摘?? 要: 提出了一種適用于農(nóng)產(chǎn)品信息管理的便攜式RFID讀寫器" title="讀寫器">讀寫器設(shè)計方案。硬件設(shè)計主要包括控制模塊" title="控制模塊">控制模塊、射頻模塊" title="射頻模塊">射頻模塊、供電管理模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊。軟件設(shè)計主要包括射頻通信程序、網(wǎng)絡(luò)通信" title="網(wǎng)絡(luò)通信">網(wǎng)絡(luò)通信程序和主程序。給出了信息的處理方法。?

　　關(guān)鍵詞: 信息管理; RFID; 網(wǎng)絡(luò)通信; 中文輸入?

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　　近年來,食品安全危機頻繁發(fā)生,嚴重影響了人們的身體健康。為加強食品安全監(jiān)管,必須對產(chǎn)品的生產(chǎn)、流通進行全過程的監(jiān)管。RFID標簽以其無接觸、存儲容量大、可重復(fù)使用等優(yōu)點而成為重要的產(chǎn)品識別與跟蹤手段。美、日、歐洲和國內(nèi)都在RFID信息追蹤方面作過較多的研究,并取得一定的應(yīng)用^[1]。如美國農(nóng)業(yè)部利用可植入RFID標簽跟蹤馬匹,四川的RFID生豬項目等。但是目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)方面存在讀寫機具少、功能不全面、接口簡單、價格高、沒有自主知識產(chǎn)權(quán)等問題,不能滿足農(nóng)業(yè)信息化的要求,限制了國家的農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展。因此有必要開發(fā)低成本、多功能、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的農(nóng)用RFID讀寫器。?

　　本文提出一種帶有新型網(wǎng)絡(luò)接口的讀寫器設(shè)計方案,可用于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、流通等環(huán)節(jié)的信息寫入和讀取,如農(nóng)產(chǎn)品施肥信息、病蟲害信息、檢疫信息、有效期等,支持中文輸入和網(wǎng)絡(luò)通信,有效彌補了當前讀寫器數(shù)據(jù)處理方式不合理、操作復(fù)雜、接口簡單以及難以推廣等缺點。根據(jù)樣機的測試結(jié)果,讀寫器讀寫成功率高,網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠。?

1 系統(tǒng)組成及原理?

　　系統(tǒng)運行原理是用于跟蹤檢測的卡片附著于農(nóng)產(chǎn)品上,管理者把生產(chǎn)、加工、流通中的關(guān)鍵信息通過讀寫器實時地寫入卡中,同時通過網(wǎng)絡(luò)把信息傳送到公共數(shù)據(jù)庫中,信息可以通過全球唯一的卡片ID進行查詢。普通消費者或購買產(chǎn)品的單位,通過把商品的RFID標簽內(nèi)容和數(shù)據(jù)庫中的記錄進行比對,能夠有效地識別假冒產(chǎn)品。考慮系統(tǒng)的使用方式,設(shè)計的讀寫器具有控制模塊、供電管理模塊、時鐘模塊、存儲模塊、鍵盤模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊、液晶顯示模塊、無線射頻模塊。?

2 RFID讀寫器設(shè)計?

2.1 控制模塊?

　　考慮到讀寫器的處理能力,控制模塊選用C8051F120,它有高速的CIP-51內(nèi)核、8 448KB的RAM和128KB程序存儲器,有20個中斷源,5個通用定時器,可滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力和程序代碼量的要求。如需了解詳細功能可以查閱參考文獻[2]。?

　　基于功耗的要求,控制模塊工作頻率為1.843 2MHz。其P0口用作特殊的功能口,如SUMBUS總線接口、MFRC530中斷輸入口、CP2201中斷輸入口等,P5口作為液晶輸出信號,P6口用于高8位地址端口,P7口作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用端口。其他的I/O口作為控制接口,如MFRC530、CP2201的選通和控制線等。?

2.2 射頻模塊?

　　射頻芯片選用MFRC530,工作頻率為13.56MHz,支持ISO14443A協(xié)議。電源采用3V和5V混合供電,設(shè)計時作為外部存儲器使用,如圖1所示。通過將A0、A1接3.3V,A2接地設(shè)置為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用方式。15pF電容和晶振形成自激振蕩電路,TX1和TX2經(jīng)過低通濾波和耦合后接天線。中斷引腳接C8051F120的外部中斷1,中斷信號輸出可由內(nèi)部寄存器IRQPinConfig設(shè)置為CMOS輸出或漏極開路(OD)輸出。根據(jù)交叉開關(guān)的配置規(guī)則,數(shù)據(jù)讀寫控制端口ALE、RD、WR分別為P4.5～P4.7。?

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　　在MFRC530與卡片的通信中,發(fā)送信號為100%調(diào)制變形的Miller編碼,接收信號為10%調(diào)制的Manchester編碼。發(fā)送信號通過天線以電磁波的形式發(fā)出去,接收信號經(jīng)過天線匹配電路送到RX腳,信號的調(diào)制和解調(diào)都由內(nèi)部專用電路根據(jù)寄存器的設(shè)置進行處理。電源是否可靠對卡片讀寫成功率影響很大,設(shè)計電源要嚴格保證電壓和電流的要求。在射頻電路設(shè)計中,防止和抑制電磁干擾,提高電磁兼容性,是非常重要的環(huán)節(jié)。要選擇介電常數(shù)公差小的基材,并對電路的射頻部分和數(shù)字部分進行分塊處理。射頻部分應(yīng)盡量使用表帖式(SMT)元件,減少過孔,并在表面加接地金屬屏蔽層。?

2.3 供電管理模塊?

　　基于便攜式儀器使用場所變動的特點,系統(tǒng)采用外部電源和鋰電池結(jié)合供電的方案。供電管理模塊原理圖如圖2所示,有外部電源時,經(jīng)過外部變壓器得到DC6V電壓,經(jīng)降壓芯片REG1117降壓,得到DC4.2V電壓,該電壓經(jīng)過低壓差穩(wěn)壓芯片TPS7333得到DC3.3V電壓。同時DC4.2V電壓經(jīng)過充電管理芯片LTC4055給鋰電池充電。DC3.3V電壓經(jīng)過升壓芯片MAX756得到DC5V電壓,DC3V和DC5V電壓共同經(jīng)過電源管理芯片TPS2044進行管理。無外部電源時,則由鋰電池通過LTC4055給系統(tǒng)供電。?

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2.4? 網(wǎng)絡(luò)接口模塊?

　　網(wǎng)絡(luò)芯片采用新華龍公司的CP2201,它集成了IEEE 802.3以太網(wǎng)媒體訪問控制器(MAC)、10Base-T物理層(PHY)。有專用的2KB發(fā)送緩沖RAM和4KB接收FIFO緩沖RAM,可一次發(fā)送46～1 500B的數(shù)據(jù) 。電源電壓為3.1～3.6V。?

　　通信方式和射頻模塊相同,網(wǎng)絡(luò)接口模塊如圖3所示,中斷引腳接C8051F120的外部中斷0,差分接收引腳(RD+/RD-)和發(fā)送引腳(TD+/TD-)都連接用于10Base-T的1:1脈沖變壓器HR61101G,變壓器具有2kV以上的電壓隔離性能。發(fā)送端采用兩個8Ω(精度為1%)的電阻和一個560pF的電容,接收端用一個100Ω匹配電阻用于抑制信號的二次反饋,數(shù)字地和模擬地共同接地。LA輸出電平驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)活動/連接LED指示燈。變壓后的信號經(jīng)過RJ45接口的1、2、3、6端,NC端加75Ω電阻經(jīng)過1 000pF/2kV的電容接地,防止靜電干擾。所有電源端口接旁路電容。?

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3 軟件設(shè)計?

　　軟件使用標準C語言編制,主要包括射頻程序設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計和主程序設(shè)計^[3]。程序采用模塊化方式設(shè)計,各部分功能獨立編程,便于程序的改進和擴展。?

　　農(nóng)產(chǎn)品信息管理數(shù)據(jù)處理有獨特的地方,同時需要考慮操作簡便,不需要用戶執(zhí)行底層操作。因此,設(shè)計中將不同階段的信息作為一個記錄,每個記錄都有一個標識用于識別記錄類型。如生產(chǎn)階段定義為01,加工階段定義為02等。當用戶選擇輸入信息時,會彈出相應(yīng)的選項供用戶填寫,輸入完成后確定即可。輸出則直接讀取。各階段信息記錄主要有:?

　　生產(chǎn)階段:名稱、品種、產(chǎn)地、批次、施用農(nóng)藥、生產(chǎn)者。?

　　加工階段:加工者、加工方法、加工日期、產(chǎn)品等級、保質(zhì)期、存儲條件。?

　　運輸和倉儲階段:進、出庫記錄。?

　　銷售階段:名稱、銷售時間、銷售人員。?

3.1 主程序設(shè)計?

　　主程序主要提供一些初始化操作,協(xié)調(diào)各子程序" title="子程序">子程序運行,同時提供中文界面、輸入輸出信息和參數(shù)設(shè)置的接口以及顯示。還提供與遠程計算機通信應(yīng)用程序接口。主程序流程如圖4所示,主要給出卡片操作的處理流程。?

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3.2 射頻通信軟件和網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計?

??? 射頻通信軟件中模塊控制指令分為兩種,分別是射頻模塊和C8051F120之間的控制指令,射頻模塊和卡片之間的控制指令。第一種指令直接寫入寄存器Command,第二種指令需要通過第一種指令中的TRANSCEIVE或TRANSMIT發(fā)送給卡片。各寄存器的初始值和操作流程都有一定的要求,各返回值需嚴格對照手冊判斷相應(yīng)的狀態(tài)并作出適當?shù)奶幚怼Ｓ捎陔娐诽匦圆煌?有些初始值需要做一些調(diào)整,才能得到滿意的性能^[3-5]。主要需要設(shè)計射頻模塊與C8051F120之間的指令傳輸子程序、讀寫子程序、防沖突子程序以及中斷處理程序。需要注意的是:射頻模塊C8051F120的指令傳輸子程序在指令寫入指令寄存器Command之前需要打開相應(yīng)的中斷;讀寫子程序在完成后需要判斷數(shù)據(jù)的準確性;防沖突子程序需要設(shè)計可靠的防沖突循環(huán)以及當沖突發(fā)生時在校驗位上合理的處理。同時為了防止可能的操作失敗,操作前后的數(shù)據(jù)要進行對比,如不成功則重新讀寫,以提高成功率。綜合后的射頻通信程序如圖5所示。?

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　　網(wǎng)絡(luò)通信軟件設(shè)計也是一項重要的內(nèi)容,CP2201已經(jīng)集成了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層,并且新華龍公司提供了TCP/IP協(xié)議棧,因此設(shè)計的主要工作是選擇合適的協(xié)議和數(shù)據(jù)鏈路層之上的數(shù)據(jù)處理。嵌入式系統(tǒng)資源相對有限,需要合理的協(xié)議剪裁。由于上位機準備采用自己開發(fā)操作界面,因此只需利用TCP協(xié)議建立一個可靠連接來直接傳輸數(shù)據(jù),所以保留了一個TCP協(xié)議;網(wǎng)絡(luò)上的每個設(shè)備都要求有一個MAC地址和IP地址,保留IP、ARP協(xié)議。IP協(xié)議可以使互聯(lián)網(wǎng)上的計算機之間相互通信,ARP用于在只知道MAC地址的情況下查找讀寫器的IP地址。為了用戶方便,允許自動獲取IP地址,所以保留了DHCP協(xié)議。系統(tǒng)初始化完成以后,就可以啟動發(fā)送和接收。發(fā)送數(shù)據(jù)必須封包,以TCP為例,以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式為:引導(dǎo)符和開始幀分隔符(8字節(jié))->目標MAC地址(6字節(jié))->源MAC地址(6字節(jié))->長度/類型(2字節(jié))->數(shù)據(jù)(46～1 500字節(jié))->CRC檢測(4字節(jié))。接收數(shù)據(jù)時則逐步剝離并判斷有效性和進行適當?shù)奶幚怼＞W(wǎng)絡(luò)傳輸采用中斷方式處理,根據(jù)中斷標志在中斷處理程序中作連接、發(fā)送、接收等處理^[6-8]。數(shù)據(jù)發(fā)送接收中及接收后會產(chǎn)生相應(yīng)的標識,如TCP打開失敗、ARP請求失敗等,需要設(shè)計相應(yīng)的處理子程序。網(wǎng)絡(luò)通信程序流程如圖6所示。?

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4 樣機實驗結(jié)果?

　　本設(shè)計根據(jù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的特點,操作對使用者透明,只需如手機一樣寫入信息,滿足各層次用戶的要求。中文界面和中文輸入使操作變得簡單,可用上位機軟件通過以太網(wǎng)讀寫信息。同時提供了如實時時間等輔助功能。經(jīng)過測試,樣機運行穩(wěn)定可靠,讀寫、數(shù)據(jù)傳輸都能滿足要求。表1是以100次為單位的測試結(jié)果。結(jié)果表明,距離小于6cm時讀寫很可靠,是一個具有相當優(yōu)勢的讀寫機具。?

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　　農(nóng)業(yè)信息化與自動化是我國農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展趨勢,隨著RFID軟硬件價格的合理和技術(shù)的成熟,RFID讀寫器將在農(nóng)業(yè)信息化領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用,極大地提高農(nóng)業(yè)管理、流通、銷售水平和食品安全的監(jiān)督能力。本設(shè)計迎合了當前的要求,為我國的農(nóng)業(yè)信息化提供了一種很好的手段。為了適應(yīng)當前數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)的要求,讀寫器的設(shè)計采用新的以太網(wǎng)接口,同時考慮到農(nóng)業(yè)特殊的應(yīng)用群體,采用中文輸入法和中文界面;此外還考慮了成本和擴展的要求以及系統(tǒng)升級的方便。隨著設(shè)計的不斷發(fā)展和完善,其應(yīng)用將越來越廣泛。?

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