龍順宇　林元乖　楊偉　許祿枝　鄺國旺

摘 要：為實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品信息標(biāo)識與溯源，結(jié)合RFID及以太網(wǎng)透傳技術(shù)構(gòu)造了一款溯源終端機(jī)，該設(shè)備遵循ISO 14443A/MIFARE協(xié)議，使用MFRC522射頻芯片及STC8主控單片機(jī)實現(xiàn)了HF頻段下的RFID讀寫，通過讀取預(yù)置在農(nóng)產(chǎn)品中的Mifare1電子標(biāo)簽得到唯一標(biāo)識碼，再將其傳送至由CH9121芯片構(gòu)成的以太網(wǎng)透傳單元中，標(biāo)識碼通過TCP傳送至溯源后臺數(shù)據(jù)庫，經(jīng)信息檢索后，向前端溯源機(jī)或用戶手機(jī)APP端返回農(nóng)產(chǎn)品名稱、種類、產(chǎn)地、倉儲、貨運/冷鏈及保質(zhì)期等信息，以實現(xiàn)產(chǎn)品溯源。

關(guān)鍵詞：MFRC522;CH9121;RFID;以太網(wǎng)透傳;農(nóng)產(chǎn)品溯源;非接觸

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-04

0 引 言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高速發(fā)展的今天，農(nóng)產(chǎn)品種類及市場需求急劇增加，如何提升農(nóng)產(chǎn)品的供需信息化水平成為了研究熱

點[1-2]，在農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的種植、收購、倉儲、加工、包裝、運輸、物流、檢驗及銷售環(huán)節(jié)構(gòu)筑一條完整、透明、暢通并可追溯其源頭的“信息鏈條”十分必要[3-4]。在整個溯源鏈條中必不可少的就是農(nóng)產(chǎn)品銷售網(wǎng)點的溯源終端機(jī)[5-6]。不同的終端設(shè)備在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上存在較大差異，共性的部分一般為自動識別前端、主控制器和相關(guān)通信接口[7-8]，本文結(jié)合相關(guān)IoT主流技術(shù)方案構(gòu)建了一款溯源終端機(jī)以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源。

1 農(nóng)產(chǎn)品溯源終端機(jī)前/后端硬件設(shè)計

溯源終端機(jī)主要由四個部分組成，分別為前端RFID單元、主控制器單元、人機(jī)交互單元及后端以太網(wǎng)通信單元：RFID前端負(fù)責(zé)識別農(nóng)產(chǎn)品上附著的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，讀取序列號或特定扇區(qū)數(shù)據(jù);主控單元控制RFID讀寫操作、人機(jī)交互和通信，采用多串口、高性價比的STC8A8K64S4A12單片機(jī)作為主控芯片;人機(jī)交互單元主要為顯示屏和矩陣鍵盤，顯示屏用于顯示農(nóng)產(chǎn)品的溯源信息，矩陣鍵盤用于手動輸入商品編號或者調(diào)整終端機(jī)功能;后端以太網(wǎng)通信單元負(fù)責(zé)將單片機(jī)串口發(fā)出的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行串口/以太網(wǎng)數(shù)據(jù)透傳。

在終端機(jī)的組成單元中，人機(jī)交互和主控可以根據(jù)實際選型進(jìn)行變更，最為重要的就是前/后端硬件設(shè)計，故而在本文硬件設(shè)計中將著重介紹該部分。

1.1 構(gòu)造HF頻段RFID前端單元

在終端機(jī)的RFID前端將恩智浦半導(dǎo)體生產(chǎn)的MFRC522芯片作為射頻核心，該芯片是一款非接觸式HF頻段RFID讀寫卡芯片[9-10]，其典型工作頻率為13.56 MHz，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)424 Kb/s，完全可以滿足常規(guī)農(nóng)產(chǎn)品電子標(biāo)簽快速識別的要求[11]，通過構(gòu)造圖1所示的外圍電路，實現(xiàn)了終端機(jī)的“讀頭”設(shè)計。圖1中的U1為MFRC522芯片，通信接口為三線SPI接口，R2，R3，C11和C13構(gòu)成了接收電路，L1，L2，C6和C7構(gòu)成了EMC濾波電路，C3，C4，C5，C8，C9和C10構(gòu)成了射頻前端匹配電路，X1，C12和C14為時鐘電路，虛線框內(nèi)為射頻天線。

在硬件實物設(shè)計中，天線部分采用PCB板上矩形走線方案，天線的性能直接關(guān)系到通信距離及讀寫穩(wěn)定性。設(shè)計PCB天線時考慮了共軛匹配、阻抗匹配、輻射效率和極化方向等參數(shù)，根據(jù)外形和PCB基板參數(shù)反向修正了圖1中EMC濾波電路和射頻前端匹配電路的器件參數(shù)，以獲得較好的發(fā)射/接收效果。

1.2 構(gòu)造串口-以太網(wǎng)透傳單元

在終端機(jī)的以太網(wǎng)通信部分采用南京沁恒微電子股份有限公司生產(chǎn)的CH9121芯片作為轉(zhuǎn)換核心，該芯片內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，輕松實現(xiàn)了串口到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的雙向透傳，其具有TCP Client，TCP Server，UDP Client和UDP Server四種工作模式，串口通信波特率可達(dá)921 600 b/s，可以滿足雙向信息透傳需求[12-13]。通過構(gòu)造圖2所示的外圍電路，實現(xiàn)了單片機(jī)串口到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)雙向透傳的功能。

圖2中的U1為CH9121芯片，其供電為3.3 V和1.8 V，電源引腳附近可按需添加退耦電容，該芯片大部分引腳為電源引腳或無功能引腳，其余引腳中包含有控制引腳、時鐘引腳及通信引腳，終端機(jī)主控單片機(jī)將RFID前端識別到的電子標(biāo)簽序列號由TXD1和RXD1引腳傳送至CH9121核心，經(jīng)過其片內(nèi)數(shù)據(jù)處理及協(xié)議轉(zhuǎn)換后成為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，再經(jīng)過P1器件的RJ 45接口連接到交換機(jī)、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。此處的P1網(wǎng)絡(luò)接口內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器，簡化了器件連接。在制作該單元PCB文件時，還需合理布放RXN和RXP，TXN和TXP這兩對以太網(wǎng)差分信號線，以減少高頻時鐘對外界的干擾，構(gòu)造完成后的透傳單元經(jīng)過軟件配置后即可建立通信鏈路。

2 農(nóng)產(chǎn)品溯源終端機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 MFRC522通信單元

為了節(jié)省主控單片機(jī)UART資源并實現(xiàn)高速通信，MFRC522通過SPI接口與主控單片機(jī)通信，通信過程中MFRC522作為從機(jī)，SCK時鐘信號由主控產(chǎn)生，MOSI和MISO線路傳輸?shù)拿總€字節(jié)都按照特定幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝，高位在前低位在后，MOSI線路上的數(shù)據(jù)在SCK時鐘的上升沿保持，下降沿改變。軟件操作MFRC522的本質(zhì)就是讀寫該芯片內(nèi)部寄存器以獲取數(shù)據(jù)和配置功能。利用C51語言編寫WriteRawRC（）函數(shù)用于讀寫MFRC522寄存器，該函數(shù)具備形參Address[IN]用于指定寄存器地址，形參value用于指定寫入的數(shù)據(jù)，具體的函數(shù)實現(xiàn)如下：

void WriteRawRC（unsigned char Address， unsigned char value）

{

unsigned char i， ucAddr;

MF522_SCK= MF522_NSS=0;//拉低時鐘線和片選線

ucAddr = （（Address<<1）&0x7E）;

for（i=8;i>0;i--）//循環(huán)逐一送出地址

{

MF522_SI = （（ucAddr&0x80）==0x80）;//發(fā)送地址

MF522_SCK = 1;ucAddr <<= 1;MF522_SCK = 0;

//拉高時鐘后寫入地址位再拉低時鐘

}

for（i=8;i>0;i--）//循環(huán)逐一送出數(shù)據(jù)

{

MF522_SI = （（value&0x80）==0x80）;//發(fā)送數(shù)據(jù)

MF522_SCK = 1;value <<= 1;MF522_SCK = 0;

//拉高時鐘后寫入數(shù)據(jù)位再拉低時鐘

}

MF522_NSS = MF522_SCK=1;//拉高時鐘線和片選線

}

2.2 Mifare1電子標(biāo)簽讀寫單元

在農(nóng)產(chǎn)品中使用的HF頻段RFID電子標(biāo)簽為Mifare1卡片，卡片內(nèi)置了射頻芯片及天線，射頻芯片內(nèi)具備存儲單元，共劃分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)由4個塊組成，因此整個扇區(qū)有64個塊地址。第0扇區(qū)的塊0固定存放廠商代碼，該區(qū)域無法進(jìn)行讀寫操作。每個扇區(qū)的塊3為控制塊，包括密碼A、存取控制和密碼B，該區(qū)域的控制塊包含16 B數(shù)據(jù)，扇區(qū)中每個塊（包括數(shù)據(jù)塊和控制塊）的存取條件由密碼和存取控制共同決定。每個扇區(qū)的塊0、塊1和塊2為數(shù)據(jù)塊，可用作一般的數(shù)據(jù)保存，可與閱讀器進(jìn)行讀、寫操作。也可用作數(shù)據(jù)值，進(jìn)行初始化值、加值、減值或讀值等操作。實際溯源需求中也可以將農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)商的信息及農(nóng)產(chǎn)品的名稱、產(chǎn)地屬性、采摘日期、入庫日期、入庫批次、所屬分類和運輸方式寫入數(shù)據(jù)區(qū)中。

在RFID前端讀取Mifare1卡片時需要進(jìn)行復(fù)位應(yīng)答，確定該卡是否存在和判斷卡型。然后經(jīng)過防沖撞算法處理后，選定場內(nèi)卡片進(jìn)行識別，經(jīng)過三次驗證后確定要訪問的扇區(qū)號，并對該扇區(qū)密碼進(jìn)行校驗，最后通信。利用C51語言編寫MF_RC522_init（）函數(shù)用于讀寫標(biāo)簽內(nèi)容，具體的函數(shù)實現(xiàn)如下：

void MF_RC522_init（void）

{

PcdReset（）;//復(fù)位應(yīng)答

PcdAntennaOff（）;//關(guān)閉天線

PcdAntennaOn（）;//開啟天線

status = PcdRequest（PICC_REQALL， g_ucTempbuf）;

//尋卡

if （status ！= MI_OK）//無卡

continue;//繼續(xù)尋卡

status = PcdAnticoll（g_ucTempbuf）;

//防沖撞，嘗試選擇卡片

if （status ！= MI_OK）//操作失敗

continue;//繼續(xù)尋卡

status = PcdSelect（g_ucTempbuf）;//選擇卡片

if （status ！= MI_OK）//錯誤

continue;//繼續(xù)尋卡

status = PcdAuthState（PICC_AUTHENT1A，1， DefaultKey， g_ucTempbuf）;//驗證卡密碼（A）

if （status ！= MI_OK）//驗證錯誤

continue;//繼續(xù)尋卡

status = PcdRead（2， g_ucTempbuf）;

//讀取M1卡的塊數(shù)據(jù)

if （status ！= MI_OK）

continue;//繼續(xù)尋卡

PcdHalt（）;//命令卡片進(jìn)入休眠狀態(tài)

}

2.3 CH9121配置與透傳單元

搭建完成的CH9121單元需要用程序或者上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)配置，其流程如圖3所示，先要讓主控單片機(jī)通過串口向CH9121發(fā)送“0x55，0xAA，0x5A”數(shù)據(jù)幀，然后進(jìn)入串口配置模式。通過串口數(shù)據(jù)幀依次對CH9121的設(shè)置模式、源IP、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、本地端口號、目的IP地址、目的端口號、串口波特率等參數(shù)進(jìn)行配置，使其存入CH9121內(nèi)部的E2PROM中保存，然后進(jìn)行軟件復(fù)位，使配置生效，最后退出CH9121配置模式，完成配置。

利用C51語言編寫CH9121_init（）函數(shù)用于初始化參數(shù)配置，具體的函數(shù)實現(xiàn)如下：

void CH9121_init（void）

{

NET_MODULE_TYPE_TCP_C=1;

//使能標(biāo)志位進(jìn)入TCP客戶端模式

CH9121SetData（*Source_IP）;//配置源IP地址

CH9121SetData（*Subnet_mask）;//配置子網(wǎng)掩碼

CH9121SetData（*Gateway）;//配置網(wǎng)關(guān)

CH9121SetData（*Local_port_number）;

//配置本地端口號

CH9121SetData（*Destination_IP）;//配置目的IP地址

CH9121SetData（*Destination_port_number）;

//配置目的端口號

CH9121SetData（*Baud_rate）;//配置串口波特率

Write_EEPROM（）;//更新存入CH9121的E2PROM中

ResetCH9121（）;//執(zhí)行配置參數(shù)并重置CH9121

}

3 研制樣機(jī)與通信測試

制作樣機(jī)后開始檢查RFID射頻前端電路參數(shù)，嘗試讀取電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)，進(jìn)行CH9121芯片參數(shù)設(shè)定，合理配置終端機(jī)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和中間設(shè)備，將終端機(jī)配置為TCP方式連接服務(wù)端。當(dāng)系統(tǒng)讀取到RFID卡片序列后，會將序列號通過串口透傳單元發(fā)送到服務(wù)器端，然后由服務(wù)器端返回序列號對應(yīng)的商品信息，在調(diào)試階段可以用SSCOM串口/網(wǎng)絡(luò)工具進(jìn)行返回值查驗，若通信正常則返回圖4所示數(shù)據(jù)。在實際測試中，設(shè)備選取了兩種水果作為測試對象，分別對其RFID卡號、商品名稱、產(chǎn)地屬性、產(chǎn)地溯源、采摘日期、入庫日期、入庫批次、所屬分類、運輸方式等數(shù)據(jù)進(jìn)行了打印和查看。

4 結(jié) 語

基于農(nóng)產(chǎn)品溯源需求，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一款HF頻段RFID前端與串口/以太網(wǎng)透傳后端的溯源終端機(jī)，設(shè)備可實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)信息的獲取及溯源信息的回傳等功能，可以將其應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品的銷售環(huán)節(jié)和場景中，基于現(xiàn)有研究，還可以在此基礎(chǔ)上添加更多的信息獲取功能和交互渠道，如二維碼、NFC標(biāo)簽讀寫等獲取方式，又如手機(jī)APP或網(wǎng)頁端交互渠道等，結(jié)合更多的“互聯(lián)網(wǎng)+”相關(guān)技術(shù)以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的精細(xì)化管理、便捷化銷售和信息化溯源。

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作者簡介：龍順宇（1989—），男，重慶人，碩士，實驗師，主要研究方向為嵌入式應(yīng)用、單片機(jī)智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用。