基于RFID的數據采集網絡的設計與實現

1 引言
??? 射頻識別技術RFID(Radio Frequency Identification)作為一種高速發展的自動識別技術具有諸多優點：數據讀取方便快捷、識別速度快、可同時識別多目標、數據容量大、使用壽命長、應用范圍廣、標簽數據可動態修改等。因此其推廣應用越來越廣泛。但目前實際應用中的讀寫器大多只適合單機工作，不適合組網，不便于集中控制，不能應用到多點高密度數據采集場合。基于RS485標準利用超高頻RFID讀寫器構建數據采集網絡，遵循IS018000－6B協議的電子標簽中的數據，很好解決了多點高密度數據采集的難題。網絡節點數目可以根據具體應用場合靈活設置，最多可以拓展至256個數據采集節點。節點終端設備還配置有USB接口、LCD顯示、聲光提示、時鐘模塊等，也可以脫機使用，作為通用的RFID讀寫器，讀、寫標簽、記錄操作時間等。

2 整體方案設計
??? 該系統借鑒計算機網絡中經典的C／S架構，利用RS485總線連接整個網絡。其中計算機作為網絡服務器，節點終端設備作為客戶機。計算機向各節點終端設備發送命令控制整個網絡，接收采集到的數據并做進一步處理；節點終端設備主要負責采集標簽數據，響應計算機的命令。系統選用的RS485器件MAX1483使網絡節點數最大可達到256個。系統方案框圖如圖1所示。

3 硬件電路設計
??? 系統設計的重點在于節點終端設備的設計，即超高頻RFID讀寫器的設計。讀寫器的主要功能是發出詢問信號，選擇能量場內的應答器，建立數據通信鏈路并對應答器進行讀寫操作。超高頻RFID讀寫器的數據采集距離較遠，可達到1～30 m，通過軟件設置射頻收發模塊增益大小來控制讀寫距離，靈活地滿足實際要求。讀寫器硬件按照不同的功能可劃分為主控模塊、射頻收發模塊、電源模塊、數據存儲模塊、接口部分、時鐘模塊、LCD顯示模塊、聲光提示模塊及調試電路等，具體如圖2所示。

??? (1)主控模塊選用混合信號系統級器件C8051F340作為節點終端設備的主控器件，負責控制、協調各功能模塊，實現數據采集和命令響應。利用器件的雙串口分別控制射頻收發模塊和RS485接口器件MAX1483；自帶的USB功能控制器構成USB接口；通過I／O端口模擬I2C時序控制數據存儲器件AT24C16；通過I／O端口控制時鐘DS1302；LCD通過端口并行傳輸顯示數據，外加其他I／O端口作為輔助控制：由I／O端口控制LED和蜂鳴器構成聲光提示模塊。
??? (2)射頻收發模塊選用RMU900超高頻讀寫模塊。該模塊通過天線解調、解碼射頻標簽發射的信號，把數據發送給主控器件實現數據的采集，或將命令和數據編碼、調制后經天線發送給標簽，實現對標簽的寫操作。數據的傳輸通過與C8051F340的串口O相連的TX0和RX0實現。圖3為主控模板和射頻收發模塊原理圖。

??? (3)電源模塊 射頻模塊的功率較大。因此對于電源的要求較高，要求輸出大功率并且整個系統用到5 V和3．3 V兩種不同電源。所以選擇LT1085作為電源轉換器件。該器件可將5 V電壓轉換成3．3 V，最大輸出電流可達2 A。完全滿足射頻模塊和系統其他部分對電源的需要。
??? (4)數據儲存模塊存儲節點設備采集到的數據，待接收到計算機的發送數據命令后再將數據轉發到計算機。I2C接口的AT24C16容量為16 Kbit，可存儲2 K字節的數據。通過主控器件I／O端口模擬I2C時序，實現數據的讀和寫。
??? (5)接口部分RS485接口采用MAX1483器件。最多可驅動256個節點，通過RJ11接口實現與總線的連接：USB接口使用主控器件自帶的USB控制器，具有很高的可靠性。圖4是電源模塊、數據存儲模塊、接口部分的原理圖。
??? (6)其他模塊1602單色液晶顯示屏，可顯示采集到的數據和操作時間或實時時間。顯示數據的傳輸采用并行傳輸的方式，加快了屏幕的刷新頻率。聲光提示模塊提示操作完成情況。主要通過主控器件的I／O端口控制LED閃爍和蜂鳴器的鳴笛。時鐘模塊顯示數據采集的時間或實時時間。除板載電源外還設計有備用的紐扣電池，使掉電時時鐘不丟失。調試電路實現在線編程，向主控器件C8051F340燒寫程序，監測變量值的變化情況，調試程序，輔助完成軟件的編寫。圖5、圖6為上述模塊的原理電路圖。

4 軟件設計
??? 系統的軟件設計包括上位機軟件和下位機軟件兩部分。上位機軟件部分主要針對計算機平臺，采用C++語言編寫．控制節點終端設備和接收節點終端設備發送的數據，然后做進一步處理。考慮到網絡的規模最大為256節點，上位機采用輪詢方式控制各個節點終端設備，維持整個網絡正常運行。控制節點終端設備的命令主要有：(1)發送數據命令：下位機接收到該命令的響應是發送采集到的數據，即緩存在數據存儲模塊中的數據；(2)寫標簽命令：下位機接收到該命令的響應是向感應區內的標簽寫入新的數據；(3)時間設置命令：下位機的響應是根據參數更新DS1302的數據；(4)設置功率命令：設置射頻收發模塊的發射功率以調節讀寫標簽的距離；(5)寫分機號命令：該命令為單機命令，可為每個節點終端設備寫入一個唯一的分機號，以便區別不同的終端設備。下位機軟件設計主要針對單片機平臺，采用C語言編寫，主要是各功能模塊的驅動程序，如射頻模塊的控制、數據存儲模塊的數據讀寫、時鐘模塊的輸出、LCD顯示模塊的數據顯示程序、USB接口的驅動程序等。圖7為下位機軟件流程圖。

5 通信協議設計
??? 通信協議是網絡正常工作必不可少的，主要是對計算機和節點終端設備間通信幀格式的具體規范與統一，例如幀長度確定、命令字意義、參數長度、幀起始標志、結束標志等。具體幀格式規定如表1所示。每幀數據有23字節，其中起始位1字節，固定為Oxaa；分機號1字節，可設置范圍為0~255；命令1字節，包括5個命令：OxOf、Ox2f、Ox4f、Ox8f、Oxaf，依次為發送數據命令、寫數據命令、時間設置命令、功率設置命令、寫分機號；數據17字節，包括標簽數據12字節和時間數據5字節；CRE校驗采用CRC-16，共2字節，是起始位到數據位之間所有數據的CRC校驗值；停止位1字節，固定為Ox55。
??? 系統通過RS485總線實現上位機與下位機之間的通信。計算機根據分機號選擇不同節點終端設備，選擇命令代碼實現各命令，數據部分為操作響應代碼(“0”標識操作失敗，“1”標識操作成功)、相關參數(如時間設置命令中的時間參數)或返回具體數據(如標簽數據和時間數據)。

6 結束語
??? RFID技術以其優勢必將在信息化建設過程中得到推廣與應用。系統利用RFID技術構建一種低成本、高可靠性、維護方便的數據采集網絡。目前該網絡已應用于某公司自動生產線中。運行狀況良好，具有廣泛的應用前景。