无线射频识别系统毕业设计终稿.docx

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无线射频识别系统毕业设计终稿

毕业设计

无线射频识别系统的设计

学生姓名：

刘言

专业班级：

电子信息工程2009级3班

指导教师：

刘嘉新副教授

学院：

机电工程学院

2013年6月

东北林业大学

毕业设计任务书

无线射频识别系统的设计

学生姓名：

刘言

专业班级：

电子信息工程2009级3班

指导教师：

刘嘉新副教授

学院：

机电工程学院

2012年12月10日

题目名称：

无线射频识别系统的设计

任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）

一、内容

本设一个基于耦合线圈的无线识别装置，系统由阅读器与应答器两部分组成。

阅读器采用单电源供电，应答器能量全部来自耦合线圈，无线数据传输采用串口异步通信与FSK调制等方法实现。

阅读器能够识别靠近的应答器并显示识别结果。

2、计划、时间安排

第七学期

1、第19周查阅、收集资料，撰写开题报告

第八学期

2、01-02周毕业实习；

3、03-03周确定设计方案，开题答辩；

4、04-07周按要求完阅读器与应答器电路设计；

5、08-10周按要求完成各单元电路组装与调试；

6、10-13周按要求完成系统调试及设计文档撰写；

7、14-16周撰写设计说明书、准备答辩。

三、完成工作量与水平具体要求

1、单片机采用内部有4KB程序存储器的AT89C51；

2、装置中的耦合线圈为圆形空芯线圈，用直径不大于1mm的漆包线或有绝缘外皮的导线密绕10圈制成。

线圈直径为6.6±0.5cm；

3、应答器能量全部来自耦合线圈，阅读器用外接单电源供电。

阅读器采用发光二极管显示识别结果，能在D尽可能大的情况下，识别应答器的有无。

识别正确率≥80%，识别时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm；

4、应答器增加编码预置功能，可以用开关预置四位二进制编码。

阅读器能正确识别并显示应答器的预置编码。

显示正确率≥80%，响应时间≤5秒，耦合线圈间距D≥5cm。

其中：

参考文献篇数：

说明书字数：

外文翻译：

10篇以上（含3篇外文）

10000字以上

一篇与本设计相关的文章（1000外文单词以上）

专业负责人意见

签名：

年月日

无线射频识别系统的设计

摘要

本系统采用MCS-51系列单片机为控制器，其中nRF401芯片作为无线收发的核心部件，而5位8段数码管用于显示收发信息，另外还配备有相应的外围设备。

系统由阅读器，控制器和线圈三部分组成。

单片机控制阅读器发出信号，应答器接收到信号后返回确认信息。

阅读器可以接收并识别应答器中的预置四位二进制编码，并在LED上显示阅读结果。

当应答器的固有谐振频率与阅读器的发送频率相符合时，处于阅读器天线的交变磁场中的应答器就能从磁场获得最大能量。

同时，与应答器线圈并接的阻抗变化能通过互感作用对阅读器线圈造成反作用，从而引起阅读器线圈回路变换阻抗ZT的变化，即接通或关断应答器天线线圈处的负载电阻会引起阻抗ZT的变化，从而造成阅读器天线的电压变化。

根据这一原理，可以通过数据变化控制应答器线圈实现数据的回收。

关键词　无线识别；nRF401；应答器；阅读器

TheDesignofWirelessidentificationsystem

Abstract

ThesystemtakesoftheMCS-51SCMascontroller,whichnRF401transceiverchipasthecorewirelessTransceivercomponents,and5bits8segmentsdigitaltubesforshowingthemessages,isalsoequippedwiththeappropriateperipheralequipments.Thesystemiscomposedofthreepartsthatisreader,controllerandcoils.TheSCMcontrolsthereadersendingasignal,thentranspondersendsbacktheconfirminformationwhenitreceivesthesignal.Thereadercanreceiveandidentifythepresetfourbinarycodesinthetransponder,andshowstheresultontheLEDdisplay.

Whenitsfrequencyisequaltothenaturalresonantfrequencyofreader,thetransponderinthealternatingmagneticfieldofthereaderantennawillgetthemostenergyfromthemagneticfield.Atthesametime,theresistancewhichisparalleltothetranspondercoilchangingthroughmutualinductancereactstothereadercoilcausedcounterproductive,thusleadingtothechangeofthereadercoillooptransformationimpedanceZT,thatis,connectingorcuttingoffthetransponderantennacoilresistancewillcausetheloadthechangeofZTimpedance,resultinginthechangeofthereaderantennavoltage.Accordingtothisprinciple,wecanrealizereceivingthedataagainbycontrollingthetranspondercoilbasedonthechangeddata.

Keywords　wirelessidentification;nRF401;transponder;reader

摘要

Abstract

1绪论

1.1无线射频识别系统的概述

无线射频识别（RIFD:

RadioFrequencyIdentification）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人为干预，可工作于各种恶劣环境。

无线射频识别技术可识别调整运动物体并可同时识别多个标签，并可对标签所储存的信息进行读写,操作快捷简便[1]。

无线射频识别系统能实现自动信息识别，从而为人们日常生活和工作带来了极大的方便，节约了大量的人力和时间，快捷、准确的信息识别提高了现代管理的科学性、先进性[2]。

1.2无线射频识别系统的研究

1.2.1研究背景

伴随着时代的进步，人们认识到了科技的力量。

对科学的探索永无止境，在21世纪的今天，人们在科学方面的探索达到的一个前所未有的水平。

而无线传感器网络被认为21世纪，最具有影响力的改变世界的10大技术之一[3]。

它是由大量节点组成的面向任务的分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器对信息目标进行实时监测，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户，然后通过相应的规则进行。

通过无规则的大规模的部署传感器节点至目标区域，对目标区域进行监测，无线传感器网络将会改变与客观世界的交互方式。

其在定位、医疗、环境监测等许多方面都将给我带了巨大的方便，其研究充满的巨大的潜力。

但是在无线传感器网络的具体应用中，不知道传感器位置而感知的数据是没有实际意义的。

传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置或区域发生了特定事件”，才能实现对外部目标的定位和追踪。

而节点位置信息的获得又可以使网络设计者优化无线传感器网络在其它方面的应用，比如对路由算法的优化、联合信号处理、通信开销的优化、基于位置的信息查询等。

而人工部署和为所有网络节点安装GPS接收器都会受到成本、功耗、扩展性等问题的限制，因此必须采用一定的机制与算法实现[4]。

定位感知领域又诞生了一门可以引领时代前进的新技术——射频识别技术，即RFID（RadioFrequencyIdentification）。

射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术[5]。

是集计算机技术、信息采集处理技术、无线数据传输技术、网络数据通信技术和机械电子自动控制技术等多学科综合应用为一体的自动化控制系统。

射频识别技术利用射频方式进行非接触双向通信，以达到自动识别目标对象，并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷、可识别高速运动的物体，且可同时识别多个标签等许多优点。

但是RFID抗干扰性较差，而且有效距离一般小于10m，这对它的应用是个限制。

而无线传感器网络的定位精确度不是太高，这对无线传感器网络的应用也产生了一些影响。

如果将无线传感器网络同RFID结合起来，利用RFID精确的定位性能，并且利用无线传感器网络高达100m的有效半径，形成RFID传感器网络。

在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都会有重要的科研价值和实用价值，因此具有十分广阔的应用前景。

1.2.2研究意义

RFID在无线传感器网络应用就是综合了RFID和无线传感器网络的技术特点，它继承了RFID利用射频信号自动识别目标的特性，同时实现了无线传感器网络主动感知与通信的功能。

因此，RFID无线传感器网络能够更加精确的得到节点甚至整个网络的信息，对控制中心采取下一步措施起着莫大的帮助。

RFID传感器网络中，传感器节点往往是随机布置在工作区域当中，大量节点位置在监测区域中是随机的、未知的[6]。

虽然两者结合能够极大的改善系统的，能够优缺点互补，但是其依然具有一些比较严重的问题，比如：

工作频率选择、RFID天线研究、防冲突技术研究、安全与隐私问题。

由于在实际运用中，如定位、监测都必须熟知节点的分布的具体位置，所以，要对这些节点进行良好的识别。

只有明确的识别这些节点，传感器网络才是有意义的。

所以为了防止识别中的冲突问题，必须对其算法进行研究，改进，争取提出像ALOHA算法这样高效的算法，并且能够提出更为合理，更加具有实用性的算法。

这样带动该项技术的发展。

1.3国内外无线射频识别系统的发展及现状

目前，国内外学者都在对RFID无线传感器网络进行具体研究，但是其中还面临着许多问题，需要这一代的人对其进行更加深入的研究，对具体的算法和结构进行优化。

让该技术能真正的改变生活。

当前，RFID技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、防冲突技术和安全与隐私保护等方面。

目前国内外比较突出的项目研究有：

美国从20世纪90年代开始，就陆续展开分布式传感器网络（DSN）、集成的无线网络传感器（WINS）、智能尘埃（SmartDust）、无线嵌入式系统（WEBS）、分布式系统可升级协调体系结构研究（SCADDS）、嵌入式网络传感（CENS）等一系列重要的无线传感器网络的研究项目。

自2001年起，美国国防部远景研究计划局（DARPA）每年都投入千万美元进行RFID无线传感器网络技术的研究，并在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和利用能力，把RFID无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了SmartSensorWeb、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统等一系列的军事传感器网络研究项目。

在美国自然科学基金委员会的推动下，美国如麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州大学洛杉矶分校、南加州大学、康奈尔大学、伊利诺斯大学等许多著名高校也进行了大量RFID无线传感器网络的基础理论和关键技术的研究[7]。

美国的一些大型IT公司（如Intel、HP、Rockwell、TexasInstruments等）通过与高校合作的方式逐渐介入该领域的研究开发工作，并纷纷设立或启动相应的研发计划，在无线传感器节点的微型化、低功耗设计、网络组织、数据处理与管理以及WSN网络应用等方面都取得了许多重要的研究成果。

DustNetworks和CrossbowTechnologies等公司的智能尘埃、Mote、Mica系列节点已走出实验室，进入应用测试阶段[8]。

除美国以外，日本、英国、意大利、巴西等国家也对RFID无线传感器网络表现出了极大的兴趣，并各自展开了该领域的研究工作。

我国的RFID无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首先被记录在1999年发表的中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中。

2001年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进无线传感器网络的研究。

从2002年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题[9]。

“中国未来20年技术预见研究”提出的157个技术课题中有7项直接涉及无线传感器网络。

2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术确定了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络研究直接相关[10]。

最值得一提的是，中国工业与信息化部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家级重大专项中，有第6个子专题“短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化”是专门针对RFID无线传感器网络技术而设立的。

我国的二代身份证采用了13.56MHZ的RFDI技术作为其内核技术，在防伪方面取得了重大的突破。

这些都是国家在RFID无线传感器网络中的具体研究[11]。

1.4主要内容与安排

本设计以无线射频识别系统的设计为研究内容，对国内外无线射频识别系统的现状进行详细了解后，结合自己所学知识，以AT89C51为控制芯片，搭建了一个无线射频识别系统，实现标签的识别、与数据传送等功能；对硬件电路、软件流程的设计做了详细的阐述。

2无线射频识别系统整体方案

2.1总体系统方案论证与比较

方案一：

用nRF401芯片代替传统的无线数传产品。

它可以提供433MHz的振荡频率，且工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低。

更重要的，它使无线设计简单化了。

电感耦合系统，本质上来说是一种互感耦合，即作为初级线圈的阅读器和作为次级线圈的应答器之间的耦合。

如果应答器的固有谐振频率与阅读器的发送频率相符合，则处于阅读器天线的交变磁场中的应答器就能从磁场获得最大能量。

同时，与应答器线圈并接的阻抗变化能通过互感作用对阅读器线圈造成反作用，从而引起阅读器线圈回路变换阻抗ZT的变化，即接通或关断应答器天线线圈处的负载电阻会引起阻抗ZT的变化，从而造成阅读器天线的电压变化。

根据这一原理，可以通过数据控制应答器线圈并接负载电阻的接通和断开，使这些数据以调幅的方式从应答器传输到阅读器。

在阅读器端，对阅读器天线上的电压信号进行包络检波，并放大整形得到所需的逻辑电平，实现数据的回收。

传输距离是简易无线电系统的综合性技术指标，单工系统最大作用距离为：

（2-1）

其中Pt天线的有效功率，Smin接收机的最小检测功率，Gt，Gr分别是发射机和接收机的增益，K在实验条件下基本为常量。

本系统可分为几个模块：

1、应答器单片机控制模块；2、阅读器单片机模块；3、无线传输模块；4、键盘显示、发光二极管模块；5、数据存储模块。

如图2-1所示。

特点：

采用单片机异步串口通信方式，具有较高的显示正确率。

nRF401的Gt，Gr和Smin都比传统的无线数传产品的好，且电路简单。

图2-1无线识别装置方案一方框图

方案二：

如图2-2所示，采用PT2262编码芯片，与PT2272解码芯片组成无线识别系统。

应答器通过四位拨码开关进行卡号设置，PT2262对卡号进行编码并通过耦合线圈发射出去；阅读器通过耦合线圈接收信号并交给PT2272解码芯片译码输出应答器卡号，由发光二极管显示。

特点：

系统组成简单，成本低，功耗小，且PT2262起始工作电压低，但该芯片不可编辑，故本方案不适合。

图2-2无线识别装置方案二方框图

结合以上分析实际情况，采用方案一。

2.2调制方式论证与比较

方案一：

负载调制。

本系统工作在HF段，耦合部分应以变压器模型进行分析。

利用变压器的性质，将副边（应答器）线圈折合到原边（阅读器）线圈，改变副边负载的大小时，便能够改变原边的电压特性。

这就是负载调制效应。

因设计过程复杂而不采用本方案。

方案二：

频移键控（FSK）。

虽然调制电路复杂，成本高，尤其功耗较高，而且解调电路较为复杂。

但传输速率快，数据正确率高。

尤其是抗干扰能力强。

故选用该方案。

方案三：

幅移键控（ASK）。

调制电路简单，功耗较低，常用于简单的低速数据通信，解调电路也十分简单，但抗干扰能力不强，综合考虑不选用该方案。

2.3555时钟电路控制对象论证与比较

方案一：

用555时钟电路控制阅读器和应答器，也就是在阅读器和应答器当中都使用555时钟电路。

当阅读器向应答器辐射能量时应答器只接收能量，当应答器进行编码并发射时阅读器停止向应答器辐射能量而只接收应答器发来的编码信号并对其进行解码和显示，但在实际工作中，很难保证阅读器和应答器同步，所以不采用此方案。

方案二：

用555时钟电路控制应答器，阅读器不使用该电路。

这样的设计就是让阅读器不停地工作，定时电路控制应答器接受能量、储能以及编码并发送，但因为应答器的输出功率太小，如果阅读器那边连续辐射信号，阅读器就无法接收到应答器的信号，所以也不采用此方案。

方案三：

用555时钟电路控制阅读器，应答器不使用该电路。

也就是应答器会不停地工作，而阅读器间歇的工作，这样就能够很好的保证阅读器能够接收到应答器发送的编码信号并进行解码显示。

所以本设计中采用此方案。

3系统硬件电路设计

该控制系统采用MCS-51系列单片机作为核心控制器，nRF401芯片作无线收发的核心部件，5位8段数码管显示模块显示信息。

5位8段数码管是由5个相同的由8段发光二极管组成数码管，可以显示字母和数字。

键盘部分为4×4矩阵键盘。

无线传输部分采用手工绕制线圈，利用nRF401提供的振荡频率发送和接受数据并在无源时负责给应答器提供电源，以保证数据通信顺利完成。

3.1阅读器电路分析与设计

阅读器总体设计框图如图3-1所示。

图3-1阅读器系统总体框图

电路的设计关键点主要是：

如何把信号从线圈发射和接收回来，使之有较好的准确性；因此采用nFR401做发射和接收。

3.1.1阅读器单片机最小系统设计

本系统采用了24C64作为外置内存，而24C64采用了I2C总线，I2C总线增加了高速模式（HS模式），它将位速率增加到3.4Mbit/s，而且它还具有极低的电流消耗，抗高噪声干扰，电源电压范围宽，工作的温度范围广和以下的优点：

（1）单信号供给电压4.5V~5.5V；

（2）低功耗CMOS技术；

（3）组成结构4×256×8或8×256×8；

（4）两对双口I2C总线；

（5）工作频率100KHz；

（6）百万次擦写。

串行通信接口采用德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。

该器件包含2个驱动器、2个接收器和1个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。

每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。

LED显示器采用5位共阴式数码管。

每一位数码管的电流大约为10mA。

若将无用的位消隐，则会增加显示位的亮度，故实际中会消隐无用的位以增加显示亮度。

选用二与门DS75451为LED位选，集电极开路的非门LED的段驱动，为保证每位LED的驱动电流，选择其上拉电阻位500Ω。

具体实现电路如图3-2和3-3所示：

图3-2阅读器键盘电路

图3-3阅读器显示电路

3.1.2阅读器发射电路

nRF401是北欧集成电路公司（NORDIC）的产品，是一个为433MHzISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片。

它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可达到20Kbit/s，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。

nRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线[12]。

它要求非常少的外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。

无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.92/434.33MHz）,工作电压范围可以从2.7V-5V，还具有待机模式，可以更省电和高效[13]。

天线接口设计为差分天线以便于使用低成本的PCB天线nRF401还具有待机模式这样可以更省电和高效nRF401的工作电压范围可以从2.7-5VnRF401满足欧州电信工业标准（ETSI）EN300200-1[14]。

nRF401是一个为433MHzISM频段设计的单片UHF无线收发芯片[15]。

采用抗干扰能力强的FSK调制解调技术，工作频率稳定可靠，外围元件少，功耗极低[16]。

其最高20Kbit/s的工作速率完全可以满足本系统的要求。

nRF401的ANT1和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA的输入，以及发送时发射功率放大器PA的输出[17]。

连接nRF401的天线可以以差分方式连接到nRF401，一个50Ω的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。

对比传统的鞭状天线或单端天线，不仅节省空间和生产成本，机构上也更稳固可靠，而且它的设计比较简单，这样更容易实现其功能。

发送和接收频率问题：

为了获得最好的RF性能，发射和接收频率误差不能超过70ppm（30KHz）。

这就要求晶体的稳定度不能低于35PPM，频率的差异将会导致接收机灵敏度产生-12dB/倍程的损失。

例如一个20ppm频率精度和在温度范围内25PPM稳定度的晶体，最大的频率误差将会超过45ppm。

如果发射机和接收机工作在不同的温度环境，在最差的情况下两边的误差将会超过90ppm，其结果将会导致接收机灵敏度下降将近5dB。

ANT1和ANT2是接收时LNA的输入以及发送时功率放大器的输出连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的在天线端推荐的负载阻抗是400 它采用的是一个典型的采用差分天线方式原理图功率放大器输出是两个开路输出三极管配置成差分配对方式功率放大器的VDD必须通过集电极负载当采用差分环型天线时VDD必须通过环型开线的中心输入一个50的单端天线或测试仪器也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。

引脚功能如表3-1所示：

表3-1引脚功能描述

管脚

名称

功能

说明

1

XC1

输入

晶振输入

4

FILT1

输入

环