谷敏
摘要 隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中,并促進(jìn)信息技術(shù)的進(jìn)一步提升。物聯(lián)網(wǎng)的傳感系統(tǒng)就好比人體皮膚,是收集資料與識(shí)別物體的重要組成部分。而RFID技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)性能的唯一支撐條件,必須對(duì)其展開科學(xué)的設(shè)計(jì)。本文著重研究了基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】RFID技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng) 傳感系統(tǒng) 設(shè)計(jì)
物聯(lián)網(wǎng)是創(chuàng)建智慧服務(wù)平臺(tái)的技術(shù)支持,在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上借助RFID技術(shù)建立一個(gè)包羅萬象的局域網(wǎng)。通過對(duì)周圍事務(wù)的即時(shí)感知來實(shí)施智能化管理,進(jìn)而提升相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量。常見的物聯(lián)網(wǎng)接入方法有以下幾種,如Zigbee、藍(lán)牙、Wi-Fi、GPRS、PSTN、Z-wave通信技術(shù)等,但上述方法均不能準(zhǔn)確鑒別物品。只有RFID技術(shù)才可以完成數(shù)據(jù)的采集和物品的鑒別。因此,RFID在物聯(lián)網(wǎng)的傳感系統(tǒng)中擁有極其重要的地位。
1 RFID技術(shù)簡(jiǎn)介
RFID技術(shù)又被人們稱為射頻識(shí)別技術(shù),全名為“Radio Frequency Identification”,可以利用無線電波識(shí)別具體目標(biāo)并讀取數(shù)據(jù)資料,無需識(shí)別平臺(tái)與目標(biāo)之間設(shè)置光學(xué)或機(jī)器接觸。
無線電波是通過改變無線電頻度的磁場(chǎng)方向,將數(shù)據(jù)從依附品的標(biāo)簽上向外輸送,以自動(dòng)識(shí)別或跟蹤這類物品。在識(shí)別過程中,一部分標(biāo)簽可以從識(shí)別器產(chǎn)生的磁場(chǎng)中獲得能量,不需要配備任何電池。還有一類標(biāo)簽自帶電源,并能發(fā)出各種電磁波,如無線電波、紅外線、X射線等。RFID標(biāo)簽保存了大量的電子數(shù)據(jù),百米以內(nèi)都能有效識(shí)別。
從概念角度來講,RFID技術(shù)與條碼技術(shù)相類似。條碼技術(shù)是將條形碼放在目標(biāo)物的前面位置,然后使用掃描儀借助光源將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撛O(shè)備;而RFID技術(shù)使用RFID讀取器和電子標(biāo)簽,并借助頻率信號(hào)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撟x取器。
2 物聯(lián)網(wǎng)概念
物聯(lián)網(wǎng)不僅是信息加工技術(shù)的重要表現(xiàn)形式,還是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的特殊發(fā)展階段。全稱為“Intemet of things (IoT)”。從字面意義上來看,物聯(lián)網(wǎng)就是由多個(gè)事物相連接網(wǎng)絡(luò)。其中包括兩層含義:
(1)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)與核心要素依舊是互聯(lián)網(wǎng),是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)展與延伸;
(2)其前端擴(kuò)展與延伸到了不同物品之間,實(shí)施數(shù)據(jù)交換與信息交流,即物物相息。
通過智能識(shí)別、傳感技術(shù)以及普存計(jì)算等技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)才可以在網(wǎng)絡(luò)交融中得到應(yīng)用?;谝陨显?,所以被學(xué)術(shù)界稱為繼電腦、因特網(wǎng)之后全球數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一次浪潮。實(shí)際上,物聯(lián)網(wǎng)就是因特網(wǎng)的應(yīng)用延伸,與其說它是一種網(wǎng)絡(luò),倒不如說它是一場(chǎng)業(yè)務(wù)或應(yīng)用。所以,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)始終圍繞應(yīng)用創(chuàng)新來發(fā)展。
3 RFID在物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用
RFID技術(shù)作為一種通過無線電波來傳遞數(shù)據(jù)的識(shí)別手段,電子標(biāo)簽用來表示某一特定對(duì)象。具體識(shí)別過程如下:確保標(biāo)簽可以收到相關(guān)頻率信號(hào),從而展開數(shù)據(jù)識(shí)別。按照工作頻率來劃分,RFID技術(shù)包括三種形式,即高頻頻段、低頻頻段和超高頻頻段。目前,RFID高頻技術(shù)與低頻技術(shù)己得到較快發(fā)展,并且應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。與其它系統(tǒng)相比較,RFID系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的目標(biāo)識(shí)別,活動(dòng)中必須遵守電磁波頻率的全部使用規(guī)范。另外,RFID技術(shù)涉及到很多學(xué)科,例如:計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、集成電路等。其原理為電磁理論,利用射頻信號(hào)有效識(shí)別目標(biāo)并獲取相關(guān)資料,識(shí)別活動(dòng)無須人為干涉,可直接應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)中。目前存在兩類RFID傳感器標(biāo)簽系統(tǒng):一類為RFID標(biāo)簽集合而成的電池支持傳感系統(tǒng)直接作用在硅芯片之上,并且自帶數(shù)/模轉(zhuǎn)換其,該項(xiàng)科技適用于多類傳感器,但是尺寸過大、成本過高、壽命有限。第二類把傳感器集合在標(biāo)簽天線之上,能夠有效降低成本與尺寸。
從本質(zhì)上來講,RFID是一組簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng),是由電子標(biāo)簽、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和讀寫器共同組成。其中電子標(biāo)簽包含兩個(gè)部分,即天線和芯片,天線主要用來發(fā)射無線電波,芯片主要用來存儲(chǔ)內(nèi)部數(shù)據(jù);讀寫器作為一種讀取電子標(biāo)簽的設(shè)備,可以接收大量的數(shù)據(jù)資料;并將其與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、通信等功能。通過前文分析,可以得出以下結(jié)論:RFID在識(shí)別運(yùn)動(dòng)物體的同時(shí)還可識(shí)別大量標(biāo)簽,操作起來較為簡(jiǎn)單。在今后,RFID技術(shù)的迅猛發(fā)展會(huì)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)產(chǎn)生非常深遠(yuǎn)的意義。
4 硬件設(shè)計(jì)
基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)需要按照相應(yīng)的規(guī)則實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),其硬件設(shè)計(jì)有上位機(jī)電路、主控制模版、天線、射頻線、電子標(biāo)簽等。這些硬件相輔相成,共同實(shí)現(xiàn)平臺(tái)運(yùn)營。
4.1 數(shù)字控制
數(shù)據(jù)集成包括一項(xiàng)核心功能與模塊,可以將CPU內(nèi)核與外部模塊連接在一個(gè)活動(dòng)單元。不僅具備良好的節(jié)能功效,還具備高級(jí)集成、定時(shí)器以及振蕩器性能,充分支持模型的仿真、編程以及在線檢測(cè)等。
4.2 芯片設(shè)計(jì)
RFID系統(tǒng)選用了AS3992讀取芯片,該芯片集成了讀取器傳送所必備的數(shù)字模擬與性能,完全符合平臺(tái)協(xié)議方面的有關(guān)規(guī)定,具備良好的接收靈敏度。主要包括足跡接口以及振蕩器組成的PLL,DAC和ADC。另外,AS3992讀取芯片還配備了很多活動(dòng)寄存器,可以使芯片活動(dòng)水平得到迅速提升。
4.3 射頻放射電路設(shè)計(jì)
在對(duì)射頻電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),RFID系統(tǒng)選用了AS3992芯片發(fā)送的20dBm的信號(hào),這種信號(hào)經(jīng)常采取差分輸出模式。該模式需要連接RFF扼流電感以及阻抗匹配體系,同時(shí)還應(yīng)該有一個(gè)光纖轉(zhuǎn)換器,便于RFID系統(tǒng)向單端輸出模式轉(zhuǎn)變,這樣才可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的即時(shí)發(fā)送。
4.4 接口電路設(shè)計(jì)
RFID系統(tǒng)的接口線路主要由兩部分構(gòu)成,其一是USB數(shù)據(jù)接口,其二是RS232通信接口。其中,USB數(shù)據(jù)接口包括一個(gè)lOnF的儲(chǔ)能器件與27歐的終端電阻,旨在取得與智能設(shè)備的通信;和射頻放射模塊相連的電路包含以下內(nèi)容:數(shù)據(jù)的控制總線、服務(wù)總線、電源線以及時(shí)鐘端口等。旨在實(shí)現(xiàn)命令的輸出、使讀取器連接到電子芯片上,便于更好地管理讀取芯片。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
除計(jì)算機(jī)硬件以外,系統(tǒng)軟件也是物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)的重要部分。它應(yīng)該先連接到工作站、控制機(jī)、觸摸屏等上位機(jī),并與RFID標(biāo)簽展開通信,它是操作用戶與RFID標(biāo)簽之間的紐帶。整個(gè)系統(tǒng)軟件被分成四個(gè)部分,即物理層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層,在物理層利用并行接口與USB接口建立邏輯關(guān)系,然后利用AS3992接口協(xié)議與USB接口協(xié)議進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)層是基于IS0 18000-6B/C標(biāo)準(zhǔn)與EPC Gen2標(biāo)準(zhǔn)。傳輸層的關(guān)鍵作用是AS3992輸出形式與主控制器。應(yīng)用層主要是顯示用戶軟件、處理服務(wù)器數(shù)據(jù)等。
5.1 選擇操作
電子標(biāo)簽與讀取器之間的操作目的如下:為系統(tǒng)訪問與查詢工作建立一個(gè)標(biāo)簽集。倘若系統(tǒng)在同一時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)很多標(biāo)簽,那么就應(yīng)該在主控制器中采用防碰撞算法,避免產(chǎn)生標(biāo)簽沖突的狀況,然后按照用戶要求發(fā)出正確指令,最后完成特定標(biāo)簽集的選擇。
5.2 查詢操作
為了準(zhǔn)確識(shí)別RFID電子標(biāo)簽,專門進(jìn)行了查詢操作,讀取器利用查詢命令統(tǒng)計(jì)標(biāo)簽集,此時(shí)會(huì)反饋大量的RFID標(biāo)簽,然后讀取器分別對(duì)他們實(shí)施檢測(cè),并請(qǐng)求協(xié)議判斷,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能目標(biāo)。
5.3 訪問操作
為了和RFID電子標(biāo)簽建立聯(lián)系,專門進(jìn)行了訪問操作,系統(tǒng)會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)訪問那個(gè)被唯一鑒別的標(biāo)簽,其操作指令有讀取、上鎖、解鎖、刪除等,有利于消除標(biāo)簽識(shí)別的各種隱患,提升其安全性。
6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析
6.1 系統(tǒng)電路板
物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)在選擇通信電路時(shí),采用了數(shù)字射頻技術(shù),電路板創(chuàng)建模式為PCB布局,這樣就可以有效防止模擬電路與數(shù)字電路之間的相互干擾,以及排線過程中遇到的不合理問題。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了PA設(shè)備與VC0設(shè)備(壓控震蕩器),所以系統(tǒng)質(zhì)量較輕、體積較小、集成能力較強(qiáng),可以優(yōu)化通信電路,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全部的系統(tǒng)功能。
6.2 系統(tǒng)傳輸活動(dòng)
一般情況下,物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)的傳輸電路是由AS3992芯片完成,首先AS3992芯片將天線收到的信號(hào)發(fā)送到混頻器,再由濾波電路和共射電路對(duì)傳輸電路展開解碼或判決,最后消除數(shù)據(jù)幀與CRC驗(yàn)證,使數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO中、傳輸部分主要是把控制器輸出的操作命令傳送到FIFO中。
6.3 系統(tǒng)時(shí)鐘波和通信性能的實(shí)現(xiàn)
物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)通過LeCmy WaveSurfer永渡器來實(shí)現(xiàn)射頻頻率的勘測(cè),當(dāng)啟動(dòng)電源開關(guān)后,CLSYS頻率上升到60kHz;當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后,其頻率顯示為lOkHz;根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),距離越大則功能越低,距離越小則功能越高?;谶@種狀態(tài),讀取操作要比輸入操作更容易獲得成功。這一檢測(cè)結(jié)果可以滿足當(dāng)前系統(tǒng)需求,符合人們的心理預(yù)期。
7 結(jié)束語
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,信息技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了全面發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)就是其中的表現(xiàn)形式之一。它是一種規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)體系,而RFID技術(shù)與傳感器又是物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐。基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì),使系統(tǒng)質(zhì)量、集成能力、體積更具優(yōu)勢(shì),降低了系統(tǒng)難度,使其成為低能耗的運(yùn)行機(jī)制。通過距離檢測(cè)可以表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)功能任務(wù)。
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