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功率自適應超高頻RFID讀寫器系統(tǒng)設計
來源:電子技術應用2014年第5期
楊 鳳, 劉 迪
(河池學院 物理與機電工程學院,廣西 宜州546300)
摘要: 以基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器為基礎平臺,將雨量傳感、溫度傳感和雷達探測等模塊引入到RFID系統(tǒng)中,并制定可獨立調(diào)節(jié)和全網(wǎng)集中調(diào)節(jié)的射頻模塊發(fā)射功率自適應控制策略,在確保可靠識讀的同時,降低了系統(tǒng)功耗,延長了讀寫器的工作壽命。該設計可為有高可靠性要求的同類應用系統(tǒng)提供參考。
中圖分類號: TP393
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)05-0126-03
The design of power adaption UHF RFID reader
Yang Feng, Liu Di
School of Physics and Mechanical & Electrical Engineering, Hechi University, Yizhou 546300, China
Abstract: In this paper, with the engineering reader based on STM32 and RMU900+ as the platform,we introduced the rain sensing, temperature sensing and radar modules into the RFID system and then developed RF module transmitter power adaptive control strategy which can control by local or network. It ensure reliable reading, while reducing system power consumption and prolong the working life of the reader.This design is a reference for the similar application high reliability requirements.
Key words : power adaption; UHF RFID; vehicle identification; reader network

    在車輛安監(jiān)預警類型的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中,確保RFID讀寫器能可靠地識讀到安裝在車輛內(nèi)部的電子標簽是系統(tǒng)正常運作的前提和基礎[1]。超高頻RFID讀寫器憑借其遠距離識讀能力占據(jù)了較大的應用市場[2],但是在實際部署過程中,讀寫器的發(fā)射功率通常是恒定的,系統(tǒng)的能耗表現(xiàn)不佳,且在惡劣天氣情況下,讀寫器不能靈活調(diào)節(jié)其發(fā)射功率,容易出現(xiàn)漏讀的情況。針對此問題,參考文獻[3]在分析前后兩次讀取標簽數(shù)量差值的基礎上,采用模糊控制算法來動態(tài)改變讀寫器的發(fā)射功率,但該方法只適用于連續(xù)、大批量標簽讀取業(yè)務,無法滿足間歇性小批量讀取系統(tǒng)的應用需求;參考文獻[4]設計并實現(xiàn)了一種基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器,可以在聯(lián)網(wǎng)模式下批量調(diào)節(jié)讀寫器的發(fā)射功率,大幅提高系統(tǒng)部署效率及使用過程中的靈活性,但該讀寫器未能引入自適應的控制策略,需要人工值守。本文在基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器的基礎上,利用雨量傳感、溫度傳感和雷達探測等模塊感知的信息,制定了一套簡單、靈活且可靠的讀寫器功率自適應調(diào)節(jié)策略。應用該調(diào)節(jié)策略和傳輸網(wǎng)絡,讀寫器的發(fā)射功率可雙重自適應控制,具有較高的識讀成功率和良好的節(jié)能效果。
1 系統(tǒng)的工作原理及整體結構概述
    整個系統(tǒng)結構框架如圖1所示。主控機和物聯(lián)網(wǎng)多源信息終端通過3G、LAN、WiFi等多種通信方式來實現(xiàn)組網(wǎng)[5],它們是系統(tǒng)的傳輸與處理核心。每個物聯(lián)網(wǎng)多源信息終端可以連接最多16個讀寫器,通過多源信息終端來實現(xiàn)異構讀寫器協(xié)同工作,降低讀寫器在通信方面的復雜度,并提高系統(tǒng)部署的靈活性。為了實現(xiàn)讀寫器發(fā)射功率的自適應調(diào)節(jié),增加了溫度、雨量和雷達探測等傳感模塊,利用這些模塊采集到的信息作為自適應調(diào)節(jié)的原始數(shù)據(jù)。功率調(diào)節(jié)策略可以通過傳輸網(wǎng)絡由主控機遠程設定,如未遠程設定,則執(zhí)行讀寫器本地存儲的默認策略來控制射頻發(fā)射功率。

2 硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
    功率自適應調(diào)節(jié)的超高頻RFID讀寫器硬件框架如圖2所示。

    根據(jù)參考文獻[1]所述方案實現(xiàn)基本平臺,控制核心采用STM32F103ZET6 MCU,可通過本地按鍵進行控制。在規(guī)?;渴饡r也可以通過串行通信方式與信息終端連接,利用主控機進行集中控制、設置液晶顯示屏,用來顯示本地信息;系統(tǒng)的射頻模塊選用RMU900+[3-4],并通過SMA接口連接13 dBi增益的射頻天線;雨量傳感、溫度傳感和雷達探測模塊將檢測到的信息通過I/O口傳輸給MCU,MCU根據(jù)預先設定的調(diào)節(jié)策略實時地控制系統(tǒng)的射頻發(fā)射功率[6-8]。
2.1雷達探測模塊
    在預警型園區(qū)車輛管理系統(tǒng)中,只有當車輛經(jīng)過時,相應的RFID讀寫器才需要工作;沒有車輛經(jīng)過時,讀寫器可以處在休眠狀態(tài),達到節(jié)省電能、延長讀寫器工作壽命的目的。在讀寫器兩邊分別布設10.525 GHz微波模塊來探測是否有車輛移動,如果有車輛移動,則啟動RFID模塊工作,準備識讀標簽(本系統(tǒng)同時也完成方向識別功能)。微波處理模塊電路如圖3所示,根據(jù)雷達測速原理,ft與fr的差值是計算車輛的移動速度的原始數(shù)據(jù),該輸出信號會送入圖4所示的驅(qū)動電路進行運算放大。

    在本系統(tǒng)中,當IF端的頻率為72 Hz時,車輛移動速度大約為3.6 km/h,略高于成人正常的步行速度(在實際應用系統(tǒng)中,可以靈活調(diào)整)。
2.2 溫度傳感模塊
    在本系統(tǒng)中,在沒有車輛經(jīng)過的情況下RFID讀寫器可能長時間處于休眠狀態(tài),且在極端氣候環(huán)境下,射頻模塊可能因溫度原因無法立即被喚醒并正常工作。因此,本文設計了溫度控制模塊, 將模塊溫度控制在0~+50℃之間。
  溫度探測模塊直接使用2片DS18B20,該模塊在-10℃~+85℃范圍內(nèi)的精度可以滿足系統(tǒng)要求,當檢測溫度低于0℃時,給RFID模塊供電以保持其溫度不至于過低;當溫度高于5℃時,恢復休眠狀態(tài);當檢測到溫度高于50℃時,啟動散熱風扇工作,以免系統(tǒng)溫度過高。
2.3 雨量傳感模塊
 UHF頻段的電磁波能量較容易被雨水吸收,因此,在雨量比較大的惡劣天氣狀況下,需要提高讀寫器的發(fā)射功率。本文設計了一個紅外散射式雨量傳感器系統(tǒng)以檢測降雨情況。
    利用MCU內(nèi)的定時器輸出頻率為28 kHz的方波信號來驅(qū)動紅外發(fā)射管,紅外光以固定角度投射到玻璃上,反射光被紅外接收器接收。如果玻璃上無雨水,則接收器收到的紅外線總量穩(wěn)定且與發(fā)射器發(fā)出的紅外線基本相等;有降雨發(fā)生時,散射現(xiàn)象會導致接收到的紅外線總量小于發(fā)射總量,系統(tǒng)以此來判定是否有降雨發(fā)生。為盡量排除可見光的干擾,在玻璃下方疊加了一片濾光片。
3 軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
    在基于STM32和RMU900+的物聯(lián)網(wǎng)工程讀寫器的基礎平臺上,發(fā)射功率自適應調(diào)節(jié)模塊主要包括雷達探測、溫度檢控、雨量檢控等功能。具體軟件實現(xiàn)流程如圖5所示。

 

 

    參數(shù)預置模塊用于控制對應場景的射頻發(fā)射功率調(diào)節(jié)策略,可以通過網(wǎng)絡進行集中預置,也可以直接讀取本地存儲的預置參數(shù)。初始化并自檢通過后系統(tǒng)打開對應中斷,開始各功能模塊的檢測工作;否則轉(zhuǎn)向錯誤處理模塊進行處理并發(fā)出警告信息。
4 測試與分析
    在模塊初始化成功后,能通過網(wǎng)絡讀取和預置調(diào)節(jié)參數(shù),人為斷開各功能模塊電路,錯誤處理模塊均能做出響應并向遠程集控機提交警告信息,系統(tǒng)進入應急工作模式。在基礎性模塊測試通過的基礎上逐項進行功能性測試。
4.1雷達探測模塊測試
    雷達探測模塊主要用于將休眠中的射頻模塊喚醒,設定好喚醒的速度閾值,超過后就喚醒射頻模塊工作,發(fā)射功率則由雨量傳感模塊控制??紤]到在較低速度情況下汽車比較難于精確控制車速[9],設計用改裝的電控小車來模擬車輛行駛狀態(tài)。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

    按照理論計算,3.6 km/h應為射頻輸出控制的閾值,經(jīng)實際測得,車速在3.5 km/h時無射頻輸出,車速超過4.0 km/h時有射頻輸出,表明雷達探測模塊能夠正常工作并喚醒射頻模塊輸出。
4.2 溫度傳感模塊
    由于受氣溫及實驗條件的限制,低溫環(huán)境最低只能測試到0℃,測試運行時臨時設定射頻模塊退出休眠的溫度為1℃,結果表明,溫度檢控模塊也能按照預期正常運作。測試數(shù)據(jù)如表2所示。
4.3 雨量傳感模塊
    雨量傳感模塊主要用于控制射頻模塊的發(fā)射功率,以確??煽孔R讀車內(nèi)標簽。測試運行時,分別用霧化裝置和花灑來模擬4檔降雨量。測試數(shù)據(jù)如表3所示。

    在正常工作狀態(tài)下,配合13 dBi增益的射頻天線,系統(tǒng)的射頻輸出功率約15 dBm,可以實現(xiàn)約3 m的識讀距離。在微量降雨(LL)至高強度降雨(HH)等4種狀態(tài)下,射頻輸出功率自動調(diào)節(jié)為20 dBm~30 dBm,基本實現(xiàn)了自適應調(diào)節(jié)功能。
    本文通過多模塊協(xié)同工作,設計并實現(xiàn)了RFID讀寫器射頻發(fā)射功率的寬范圍自適應調(diào)節(jié),同時實現(xiàn)了調(diào)節(jié)策略本機單獨設定和網(wǎng)絡集中設定兩種模式,方便靈活部署。
參考文獻
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