基于RFID的手持式实验设备信息读取终端与系统设计

俞恩军，吴飞青

（浙江大学宁波理工学院信息科学与工程学院，浙江 宁波315100）

1 、前言

目前，高校实验设备信息化管理水平还比较低，绝大数高校的实验设备的管理还是主要依靠人工完成。随着实验设备日益繁杂和信息化的不断发展，我们对实验设备管理作了一些信息化和智能化的探索，从而提高实验设备管理的自动化的水平。

由于高等院校办学规模的不断扩大和对学生实践能力的越来越重视，高校在实验环境和仪器设备上的投入也在不断地增加。但是，实验室环境里人多物杂，依靠传统方式如人工等方式不仅管理工作量大而且容易出错且，管理效率低下。如何实现科学高效的实验设备管理，充分提高设备的利用率，使设备能在教学科研效益最大化，已经成为当前高校管理工作的一个重要课题。射频识别技术作为从20世纪90年代开始兴起并迅速成长的一种非接触式自动识别技术，与传统标签相比，防水防磁、寿命长、数据容量达、读写方便[2]，非常适合并有利于高校的实验设备管理。合理使用可推动和促进设备管理过程中的数据采集流程，减少了繁琐的人工过程，避免管理员频繁对实验设备信息的更新；因此是加强高校实验仪器设备管理的有效手段，使管理工作逐步实现系统化，规范化，程序化[3]，从而大大提高了设备信息处理准确性和便捷性。

2 、实验设备信息读取系统的基本组成和工作原理

2.1 基本组成

实验设备信息读取系统系统（下文简称为系统）由电子标签、阅读器和天线三部分组成[4]，如图1所示。电子标签（Tag，也称射频标签）包括芯片和内置天线两个部分。芯片内保存有唯一的编码的电子数据，一般将含有设备特性信息的电子标签贴实验设备上。读/写电子标签信息的阅读器由信号处理控制模块、射频IC读写模块、天线、LCD液晶显示器等组成。阅读器的主要工作有两个：一是控制射频模块向电子标签发送信号和接受电子标签的应答，二是接收电子标签中信息的调制信号，将目标特性信息和其它相关信息传输到主机以供处理。电子标签与阅读器之间传输数据通过天线实现。

图1 系统组成

2.2 工作原理

当无源的电子标签接收阅读器发出的射频信号后，即产生感应电流，从而把存储在芯片中的设备特性信息发送给阅读器，阅读器读取信息并送至信号处理控制模块进行有关数据的处理，从而实现非接触式自动识别事物的效果。

3 、系统设计

3.1 系统的硬件平台

3.1.1 控制模块

信号处理控制模块采用高速、低功耗、超强抗干扰能力强的新一代8051单片机单片机—STC11F32XE[5]，其指令代码安全兼容 8051，但速度要快8-12倍，可用低频晶振，大幅降低EMI。拥有高抗静电（ESD保护），宽电压，不怕电源抖动，温度适应范围宽（-40℃～85℃），输入/输出口多，复位简单；功耗低，外部中断唤醒功耗＜0.1uA，还有掉电唤醒专用定时器，启动掉电唤醒定时器典型功耗＜2uA，可用电池供电；这款单片机可在线编程，可远程升级。

3.1.2 读写模块

读写模块选用的是工作频率为13.56MHz非接触式高度集成的读写芯片MFRC522，它具有以下功能[6]：MFRC522内部发送器可以驱动读写天线与符合ISO 14443A/MIFARE电子标签通讯，且无需外部电源。接收器模块是一个功能强健、高效的解调和译码器，用来接受电子标签的信号。数字模块处理全部的ISO 14443A帧和错误的检测 （包括奇偶校验和CRC校验）。MFRC522与主机可以实现SPI接口、串行UART和I2C接口，本电路采用SPI方式与MCU通讯。

3.1.3 天线及相关电路的设计

天线模块由天线线圈、匹配电路和EMC滤波三个电路组成，如图2所示。数据经MFC522调制后由TX1和TX2以射频的形式发送，发送的频率为 13.56MHZ。 L1、L2、C7、C8、C9、C10 组成 EMC 滤波电路。C2、C4、C0、R0是天线匹配电路，其中R0用来降低天线的品质因数，以保证足够的通频带，C0用来调整由于元件参数不同带来的影响。天线上收到电子标签的响应信号通过接受电路经RX送入MFC522进行解调、译码后送入MCU处理。接受电路中C5、R1用来保证RX的直流输入电压保持在VIMD；R2、C6用来调整RX的交流信号[7-13]。

图2 EMC滤波与天线匹配电路图

3.2 系统软件设计

3.2.1 控制主程序设计

系统的主要功能是能正确选卡，实现对RFID卡的读写操作。首先对单片机和MFRC522进行初始化配置，配置好MFRC522就可以接收单片机的命令执行操作，实现与RFID卡进行通信。RFID卡可以根据接收到的指令进行操作，但要进行一系列的操作才能完成通信。主要包括寻卡、防冲突、选择卡片、验证密码和读写卡片。当有RFID卡进入到射频天线的有效范围，读卡程序将按固定的顺序进行才能有效的对卡片进行操作，主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程图

当程序开始运行的时候，首先将系统进行初始化，包括主控芯片的初始化和MFRC522进行初始化及LCD的初始化。然后查询有没有事件发生，即查询按键有没有按下。一旦当RFID卡进入射频识别的范围内就会产生一个信号，之后进入事件处理过程。若没有卡片的话就将报警。

3.2.2 读写器读程序设计

本设计中，MCU为主机，MFRC522模块为从机，由主机提供SPI时钟SCK。信号通过MOSI（主机输出从机输入）和MISO（主机输入从机输出）线实现MFRC522和主机之间的通讯。两者通讯时数据在时钟的上升沿保持不变，在时钟的下降沿改变。采用表1的结构可将数据通过兼容SPI的接口读出[5]，这样可能读出n个字节数据。发送的第一个字节定义为模式本身和地址。

表1 数据读取MOSI与MISO的数据次序

对RFID卡进行操作的时候，需要先将系统初始化，清空所有标志位，在进行寻卡读写等操作。在读卡的过程中，为了识别卡片，需要判断寻到的卡片是否是库中的标签，这样有助于排除干扰等。如是正确的标签，采用蜂鸣器来确认，并进行防冲突检测，防止多卡在识别的范围内，接着进行选卡、卡片的验证工作，然后获取到卡片上的信息。获取卡片的信息主要获得实验设备的名称、生产厂家、采购日期、管理员信息、产品的价格及维修记录。如不是库中标签，则发出报警，用来警示，并将所有发送缓冲区内的内存释放掉，继续寻找卡片，如此重复的进行下去。

对RFID卡进行读操作的流程图如图4所示。

图4 RC522读程序流程图

3.2.3读写器写程序设计

读写器对卡片进行数据写入是使用表2的结构，这样对应一个地址可以写入n个数据，发送的第一个字节定义了模式本身和地址[5]。

表2 数据写入MOSI与MISO的数据次序

对RFID卡进行写操作的时候，首先进行系统的初始化，然后选通读写模块，才可以进行对RFID进行操作。对RFID卡进行操作的时候，是通过中断模式的，当有信号输入的时候，触发中断启动，这时候，进入中断操作，读取卡片信息，判断是否有新的卡片，是否在有效期内，便可以对RFID卡进行写操作，并且对RFID卡上的信息进行修改操作。写操作的流程图如图5所示。

图5 RC522写程序流程图

每当实验设备的信息需要更新时，都需要进行卡片写操作，需经过寻卡、防冲突、选卡、密码验证等过程，才能对卡片上的信息进行更新。

4 、实验结果

系统完成后，进行了测试。以下为实际测试情况：开机后界面如图6所示：

图6 开机界面

当RFID卡接近天线时（20cm以内）系统就读取RFID卡上的信息，并显示在显示屏上（图7）。通过对按键的操作，可以调用设备不同的信息资料：如采购价格（图8）、管理员信息（图9）、维修记录(图10)等。

图7 读取信息界面

图8 采购金额界面

图9 管理员信息界面

图10 维修信息界面

5 、结论

本设计把无线射频技术应用于实验设备管理信息化中，系统抗干扰能力强、模块化等特点，可以根据系统的实际需要对其进行扩展，通过与计算机相结合可以实现对实验设备信息的自动监控及报警。实验结果表明了整个系统的可靠性和有效性。