软件无线电RFID教学实验平台

分类：软件开发论文发表 时间：2020-11-14 09:32 关注：(1)

　　射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术作为一种安全、可靠、低成本、适用性广的非接触式识别技术，已被广泛引用于多个产业和领域，并成为构建物联网的关键技术。在RFID技术越来越受到人们的关注，产业潜力逐渐凸显的当下，为高校提供直观便利、功能完备的RFID教学实验工具成为广泛存在的需求。基于EPCRFIDG2UHF（v2.0.1）协议，通过USRP和LabVIEW的软件无线电平台，设计并开发了一个用户界面友好、功能齐全的RFID教学实验平台，满足高校实验教学的需要，也可作为RFID协议研究、功能拓展的软件无线电模板。

　　［关键词］RFID；USRP；LabVIEW；教学实验平台

　　一、引言

　　射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，以下简称RFID）是一种利用射频信号自动识别目标对象、获取相关信息的技术。作为构建“物联网”的关键技术，它被运用于越来越多的行业以提高物流效率和服务水平。随着相关领域在国内的不断发展，RFID教学实验平台的建设也成为实际的需求。现今，已有不少研究者发表了软件无线电实现RFID系统的相关成果，主要有以下方面：文献[1]论证和分析了通过软件无线电实现RFID读写器的可行性和系统框架；通过软件无线电实现读写器以验证RFID中的一些研究内容，如文献[2]验证了对防碰撞算法进行改进的有效性，文献[3]验证了一种对标签测距算法的有效性；通过软件无线电实现具有特定功能的读写器，如文献[4，5]实现了具有对标签定位功能的RFID读写器；文献[6-9]通过软件无线电实现RFID的标签测试设备；文献[10-12]通过软件无线电实现RFID的物理层基带传输；文献[13，14]通过软件无线电实现开放式的RFID读写器；文献[15，16]通过软件无线电实现RFID读写器、标签，形成统一的使用平台。本文主要通过USRP-2922和LabVIEW的软件无线电平台，基于EPCRFIDG2UHF协议标准，实现了功能完备的RFID教学实验平台，它也可作为RFID协议的软件无线电相关项目的开发模板。与上述研究者所开发的RFID系统相比，具有以下的特点和优势：完整实现读写器与标签；应用目标明确，实用性较强；程序功能较为丰富，有丰富的控制接口与展示面板。

　　二、RFID系统及其协议

　　（一）RFID系统

　　RFID系统由读写器和标签两大硬件实体及其相应的软件构成。读写器属于有源器件，负责对标签进行数据的读写，并对无源电子标签进行供电。最常见的标签为无源标签，它具有成本低、体积小的优点。根据读写器对无源标签的供电方式的不同，使用无源标签的RFID系统可分为磁耦合式与电磁波反射式两种。其中更常用的是电磁波反射式系统（如图1所示），标签通过接收读写器的电磁波来为自己供电，双方通过电磁波的振幅调制来通信。

　　（二）EPCRFIDG2UHF协议

　　EPCRFIDG2UHF是EPCglobal制定的超高频段射频识别空中接口的第二代协议标准。协议规定了860MHz-960MHz频段内读写器与无源标签的半双工通信标准、无源标签的内部工作逻辑。协议的物理层部分规定，读写器到标签的调制方式为DSB-ASK、SSB-ASK或PR-ASK，波形编码为脉冲间隔编码；标签到读写器的调制方式ASK或PSK，采用的波形编码为FM0或MillerSubcarrier。协议的逻辑层部分规定，标签中有Reserved、EPC、TID、USER四块非易失性存储区，有ready、arbitrate、reply、acknowledged、open、secured、killed七种状态，有盘存标志S0、S1、S2、S3以及选择标志SL。不论是对标签进行读、写还是锁定等操作，读写器都必须先经过一系列的命令来识别标签，使其处于open或secured状态，这个过程如图2所示。

　　三、USRP和LabVIEW的软件无线电平台

　　（一）USRP

　　USRP全称UniversalSoftwareRadioPeripheral即通用软件无线电外设，是由NationalInstruments（以下简称NI）及其子公司EttusResearch研发和销售的一系列软件无线电产品，是目前最主流的软件无线电硬件平台之一，其内部逻辑结构如图3所示。

　　（二）LabVIEW

　　LabVIEW全称LaboratoryVirtualInstrumentEngi-neeringWorkbench，是由NI公司研制开发的一种程序开发环境，与其他程序开发环境的显著区别是，它使用图形化的形式来编写程序，产生的程序以框图来呈现。使用LabVIEW开发平台编写的程序称为虚拟仪器（VirtualInstrument，以下简称VI）程序。LabVIEW由于其开发周期短、驱动和函数多样、数据处理方便等特点，被广泛应用于测试测量、控制、仿真等领域。NI公司也为LabVIEW提供了USRP的相关驱动，通过简单的几个VI即可完成USRP的初始化设置、信号发送、信号接收等过程。

　　四、RFID教学实验平台的设计与实现

　　（一）系统设计方案

　　本系统的设计方案如图4所示。上位机中运行LabVIEW程序，程序在逻辑上可划分为用户控制、模拟读写器、模拟标签三个部分，其中模拟读写器负责实现RFID协议中读写器的物理层与逻辑层处理，模拟标签负责实现RFID协议中标签的物理层与逻辑层处理，而用户控制与界面部分则负责用户对程序的交互控制与物理层波形、逻辑层收发情况等内容的展示。LabVIEW程序中的模拟读写器与模拟标签通过千兆以太网口，分别与两台USRP-2922相连接，完成接收端基带数据、发送端基带数据的传递。USRP-2922通过其射频模块，实现基带信号的空口接收和发送。此外，除了无线信道以外，用户也可选择软件模拟信道来运行程序。

　　（二）模拟读写器与模拟标签

　　模拟读写器与模拟标签是程序中的核心模块，他们的逻辑流程图分别如图5和图6所示。

　　五、实际测试

　　首先，接通两台USRP-2922的电源并将它们连接起来，然后用千兆以太网光纤将其中一台USRP与上位机连接起来。然后，在上位机上打开本文所开发的LabVIEW程序，完成USRP的IP地址、各命令参数等设置后，即可运行该程序。此处，选择命令组合发送模式进行测试，使用的命令组合为Read命令组合。读写器端的物理波形、最终测试结果（总模块的局部展示）分别如图7和图8所示。

　　六、结语

　　本文介绍了RFID的主要概念及被广泛应用的EPCRFIDG2UHF协议标准，对USRP与LabVIEW的软件无线电平台进行了一定的阐述，设计并开发了以USRP-2922为射频收发设备、LabVIEW程序为上位机软件的软件无线电式RFID教学实验平台，且顺利通过了实际测试。由于时间和个人水平的限制，该平台仍有不足之处，体现在：仍有一部分较复杂的可选命令没有实现；由于以太网传输和操作系统的限制，在接收时延等方面，该平台无法满足协议的要求；读写器未专门设计多标签识别的模式，功能不够完善，等等。后续的工作可以着力于解决这些方面的问题，进一步丰富和完善其功能。

　　作者：陈翔 曾祥健 邱继云 刘敏