基于物联网技术的无源RFID多卡识别系统设计

刘颖 鹿玉红 孙晓叶 郭娜

摘  要： 传统的无源RFID多卡识别系统在识别时很容易受到外界信号干扰，准确率低。针对这一问题，利用物联网技术设计一种新的无源RFID多卡识别系统，在系统硬件和软件上进行强化。系统硬件包括上位机、物联网和射频模块三部分，对处理芯片、协调器模块及射频模块进行设计。利用ZigBee 2006协议栈设定软件程序。为检测系统应用效果，与传统识别系统进行对比实验，结果表明，基于物联网技术设计的无源RFID多卡识别系统不易受到外界信号干扰，识别准确率更高。

关键词： 物联网; 无源RFID; 多卡识别; 识别系统; 医疗系统; 射频识别

中图分类号： TN92?34                          文献标识码： A                           文章编号： 1004?373X（2019）15?0038?05

Design of passive RFID multi?card recognition system based on

Internet of Things technology

LIU Ying， LU Yuhong， SUN Xiaoye， GUO Na

（School of Information Engineering， Institute of Disaster Prevention， Sanhe 065201， China）

Abstract： The traditional passive RFID multi?card recognition system is easy to be disturbed by external signals， and its accuracy is low. In order to solve this problem， a new passive RFID multi?card identification system is designed based on Internet of Things technology， which is strengthened in its hardware and software. The hardware of the system includes three parts： PC， Internet of Things and radio frequency module. The processing chip， coordinator module and radio frequency module are designed. The software program is set up by using ZigBee 2006 protocol stack. In order to detect the application effect of the system， a comparison experiment was carried out with the traditional identification system. The results show that the passive RFID multi?card recognition system based on the Internet of Things technology is not easy to be disturbed by external signals， and its recognition accuracy is higher.

Keywords： Internet of Things; passive RFID; multi?card identification; identification system; medical system; radio frequency identification

0  引  言

无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术最早起源于英国，在第二次世界大战中被用于辨别敌我飞机身份，直到20世纪60年代被商业使用[1]。射频识别技术可以利用无线电信号对特定的目标进行识别，并完成相关的读写操作，识别过程中，系统和目标不需要任何设备进行接触，也不需要光学接触[2]。射频识别技术应用的传播信号为无线电信号，通过调成无线电频率的电磁场，利用附着在物品上的标签识别数据，具有自动识别和追踪的能力[3]。

由于识别过程中，识别器发出的电场会向部分标签传递能量，所以不需要电池，一些标签内部拥有电源，可以主动发出无线电波，将大量存储信息存入其中，即使不在识别器的视线范围中，数百米之内也可以追踪识别[4]。

目前人们对无源RFID多卡识别系统进行了大量研究，RFID识别系统的工作频率包括低频、高频和甚高频[5]。尽管RFID多卡识别系统取得了相当大的成功，但是仍然要面临诸多问题，例如，成本问题、信号干扰问题、频段管制问题以及隐私问题。虽然人们在努力降低研发电子标签的成本，但是高昂的造价仍然限制了RFID技术的发展速度[6]。由于射频识别技术依赖电磁波传输信号，当遇到其他导体时，电磁波的信号会受到干扰，信号强度减弱，甚至出现错误数据。国家与国家的频段管制范围不同，射频信号在国际应用上有很多问题。一些人将射频识别产品放置在其他人的衣物、贴身物品，甚至植入体内，在未经过他人允许的前提下盗取别人隐私[7]。

本文利用物联网技术设置一种新的无源RFID多卡识别系统，设计了识别系统硬件结构图，并选择合适的元件和芯片，分别对各硬件模块和接口进行软件调试，通过实验验证无源RFID多卡系统与物联网技术相组合的可行性。

1  无源RFID多卡识别系统硬件设计

1.1  无源RFID多卡识别系统硬件平台设计

本文设计的基于物联网的无源RFID多卡识别系统硬件主要包括三部分：上位机、物联网和射频模块。上位机负责存储系统得到的数据，并对数據进行处理，选取信息展示，在系统中发挥着控制和管理的作用;物联网作为信息的传输通道，拥有大量自组网络，可以确保RFID模块与PC机顺利传播通信数据;RFID模块主要负责采集各类数据，并对采集到的数据无源标签信息进行读写，利用物联网实现读写功能，与PC机中的数据与信息进行交换[8]。

基于物联网设计的无源多卡识别系统硬件结构如图1所示。

图1  无源多卡识别系统硬件结构

1.2  处理芯片设计

由图1可知，本文选用的无线通信节点共有三个：节点1选用的芯片为射频芯片，能够支持物联网协议，并根据IEEE 182.15.4协议开发出与之对应的软件;节点2确保硬件开发平台和软件开发程序并行工作;节点3内部嵌入控制芯片和协议栈软件，是系统级芯片。三个节点协同使用，满足系统在不同硬件条件下的要求[9]。物联网通信模块选用CC2430作为处理芯片，内部结构如图2所示。

图2  CC2430处理芯片内部结构

CC2430在物联网通信网络中起到很强的处理作用，是系统内部协调器、路由器以及终点节点都需要使用的核心无线处理芯片。处理芯片内部拥有12个A/D转换模块，4路USART串口，RAM存储容量共有8 KB，最大可扩展至128 KB。芯片采用的设计工艺为CMOS工艺，工作过程中消耗的最大电流不会超过30 mA，损耗功率极低。芯片的工作模式共有两种：主模式和休眠模式，它们以交替的方式进行工作。当系统进行信号发送以及信息采集等工作时，处理芯片会进入主模式;当系统为空闲状态时，芯片会自动进入休眠模式，降低功耗。CC2430处理芯片消耗功率低、性价比高、灵活性好，在系统识别领域优势十分明显[10]。

1.3  协调器模块设计

在无线识别模块中，协调器是最重要的设备，一个物联网中只会设定一个协调器，因此它既是无线网的建立者，同时也是管理者，负责储备所有的信息。协调器需要对物联网的所有设备运行状况进行监听，要始终保证在正常工作状态下，一旦协调器出现崩溃，物联网就会随之崩溃[11]。协调器对于电能的消耗很高，需要加入外接电源供电。协调器结构如图3所示。

图3  协调器结构图

观察图3，协调器主要由微处理器、串口模块、电源转换模块、USB接口模块、无线收发模块微处理器、外围阻抗匹配电路、时钟和JTAG组成。协调器接口电路如图4所示。

图4  协调器接口电路

图4中包括接口电路、芯片电路、电源电路以及复位电路。在接口电路处通过12个脚排针将I/O引脚、电源引脚以及复位引脚全部引出，用户可以根据使用过程中遇到的实际情况重新定义I/O引脚的功能，使无线模块具有通用能力[12]。协调器利用USB接口与PC机进行通信，大大减小系统的占地面积，使电路变得更加简单，内部加入低功耗电压转换芯片，方便电脑及电池使用。

1.4  射频模块设计

无源RFID多卡识别系统的射频节点有两个，分别为路由器节点、射频终端节点，与物联网模块中的各个节点相对应，需要连接RFID的刷卡设备。射频模块中的路由器消耗功率较低，要始终保持工作状态，内部加入终端设备的所有功能，同时还具备数据存储能力。射频模块终端节点结构如图5所示，共包含五部分：处理芯片、电源转换模块、串口模块、晶振复位模块以及收发天线[13]。

图5  射频模块终端节点结构图

射频模块中的终端节点只负责采集数据，要随时保持工作状态，终端节点后端连接刷卡设备，利用串口与刷卡设备保持通信联系，为了增加硬件的通用性，射频模块内部未加入USB接口电路。

利用设计的终端节点设计射频模块结构如图6所示。

图6  射频模块结构图

观察图6可知，RFID射频模块共分为三部分：第一部分为处理器，主要负责控制后端射频模块的工作状态，对传输协议进行解析;第二部分为识别模块，内部拥有天线电路和匹配电路，负责将数据转换成信号帧，并填写在无源电子标签上;第三部分是无源电子标签，与前两部分的设备协调匹配。

图7  射频模块实物图

观察图7，射频模块实物图采用的布线方式为双层布线，与射频电路布线要求相符，通过测试证明该板与设计的系统性能一致。

2  无源RFID多卡识别系统软件设计

物联网是本文设计的无源RFID多卡识别系统的重要数据传输通道，在该通道上利用ZigBee 2006协议栈设定软件程序。识别系统软件程序编程界面如图8所示。

图8  识别系统软件编程界面

圖9  识别系统工作流程图

由图9可知，系统在进行软件工作之前会建立一个新的物联网络，在新的物联网络中重新配置需要使用的默认参数，根据系统下发的命令进行监听或等待工作，对空中是否有无线信号进行判断，如果有控制信号，需要对是否有节点加入和离开网络进行判断，如果没有控制信号，则需要将发送端信号传输给终端节点，由此完成识别工作。

数据在传输过程中，采用的传输方式为主从方式，与网络连接的节点作为主节点，其他节点为从节点，所有软件程序在设立之前都需要在协议栈中进行重新定义，直到输出的代码与编写代码一致。

3  实验研究

3.1  实验目的

为了检测本文研究的基于物联网技术的无源RFID多卡识别系统的实际效果，与传统识别系统进行对比，分析实验结果。

3.2  实验参数设置

设置实验参数如表1所示。

表1  实验参数表

3.3  实验结果与分析

根据上述参数进行实验，选用本文研究的基于物联网技术的无源RFID多卡识别系统和传统识别系统同时对医疗系统内部的电子标签进行识别，记录识别结果的准确率，根据得到的结果对两种系统的性能进行具体分析。得到的实验结果如图10所示。

分析图10可知：第一次识别时，传统识别系统的识别结果准确率为15%，本文识别系统的准确率为50%;第三次识别，传统识别系统的识别结果准确率为40%，本文识别系统的准确率为45%;第五次识别，传统识别系统的识别结果准确率为37%，本文识别系统的准确率为88%;第七次识别，传统识别系统的识别结果准确率为34%，本文识别系统的准确率为48%。

由于系统在工作过程中可能会受到外界因素干扰，所以识别结果具有不稳定性。对比上述实验结果可知，传统识别系统识别结果准确率始终低于50%，本文识别系统识别结果准确率在40%～90%之间波动，识别效果好于传统识别系统，更加值得推广使用。

图10  识别结果准确率

4  结  语

本文利用物联网设计了系统的硬件模块。利用协调器和射频节点构建读卡设备硬件，通过硬件给出软件识别流程。引用物联网技术设计的无源RFID多卡识别系统有效降低系统消耗功率和使用成本，加强了系统的保密性，具有很好的应用效果。虽然具备上述优点，但仍有不足之处：系统内部缺少阅读器，一些项目存在加载困难的问题;本文没有考虑到数据帧紊乱这一现象，缺少数据帧校验的相关算法。未来需要在上述两方面进行加强。

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