基于 RFID 的数据采集网络的设计与实现

1 引言

    射频识别技术RFID(Radio Frequency Identification)作为一种高速发展的自动识别技术具有诸多优点：数据读取方便快捷、识别速度快、可同时识别多目标、数据容量大、使用寿命长、应用范围广、标签数据可动态修改等。因此其推广应用越来越广泛。但目前实际应用中的读写器大多只适合单机工作，不适合组网，不便于集中控制，不能应用到多点高密度数据采集场合。基于RS485标准利用超高频RFID读写器构建数据采集网络，遵循IS018000－6B协议的电子标签中的数据，很好解决了多点高密度数据采集的难题。网络节点数目可以根据具体应用场合灵活设置，最多可以拓展至256个数据采集节点。节点终端设备还配置有USB接口、LCD显示、声光提示、时钟模块等，也可以脱机使用，作为通用的RFID读写器，读、写标签、记录操作时间等。

2 整体方案设计

    该系统借鉴计算机网络中经典的C／S架构，利用RS485总线连接整个网络。其中计算机作为网络服务器，节点终端设备作为客户机。计算机向各节点终端设备发送命令控制整个网络，接收采集到的数据并做进一步处理；节点终端设备主要负责采集标签数据，响应计算机的命令。系统选用的RS485器件MAX1483使网络节点数最大可达到256个。系统方案框图如图1所示。

3 硬件电路设计 

    系统设计的重点在于节点终端设备的设计，即超高频RFID读写器的设计。读写器的主要功能是发出询问信号，选择能量场内的应答器，建立数据通信链路并对应答器进行读写操作。超高频RFID读写器的数据采集距离较远，可达到1～30 m，通过软件设置射频收发模块增益大小来控制读写距离，灵活地满足实际要求。读写器硬件按照不同的功能可划分为主控模块、射频收发模块、电源模块、数据存储模块、接口部分、时钟模块、LCD显示模块、声光提示模块及调试电路等，具体如图2所示。 

    (1)主控模块选用混合信号系统级器件C8051F340作为节点终端设备的主控器件，负责控制、协调各功能模块，实现数据采集和命令响应。利用器件的双串口分别控制射频收发模块和RS485接口器件MAX1483；自带的USB功能控制器构成USB接口；通过I／O端口模拟I2C时序控制数据存储器件AT24C16；通过I／O端口控制时钟DS1302；LCD通过端口并行传输显示数据，外加其他I／O端口作为辅助控制：由I／O端口控制LED和蜂鸣器构成声光提示模块。

    (2)射频收发模块选用RMU900超高频读写模块。该模块通过天线解调、解码射频标签发射的信号，把数据发送给主控器件实现数据的采集，或将命令和数据编码、调制后经天线发送给标签，实现对标签的写操作。数据的传输通过与C8051F340的串口O相连的TX0和RX0实现。图3为主控模板和射频收发模块原理图。 

    (3)电源模块 射频模块的功率较大。因此对于电源的要求较高，要求输出大功率并且整个系统用到5 V和3．3 V两种不同电源。所以选择LT1085作为电源转换器件。该器件可将5 V电压转换成3．3 V，最大输出电流可达2 A。完全满足射频模块和系统其他部分对电源的需要。

    (4)数据储存模块存储节点设备采集到的数据，待接收到计算机的发送数据命令后再将数据转发到计算机。I2C接口的AT24C16容量为16 Kbit，可存储2 K字节的数据。通过主控器件I／O端口模拟I2C时序，实现数据的读和写。

    (5)接口部分RS485接口采用MAX1483器件。最多可驱动256个节点，通过RJ11接口实现与总线的连接：USB接口使用主控器件自带的USB控制器，具有很高的可靠性。图4是电源模块、数据存储模块、接口部分的原理图。

    (6)其他模块1602单色液晶显示屏，可显示采集到的数据和操作时间或实时时间。显示数据的传输采用并行传输的方式，加快了屏幕的刷新频率。声光提示模块提示操作完成情况。主要通过主控器件的I／O端口控制LED闪烁和蜂鸣器的鸣笛。时钟模块显示数据采集的时间或实时时间。除板载电源外还设计有备用的纽扣电池，使掉电时时钟不丢失。调试电路实现在线编程，向主控器件C8051F340烧写程序，监测变量值的变化情况，调试程序，辅助完成软件的编写。图5、图6为上述模块的原理电路图。

4 软件设计

    系统的软件设计包括上位机软件和下位机软件两部分。上位机软件部分主要针对计算机平台，采用C++语言编写．控制节点终端设备和接收节点终端设备发送的数据，然后做进一步处理。考虑到网络的规模最大为256节点，上位机采用轮询方式控制各个节点终端设备，维持整个网络正常运行。控制节点终端设备的命令主要有：(1)发送数据命令：下位机接收到该命令的响应是发送采集到的数据，即缓存在数据存储模块中的数据；(2)写标签命令：下位机接收到该命令的响应是向感应区内的标签写入新的数据；(3)时间设置命令：下位机的响应是根据参数更新DS1302的数据；(4)设置功率命令：设置射频收发模块的发射功率以调节读写标签的距离；(5)写分机号命令：该命令为单机命令，可为每个节点终端设备写入一个唯一的分机号，以便区别不同的终端设备。下位机软件设计主要针对单片机平台，采用C语言编写，主要是各功能模块的驱动程序，如射频模块的控制、数据存储模块的数据读写、时钟模块的输出、LCD显示模块的数据显示程序、USB接口的驱动程序等。图7为下位机软件流程图。

5 通信协议设计

    通信协议是网络正常工作必不可少的，主要是对计算机和节点终端设备间通信帧格式的具体规范与统一，例如帧长度确定、命令字意义、参数长度、帧起始标志、结束标志等。具体帧格式规定如表1所示。每帧数据有23字节，其中起始位1字节，固定为Oxaa；分机号1字节，可设置范围为0~255；命令1字节，包括5个命令：OxOf、Ox2f、Ox4f、Ox8f、Oxaf，依次为发送数据命令、写数据命令、时间设置命令、功率设置命令、写分机号；数据17字节，包括标签数据12字节和时间数据5字节；CRE校验采用CRC-16，共2字节，是起始位到数据位之间所有数据的CRC校验值；停止位1字节，固定为Ox55。

    系统通过RS485总线实现上位机与下位机之间的通信。计算机根据分机号选择不同节点终端设备，选择命令代码实现各命令，数据部分为操作响应代码(“0”标识操作失败，“1”标识操作成功)、相关参数(如时间设置命令中的时间参数)或返回具体数据(如标签数据和时间数据)。

6 结束语

    RFID技术以其优势必将在信息化建设过程中得到推广与应用。系统利用RFID技术构建一种低成本、高可靠性、维护方便的数据采集网络。目前该网络已应用于某公司自动生产线中。运行状况良好，具有广泛的应用前景。