基于RFID的舰舱身份识别系统设计

杨 帆 ，刘 圆 ，李国平 ，高俊林 ，曾 华

（1.武汉工程大学 电气信息学院，武汉 430073；2.湖北省智能机器人重点实验室，武汉 430073）

无线射频识别是一种新兴的信息通信技术，它利用无线电射频信号识别特定目标并读写相关数据，无需在识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，其最早起源于雷达技术的发展和应用[1-2]。RFID的应用非常广泛，如教育、农业、交通、医疗、防伪、图书馆、生产管理、仓储、物流等[3]。

舰船装备作为内外部环境复杂多样的大系统，其安全性影响因素甚多，相关工作开展的难度较大。随着人们对其重要性认识的不断深入，舰船安全性受到广泛关注。为了进一步推动舰船装备的安全性工作系统全面地展开以及智能化，本文运用RFID技术对舰艇上的人员出入各个船舱的情况进行管理，从而有效地防止机密技术的泄露。

1 系统总体设计

系统设计包括电子标签IC卡、接收器和上位机。在船舱上的工作人员都佩戴属于自己的IC卡，IC卡每2 s向外发射ID号和校验信息。接收器由STM32处理模块、双通道射频接收模块、信号增益控制模块和天线等部分构成。该船舱内置的双通道射频接收器通过调节接收信号的增益使其刚好能接收到本房间的IC卡发出的信号，通过串口传送给中央处理装置STM32。STM32对接收到的数据进行打包处理，加上时间标志后，再发送到上位机中来显示标签中的个人信息。通过上位机，可查询到在某一船舱内的人员出入时间及人员信息。系统总体方案的结构如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 Block diagram of the system

2 硬件设计

硬件设计包括射频收发模块和中央处理装置。

2.1 射频收发模块

nRF24LE1采用Nordic最新的无线和超低功耗技术，在一个极小封装中集成了包括2.4 GHz无线传输、增强型51Flask高速单片机、丰富外设及接口等的单片Flash芯片，是一个综合了性能及成本的完美结合，很适合应用于各种2.4 GHz的产品设计[4-5]。

IC卡核心部分是nRF24LE1芯片，将发射程序中的ID号和校验码通过射频发射器每隔2 s向外发射一次。接收器设计成双通道，以降低人员信息的丢失率。接收器由2个电路板组成，每个电路板包含有ISP下载接口、接收模块和天线等部分。接收模块主要由nRF24LE1芯片和HM4274芯片构成。接收器通过天线接收IC卡发送过来的数据，经过nRF24LE1芯片控制HMC274调节接收信号的增益使其刚好能接收到本房间的IC卡发出的信号，当接收装置在船舱中固定时，接收器只能接收船舱内的IC卡发送过来的信息，而无法接收到船舱外的IC卡的信息，接收完成时，主接收器通过ISP协议读取从接收器接收到的信息，然后对所有数据进行整理，并将数据存储在AT24C01，等待STM32询问。射频收发模块硬件框图如图2所示。

图2 射频收发模块硬件Fig.2 Hardware block diagram of RF transceiver module

2.2 中央处理装置

STM32F103“增强型”系列时钟频率达到72 MHz，是同类产品中性能最高的产品[6-7]。结合本文的设计需求，采用STM32f103RBT6芯片作为中央处理装置中的主控芯片，内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72 MHz，处理速度快，片上集成32～512 KB的Flash存储器，存储空间较大，足够保存一天所存储的数据。

中央处理装置主要由STM32和MAX323构成。MAX3232为电荷泵芯片，用于和接收器、上位机的串口通信。串口1和串口2用于连接MAX3232芯片和其它模块之间的通信。本系统利用LM2596将7 V～45 V的直流电压降至5 V。因为STM32F103这款芯片是3.3 V供电，所以用LM1117_3.3稳压芯片对LM2596输出的5 V电压做进一步调整。JTAG接口是可编程芯片的在线系统编程，通过JTAG接口将程序烧录到STM32中。FT232是FTDI公司的多种快速USB通信解决方案之一，其主要功能是实现USB和串行I/O口之间的协议转换。芯片一方面可以接收从PC主机发来的USB数据，并将其转换为串行I/O数据格式发送给单片机串口；另一方面可把单片机从串口发出的数据转换为USB的数据格式传回PC主机。中央处理装置硬件框图如图3所示。

图3 中央处理装置硬件框图Fig.3 Hardware block diagram of central processing unit

3 软件设计

系统的软件设计包括射频发射模块、无线射频接收模块和STM32处理模块3个部分。

3.1 射频发射模块软件设计

配置RF收发器的过程包括使能收发器、启动RF时钟、允许RF中断、设置发射和接受地址长度、启动自动应答功能、设置收数据区域、设置最大重传次数、设置射频通道频率、设置发射功率和传输速率以及接收数据包的长度。上述的设置都需要通过将某一个值写入到寄存器里。配置RTC2定时时间为2 s，检测发射是否完成就是检测发送完毕中断位是否为1或最大重传次数中断标志位是否为1。软件设计流程如图4所示。

图4 射频发射模块软件设计流程Fig.4 Software block flow chart of RF emission module

3.2 无线射频接收模块软件设计

接收模块与发射模块相比，只是多了一个串口的设置。软件设计流程如图5所示。

图5 无线射频接收模块软件设计流程Fig.5 Software block flow chart of wireless RF receiving module

3.3 STM32处理模块软件设计

串口初始化主要有6个部分：串口时钟使能、GPIO时钟使能、串口复位、GPIO端口模式设置、串口参数初始化、初始化NVIC并且开启中断。

定时器配置方法主要有6个部分：TIM3时钟使能、初始化定时器参数、设置TIM3_DIER允许更新中断、TIM3中断优先级设置、使能TIM3、编写中断服务函数。软件设计整体流程如图6所示。

图6 STM32处理模块软件设计流程Fig.6 Software block flow chart of STM32 treatment module

4 上位机显示面板设计

本文利用LabVIEW软件设计出友好的上位机人机交互界面，显示出从电子标签中读取到的信息[8-10]。 在显示面板设置字符串输入控件、串口资源检测控件、确定（OK）按钮控件等控件，设计出上位机前面板如图7所示。单击“开始运行”，开始将接收到的信号显示在上位机上；单击“停止采集”，则停止接收数据；单击“保存数据”，则将接收的历史数据保存在.txt文档中；单击“退出程序”，则退出上位机程序。

图7 上位机前面板Fig.7 Front panel of upper computer

5 系统调试结果

在STM32硬件模块调试和软件调试均获得成功之后，最后进行有效距离的测量。在封闭的房间中进行有效距离的测量。在没有障碍物的条件下，首先进行最远距离的测试，再依次按照衰减分贝大小进行测量，最后测量的结果如表1所示。

表1 有效距离测试Tab.1 Effective distance measuremen

6 结语

由表1实验数据可知，有效距离随着衰减分贝数的递增而减小，在没有障碍物的条件下，有效距离的范围为0.3～11.4 m。从而得知，在接收模块中，可以通过调节HCM274芯片的引脚电平状态来确定接收器能够接收到信号的有效距离。

本文运用RFID技术对舰艇上的人员出入各个船舱的情况进行管理。在硬件设计时通过对电子标签进行电源供应使其由被动式变为主动式，与传统的RFID系统相比，不仅在读写的准确性上得到了改善，在读写距离上也有了很大的提高。在软件设计时以模块化设计思想为基础对读写器进行了重点研究与设计。RFID技术的应用使得系统的安全性有了较大的提高。

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