基于RFID的瓦斯钢瓶信息读写器的设计

    1 引言

    城市出租车和无三通地区家庭使用液化气时，一般采用可重复利用的瓦斯钢瓶罐装形式，其优点是成本较低且维护方便，但长期使用而致使钢瓶老化却是安全隐患之一。对于钢瓶是否超期使用， 目前一般采用在钢瓶上打刻出厂时间的方式来计算，但检测时效率低， 同时也不方便在瓶体上登记或修改其储运信息。本文研究讨论的基于射频识别技术(RFID)的瓦斯钢瓶信息读写系统，可先将钢瓶信息写入电子标签并附着在钢瓶内，在使用过程中能通过钢瓶信息读写器快速检测和修改电子标签的使用及储运信息，可籍此判断钢瓶是否超期使用。

    2 读写器的基本组成

    由于电子标签需加装在瓦斯钢瓶上， 可选用13．56MHz频段 RFID系统以满足金属环境下的应用要求。信息读写系统的结构框图如图1所示，主要由控制中心(上位机)、通信接口电路、单片机控制模块、终端I／O设备、射频收发模块及天线、电子标签等六部分构成，其中后五部分构成了读写器。主控中心通过通信接口电路与单片机控制控制模块连接， 向控制模块发送读／写标签命令并接收来自控制模块的数据与操作报告；终端I／O设备用于终端显示读取信息和维护人员控制操作；单片机控制模块与射频模块相连，在控制模块上运行的主程序根据具体情况控制射频模块操作。射频模块对数据进行调制后通过天线发送至电子标签，接收来自电子标签的返回信号并进行解调，反向送回控制模块进行后续处理。 

图1 基于RFID的瓦斯钢瓶信息检测系统的组成

    读写器的射频收发模块用于实现数据调制、解调及收发信号，本系统采用 RFID 专用无线基站芯片 MLX90121 作为电子标签与读写器之间的接口。控制模块采用 ATMEL 公司生产的 AT89S52 单片机，实现过程控制、数据处理、终端I／O设备控制以及通过 RS232 接口完成与控制中心的数据通信。电子标签采用复旦大学研制的 FM11RF08 无源可读写标签，使用时可根据用户要求通过读写器将相关信息写入标签。当进入读写器的工作范围内时，标签将被激活，读写器发送读数据给标签，标签根据接收到的读数据信号将存储单元中指定的数据通过天线发送至读写器，读写器再将处理后的数据通过 RS232 接口送回控制中心；若需要修改标签的数据，可由读写器发送写数据信号给标签，标签收到数据后自动修改内存数据。

    3 硬件设计

    3．1射频收发模块电路设计

    MLX90121 兼容多种传输协议(如IS014443、IS015693等)，工作频率为13．56MHz。MLX90121的内部结构如图2所示，其主要特性包括发射模式下用户可调整射频信号的调制度(通过调节RMOD实现)，接收模式下可解调单载波 ASK、FSK 或PSK 射频已调信号。 

图2 MLX90121内部结构图

    接收部分由二极管包络检波器、IF滤波器、功率放大器PA和数字解调四部分组成。发射部分的数据由 DIN 引脚输入，经数据编码后在 PA中与晶体振荡器输入的单载波实现相应调制放大，由Tx引脚发射出去。发射器可采用外置功放，在5V32作电压下能为5欧姆负载提供高达250mW 的输出功率，能适用于绝大多数中短距离场合。简化天线和匹配网络后，可用于手持式应用场合，但需要付出减少阅读距离的代价。 

图3发射模块电路原理图

    以 MLX90121 为核心构成的发射模块电路如图3所示。发射时，射频信号由 TX 引脚输出，经 L3C3 选频滤波后， 由C2耦合到L1、L2、CV1组成的T型天线滤波匹配网络，由天线发射出去。接收时，天线感生的射频已调信号直接经限流电阻R1(也可用相应阻抗匹配网络代替)送到RX引脚，由芯片内部电路进行后续处理。 

    发射电路中的L3、C3组成并联谐振网络，谐振频率为13．56MHz，对MLX90121产生的射频读写命令信号起到选频滤波的作用。L3为高频扼流圈，C3为47pF的高频耦合瓷片电容，用于隔离漏极Lc回路的直流电压并传递交流能量到下一级电路。C3的选择应足够大以保护芯片，但需保证L3C3谐振丁13．56MHz。R2为调制度调节电阻，其阻值直接影响到发射输出射频信号的调制深度，这里选用10Q电阻。C7、C8、13．5BMHz晶体谐振器和芯片内部电路构成晶体振荡器。XBUF引脚输出13．56MHz或其2分频后的信号，可供单片机作时钟信号。

    为了与电子标签 FM11RF08 进行通信，必须为读写器设计射频收发天线。同时为了为 FM11RF08 提供足够工作能量，所设计的读写器天线必须考虑到是否能产生足够大的磁通量，是否能提供足够的带宽以无失真地传送数据调制的载波信号，是否能做到功率匹配以最大程度地利用磁通量的可用能量等三个问题。本文采用在PCB板上用导线绕制成矩形线圈的方式制作天线，其结构如图4所示。环绕的导线线宽为45mil(1．143mm)，矩形长宽分别为60mm。PCB 板设计成4层结构，顶层和底层布有不闭合的屏蔽环，天线线圈布在 PCB 板的第二层，同时在天线线圈中设置一个连接至地的中心抽头并布在第三层。该设计能较好地吸收天线线圈PCB本身产生的电场， 改良天线的 EMC 性能。 

图4矩形天线结构图

    3．2控制模块及通信接口电路设计

    微控制器 AT89S52 负责启动 MLX90121 并接收其解调出的编码数据。MLX90121的DSYNC端接P2．0，输出收发同步时钟信号；DOUTD 接P2．2，用于将所读数据送回单片机处理模块；RTB接P2．2，若此引脚为高电平，则表明MLX90121处于接收数据模式，否则为发射数据模式。

    AT89S52 单片机除了控制MLX90121芯片工作外，还担负着与控制中心通信的任务，可采用RS232通信标准来实现读写器和控制中心上位机问的通信。通信芯片选用MAXIM公司的MAX232芯片，硬件上采用三线制(RXD，TXD，GND)软握手的零MODEM方式i将上位机和AT89S52单片机的发送数据线(TXD)和接收数据线(RXD)交叉连接，并共地线。这样的设计可以简化电路设计，节约成本。MAX232与AT89S52的电路连接如图5所示。AT89S52的其它电路(如时钟电路、复位电路)可选经典电路。 

图5 AT89S52与MLX90121电路连接图

    为了拓展信息读写器的应用领域，可为其设计相应的LCD显示电路和按键输入接口。

    4 软件设计

    系统工作的软件流程如图6所示。首先需要对控制模块、终端I／O设备及射频模块进行初始化，预置参数和显示初始信息。然后发送读标签命令，建立读写器和电子标签的通信。电子标签FM11RF08的通讯协议和通讯波特率是预定义好的，通过这两项内容，读写器和标签相互验证。当某张标签进入读写器的操作范围时，读写器以特定的协议与它通讯，从而确定该标签是否为FM1IRF08。当有多张FM11RF08标签进入读写器操作范围时，防冲突闭合电路首先从众多标签中选择一张作为下一步处理的对象，而未选中的标签则处于空闲模式以等待下一步被选择，该过程将返回一个被选中标签的序列号。选定要处理的标签之后，读写器就确定要访问的扇区号，并对该扇区密码进行校验，在三次互相认证之后就可以通过加密流进行读／写标签操作。 

图6系统软件流程图

    基于MLX90121的电子标签读写器支持IS0／IEC15693协议的全部命令，具有成本低廉、稳定性好等特点。具有可行的防碰撞机制，有效读写距离约为10cm，可满足人工扫描式单个读写瓦斯钢瓶的要求。若对读写器加装发射功率放大器，读写距离可以延长到1m左右，能实现对钢瓶的高速、传送带式读写操作。同时，该终端也可加以适当的软件升级，满足门禁、校园一卡通等非高速识别应用场合的需要。

    (四川信息职业技术学院，曾宝国 曾 妍)