摘  要： 為了對易腐爛食品、藥品和其他對溫度敏感的物品在生產(chǎn)、運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用射頻識別技術(shù)RFID、電子溫度測量技術(shù)、無線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了基于射頻識別技術(shù)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)、運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程中產(chǎn)品溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，具有超溫報(bào)警功能，保障了產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程中的品質(zhì)。

　　關(guān)鍵詞： 射頻識別技術(shù)；無線傳輸；溫度監(jiān)測；RC522

0 引言

　　人們的生活與溫度息息相關(guān)，化學(xué)、物理、生物等學(xué)科的研究都離不開溫度。在電力、石油、化工、機(jī)械制造、冶金、大型倉儲(chǔ)室、農(nóng)場塑料大棚甚至人們的居室里經(jīng)常需要對環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)實(shí)際的要求對環(huán)境溫度進(jìn)行控制。

　　隨著無線傳輸技術(shù)的發(fā)展、電子測溫技術(shù)的普及以及射頻識別技術(shù)的成熟，實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測系統(tǒng)與運(yùn)輸過程透明化變得切實(shí)可行。射頻識別技術(shù)是一種新式的非接觸識別技術(shù)，通過射頻信號可對無源非接觸IC卡進(jìn)行供電與通信，該過程中無需人工干涉并且可工作于惡劣環(huán)境，而電子測溫結(jié)果準(zhǔn)確、可測定范圍廣，正滿足了產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中的不同需求。

　　本系統(tǒng)基于射頻識別技術(shù)設(shè)計(jì)了溫度實(shí)時(shí)無線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超溫報(bào)警、溫度信息儲(chǔ)存和無線傳輸，對保證產(chǎn)品生產(chǎn)、運(yùn)輸和存儲(chǔ)安全具有一定意義[1]。

1 溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，該監(jiān)測系統(tǒng)有主機(jī)和從機(jī)兩部分。從機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度收集功能，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)。主機(jī)則將溫度儲(chǔ)存，待有非接觸式RFID卡靠近時(shí)，根據(jù)按鍵指令將溫度信息從RFID卡中讀取或者將從機(jī)采集到的溫度信息寫入RFID卡，卡中相關(guān)信息則在液晶屏顯示告知用戶。如果接收到從機(jī)采集的溫度信息超出安全范圍則提供報(bào)警功能，提示用戶溫度超過安全范圍，進(jìn)行緊急處理。

2 溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 主機(jī)硬件系統(tǒng)模塊

　　主控芯片采用ATMEL公司的AT89S51。AT89S51單片機(jī)是一種具有低功耗、高性能的CMOS 8位微處理器，自帶4 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。合理地調(diào)配資源，以完成溫度信息接收、非接觸式IC卡的讀寫、信息顯示與報(bào)警等功能。

　　射頻識別讀寫芯片采用NXP公司的RC522。RC522利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，且支持ISO14443A的多層應(yīng)用[2]。

　　無線收發(fā)則采用nRF24L01。nRF24L01是工作在2.4 GHz~2.5 GHz ISM頻段的、由NORDIC生產(chǎn)的單片無線收發(fā)器芯片。輸出功率頻道的選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過對SPI接口寄存器的設(shè)置實(shí)現(xiàn)。它幾乎可以與各種單片機(jī)芯片連接，完成對數(shù)據(jù)的無線傳送工作[3]。

　　2.2 從機(jī)硬件系統(tǒng)模塊

　　從機(jī)主控芯片采用TI公司的MSP430G2553。MSP430系列微型處理器具有超低功耗特性，可使溫度采集節(jié)點(diǎn)長時(shí)間處于工作狀態(tài)。而G2553體積小，在僅僅進(jìn)行溫度采集與數(shù)據(jù)發(fā)送工作時(shí)，可以更進(jìn)一步降低功耗，同時(shí)可使溫度采集節(jié)點(diǎn)小型化。

　　無線收發(fā)采用nRF24L01無線芯片。溫度檢測部分采用的是DSl8B20單線數(shù)字測溫芯片，它能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。該傳感器測量溫度的范圍是-55℃~+125℃，測量精度為0.125℃。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　主機(jī)系統(tǒng)流程圖如圖2所示。依次完成LCD、無線傳輸、射頻識別模塊的初始化，然后標(biāo)志位置位，示意初始化完成。

　　首先對液晶屏進(jìn)行初始化，接著配置無線模塊地址、主接收功能，再進(jìn)行射頻識別模塊的初始化。完成初始化后，開始接收溫度信息，并將接收到的溫度信息在LCD上予以顯示。當(dāng)非接觸式RFID接近射頻讀寫模塊時(shí)，將卡ID與用戶ID進(jìn)行比對，如果為用戶ID則提示用戶進(jìn)行按鍵操作，與此同時(shí)進(jìn)行按鍵功能查詢，用戶可選擇將溫度信息寫入RFID卡，清除RFID卡中溫度信息、讀出RFID卡溫度信息。完成按鍵選擇后主控器執(zhí)行相應(yīng)功能，對RFID卡進(jìn)行特定操作。

　　射頻識別模塊的工作流程圖如圖3所示。

　　3.1.1 射頻識別模塊初始化

　　射頻識別模塊核心芯片RC522可以與所有13.56 MHz類型的射頻卡進(jìn)行通信，支持ISO14443A協(xié)議下的的多層應(yīng)用。發(fā)送接收均集成了幀錯(cuò)誤校驗(yàn)（奇偶校驗(yàn)、CRC），其雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)424 kb/s，有效距離為0~10 cm[4]。

　　射頻識別模塊作為本系統(tǒng)的核心模塊，對其的合理操作便顯得尤為重要。第一步便是初始化RC522[5]。對CommandReg低4位置位，讓RC522進(jìn)入軟掉電模式進(jìn)行軟復(fù)位。寫入CRC初始值。將TxControlReg配置為0x83，即配置天線TX1、TX2驅(qū)動(dòng)使能，置TxAutoReg為0x40，即將其ASK設(shè)置為100%。完成基本配置后，將天線軟啟動(dòng)。以上配置均正確完成時(shí)，對應(yīng)引腳TX1、TX2之間存在載波能量信號。

　　3.1.2 射頻識別模塊的尋卡與防沖撞

　　首先確定所巡卡片狀態(tài)，代碼0x52對應(yīng)尋感應(yīng)區(qū)內(nèi)所有符合14443A標(biāo)準(zhǔn)的卡[6]，而代碼0x26對應(yīng)尋未進(jìn)入休眠狀態(tài)的卡，將尋卡方式寫入RC522，則RC522進(jìn)入尋卡階段，與此同時(shí)讀取卡信息，與對應(yīng)十六進(jìn)制代碼進(jìn)行比對，當(dāng)符合對應(yīng)代碼則說明卡片已經(jīng)尋到，返回卡尋到標(biāo)志。卡類型與其對應(yīng)的十六進(jìn)制代碼如表1所示。完成尋卡后清除所有沖撞信息。將防沖突命令字0x93寫入卡中，讀取防沖撞信息即卡片ID號碼，確定無沖撞后，將CollReg寄存器最高位置1。

　　3.1.3 射頻識別模塊的選定卡片與驗(yàn)證卡密

　　令RC522將Mifare_One卡卡片選定命令字0x70寫入卡中，而后將防沖撞過程中讀取到的卡片ID寫入卡中則完成卡片的選定。接著，可進(jìn)行卡密驗(yàn)證，按照驗(yàn)證卡密模式、塊地址、密碼、卡ID的順序?qū)?yīng)代碼依次寫入卡中，得到成功信息則說明卡密驗(yàn)證成功；否則可讀取Status2Reg寄存器，當(dāng)Status2Reg寄存器最高位為1時(shí)，說明卡密驗(yàn)證失敗，需重新驗(yàn)證卡密。

　　3.1.4 射頻識別模塊的讀寫卡信息

　　讀數(shù)據(jù)只需將讀數(shù)據(jù)指令0x30、所讀取塊地址依次寫入卡中，然后便可讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最多只能讀取144字節(jié)。

　　寫數(shù)據(jù)同樣需要將寫數(shù)據(jù)指令0xA0、所寫塊地址寫入卡中。為確保數(shù)據(jù)寫入準(zhǔn)確，需計(jì)算CRC值，分別將寫數(shù)據(jù)指令與塊地址所計(jì)算得出的CRC的最低位和最高位作為后兩位數(shù)據(jù)，將寫數(shù)據(jù)指令、塊地址、最低位、最高位依次寫入卡中。接著便可往卡中寫入信息。

　　此時(shí)射頻讀寫模塊對卡的操作均可實(shí)現(xiàn)。

　　3.2 從機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　從機(jī)軟件流程圖如圖4所示，對MSP430進(jìn)行時(shí)鐘配置、IO端口配置，對無線傳輸、溫度采集模塊進(jìn)行初始化。定時(shí)器每2 s觸發(fā)一次中斷，并在中斷中對溫度采集標(biāo)志進(jìn)行置位。等待定時(shí)器置位標(biāo)志，每2 s進(jìn)行一次溫度序列轉(zhuǎn)化。完成溫度轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)壓入無線模塊待發(fā)送區(qū)域，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。在等待定時(shí)器置位過程中處理器進(jìn)入低功耗模式，以降低整個(gè)模塊功耗。

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　　將測量溫度與普通溫度計(jì)示數(shù)進(jìn)行比對，采用朝陽、背陰、正常室內(nèi)3種不同環(huán)境對整個(gè)系統(tǒng)模擬運(yùn)行，記錄數(shù)據(jù)如表2所示。經(jīng)分析處理，溫度采集誤差百分比在2％以內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了中距離溫度實(shí)時(shí)無線監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)可將溫度信息在非接觸式RFID卡中進(jìn)行存儲(chǔ)，測溫準(zhǔn)確可靠，提高了貨物生產(chǎn)、運(yùn)輸過程中溫度信息的透明度。本系統(tǒng)可應(yīng)用于貨物生產(chǎn)、運(yùn)輸過程，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)溫度情況，將溫度情況實(shí)時(shí)告知管理人員，使得生產(chǎn)運(yùn)輸過程中的溫度在安全溫度范圍之內(nèi)。

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