实验的角度考虑，本研究对高频RFID阅读器硬件平台和软件平台进行了开发。

首先，制作一个RFID阅读器。采用普遍使用的13.56MHz频率，芯片选取也考虑到性价比。然后，实现一个RFID应用系统。RFID标签卡号全球唯一，将其与不同的房间号相关联，实现基于RFID技术的门禁管理。最后，开放平台，开放下位机和上位机编程。开放下位机目的是让学生学习标签的读写操作以及防碰撞算法等，开放上位机目的是让学生可以实现特定需要的RFID应用。为了方便学生进行开放实验、快速学习和了解RFID阅读器上位机程序开发方法，实验平台提供了典型的开发流程说明，同时提供源代码查看功能。

2 实验平台硬件

平台硬件功能结构如图1所示。

（1）TFR7960射频控制单元。RFID读卡器射频控制单元采用TI公司TRF7960芯片[4]，通过并行8线接口与单片机MSP430F2370通信。

（2）射频前端匹配单元。射频前端有一个输出通道，两个输入通道，前端天线输出阻抗匹配到50欧姆，以便功率达到最佳，使用时可调节前端的电容，电阻达到理想匹配。

（3）MSP430控制单元。RFID读卡器的主控制单元采用TI公司的单片机MSP430F2370芯片[5]，在IRQ状态为置位时读取TRF7960送来的RFID标签信息。该芯片通过8线并行接口连接TRF7960，通过串口转USB接口连接至PC机，也可通过串口连接至网关。

（4）其他单元。CP2102芯片实现串行通信接口与USB接口之间的转换，MSP430F2370输出的TTL电平串行信号经过CP2102之后，成为USB接口，然后与PC机相连。蜂鸣器单元作用是，当接口板上电时，蜂鸣器会发出“滴”的一声响。显示单元采用3个LED灯，红色LED指示电源、绿色LED指示对ISO14443标签操作、黄色LED指示对ISO15693标签操作。RFID读卡器的电源可以通过USB供电或者网关插座供电，通过拨码开关来选择。

3 实验平台软件

软件包括下位机和上位机两部分，首先准备软件开发环境，然后编辑调试下位机程序，之后进行上位机程序的编写。

3.1 下位机开发环境搭建

（1）IAR安装。首先安装IAR环境。IAR Embedded Workbench（简称EW）是C/C++交叉编译器和调试器。对RFID读卡器中的TRF7960芯片的编程、调试、烧写，均在IAR环境中完成[6]。安装过程中注意版本号，本文采用IAR Embedded Workbench For MSP430 v5.30。

（2）仿真器驱动安装。调试下位机仿真程序之前，先要安装仿真器驱动程序。按照图2所示，通过仿真器连接RFID接口板到计算机。

确认已将仿真器通过系统附带的USB电缆连接到PC机，系统找到新硬件后出现“欢迎使用硬件更新向导”界面，可以选择手动或自动的方式安装，驱动程序在文件夹“CP210x”中。安装成功后在“设备管理器”中可以看到“端口（COM 和 LPT）”下，增加一行“MSP-FET430UIFVCP(COM3)”。

（3）编辑下位机程序等。在IAR环境中编辑下位机程序。编辑过的工程可以编译、下载和调试。在IAR开发界面上选择Project/Make，或按F7键编译和连接工程。查看提示信息，排查错误。没有错误后，可以下载和调试程序。在IAR开发界面上选择Project/Download and Debug，或按工具栏上按钮进入程序下载，程序下载完成后，IAR将自动跳转至仿真状态。

3.2 上位机软件开发环境

上位机开发环境采用Microsoft Visual Studio 2013，采用C#高级程序语言编写程序。数据库软件采用Micosoft Office Access。

4 开放式实验平台

开放实验平台功能框图如图3所示。

（1）登录。登录功能要求输入用户名和密码，通过后可以使用该系统。可以使用学生的学号等信息作为用户名，方便以后对学生实践环节进行统计。

（2）系统设置。系统设置部分主要用于选择所使用的串口及其特性、选择所使用的标签标准：ISO14443或者ISO15693。串口设置包括选择串口名称、波特率、打开/关闭串口等。串口成功打开后，可以选择所使用的标签标准，读取标签信息。

（3）门禁管理。门禁管理包括两部分：用户管理和门禁应用演示。因为卡片号的全球唯一性，因此将卡片视为一个用户。用户管理部分作用是给某个卡片赋予开某些门的功能，即关联卡片和房间门[7]。门禁应用演示采用图形方式，生动展示卡片在开启某个房间门时的效果。

（4）数据库。采用Microsoft Office Acess数据库，在Microsoft Visual Studio 2013中与数据库建立连接，调用数据库中相关表格，完成数据查询、插入和删除等操作。

（5）下位机开放。下位机开放目的是让学生学习标签读/写操作、研究防碰撞算法。这里提供读/写操作流程、读/写操作程序说明、防碰撞算法流程、一种防碰撞算法程序说明。程序说明是对系统现有的程序逐句解释，并表示出学生自己编写程序时需要修改的地方。学生自己编辑下位机程序需要在IAR环境中，完成编译后通过仿真器下载到RFID读卡器，然后进行调试。

学生可以借助现有上位机程序中提供的“系统设置”等，查看自己的下位机程序是否达到预期目标。也可以另外编写上位机程序，进行串口设置、读/写标签等功能。

（6）上位机开放。上位机开放的目的是让学生自己制作一个基于RFID的应用。这里提供上位机程序编写流程、门禁应用程序说明。同样的，门禁应用程序说明对现有程序逐句解释，并说明学生自己编写程序时可以修改的地方。

上位机程序的编写在Visual Studio环境，采用C#高级程序设计语言。学生的上位机程序基于本平台的读卡器进行验证。

5 结束语

培养创新型人才是高校教育的主要目标，实践环节是重要途径。在本科实验教学过程中，培养学生研究性思维习惯、提升动手能力和操作技能成为培养优秀本科生的主要目的，也为具备科研能力的研究生提供了条件。本文基于应用前景非常广阔的RFID技术，对开放式实验平台进行了研究，制作了高频RFID读卡器，开发了门禁应用，设计了下位机和上位机开放方法。基于本实验平台，学生可以深入研究RFID通信原理，开发自己的RFID应用系统，提升创新能力。

［1］芦峰,郝娟.研究性教学与高校创新型人才的培养[J].教育科学,2011(27):50-53.

［2］刘燕,李晓波.开放的教学实验平台建设与创新性人才培养[J].实验室研究与探索,2014(33):211-214.

［3］朱勇,张昕明,王宁.基于射频识别技术的物联网专业综合实验研究[J].实验技术与管理,2012(29):17-20.

［4］http://www.ti.com.cn/product/cn/TRF7960[EB/OL].

［5］http://www.ti.com.cn/product/cn/MSP430F2370[EB/OL].

［6］无线龙.高频RFID技术高级教程[M].冶金工业出版社,2012,4.

［7］张鹏.高档别墅区智能门禁管理系统设计[D].山东大学,2012.