基于RFID的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言
??? 射頻識(shí)別技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)作為一種高速發(fā)展的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)讀取方便快捷、識(shí)別速度快、可同時(shí)識(shí)別多目標(biāo)、數(shù)據(jù)容量大、使用壽命長(zhǎng)、應(yīng)用范圍廣、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)修改等。因此其推廣應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但目前實(shí)際應(yīng)用中的讀寫(xiě)器大多只適合單機(jī)工作，不適合組網(wǎng)，不便于集中控制，不能應(yīng)用到多點(diǎn)高密度數(shù)據(jù)采集場(chǎng)合。基于RS485標(biāo)準(zhǔn)利用超高頻RFID讀寫(xiě)器構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，遵循IS018000－6B協(xié)議的電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，很好解決了多點(diǎn)高密度數(shù)據(jù)采集的難題。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合靈活設(shè)置，最多可以拓展至256個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備還配置有USB接口、LCD顯示、聲光提示、時(shí)鐘模塊等，也可以脫機(jī)使用，作為通用的RFID讀寫(xiě)器，讀、寫(xiě)標(biāo)簽、記錄操作時(shí)間等。

2 整體方案設(shè)計(jì)
??? 該系統(tǒng)借鑒計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)典的C／S架構(gòu)，利用RS485總線連接整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其中計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備作為客戶機(jī)。計(jì)算機(jī)向各節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備發(fā)送命令控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，接收采集到的數(shù)據(jù)并做進(jìn)一步處理；節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備主要負(fù)責(zé)采集標(biāo)簽數(shù)據(jù)，響應(yīng)計(jì)算機(jī)的命令。系統(tǒng)選用的RS485器件MAX1483使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)到256個(gè)。系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備的設(shè)計(jì)，即超高頻RFID讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)。讀寫(xiě)器的主要功能是發(fā)出詢問(wèn)信號(hào)，選擇能量場(chǎng)內(nèi)的應(yīng)答器，建立數(shù)據(jù)通信鏈路并對(duì)應(yīng)答器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。超高頻RFID讀寫(xiě)器的數(shù)據(jù)采集距離較遠(yuǎn)，可達(dá)到1～30 m，通過(guò)軟件設(shè)置射頻收發(fā)模塊增益大小來(lái)控制讀寫(xiě)距離，靈活地滿足實(shí)際要求。讀寫(xiě)器硬件按照不同的功能可劃分為主控模塊、射頻收發(fā)模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、接口部分、時(shí)鐘模塊、LCD顯示模塊、聲光提示模塊及調(diào)試電路等，具體如圖2所示。

??? (1)主控模塊選用混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)器件C8051F340作為節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備的主控器件，負(fù)責(zé)控制、協(xié)調(diào)各功能模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和命令響應(yīng)。利用器件的雙串口分別控制射頻收發(fā)模塊和RS485接口器件MAX1483；自帶的USB功能控制器構(gòu)成USB接口；通過(guò)I／O端口模擬I2C時(shí)序控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件AT24C16；通過(guò)I／O端口控制時(shí)鐘DS1302；LCD通過(guò)端口并行傳輸顯示數(shù)據(jù)，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(gòu)成聲光提示模塊。
??? (2)射頻收發(fā)模塊選用RMU900超高頻讀寫(xiě)模塊。該模塊通過(guò)天線解調(diào)、解碼射頻標(biāo)簽發(fā)射的信號(hào)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給主控器件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，或?qū)⒚詈蛿?shù)據(jù)編碼、調(diào)制后經(jīng)天線發(fā)送給標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的寫(xiě)操作。數(shù)據(jù)的傳輸通過(guò)與C8051F340的串口O相連的TX0和RX0實(shí)現(xiàn)。圖3為主控模板和射頻收發(fā)模塊原理圖。

??? (3)電源模塊 射頻模塊的功率較大。因此對(duì)于電源的要求較高，要求輸出大功率并且整個(gè)系統(tǒng)用到5 V和3．3 V兩種不同電源。所以選擇LT1085作為電源轉(zhuǎn)換器件。該器件可將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3．3 V，最大輸出電流可達(dá)2 A。完全滿足射頻模塊和系統(tǒng)其他部分對(duì)電源的需要。
??? (4)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，待接收到計(jì)算機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)命令后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到計(jì)算機(jī)。I2C接口的AT24C16容量為16 Kbit，可存儲(chǔ)2 K字節(jié)的數(shù)據(jù)。通過(guò)主控器件I／O端口模擬I2C時(shí)序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀和寫(xiě)。
??? (5)接口部分RS485接口采用MAX1483器件。最多可驅(qū)動(dòng)256個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)RJ11接口實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shù)據(jù)和操作時(shí)間或?qū)崟r(shí)時(shí)間。顯示數(shù)據(jù)的傳輸采用并行傳輸?shù)姆绞剑涌炝似聊坏乃⑿骂l率。聲光提示模塊提示操作完成情況。主要通過(guò)主控器件的I／O端口控制LED閃爍和蜂鳴器的鳴笛。時(shí)鐘模塊顯示數(shù)據(jù)采集的時(shí)間或?qū)崟r(shí)時(shí)間。除板載電源外還設(shè)計(jì)有備用的紐扣電池，使掉電時(shí)時(shí)鐘不丟失。調(diào)試電路實(shí)現(xiàn)在線編程，向主控器件C8051F340燒寫(xiě)程序，監(jiān)測(cè)變量值的變化情況，調(diào)試程序，輔助完成軟件的編寫(xiě)。圖5、圖6為上述模塊的原理電路圖。

4 軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)軟件部分主要針對(duì)計(jì)算機(jī)平臺(tái)，采用C++語(yǔ)言編寫(xiě)．控制節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備和接收節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后做進(jìn)一步處理。考慮到網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模最大為256節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)采用輪詢方式控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備，維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。控制節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備的命令主要有：(1)發(fā)送數(shù)據(jù)命令：下位機(jī)接收到該命令的響應(yīng)是發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，即緩存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的數(shù)據(jù)；(2)寫(xiě)標(biāo)簽命令：下位機(jī)接收到該命令的響應(yīng)是向感應(yīng)區(qū)內(nèi)的標(biāo)簽寫(xiě)入新的數(shù)據(jù)；(3)時(shí)間設(shè)置命令：下位機(jī)的響應(yīng)是根據(jù)參數(shù)更新DS1302的數(shù)據(jù)；(4)設(shè)置功率命令：設(shè)置射頻收發(fā)模塊的發(fā)射功率以調(diào)節(jié)讀寫(xiě)標(biāo)簽的距離；(5)寫(xiě)分機(jī)號(hào)命令：該命令為單機(jī)命令，可為每個(gè)節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備寫(xiě)入一個(gè)唯一的分機(jī)號(hào)，以便區(qū)別不同的終端設(shè)備。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要針對(duì)單片機(jī)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要是各功能模塊的驅(qū)動(dòng)程序，如射頻模塊的控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、時(shí)鐘模塊的輸出、LCD顯示模塊的數(shù)據(jù)顯示程序、USB接口的驅(qū)動(dòng)程序等。圖7為下位機(jī)軟件流程圖。

5 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
??? 通信協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)正常工作必不可少的，主要是對(duì)計(jì)算機(jī)和節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備間通信幀格式的具體規(guī)范與統(tǒng)一，例如幀長(zhǎng)度確定、命令字意義、參數(shù)長(zhǎng)度、幀起始標(biāo)志、結(jié)束標(biāo)志等。具體幀格式規(guī)定如表1所示。每幀數(shù)據(jù)有23字節(jié)，其中起始位1字節(jié)，固定為Oxaa；分機(jī)號(hào)1字節(jié)，可設(shè)置范圍為0~255；命令1字節(jié)，包括5個(gè)命令：OxOf、Ox2f、Ox4f、Ox8f、Oxaf，依次為發(fā)送數(shù)據(jù)命令、寫(xiě)數(shù)據(jù)命令、時(shí)間設(shè)置命令、功率設(shè)置命令、寫(xiě)分機(jī)號(hào)；數(shù)據(jù)17字節(jié)，包括標(biāo)簽數(shù)據(jù)12字節(jié)和時(shí)間數(shù)據(jù)5字節(jié)；CRE校驗(yàn)采用CRC-16，共2字節(jié)，是起始位到數(shù)據(jù)位之間所有數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)值；停止位1字節(jié)，固定為Ox55。
??? 系統(tǒng)通過(guò)RS485總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。計(jì)算機(jī)根據(jù)分機(jī)號(hào)選擇不同節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備，選擇命令代碼實(shí)現(xiàn)各命令，數(shù)據(jù)部分為操作響應(yīng)代碼(“0”標(biāo)識(shí)操作失敗，“1”標(biāo)識(shí)操作成功)、相關(guān)參數(shù)(如時(shí)間設(shè)置命令中的時(shí)間參數(shù))或返回具體數(shù)據(jù)(如標(biāo)簽數(shù)據(jù)和時(shí)間數(shù)據(jù))。

6 結(jié)束語(yǔ)
??? RFID技術(shù)以其優(yōu)勢(shì)必將在信息化建設(shè)過(guò)程中得到推廣與應(yīng)用。系統(tǒng)利用RFID技術(shù)構(gòu)建一種低成本、高可靠性、維護(hù)方便的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。目前該網(wǎng)絡(luò)已應(yīng)用于某公司自動(dòng)生產(chǎn)線中。運(yùn)行狀況良好，具有廣泛的應(yīng)用前景。