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基于RFID的近距離電子防丟報警器設計
作者：王永 趙俊逸
來源：RFID世界網
日期：2009-01-09 10:15:29
摘要：提出一種近距離電子防丟報警器的設計方案，系統由兩部組成：接收部分和發射部分。發射部分由微處理器ET44M210和發射模塊ET13X340A組成，接收部分由微處理器ET44M210和接收模塊ET13X330A組成。可實現一個識讀器對多個標簽的監測，當標簽距識讀器超過一定距離時，識讀器報警。
1 引言
RFID(Radio Frequency Identification)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。RFID的硬件組件包括RFID標簽、識讀器和天線，用于識別和捕捉RFID標簽中的數據；系統中還有主機，用于運行處理數據的應用程序，并連接網絡。RFID標簽分為被動標簽、主動標簽和半主動標簽，近距離電子防丟報警器是一種類似于主動標簽的應用。主動電子標簽內裝有電池，一般具有較遠的閱讀距離。
在日常生活中，人們由于種種原因會遺忘或丟失重要的東西，近距離電子防丟報警器就是針對這種情況設計的，把主機(識讀器)帶在身上，子機(RFID標簽)放在需要監測的物品上，當子機離主機超過一定距離時，主機報警提示。這樣可以減少遺忘或丟失物品對人們造成的各種損失和不便。選擇芯片的原則是成本低、附加線路簡單和差錯率低。考慮到上述因素，本文采用臺灣義統公司(Etoms Electronics Corp)．)設計生產的8位SoC微控制器ET44M210和300MHz的ET13X340A和ET13X330A無線通信芯片進行設計、編程和實驗。
2 射頻識別技術
2．1 射頻識別的基本原理
射頻識別通過無線傳送的數據來檢測和識別帶有標簽的物體。這需要一個標簽、一個識讀器、還需要天線(耦合設備)，如圖1所示。圖1中的基本單元可適用于幾乎全部的射頻識別方案。天線既要安裝于RFID標簽上，也要安裝于識讀器一端。識讀器通常連接到主機和其他具有必要智能的識備，用以進一步處理標簽數據并采取各種行動。
在識別過程中，識讀器首先發送射頻信號以激活標簽。標簽是一個微型的無線收發裝置，其內存中保存有數據，當識讀器查詢時它會發送內存中的數據給識讀器。無線射頻識別的一個關鍵因素是數據的傳輸轉換，它發生在RFID標簽與識讀器之問，稱為耦合(Coupling)。耦合通過天線進行。在大多數無線射頻識別系統中，耦合可利用電磁波(反向散射)，也可以利用磁(感應)。利用磁感應的無線射頻識別系統讀取的范圍很小，只有幾厘米的范圍。利用電磁波反向散射的無線射頻識別系統可以讀取較遠的范圍，具體的范圍大小取決于識讀器與RFID標簽雙方天線的尺寸和識讀器的功率。本文采用的芯片基于電磁波反向散射原理。
2．2 多標簽同時識別技術
RFID系統的一個優點就是多個目標識別。在射頻識別系統工作時，在讀寫器的作用范圍內，可能會有多個射頻標簽同時存在。在多個讀寫器和多標簽的射頻識別系統中，存在著兩種形式的碰撞方式：一種是同一標簽同時收到不同讀寫器發出的命令，另一種是一個讀寫器同時收到多個不同標簽返回的數據。第一種情況在實際應用中要盡量避免，本文主要考慮實際系統中最容易出現的情況，即一個讀寫器和多個標簽的系統。在由一個讀寫器和多個射頻標簽組成的系統中，存在著兩種不同的基本通信形式：從讀寫器到射頻標簽的通信和從射頻標簽到讀寫器的通信。從讀寫器到射頻標簽通信時，讀寫器發送的數據流同時被所有標簽接收，而這些信息是由一個無線電廣播發射機發射的，這種通信方式也稱為無線電廣播。從射頻標簽到讀寫器的通信也稱為多路存取，即在讀寫器的作用范圍內有多個射頻標簽的數據同時傳送給讀寫器。無線電通信系統中多路存取一般采用以下方法把不同的信號互相分開：空分多路法(Space Division Multiple Access，SDMA)、時分多路法(Time Division Multiple Access，TDMA)、頻分多路法(Frequency Division Multiple Access，FDMA)、碼分多路法(Code Division Multiple Access，CDMA)。本文采用時分多路法對多個標簽進行識別，讀寫器控制采用輪詢法。
3 硬件組成
3．1 硬件設計
系統接收和發射部分采用臺灣義統公司設計生產的ET44M210微處理器和ET13X340／330300MHz無線通信芯片，搭建近距離無線通信平臺。RFID標簽部分(子機)由微處理器ET44M210和發射模塊ET13X340A組成，識讀器部分(主機)由微處理器ET44M210和接收模塊ET13X330A組成。每個子機發射的信號都有唯一的編碼，主機可通過該編碼對相應的子機進行識別和監測。由于子機采用主動電子標簽，內有電池為自身提供能量。系統結構如圖2所示。
3．2 ET44M210微處理器
ET44M210 CPU 采用精簡指令集結構(RISC)，外接6MHz的晶振，內部最快可倍頻至48MHz。除條件轉移指令需要二個時鐘周期外，所有指令只要一個時鐘周期。在芯片內部整合了USB，串行周邊控制界面(SPI)，16位模數轉換等功能。CPU供電電壓3．6V～5V，內部擁有16KBROM，1．3KB RAM，42個I／O口。3．3 ET13X340A 300M發射芯片該芯片是CMOS電路，集成度高，芯片集成了參考放大器，相位檢測器，回路過濾和電壓放大器等。芯片采用鎖相環技術穩定輸出的信號頻率。芯片是雙排16腳，以ASK方式調制輸入芯片的數據，最大調制的數據傳輸速率是76．8Kbps。芯片的工作電壓3．6～5V，工作電流lOmA，等待時電流2uA。請注意晶體Y1的頻率是4．92188MHz。發射模塊與外界的連線非常簡單，只需要接人VDD(3V)，GND，MOD和ENB。MOD是數據信號輸入端，只要有串行數據輸入MOD，發射模塊就把數據調制后經天線發射出去。ENB是芯片工作狀態控制端，當輸人為“0”時，芯片處于工作狀態，為“1”時芯片處于等待狀態。由于這二個狀態的工作電流大小懸殊，因此可以通過控制ENB，節約電能。
3．4 ET13X330A接收芯片
該芯片是24腳的芯片。芯片采用CMOS電路，集成度更高。整個芯片集成了前置低噪聲放大器，預除器，混頻器，相位檢測器，中頻限幅放大器，峰值檢測器等。接收芯片需要外接振蕩頻率為4．7543695MHz的晶體Y1和工作頻率為10．7MHz的陶瓷濾波器FL1。工作電壓3．6V～5V，工作電流15mA～ 17．5mA，等待電流2uA，最大解調速率76．8Kbps。接收模塊與外界的連線同樣是4處：VDD，GND，DO和ENB。ENB的控制作用和發射模塊相同。DO是解調后的數據輸出端，可以接微處理器的輸入端口。接收模塊通過天線接收到的300MHz信號，先經過前置低噪聲放大器放大，然后混頻器把芯片內部的工作信號與前置低噪聲放大器輸出的信號混合，通過10．7MHz的陶瓷濾波器得到10．7MHz的差頻信號，中頻限幅放大器對差頻信號進一步放大，然后過濾掉10．7MHz的載波，送入峰值檢測器作數據的“0”、“1”檢測，最后在“DO”處輸出還原的接收到的數據。
4 軟件設計
4．1 發射部分(子機)程序框圖
發射部分由微處理器ET44M210和發射模塊ET13X340A組成。微處理器的PortA．0作為信號輸出，接發射模塊的MOD，PortA．1接發射模塊的ENB，由微處理器控制 發射模塊的工作狀態。根據編碼原則，發射部分周而復始的把子機識別碼與主機發來的數據進行比較。這里要注意的是起始脈沖要足夠寬，使得接收部分能夠正確識別數據串的起始位置。發射部分程序框圖如圖3所示。子機的程序結構相對簡單，用戶開機后，子機開始把自身唯一的識別碼與主機發來的數據不斷進行比較，若相同，則應答；若不同，則繼續比較。
4．2 接收部分(主機)程序框圖
接收部分由微處理器ET44M210和接收模塊ET13X330A組成。微處理器的PortB．0作為數據輸入端接接收模塊的DO，ENB接“0”，使其一直處于工作狀態。可以把微處理器的PortA作為接收信號的輸出端，對收到的數據作進一步處理。接收部分程序框圖如圖4所示。
5 結語
本文提出了一種近距離電子防丟報警器的設計方案。人們日常生活中經常會丟失和遺忘東西，該方案的應用可以很好的避免類似情況。本文對防丟報警器的設計進行了探討，可實現簡單的報警器功能，可完成一個識讀器對多個RFID標簽的監測，但對多識讀器多個RFID標簽的情況沒有加以討論。通過擴展，識讀器可與計算機進行通信，連接數據庫及網絡，可擴展為網絡監測系統，應用前景廣闊。
(華東師范大學計算中心 王永 趙俊逸)
RFID(Radio Frequency Identification)射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。RFID的硬件組件包括RFID標簽、識讀器和天線，用于識別和捕捉RFID標簽中的數據；系統中還有主機，用于運行處理數據的應用程序，并連接網絡。RFID標簽分為被動標簽、主動標簽和半主動標簽，近距離電子防丟報警器是一種類似于主動標簽的應用。主動電子標簽內裝有電池，一般具有較遠的閱讀距離。
在日常生活中，人們由于種種原因會遺忘或丟失重要的東西，近距離電子防丟報警器就是針對這種情況設計的，把主機(識讀器)帶在身上，子機(RFID標簽)放在需要監測的物品上，當子機離主機超過一定距離時，主機報警提示。這樣可以減少遺忘或丟失物品對人們造成的各種損失和不便。選擇芯片的原則是成本低、附加線路簡單和差錯率低。考慮到上述因素，本文采用臺灣義統公司(Etoms Electronics Corp)．)設計生產的8位SoC微控制器ET44M210和300MHz的ET13X340A和ET13X330A無線通信芯片進行設計、編程和實驗。
2 射頻識別技術
2．1 射頻識別的基本原理
圖1 射頻系統的組成
射頻識別通過無線傳送的數據來檢測和識別帶有標簽的物體。這需要一個標簽、一個識讀器、還需要天線(耦合設備)，如圖1所示。圖1中的基本單元可適用于幾乎全部的射頻識別方案。天線既要安裝于RFID標簽上，也要安裝于識讀器一端。識讀器通常連接到主機和其他具有必要智能的識備，用以進一步處理標簽數據并采取各種行動。
在識別過程中，識讀器首先發送射頻信號以激活標簽。標簽是一個微型的無線收發裝置，其內存中保存有數據，當識讀器查詢時它會發送內存中的數據給識讀器。無線射頻識別的一個關鍵因素是數據的傳輸轉換，它發生在RFID標簽與識讀器之問，稱為耦合(Coupling)。耦合通過天線進行。在大多數無線射頻識別系統中，耦合可利用電磁波(反向散射)，也可以利用磁(感應)。利用磁感應的無線射頻識別系統讀取的范圍很小，只有幾厘米的范圍。利用電磁波反向散射的無線射頻識別系統可以讀取較遠的范圍，具體的范圍大小取決于識讀器與RFID標簽雙方天線的尺寸和識讀器的功率。本文采用的芯片基于電磁波反向散射原理。
2．2 多標簽同時識別技術
RFID系統的一個優點就是多個目標識別。在射頻識別系統工作時，在讀寫器的作用范圍內，可能會有多個射頻標簽同時存在。在多個讀寫器和多標簽的射頻識別系統中，存在著兩種形式的碰撞方式：一種是同一標簽同時收到不同讀寫器發出的命令，另一種是一個讀寫器同時收到多個不同標簽返回的數據。第一種情況在實際應用中要盡量避免，本文主要考慮實際系統中最容易出現的情況，即一個讀寫器和多個標簽的系統。在由一個讀寫器和多個射頻標簽組成的系統中，存在著兩種不同的基本通信形式：從讀寫器到射頻標簽的通信和從射頻標簽到讀寫器的通信。從讀寫器到射頻標簽通信時，讀寫器發送的數據流同時被所有標簽接收，而這些信息是由一個無線電廣播發射機發射的，這種通信方式也稱為無線電廣播。從射頻標簽到讀寫器的通信也稱為多路存取，即在讀寫器的作用范圍內有多個射頻標簽的數據同時傳送給讀寫器。無線電通信系統中多路存取一般采用以下方法把不同的信號互相分開：空分多路法(Space Division Multiple Access，SDMA)、時分多路法(Time Division Multiple Access，TDMA)、頻分多路法(Frequency Division Multiple Access，FDMA)、碼分多路法(Code Division Multiple Access，CDMA)。本文采用時分多路法對多個標簽進行識別，讀寫器控制采用輪詢法。
3 硬件組成
3．1 硬件設計
系統接收和發射部分采用臺灣義統公司設計生產的ET44M210微處理器和ET13X340／330300MHz無線通信芯片，搭建近距離無線通信平臺。RFID標簽部分(子機)由微處理器ET44M210和發射模塊ET13X340A組成，識讀器部分(主機)由微處理器ET44M210和接收模塊ET13X330A組成。每個子機發射的信號都有唯一的編碼，主機可通過該編碼對相應的子機進行識別和監測。由于子機采用主動電子標簽，內有電池為自身提供能量。系統結構如圖2所示。
圖2 報警器系統結構圖
3．2 ET44M210微處理器
ET44M210 CPU 采用精簡指令集結構(RISC)，外接6MHz的晶振，內部最快可倍頻至48MHz。除條件轉移指令需要二個時鐘周期外，所有指令只要一個時鐘周期。在芯片內部整合了USB，串行周邊控制界面(SPI)，16位模數轉換等功能。CPU供電電壓3．6V～5V，內部擁有16KBROM，1．3KB RAM，42個I／O口。3．3 ET13X340A 300M發射芯片該芯片是CMOS電路，集成度高，芯片集成了參考放大器，相位檢測器，回路過濾和電壓放大器等。芯片采用鎖相環技術穩定輸出的信號頻率。芯片是雙排16腳，以ASK方式調制輸入芯片的數據，最大調制的數據傳輸速率是76．8Kbps。芯片的工作電壓3．6～5V，工作電流lOmA，等待時電流2uA。請注意晶體Y1的頻率是4．92188MHz。發射模塊與外界的連線非常簡單，只需要接人VDD(3V)，GND，MOD和ENB。MOD是數據信號輸入端，只要有串行數據輸入MOD，發射模塊就把數據調制后經天線發射出去。ENB是芯片工作狀態控制端，當輸人為“0”時，芯片處于工作狀態，為“1”時芯片處于等待狀態。由于這二個狀態的工作電流大小懸殊，因此可以通過控制ENB，節約電能。
3．4 ET13X330A接收芯片
該芯片是24腳的芯片。芯片采用CMOS電路，集成度更高。整個芯片集成了前置低噪聲放大器，預除器，混頻器，相位檢測器，中頻限幅放大器，峰值檢測器等。接收芯片需要外接振蕩頻率為4．7543695MHz的晶體Y1和工作頻率為10．7MHz的陶瓷濾波器FL1。工作電壓3．6V～5V，工作電流15mA～ 17．5mA，等待電流2uA，最大解調速率76．8Kbps。接收模塊與外界的連線同樣是4處：VDD，GND，DO和ENB。ENB的控制作用和發射模塊相同。DO是解調后的數據輸出端，可以接微處理器的輸入端口。接收模塊通過天線接收到的300MHz信號，先經過前置低噪聲放大器放大，然后混頻器把芯片內部的工作信號與前置低噪聲放大器輸出的信號混合，通過10．7MHz的陶瓷濾波器得到10．7MHz的差頻信號，中頻限幅放大器對差頻信號進一步放大，然后過濾掉10．7MHz的載波，送入峰值檢測器作數據的“0”、“1”檢測，最后在“DO”處輸出還原的接收到的數據。
4 軟件設計
4．1 發射部分(子機)程序框圖
圖3 發射部分程序框圖
發射部分由微處理器ET44M210和發射模塊ET13X340A組成。微處理器的PortA．0作為信號輸出，接發射模塊的MOD，PortA．1接發射模塊的ENB，由微處理器控制 發射模塊的工作狀態。根據編碼原則，發射部分周而復始的把子機識別碼與主機發來的數據進行比較。這里要注意的是起始脈沖要足夠寬，使得接收部分能夠正確識別數據串的起始位置。發射部分程序框圖如圖3所示。子機的程序結構相對簡單，用戶開機后，子機開始把自身唯一的識別碼與主機發來的數據不斷進行比較，若相同，則應答；若不同，則繼續比較。
4．2 接收部分(主機)程序框圖
接收部分由微處理器ET44M210和接收模塊ET13X330A組成。微處理器的PortB．0作為數據輸入端接接收模塊的DO，ENB接“0”，使其一直處于工作狀態。可以把微處理器的PortA作為接收信號的輸出端，對收到的數據作進一步處理。接收部分程序框圖如圖4所示。
圖4 接收部分程序框圖
5 結語
本文提出了一種近距離電子防丟報警器的設計方案。人們日常生活中經常會丟失和遺忘東西，該方案的應用可以很好的避免類似情況。本文對防丟報警器的設計進行了探討，可實現簡單的報警器功能，可完成一個識讀器對多個RFID標簽的監測，但對多識讀器多個RFID標簽的情況沒有加以討論。通過擴展，識讀器可與計算機進行通信，連接數據庫及網絡，可擴展為網絡監測系統，應用前景廣闊。
(華東師范大學計算中心 王永 趙俊逸)
