摘?? 要: 提出了一種適用于農產品信息管理的便攜式RFID讀寫器" title="讀寫器">讀寫器設計方案。硬件設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、供電管理模塊和網絡接口模塊。軟件設計主要包括射頻通信程序、網絡通信" title="網絡通信">網絡通信程序和主程序。給出了信息的處理方法。?

　　關鍵詞: 信息管理; RFID; 網絡通信; 中文輸入?

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

　　本文提出一種帶有新型網絡接口的讀寫器設計方案,可用于農產品生產、加工、流通等環節的信息寫入和讀取,如農產品施肥信息、病蟲害信息、檢疫信息、有效期等,支持中文輸入和網絡通信,有效彌補了當前讀寫器數據處理方式不合理、操作復雜、接口簡單以及難以推廣等缺點。根據樣機的測試結果,讀寫器讀寫成功率高,網絡傳輸可靠。?

1 系統組成及原理?

　　系統運行原理是用于跟蹤檢測的卡片附著于農產品上,管理者把生產、加工、流通中的關鍵信息通過讀寫器實時地寫入卡中,同時通過網絡把信息傳送到公共數據庫中,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品的單位,通過把商品的RFID標簽內容和數據庫中的記錄進行比對,能夠有效地識別假冒產品?？紤]系統的使用方式,設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、網絡接口模塊、液晶顯示模塊、無線射頻模塊。?

2 RFID讀寫器設計?

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,可滿足系統數據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/數據復用端口。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協議。電源采用3V和5V混合供電,設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接地設置為地址/數據復用方式。15pF電容和晶振形成自激振蕩電路,TX1和TX2經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部寄存器IRQPinConfig設置為CMOS輸出或漏極開路(OD)輸出。根據交叉開關的配置規則,數據讀寫控制端口ALE、RD、WR分別為P4.5～P4.7。?

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　　在MFRC530與卡片的通信中,發送信號為100%調制變形的Miller編碼,接收信號為10%調制的Manchester編碼。發送信號通過天線以電磁波的形式發出去,接收信號經過天線匹配電路送到RX腳,信號的調制和解調都由內部專用電路根據寄存器的設置進行處理。電源是否可靠對卡片讀寫成功率影響很大,設計電源要嚴格保證電壓和電流的要求。在射頻電路設計中,防止和抑制電磁干擾,提高電磁兼容性,是非常重要的環節。要選擇介電常數公差小的基材,并對電路的射頻部分和數字部分進行分塊處理。射頻部分應盡量使用表帖式(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,系統采用外部電源和鋰電池結合供電的方案。供電管理模塊原理圖如圖2所示,有外部電源時,經過外部變壓器得到DC6V電壓,經降壓芯片REG1117降壓,得到DC4.2V電壓,該電壓經過低壓差穩壓芯片TPS7333得到DC3.3V電壓。同時DC4.2V電壓經過充電管理芯片LTC4055給鋰電池充電。DC3.3V電壓經過升壓芯片MAX756得到DC5V電壓,DC3V和DC5V電壓共同經過電源管理芯片TPS2044進行管理。無外部電源時,則由鋰電池通過LTC4055給系統供電。?

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2.4? 網絡接口模塊?

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

　　通信方式和射頻模塊相同,網絡接口模塊如圖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,數字地和模擬地共同接地。LA輸出電平驅動網絡活動/連接LED指示燈。變壓后的信號經過RJ45接口的1、2、3、6端,NC端加75Ω電阻經過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 軟件設計?

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

　　農產品信息管理數據處理有獨特的地方,同時需要考慮操作簡便,不需要用戶執行底層操作。因此,設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:?

　　生產階段:名稱、品種、產地、批次、施用農藥、生產者。?

　　加工階段:加工者、加工方法、加工日期、產品等級、保質期、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 主程序設計?

　　主程序主要提供一些初始化操作,協調各子程序" 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設置的接口以及顯示。還提供與遠程計算機通信應用程序接口。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 射頻通信軟件和網絡通信軟件設計?

??? 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的狀態并作出適當的處理。由于電路特性不同,有些初始值需要做一些調整,才能得到滿意的性能^[3-5]。主要需要設計射頻模塊與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之前需要打開相應的中斷;讀寫子程序在完成后需要判斷數據的準確性;防沖突子程序需要設計可靠的防沖突循環以及當沖突發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,操作前后的數據要進行對比,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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　　網絡通信軟件設計也是一項重要的內容,CP2201已經集成了物理層和數據鏈路層,并且新華龍公司提供了TCP/IP協議棧,因此設計的主要工作是選擇合適的協議和數據鏈路層之上的數據處理。嵌入式系統資源相對有限,需要合理的協議剪裁。由于上位機準備采用自己開發操作界面,因此只需利用TCP協議建立一個可靠連接來直接傳輸數據,所以保留了一個TCP協議;網絡上的每個設備都要求有一個MAC地址和IP地址,保留IP、ARP協議。IP協議可以使互聯網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協議。系統初始化完成以后,就可以啟動發送和接收。發送數據必須封包,以TCP為例,以太網數據幀格式為:引導符和開始幀分隔符(8字節)->目標MAC地址(6字節)->源MAC地址(6字節)->長度/類型(2字節)->數據(46～1 500字節)->CRC檢測(4字節)。接收數據時則逐步剝離并判斷有效性和進行適當的處理。網絡傳輸采用中斷方式處理,根據中斷標志在中斷處理程序中作連接、發送、接收等處理^[6-8]。數據發送接收中及接收后會產生相應的標識,如TCP打開失敗、ARP請求失敗等,需要設計相應的處理子程序。網絡通信程序流程如圖6所示。?

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4 樣機實驗結果?

　　本設計根據農業應用中的特點,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讀寫信息。同時提供了如實時時間等輔助功能。經過測試,樣機運行穩定可靠,讀寫、數據傳輸都能滿足要求。表1是以100次為單位的測試結果。結果表明,距離小于6cm時讀寫很可靠,是一個具有相當優勢的讀寫機具。?

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　　農業信息化與自動化是我國農業未來的發展趨勢,隨著RFID軟硬件價格的合理和技術的成熟,RFID讀寫器將在農業信息化領域得到越來越多的應用,極大地提高農業管理、流通、銷售水平和食品安全的監督能力。本設計迎合了當前的要求,為我國的農業信息化提供了一種很好的手段。為了適應當前數據聯網的要求,讀寫器的設計采用新的以太網接口,同時考慮到農業特殊的應用群體,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升級的方便。隨著設計的不斷發展和完善,其應用將越來越廣泛。?

參考文獻?

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