用于农产品信息管理的RFID读写器设计

　　近年来,食品安全危机频繁发生,严重影响了人们的身体健康。为加强食品安全监管,必须对产品的生产、流通进行全过程的监管。RFID标签以其无接触、存储容量大、可重复使用等优点而成为重要的产品识别与跟踪手段。美、日、欧洲和国内都在RFID信息追踪方面作过较多的研究,并取得一定的应用[1]。如美国农业部利用可植入RFID标签跟踪马匹,四川的RFID生猪项目等。但是目前国内农业方面存在读写机具少、功能不全面、接口简单、价格高、没有自主知识产权等问题,不能满足农业信息化的要求,限制了国家的农业信息化发展。因此有必要开发低成本、多功能、拥有自主知识产权的农用RFID读写器。

　　本文提出一种带有新型网络接口的读写器设计方案,可用于农产品生产、加工、流通等环节的信息写入和读取,如农产品施肥信息、病虫害信息、检疫信息、有效期等,支持中文输入和网络通信,有效弥补了当前读写器数据处理方式不合理、操作复杂、接口简单以及难以推广等缺点。根据样机的测试结果,读写器读写成功率高,网络传输可靠。

　　1 系统组成及原理

　　系统运行原理是用于跟踪检测的卡片附着于农产品上,管理者把生产、加工、流通中的关键信息通过读写器实时地写入卡中,同时通过网络把信息传送到公共数据库中,信息可以通过全球唯一的卡片ID进行查询。普通消费者或购买产品的单位,通过把商品的RFID标签内容和数据库中的记录进行比对,能够有效地识别假冒产品。考虑系统的使用方式,设计的读写器具有控制模块、供电管理模块、时钟模块、存储模块、键盘模块、网络接口模块、液晶显示模块、无线射频模块。

　　2 RFID读写器设计

　　2.1 控制模块

　　考虑到读写器的处理能力,控制模块选用C8051F120,它有高速的CIP-51内核、8 448KB的RAM和128KB程序存储器,有20个中断源,5个通用定时器,可满足系统数据处理能力和程序代码量的要求。如需了解详细功能可以查阅参考文献[2]。

　　基于功耗的要求,控制模块工作频率为1.843 2MHz。其P0口用作特殊的功能口,如SUMBUS总线接口、MFRC530中断输入口、CP2201中断输入口等,P5口作为液晶输出信号,P6口用于高8位地址端口,P7口作为低8位地址/数据复用端口。其他的I/O口作为控制接口,如MFRC530、CP2201的选通和控制线等。

　　2.2 射频模块

　　射频芯片选用MFRC530,工作频率为13.56MHz,支持ISO14443A协议。电源采用3V和5V混合供电,设计时作为外部存储器使用,如图1所示。通过将A0、A1接3.3V,A2接地设置为地址/数据复用方式。15pF电容和晶振形成自激振荡电路,TX1和TX2经过低通滤波和耦合后接天线。中断引脚接C8051F120的外部中断1,中断信号输出可由内部寄存器IRQPinConfig设置为CMOS输出或漏极开路(OD)输出。根据交叉开关的配置规则,数据读写控制端口ALE、RD、WR分别为P4.5～P4.7。

　　在MFRC530与卡片的通信中,发送信号为100%调制变形的Miller编码,接收信号为10%调制的Manchester编码。发送信号通过天线以电磁波的形式发出去,接收信号经过天线匹配电路送到RX脚,信号的调制和解调都由内部专用电路根据寄存器的设置进行处理。电源是否可靠对卡片读写成功率影响很大,设计电源要严格保证电压和电流的要求。在射频电路设计中,防止和抑制电磁干扰,提高电磁兼容性,是非常重要的环节。要选择介电常数公差小的基材,并对电路的射频部分和数字部分进行分块处理。射频部分应尽量使用表帖式(SMT)元件,减少过孔,并在表面加接地金属屏蔽层。

　　2.3 供电管理模块

　　基于便携式仪器使用场所变动的特点,系统采用外部电源和锂电池结合供电的方案。供电管理模块原理图如图2所示,有外部电源时,经过外部变压器得到DC6V电压,经降压芯片REG1117降压,得到DC4.2V电压,该电压经过低压差稳压芯片TPS7333得到DC3.3V电压。同时DC4.2V电压经过充电管理芯片LTC4055给锂电池充电。DC3.3V电压经过升压芯片MAX756得到DC5V电压,DC3V和DC5V电压共同经过电源管理芯片TPS2044进行管理。无外部电源时,则由锂电池通过LTC4055给系统供电。

　　2.4 网络接口模块

　　网络芯片采用新华龙公司的CP2201,它集成了IEEE 802.3以太网媒体访问控制器(MAC)、10Base-T物理层(PHY)。有专用的2KB发送缓冲RAM和4KB接收FIFO缓冲RAM,可一次发送46～1 500B的数据 。电源电压为3.1～3.6V。

　　通信方式和射频模块相同,网络接口模块如图3所示,中断引脚接C8051F120的外部中断0,差分接收引脚(RD+/RD-)和发送引脚(TD+/TD-)都连接用于10Base-T的1:1脉冲变压器HR61101G,变压器具有2kV以上的电压隔离性能。发送端采用两个8Ω(精度为1%)的电阻和一个560pF的电容,接收端用一个100Ω匹配电阻用于抑制信号的二次反馈,数字地和模拟地共同接地。LA输出电平驱动网络活动/连接LED指示灯。变压后的信号经过RJ45接口的1、2、3、6端,NC端加75Ω电阻经过1 000pF/2kV的电容接地,防止静电干扰。所有电源端口接旁路电容。

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　　3 软件设计

　　软件使用标准C语言编制,主要包括射频程序设计、网络通信程序设计和主程序设计[3]。程序采用模块化方式设计,各部分功能独立编程,便于程序的改进和扩展。

　　农产品信息管理数据处理有独特的地方,同时需要考虑操作简便,不需要用户执行底层操作。因此,设计中将不同阶段的信息作为一个记录,每个记录都有一个标识用于识别记录类型。如生产阶段定义为01,加工阶段定义为02等。当用户选择输入信息时,会弹出相应的选项供用户填写,输入完成后确定即可。输出则直接读取。各阶段信息记录主要有：

　　生产阶段:名称、品种、产地、批次、施用农药、生产者。

　　加工阶段:加工者、加工方法、加工日期、产品等级、保质期、存储条件。

　　运输和仓储阶段:进、出库记录。

　　销售阶段:名称、销售时间、销售人员。

　　3.1 主程序设计

　　主程序主要提供一些初始化操作,协调各子程序运行,同时提供中文界面、输入输出信息和参数设置的接口以及显示。还提供与远程计算机通信应用程序接口。主程序流程如图4所示,主要给出卡片操作的处理流程。

　　3.2 射频通信软件和网络通信软件设计

　　射频通信软件中模块控制指令分为两种,分别是射频模块和C8051F120之间的控制指令,射频模块和卡片之间的控制指令。第一种指令直接写入寄存器Command,第二种指令需要通过第一种指令中的TRANSCEIVE或TRANSMIT发送给卡片。各寄存器的初始值和操作流程都有一定的要求,各返回值需严格对照手册判断相应的状态并作出适当的处理。由于电路特性不同,有些初始值需要做一些调整,才能得到满意的性能[3-5]。主要需要设计射频模块与C8051F120之间的指令传输子程序、读写子程序、防冲突子程序以及中断处理程序。需要注意的是:射频模块C8051F120的指令传输子程序在指令写入指令寄存器Command之前需要打开相应的中断;读写子程序在完成后需要判断数据的准确性;防冲突子程序需要设计可靠的防冲突循环以及当冲突发生时在校验位上合理的处理。同时为了防止可能的操作失败,操作前后的数据要进行对比,如不成功则重新读写,以提高成功率。综合后的射频通信程序如图5所示。

　　网络通信软件设计也是一项重要的内容,CP2201已经集成了物理层和数据链路层,并且新华龙公司提供了TCP/IP协议栈,因此设计的主要工作是选择合适的协议和数据链路层之上的数据处理。嵌入式系统资源相对有限,需要合理的协议剪裁。由于上位机准备采用自己开发操作界面,因此只需利用TCP协议建立一个可靠连接来直接传输数据,所以保留了一个TCP协议;网络上的每个设备都要求有一个MAC地址和IP地址,保留IP、ARP协议。IP协议可以使互联网上的计算机之间相互通信,ARP用于在只知道MAC地址的情况下查找读写器的IP地址。为了用户方便,允许自动获取IP地址,所以保留了DHCP协议。系统初始化完成以后,就可以启动发送和接收。发送数据必须封包,以TCP为例,以太网数据帧格式为:引导符和开始帧分隔符(8字节)->目标MAC地址(6字节)->源MAC地址(6字节)->长度/类型(2字节)->数据(46～1 500字节)->CRC检测(4字节)。接收数据时则逐步剥离并判断有效性和进行适当的处理。网络传输采用中断方式处理,根据中断标志在中断处理程序中作连接、发送、接收等处理[6-8]。数据发送接收中及接收后会产生相应的标识,如TCP打开失败、ARP请求失败等,需要设计相应的处理子程序。网络通信程序流程如图6所示。

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　　4 样机实验结果

　　本设计根据农业应用中的特点,操作对使用者透明,只需如手机一样写入信息,满足各层次用户的要求。中文界面和中文输入使操作变得简单,可用上位机软件通过以太网读写信息。同时提供了如实时时间等辅助功能。经过测试,样机运行稳定可靠,读写、数据传输都能满足要求。表1是以100次为单位的测试结果。结果表明,距离小于6cm时读写很可靠,是一个具有相当优势的读写机具。

　　农业信息化与自动化是我国农业未来的发展趋势,随着RFID软硬件价格的合理和技术的成熟,RFID读写器将在农业信息化领域得到越来越多的应用,极大地提高农业管理、流通、销售水平和食品安全的监督能力。本设计迎合了当前的要求,为我国的农业信息化提供了一种很好的手段。为了适应当前数据联网的要求,读写器的设计采用新的以太网接口,同时考虑到农业特殊的应用群体,采用中文输入法和中文界面;此外还考虑了成本和扩展的要求以及系统升级的方便。随着设计的不断发展和完善,其应用将越来越广泛。

　　参考文献

　　[1] 林浩,王江红,夏鲁朋.RFID在农产品管理中的应用[J].安徽农业科学, 2006,24:6629-6629,6632.

　　[2] 新华龙电子有限公司. C8051F12x-13x数据手册.

　　[3] 童长飞. C8051f系列单片机开发与C语言编程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

　　[4] 杨振野.IC卡技术及其应用[M].北京:科学出版社,2006.

　　[5] PhilipsSemiconductors.MF RC530ISO 14443A Reader IC.

　　[6] 骆丽,张岳强,欧小龙.嵌入式Ethernet和Internet通信设计技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

　　[7] 新华龙电子有限公司.TCP/IP LIBRARY PROGRAMMER’S GUIDE.

　　[8] 新华龙电子有限公司, CP2201数据手册.