浅议射频基于RFID车辆信息交换系统射频模块设计
最后更新时间：2024-01-17
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论文导读：
摘要：基于RFID车辆信息交换系统，给出了系统中射频模块的参数选择、节点设置和软硬件设计方法，同时给出了硬件各模块的选择、上位机工作方式以及下位机控制程序的设计方法。为了保证对系统的精准性数据保护，设计中采取了CRC方法和LRC方法，并确定了传输协议。
关键词：RFID；射频模块；车辆信息；交换系统
2095—1302（2012）10—0043—02
0引言
基于无线射频识别技术（RFID）的车路信息交换系统可利用射频识别技术对车辆的位置信息进行采集和相关电子收费等操作。该系统可分为前端信息采集、数据处理中心、终端服务等几个模块。其中RFID是一种非接触的自动识别技术，其原理是利用射频信号和空间（电感或电磁耦合）传输特性来实现对被识别物体的自动识别。本文通过对射频信号网络传输进行精确设计，可以提高系统的精准率和效率。
1射频模块的系统设计
目前，超高频段的典型应用频率为433 MHz、869 MHz和915 MHz（902～928 MHz），微波段的典型应用频率为2.45 GHz和5.8 GHz。目前的主流系统一般都采取915 MHz、 2.45 GHz和5.8 GHz，因此，本文在频率的选择上，综合考虑到系统实现的难易程度和系统对通信质量的要求，并根据具体应用，选用915 MHz和5.8 GHz作为阅读工作频率。工作时序方式采用RTF方式，供电方式采用无源电子标签。事实上，实际应用中的读写器大多只适合单机工作，不适合组网，不便于集中控制，因而不能应用到多点高密度数据采集场合。而基于RS485标准并利用超高频RFID读写器构建的数据采集网络，由于其遵循IS018000—6B协议的电子标签数据，因而可以很好地解决多点高密度数据采集的难题。
本设计的网络节点数目可以根据具体应用场合灵活设置，最多可以拓展至256个数据采集节点。节点终端设备还配置有USB接口、LCD显示、声光提示、时钟模块等，也可以脱机使用；而作为通用的RFID读写器，可完成读、写标签、记录操作时间等功能。该系统选用的RS485器件MAX1483可以使网络节点数最大达到256个。其系统方案框图如图1所示。
控制节点终端设备的命令主要有：
（1）发送数据命令：下位机接收到该命令的响应是发送采集到的数据，即缓存在数据存储模块中的数据；
（2）写标签命令：下位机接收到该命令的响应是向感应区内的标签写入新的数据；
（3）时间设置命令：该命令可在下位机中根据参数更新DS1302的数据；
（4）设置功率命令：用于设置射频收发模块的发射功率，以调节读写标签的距离；
（5）写分机号命令：该命令为单机命令，可为每个节点终端设备写入一个唯一的分机号，以便区别不同的终端设备。
下位机软件设计主要针对单片机平台，可采用C语言编写，主要是各功能模块的驱动程序，如射频模块的控制、数据存储模块的数据读写、时钟模块的输出、LCD显示模块的数据显示程序、USB接口驱动程序等。图3所示是下位机软件流程图。
2通信协议设计
通信协议是网络正常工作必不可少的，主要是对计算机和节点终端设备间通信帧格式进行具体的规范与统一，例如确定帧长度、命令字意义、参数长度、帧起始标志、结束标志等。本设计中的具体帧格式规定为每帧数据23字节，其中起始位1字节，固定为Oxaa；分机号1字节，可设置范围为0～255；命令1字节，包括5个命令：OxOf、Ox2f、Ox4f、Ox8f、Oxaf，依次为发送数据命令、写数据命令、时间设置命令、功率设置命令、写分机号；数据17字节，包括标签数据12字节和时间数据5字节；CRE校验采用CRC—16，共2字节，是起始位到数据位之间所有数据的CRC校验值；停止位1字节，固定为Ox55。
本系统通过RS485总线实现上位机与下位机之间的通信。计算机根据分机号选择不同节点的终端设备，选择命令代码可实现各命令和数据部分的操作响应（“0”标识操作失败，“1”标识操作成功）、相关参数（如时间设置命令中的时间参数）或返回具体数据（如标签数据和时间数据）。
3数据的完整性设计
在数据的传输中，不管是阅读器和电子标签之间的无线通信，还是阅读器与应用系统之间的通信，都难免会遇到干扰而使数据发生改变，这是在通信中极不愿意但又无法避免的情况，为此，数据的接收方都必须对接收的数据进行检验，以用来识别传输错误。一般的校验有奇偶校验法、纵向冗余校验（LRC）法和循环冗余码校验（CRC）法。
奇偶校验法和LRC法由于其算法都比较简单，所以只能校验很小的数据块，而且对同一数据块内的字节顺序的互换，它们是无法检验出来的，因此，本文对数据块采用的校验法为CRC法。CRC法原来用于磁盘驱动器中的数据校验，能够以很大的可靠性识别传输错误，但不能校正错误。CRC法的计算是一种循环过程。所以，CRC的计算包括了要计算其CRC值的数据字节以及前面数据字节的CRC值，数据块中每一个被校验过的字节都用来计算整个数据块的CRC值。
当一数据块被传论文导读：
输时，发送方计算数据的CRC值，并将此值附在数据块后一起传输，接收方则计算接收数据（包括附加的CRC字节）的CRC值，然后判断结果是否为零。如果为零，说明数据无误，否则，说明数据传输发生错误。
4结论
由于RFID车辆信息交换系统中的射频模块设计是其最基本的部分，设计时不仅要采集精准的交通信息，而且还要将控制中心的信息传给车辆，因此，此模块不仅要进行软硬件的基本设计，还要考虑交通信息的巨大信息量与快速性，同时还要进行标签的防碰撞设计。
参考文献
宁焕生.RFID重大工程与国家物联网[M].北京：机械工业出版社，2012.
游战清.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].电子工业出版社，2004.
[3] 刘云卿.基于RFID的车辆识别系统的设计与实现[D].吉林：吉林大学，2009.
[4] 汪建强.基于RFID的城市道路车辆监控系统的设计研究[D].济南：山东大学，2009.
[5] 方维松.射频技术在高速公路车辆源于：论文www.7ctime.com
监控及运营管理中的应用[J].国外电子测量技术， 2010（3）：76—78.
[6] 詹艳军，杨笔锋.基于RFID的智能车辆管理系统[J].微计算机信息，2010（5）：174—176.
[7] 许昆，苏一，马春晓.RFID在城市智能公共交通系统中的应用[J].电脑学习，2005（1）：4—5.
[8] 王笑京，沈鸿飞，汪林.中国智能交通系统发展战略研究[J].交通运输系统工程与信息，2006，6（4）：9—12.
[9] 李刚，曾锐利，林凌.基于射频识别技术的智能交通系统[J].信息与控制，2006，35（5）：28—31.
摘要：基于RFID车辆信息交换系统，给出了系统中射频模块的参数选择、节点设置和软硬件设计方法，同时给出了硬件各模块的选择、上位机工作方式以及下位机控制程序的设计方法。为了保证对系统的精准性数据保护，设计中采取了CRC方法和LRC方法，并确定了传输协议。
关键词：RFID；射频模块；车辆信息；交换系统
2095—1302（2012）10—0043—02
0引言
基于无线射频识别技术（RFID）的车路信息交换系统可利用射频识别技术对车辆的位置信息进行采集和相关电子收费等操作。该系统可分为前端信息采集、数据处理中心、终端服务等几个模块。其中RFID是一种非接触的自动识别技术，其原理是利用射频信号和空间（电感或电磁耦合）传输特性来实现对被识别物体的自动识别。本文通过对射频信号网络传输进行精确设计，可以提高系统的精准率和效率。
1射频模块的系统设计
目前，超高频段的典型应用频率为433 MHz、869 MHz和915 MHz（902～928 MHz），微波段的典型应用频率为2.45 GHz和5.8 GHz。目前的主流系统一般都采取915 MHz、 2.45 GHz和5.8 GHz，因此，本文在频率的选择上，综合考虑到系统实现的难易程度和系统对通信质量的要求，并根据具体应用，选用915 MHz和5.8 GHz作为阅读工作频率。工作时序方式采用RTF方式，供电方式采用无源电子标签。事实上，实际应用中的读写器大多只适合单机工作，不适合组网，不便于集中控制，因而不能应用到多点高密度数据采集场合。而基于RS485标准并利用超高频RFID读写器构建的数据采集网络，由于其遵循IS018000—6B协议的电子标签数据，因而可以很好地解决多点高密度数据采集的难题。
本设计的网络节点数目可以根据具体应用场合灵活设置，最多可以拓展至256个数据采集节点。节点终端设备还配置有USB接口、LCD显示、声光提示、时钟模块等，也可以脱机使用；而作为通用的RFID读写器，可完成读、写标签、记录操作时间等功能。该系统选用的RS485器件MAX1483可以使网络节点数最大达到256个。其系统方案框图如图1所示。
1.1读写器硬件设计
本系统设计的重点在于节点终端设备的设计，即超高频RFID读写器的设计。读写器的主要功能是发出询问信号，选择能量场内的应答器，建立数据通信链路并对应答器进行读写操作。超高频RFID读写器的数据采集距离较远，可达到1～30 m，通过软件设置射频收发模块增益大小可以控制读写距离，以便灵活地满足实际要求。读写器硬件按照不同的功能可划分为主控模块、射频收发模块、电源模块、数据存储模块、接口部分、时钟模块、LCD显示模块、声光提示模块及调试电路等，其具体的读写器硬件模块框图如图2所示。1.2软件设计
本系统的软件设计包括上位机软件和下位机软件两部分。上位机软件主要针对计算机平台，可采用C++语言编写，主要用于控制节点终端设备和接收节点终端设备发送数据，以及进一步的处理。考虑到网络的规模最大为256节点，上位机采用轮询方式控制各个节点终端设备，以维持整个网络的正常运行。控制节点终端设备的命令主要有：
（1）发送数据命令：下位机接收到该命令的响应是发送采集到的数据，即缓存在数据存储模块中的数据；
（2）写标签命令：下位机接收到该命令的响应是向感应区内的标签写入新的数据；
（3）时间设置命令：该命令可在下位机中根据参数更新DS1302的数据；
（4）设置功率命令：用于设置射频收发模块的发射功率，以调节读写标签的距离；
（5）写分机号命令：该命令为单机命令，可为每个节点终端设备写入一个唯一的分机号，以便区别不同的终端设备。
下位机软件设计主要针对单片机平台，可采用C语言编写，主要是各功能模块的驱动程序，如射频模块的控制、数据存储模块的数据读写、时钟模块的输出、LCD显示模块的数据显示程序、USB接口驱动程序等。图3所示是下位机软件流程图。
2通信协议设计
通信协议是网络正常工作必不可少的，主要是对计算机和节点终端设备间通信帧格式进行具体的规范与统一，例如确定帧长度、命令字意义、参数长度、帧起始标志、结束标志等。本设计中的具体帧格式规定为每帧数据23字节，其中起始位1字节，固定为Oxaa；分机号1字节，可设置范围为0～255；命令1字节，包括5个命令：OxOf、Ox2f、Ox4f、Ox8f、Oxaf，依次为发送数据命令、写数据命令、时间设置命令、功率设置命令、写分机号；数据17字节，包括标签数据12字节和时间数据5字节；CRE校验采用CRC—16，共2字节，是起始位到数据位之间所有数据的CRC校验值；停止位1字节，固定为Ox55。
本系统通过RS485总线实现上位机与下位机之间的通信。计算机根据分机号选择不同节点的终端设备，选择命令代码可实现各命令和数据部分的操作响应（“0”标识操作失败，“1”标识操作成功）、相关参数（如时间设置命令中的时间参数）或返回具体数据（如标签数据和时间数据）。
3数据的完整性设计
在数据的传输中，不管是阅读器和电子标签之间的无线通信，还是阅读器与应用系统之间的通信，都难免会遇到干扰而使数据发生改变，这是在通信中极不愿意但又无法避免的情况，为此，数据的接收方都必须对接收的数据进行检验，以用来识别传输错误。一般的校验有奇偶校验法、纵向冗余校验（LRC）法和循环冗余码校验（CRC）法。
奇偶校验法和LRC法由于其算法都比较简单，所以只能校验很小的数据块，而且对同一数据块内的字节顺序的互换，它们是无法检验出来的，因此，本文对数据块采用的校验法为CRC法。CRC法原来用于磁盘驱动器中的数据校验，能够以很大的可靠性识别传输错误，但不能校正错误。CRC法的计算是一种循环过程。所以，CRC的计算包括了要计算其CRC值的数据字节以及前面数据字节的CRC值，数据块中每一个被校验过的字节都用来计算整个数据块的CRC值。
当一数据块被传论文导读：
输时，发送方计算数据的CRC值，并将此值附在数据块后一起传输，接收方则计算接收数据（包括附加的CRC字节）的CRC值，然后判断结果是否为零。如果为零，说明数据无误，否则，说明数据传输发生错误。
4结论
由于RFID车辆信息交换系统中的射频模块设计是其最基本的部分，设计时不仅要采集精准的交通信息，而且还要将控制中心的信息传给车辆，因此，此模块不仅要进行软硬件的基本设计，还要考虑交通信息的巨大信息量与快速性，同时还要进行标签的防碰撞设计。
参考文献
宁焕生.RFID重大工程与国家物联网[M].北京：机械工业出版社，2012.
游战清.无线射频识别技术（RFID）理论与应用[M].电子工业出版社，2004.
[3] 刘云卿.基于RFID的车辆识别系统的设计与实现[D].吉林：吉林大学，2009.
[4] 汪建强.基于RFID的城市道路车辆监控系统的设计研究[D].济南：山东大学，2009.
[5] 方维松.射频技术在高速公路车辆源于：论文www.7ctime.com
监控及运营管理中的应用[J].国外电子测量技术， 2010（3）：76—78.
[6] 詹艳军，杨笔锋.基于RFID的智能车辆管理系统[J].微计算机信息，2010（5）：174—176.
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[9] 李刚，曾锐利，林凌.基于射频识别技术的智能交通系统[J].信息与控制，2006，35（5）：28—31.