低频磁场无线穿透金属壁通信系统设计

沈建明，张越，张睿，李金熠

（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036）

0 引言

有统计数据显示，我国冷链的增长率在18%～23%之间，在整个物流板细分领域中增长是较快的。从数据来看，2021年冷链市场规模达到4000亿元，据行业专业人士预测，未来三年内将要达到5500 亿元的市场规模。食材供应链天然分散，必然带来长距离冷链运输巨大需求，如RFID、GPS、温度控制等领域的应用成为冷链物流领域的一个趋势。

RFID 应用程序的核心是一块重要小于200 克，被称为“JRFW-1 型温度标签”的卡片设备，采用全密封防水设计以便应用在各种极端条件，通过上层软件设置相关的温度参数，并通过读卡器的读和写操作，了解标签所在货物的各项参数。由于它性能可靠，价格低廉，易于使用，被广泛应用于对温度敏感的货物运输中，如血液制品、疫苗和新鲜食品等[1]，从根本上解决冷链运输的问题，实现冷链产品状态监测、冷链项目总体流程信息回溯。

1 研究现状

120～135kHz频谱段是无线电频谱中的低频无线电信号，广泛应用于诸多领域。军事方面主要应用于水下通信、水下兵器的遥控，民用主要应用于医学治疗、大地物理勘探、工程探测等方面，但是在诸多应用中，以潜艇水下通信最为突出，目前美国等几个发达国家掌握了超低频对潜通信技术[2]。

在无线电通信高速发展的时代，5G 和6G 技术飞速发展，但是我们依旧没能利用低频电磁波在导电介质中建立起有效的低频无线电系统[3]。主要原因有以下3 个方面：

①频率越低，波长越长，低频电磁波的天线效率低下，辐射电磁能量困难；

②大气噪声和人为干扰的影响；

③低频段上的灵敏检测元件和技术的缺乏。

低频无线电磁通信技术增加了物联网的功能，同时，物联网也赋予了低频无线电磁通信技术的内涵，强化了电磁通信技术在未来社会中的作用。2021 年，工信部发布了《“十四五”信息通信行业发展规划》，指明了未来必将属于万物互联的时代，电磁通信技术也必将在其中扮演着不可替代的作用。低频电磁通信技术因其自身独特的优势，近年来获得了全球的快速发展和应用。

低频信号穿壁通信不受时间影响，一定功率的低频信号可以穿透一定厚度的金属，在接收端更加容易识别解调出信息[4]。125kHz 波段磁场通讯属于低频无线电通讯系统，具有穿透性强、成本低等优点，受金属、液体的影响较小，125kHz 波段磁场通讯具有可靠性高、操作方便和安全保密性好等三大优点。

行业企业的实力与冷链物流的发展息息相关，突破长途冷链运输限制目前是一个挑战，保证冷链不“断链”是优先考虑的重点之一。医疗物流领域的冷藏车机构，如疫苗冷藏药品，冷链是需要经过生产，工厂，运输，存储，终端五个过程，在运输过程中保持全程冷链和实时温度控制是一个挑战，需要通过药品经营企业、冷链物流企业和监管部门三方共同努力下建立一个冷链物流产业发展需要的统一物流标准。受技术限制，信息限制，目前，一些物流公司采用人工确认温度进行温度管理。但这种方式仅限于测量时，出库和库存。缺乏运输连续性温度控制数据。因此，急需通过一种无线通讯系统穿透冷藏车金属壁监测内部温度。

2 设计目标

■2.1 应答器和发射器的设计要求

①应答器负责读取125kHz 唤醒载波信号，采集测量数据并发射125kHz 调制信号；由应答线圈、应答电路构成；

②应答器的应答信号与信息组成都仿照RFID 125kHz的EM4100 规范实现；

③发射端采用MCU 模拟EM4100 卡信号，其中的数据为测量到的温度值；

④发射端使用线圈接收读取线圈发出的载波信号，有载波信号时，发射端在发射数据，无载波信号时，发射端休眠；载波信号作为唤醒电源，启动发射端MCU 唤醒；节省电源。

■2.2 ID 卡读取器设计要求

采用单片机开发ID 卡读取器，替代YL0301 完成穿壁通讯实验，以下是单片机开发的ID 卡读取器（替代YL0301）的设计要求：

①读取器负责发射125kHz 唤醒载波信号，接收应答器发射的125kHz 调制信号并解调输出；由读取线圈、读取电路构成；

②读取器与应答器与采用线圈作为信号收、发天线；

③读取器与应答器两者独立供电；

④读取器的读取与解调也完全实现对EM4100 规范地支持；

⑤读取端采用商业的RFID 读取器，不作任何修改，只是采用查询方式读卡，当要读取数据时，上位机发出查询命令，再进行读卡。

■2.3 穿壁通信软件设计要求

①ID 卡模拟器发射EM4100模拟信号，传输温度传感器数据；

②读取器解码ID 卡发出的模拟信号，读取温度系数值。

具体过程如下：因箱体内需要分布式测温，所以采用DS18B20 电源供电、单总线挂载多个温度传感器的方案；根据DS18B20 的通讯协议，单片机控制DS18 B20 实现温度转换，实现测温；温度数据由ID卡模拟器转换成125kHz 载波信号，穿透轻薄金属壁，读取器解码ID 卡发出的载波信号，读取温度值。

3 实施方案

穿壁通信采用RFID 125kHz作为通信频率，该频率下，采用线圈作为收发天线，通过磁耦合，实现穿透金属壁（2～5mm）进行通信的目的。其通讯原理如图1 所示。

图1 阅读器与应答器之间的耦合

穿壁通信有壁外“读取器”与壁内“应答器”两部分组成。采用单片机模拟EM4100 卡发射信号，传输温度传感器数据，YL0301 读取发射信号，完成通信试验，其穿壁通信组成框图如图2 所示。

图2 穿壁通信组成框图

■3.1 读取电路硬件实现方案

读取电路有发射125kHz 载波信号以完成唤醒应答器，解调应答器发射的125kHz 调制信号的功能。

由于应答器信号协议采用RFID 125kHz E4100 协议实现，因此，读取电路功能与组成与125kHz RFID 读取电路完全相同，所以，读取器实现方案可有3 种：

（1）采购商业化的125kHz 读卡器模块实现，优点：开发快速，缺点：性能固化，往往是功能最简化、指标最普通；

采购RFID 读卡器外壳4 个，RFID 读卡线圈125kHz天线4 个，RFID 射频读卡模块125kHz YL0301 2 个，即可制成读取电路。

（2）直接使用125kHz RFID读取器芯片U2270B 实现模块，优点在于可实现不同读写距离，性能功能都可自主优化设计，如图3所示。

图3 U2270B 构成的读写电路组成框图

U2270B 作为核心器件，其组成有3部分：线圈，U2270B，单片机。

U2270B：载波生成、调制信号的解调；

单片机：控制U2270B 工作模式、解调信号的解析；

外围电路：为U2270B 功能、性能实现提供条件。

目前，射频技术在低频有广泛应用。在低频读写器工作频率主 要 是 在125kHz，U2270B 芯片，是ATMEL 公司生产的基站芯片，基站可以对非接触式的IC 卡进行读写，基站的射频频率工作在100～150kHz 的范围内。

在频率为125kHz 的标准情况下，数据传输速率可以达到5000b/s。U2207B 组成框图如图4 所示。

图4 U2207B 组成框图

不同的外围电路，实现的读卡器性能不同，常规电路能实现读卡功能；原距离电路可增强读卡器读卡距离；频率可调电路通过微调工作频率，增强读卡距离，如图5所示。

图5 工作频率可调、长距离通信条件下实现电路

（3）采用单片机自主开发125kHz 读取模块，优点：最大程度地实现功能、性能、成本优化；缺点：开发周期长，需要自主设计很多电路。

单片机实现方案不采用专用的IC 芯片实现载波生成、放大与信号检波，而是用分立元件实现载波的生成、放大和信号检波，同时载波生成直接使用单片机PWM 端口生成，载波放大采用H 型全桥驱动电路实现，信号检波采用简单的阻容电路实现，如图6 所示。

图6 单片机实现读写电路原理框图

■3.2 应答电路硬件实现方案

为进行读取器配合通信，必须开发应答电路，应答电路硬件由4 部分组成：

(1)温度传感器电路；

(2)ID 卡模拟器；

(3)发射线圈；

(4)单片机控制电路。

为发射EM4100 模拟信号；传输温度传感器数据，首先要开发ID 卡模拟器硬件，ID 卡模拟器即125kHz调制信号发射电路，主要由功率放大、整形滤波、线圈匹配、载波信号组成；ID 卡模拟器硬件框图和穿壁通信125kHz 发射链路如图7 和图8 所示。

图7 ID 卡模拟器硬件框图

图8 穿壁通信125kHz 发射链路

ID 卡模拟器发射信号时用并联谐振，检波用串联谐振，此时应答器需要发射信号因此采用并联谐振，如图9 所示。

■3.3 穿壁通信软件设计

采用单片机时钟输出端口，产生标准的125kHz 载波；ID 卡模拟器总体思路：单片机主机通常处于休眠状态；载波提取电路处于始终上电接收状态；载波提取电路输出端口，经耦合电容，加载在单片机中断唤醒端口；载波提取电路输出端口，经耦合电容，也加载在单片机的某个GPIO 输入端口上；开关卡处于导通状态；当ID 卡读取器需要读取数据时，其首先发送125kHz 载波信号；具体流程图如图10 所示。

图10 主控程序流程图

■3.4 测温电路设计

测温电路采用DS18B20 单总线数字温度计实现。

因箱体内需要分布式测温，所以采用DS18 B20 电源供电、单总线挂载多个温度传感器的方案，如图11 所示。

图11 温度传感器布线图

■3.5 发射天线的设计

发射天线的电感值大约为345μH,因此天线采用线径φ0.29mm 进行设计，根据形状和直径(长×宽)不同绕制不同的圈数，具体设计方案如表1所示。

表1 发射天线设计参考

4 总结

低频磁场穿透金属壁通信样机可通过磁耦合实现穿透金属壁（2～5mm）进行通信的目的，即用分立元件实现穿壁通信，后续将采用FPGA 实现ASIC 芯片的研制，即商业化的穿墙通信低频产品，向用户提供产品化的商品，满足多项目需求。