CN103077366B - 多通道数据接口射频识别装置及数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种多通道数据接口射频识别装置及数据传输方法。包括射频模块、采集模块和电源。射频模块包含天线、射频前端、微控制器A、存储A和时钟A，采集模块包含存储B、微控制器B、时钟B、模数转换、模拟接口和数字接口。数据传输方法包括射频模块初始化，在定时发送周期内，读取指定通道数据，加载标签数据包并发送数据，若需要应答则等待接收应答数据，若接收到应答数据，判断是否有未发送数据与是否有时间重发，条件满足则发送暂存数据并重复执行相关程序；方法中还包括采集模块初始化，读取指定通道数据，暂存通道数据及重复执行。本发明有效解决了利用RFID对多个通道数据的采集与实时传输问题。

Description

多通道数据接口射频识别装置及数据传输方法

技术领域

本发明涉及的是一种射频识别（RFID，Radio Frequency IDentification）装置及数据传输方法。

背景技术

RFID技术是一种非接触的自动识别技术，它通过使用射频电子设备发射射频信号，并通过射频信号的空间耦合来自动识别目标对象并获取相关数据，同时可以将新的信息写入目标对象的标识设备。RFID系统主要由读写器、电子标签、外部终端等构成，一般分为有源系统和无源系统。有源系统中，读写器的主要功能是通过天线接收电子标签发射的射频信号，进行滤波、解调、放大、解码和译码处理，实现对标签内存储的固定数据与标签数据区内数据的读取，以及通过外部终端发送相关控制命令或数据信息，完成标签的各种功能控制与相关数据的修改。

RFID技术的应用已深入到各个领域，如身份验证、防伪防盗、移动目标的识别与跟踪，并普及到了各个行业，如物流、车辆与交通管理、产品过程监控等。随着互联网及其它信息产业的迅速发展，RFID技术的应用变得越来越广泛和深入。

RFID技术比其它无线通信技术具有更大的优越性，如易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制，识别过程无需人工干预，可自由工作在各种恶劣的环境下，识别距离按频率划分具有多样化特点等。随着互联网及其它信息产业的迅速发展，尤其是物联网概念的提出，RFID作为其主要支撑技术之一，其应用变得更加广泛和深入，并摆脱简单的认证技术的束缚，逐渐成为一种动态实时信息采集与传输的有力工具。

近年来，大量的传感器型标签已成功应用于多种行业，如温度标签、湿度标签、气体浓度标签、震动标签等，然而这些具有信息采集功能的标签仅仅包含有一个数据采集接口，同时对采集数据的传输实时性与连续性一般要求不高。事实上，信息传输的实时性与连续性是极为重要的，如果能够利用RFID标签采用无线的方式，实时的、连续的传输更多传感器等类型的信息，那么将会进一步扩大RFID的应用领域，同时给众多RFID应用带来极大地便利，实现RFID技术上的重要突破，如RFID系统应用于煤矿安全中，井下各种环境信息的采集目前均主要使用单独的设备人工进行采集，成本高且效率低下，如果能够利用RFID技术将多种传感器信息利用无线模式进行实时的、连续的传输与监控，那么将降低大量的成本，并较大幅度的提高工作效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效地实现利用RFID进行多通道数据传输的实时性与连续性的多通道数据接口射频识别装置。本发明的目的还在于提供一种基于硬件存储与软件应答模式的数据传输方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的多通道数据接口射频识别装置包括射频模块单元、采集模块单元和电源单元；

所述射频模块单元包含天线单元、射频前端单元、微控制器A单元、存储A单元和时钟A单元；天线单元用以匹配特定的系统频率，完成无线射频信号的收发功能；射频前端单元受到微控制器A的控制，完成射频信号的编码、译码、滤波等功能；时钟A单元为微控制器A提供准确的外部时钟；存储A单元受到微控制器A的控制，完成特定数据的存储功能；

所述采集模块单元包含存储B单元、微控制器B单元、时钟B单元、模拟接口单元和/或数字接口单元；时钟B单元为微控制器B提供准确的外部时钟；存储B单元受微控制器B的控制，完成数据的存储功能；外部模拟信息和/或数字信息通过对应模拟接口和/或数字接口进行连接，形成数据通道；

所述射频模块单元利用微控制器A连接采集模块单元微控制器B，电源单元分别连接射频模块单元与采集模块单元，以提供稳定的直流电压。

本发明的多通道数据接口射频识别装置还可以包括：

1、采集模块单元包含模拟接口单元，模拟接口单元至少包含一个模拟接口。

2、采集模块单元包含模拟接口单元，采集模块单元还包含模数转换单元，模数转换单元至少包含一个通道的A/D转换器。

3、采集模块单元包含数字接口单元，数字接口单元至少包含一个数字接口。

4、射频模块单元中微控制器A单元与采集模块单元中微控制器B单元通过标准的串行外设接口总线（SPI）、异步接收/发送器（UART）或自定义数据接口等进行数据传输。

5、射频模块单元中微控制器A单元与采集模块单元中微控制器B单元包含必要的外围电路。

基于本发明的多通道数据接口射频识别装置的数据传输方法，

其中射频模块单元主要包括如下步骤：

（1）初始化微控制器A；

（2）初始化射频前端，进入定时发送模式；

（3）在定时发送周期内，首先读取指定的一个或若干个通道数据；

（4）加载待发送的标签数据包，并发送射频数据；

（5）如果通道数据不需要应答，则进入间歇休眠，唤醒后重复步骤（1）；

（6）如果通道数据需要应答，则设置为接收模式等待应答数据；

（7）如果接收到应答数据，判断是否有未发送数据，如果没有，则执行步骤（5）；

（8）如果接收应答数据超时，则暂存数据，判断是否有时间发送，如果没有，则执行步骤（5），如果有，则设置为发送模式，并发送暂存数据，并重复执行步骤（6）；

射频模块单元包含的上述步骤中，如果在步骤（4）至步骤（5）的过程中接收到上位机命令，则进行命令处理；

其中采集模块单元主要包括如下步骤：

（9）初始化微控制器B，并初始化通道端口；

（10）读取指定通道端口数据；

（11）暂存通道数据，重复执行步骤（10）。

采集模块单元包含的上述步骤中，如果在步骤（10）至步骤（11）的过程中接收到数据发送命令，则发送指定通道数据，并返回；其中，数据发送命令由射频模块单元在执行其步骤（11）时提供。

本发明的有益效果是：与其它同类RFID装置及方法相比，通过在装置结构上的本质改进，并结合特定的数据通信策略，有效解决了利用RFID对多个通道数据的采集与实时传输问题。装置中采用软件应答的方式判断待传输的数据是否存在丢失，并通过硬件存储的方式将丢失数据暂存，在可重发时隙内予以重发补偿，有效地实现利用RFID进行多通道数据传输的实时性与连续性。

附图说明

图1是本发明的多通道数据接口射频识别装置的结构原理图；

图2是实施例1的多通道数据接口射频识别装置示意图；

图3是实施例2的多通道数据接口射频识别装置示意图；

图4是发明的数据传输方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，多通道数据接口的RFID装置，包括一个射频模块单元101、一个采集模块单元102和一个电源103单元。

射频模块单元包含一个天线单元1011，一个射频前端单元1012，一个微控制器A单元1013，一个存储A单元1014和一个时钟A单元101。

采集模块包含一个存储B单元1021，一个微控制器B单元1022，一个时钟B单元1023，一个模数转换（A/D）单元1024，一个模拟接口单元1025和一个数字接口单元1026，采集模块包含至少一个模拟接口单元或一个数字接口单元。

射频模块单元利用微控制器A连接采集模块单元微控制器B，电源单元分别连接射频模块单元与采集模块单元，以提供稳定的3.3V、5V等直流电压。

射频模块单元中，天线单元用以匹配特定的系统频率，完成无线射频信号的收发功能；射频前端单元受到微控制器A的控制，完成射频信号的编码、译码、滤波等功能；时钟A单元为微控制器A提供准确的外部时钟；存储A单元受到微控制器A的控制，完成特定数据的存储功能；

采集模块单元中，时钟B单元为微控制器B提供准确的外部时钟；存储B单元受到微控制器B的控制，完成特定数据的存储功能；采集模块若包含模拟接口单元，则模拟接口单元至少包含一个模拟接口，至多不限；采集模块若包含模拟接口单元，当微控制器B中不具备符合应用要求的A/D转换模块时，那么采集模块包含一个A/D转换单元，其特征是A/D转换单元至少包含一个通道的A/D转换器；采集模块若包含数字接口单元，则数字接口单元至少包含一个数字接口，至多不限；采集模块中模拟接口单元或数字接口单元中，若干外部模拟信息或数字信息通过对应模拟接口或数字接口进行连接，形成若干数据通道；

射频模块单元微控制器A与采集模块单元微控制器B通过标准的串行外设接口总线（SPI）、异步接收/发送器（UART）或自定义数据接口等进行数据传输并包含必要的外围电路，如自定义的数据接口可以采用四线形式，微控制器A与微控制器B利用通用I/O管脚进行连接，四线分别定义为电源、地、数据线、控制线。

射频模块单元可实现RFID标签的基本功能，其中天线可以采用PCB印制板天线、特殊规格的独立天线等，射频前端与微控制器A可以是独立的也可以是集成的。射频模块单元中，时钟A可为微控制器A提供实时时钟晶振及微控制器外部时钟晶振，特殊情况下，可以使用微控制器内部时钟晶振而省略微控制器外部时钟晶振。存储A可为射频模块单元提供必要的数据存储空间，并受到微控制器A的控制，特殊情况下，如果微控制器A内部存储空间足够，存储A可以省略。

采集模块单元可完成多个通道的数据信息采集、存储与传输功能，其中时钟B为微控制器B提供实时时钟晶振及微控制器外部时钟晶振，特殊情况下，可以使用微控制器内部时钟晶振而省略微控制器外部时钟晶振。存储B为采集模块单元提供必要的数据存储空间，并受到微控制器B的控制，特殊情况下，如果微控制器B具备足够的内部存储空间，存储B可以省略。

采集模块单元中，如果包含有模拟信息通道，需要满足实际应用所要求的A/D转换精度，当微控制器自带A/D模块不能满足要求时，需要配置A/D转换器，该A/D转换器芯片的通道个数要依据实际应用情况选择。

在该装置中，微控制器A与微控制器B可选用相同的微控制器型号，也可以选用不同的微控制器型号。依据实际应用情况，需要适当的选择微控制器以满足数据处理的要求，通常采集模块处理的信息较射频模块复杂一些，可适当选择更高性能的微控制器。

下面结合实施例对该装置进行更详细的说明。

实施例1

如图2所示，射频模块单元201中，射频前端单元2012选用中心工作频段为2.45GHz的射频收发芯片nRF24L01+，微控制器A单元2013选用C8051F320微控制芯片，存储A单元2014选用AT24C04存储芯片，时钟A单元选择频率为32.768KHz的晶振为微控制器提供准确的实时时钟频率，并使用微控制器A内部时钟晶振。

采集模块单元202中，存储B单元2021选用AT24C04存储芯片，微控制器B单元2012选用C8051F320微控制芯片。时钟B单元2023选择频率为32.768KHz的晶振为微控制器提供准确的实时时钟频率，并使用微控制器B内部时钟晶振。

两个模块中的C8051F320通过普通I/O管脚采用自定义四线制通信方式相互连接，完成通道数据的传输，四线分别定义为电源、地、数据线、控制线。

实例中包含有三个模拟通道及三个数字通道，其中模拟通道中模数转换单元2024中选用四通道16bit A/D转换芯片ADS8343EB对三个模拟通道进行模数转换。

模拟接口单元2025和数字接口单元2026分别由采集模块中C8051F320提供通用I/O管脚。

电源模块203为整个电路提供稳定的3.3V及5V的工作电压。

实施例2

如图2所示，射频模块单元301中，射频前端单元与微控制器A单元集成为微控制器A单元3012，并选用中心工作频段为2.45GHz的集成微控制器的射频收发芯片nRF24LE1，利用微控制器A内部存储空间对数据进行暂存，时钟A单元3013选择频率为32.768KHz的晶振为微控制器A提供准确的实时时钟频率，并使用微控制器A内部时钟晶振。

采集模块单元302中，存储B单元3021选用AT24C04存储芯片，微控制器B单元3012选用C8051F350微控制芯片。时钟B单元3023选择频率为32.768KHz的晶振为微控制器B提供准确的实时时钟频率，并使用微控制器B内部时钟晶振。

nRF24LE1与C8051F350通过普通I/O管脚采用自定义四线制通信方式相互连接，完成通道数据的传输，四线分别定义为电源、地、数据线、控制线。

实例中包含有三个模拟通道及三个数字通道，这里省略外部模数转换单元，利用C8051F350内部包含的八通道16bit模数转换单元，对三个模拟通道进行模数转换。

模拟接口单元3025和数字接口单元3026分别由采集模块中C8051F350提供通用I/O管脚。

电源模块303为整个电路提供稳定的3.3V及5V的工作电压。

如图4，以实施例2为例说明该发明的数据传输方法。

在射频模块单元中，模块上电后首先初始化集成8051系列微处理器的无线射频收发芯片NRF24LE1，其中包括射频基本参数设置及微控制器引脚等基本设置，之后设置模块为射频发送模式，进入一个定时模式，该定时功能可由芯片内部看门狗等具体实现，时间间隔则依据实际应用情况予以确定，这里以每一秒发送一次数据为例。在发送周期内的一秒间隔里，首先读取指定通道的数据，实例中的实施方法是当读取某个通道的数据时，首先置位四线制接口中的控制线，并在数据线上发送命令，等待接收数据，该数据可以循环接收各个端口，也可以多个端口数据同时接收，根据实际应用协议而定。

当接收到数据采集模块发送来的数据之后，将标签的基本信息数据和多个端口的采集数据打包成为有效地待发送数据载荷，并发送射频信号。

如果不需要接收应答，则直接进入休眠模式，定时自动唤醒后重新启动软件程序。

如果需要接收应答，则设置为射频接收模式，限时接收应答信号，如果在限定的时间内没有接收到应答信号，表明该数据丢失，将数据存储到缓存区域，如果在限定的时间内接收到应答信号，判断当前是否存在未发送的数据，即丢失的数据，如果没有，则进入休眠模式，如果存在未发送数据，判断当前是否有时间重发，如果没有，则直接进入休眠模式，如果有，则设置为射频发送模式，发送射频信号，并循环执行至等待应答信号的步骤，并在限定的时间内，尽可能的将未发送的射频数据重发。

在采集模块单元中，模块上电后首先初始化微处理器C8051F350，并初始化通道端口，根据实际应用分配适当的端口引脚，之后循环读取特定通道数据并缓存，使得存储空间内保持为最新的通道数据。当采集模块单元微处理器接收到射频模块单元微处理器发送的控制信号时，产生中断，并接收四线制接口中数据线上的数据信息，根据命令发送相应端口数据，当中断处理结束后重新执行读取通道端口的操作。

该数据传输方法不仅实现了多通道数据的采集与传输，更主要的考虑了数据丢失使得上位机接收到的信号不连续的情形，利用适当的通信协议设置数据格式，上位机端进行数据分析与处理后，可获得实时的、连续的数据信息。

上所述的软硬件实施范例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围，并不局限为这样的特别陈述和实施范例。凡是根据上述描述做出的各种可能的等同替换或者改变，均被认为属于发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于多通道数据接口射频识别装置的数据传输方法，所述多通道数据接口射频识别装置包括射频模块单元、采集模块单元和电源单元；

所述射频模块单元包含天线单元、射频前端单元、微控制器A单元、存储A单元和时钟A单元；天线单元用以匹配特定的系统频率，完成无线射频信号的收发功能；射频前端单元受到微控制器A的控制，完成射频信号的编码、译码、滤波等功能；时钟A单元为微控制器A提供准确的外部时钟；存储A单元受到微控制器A的控制，完成特定数据的存储功能；

所述采集模块单元包含存储B单元、微控制器B单元、时钟B单元、模拟接口单元和/或数字接口单元；时钟B单元为微控制器B提供准确的外部时钟；存储B单元受微控制器B的控制，完成数据的存储功能；外部模拟信息和/或数字信息通过对应模拟接口和/或数字接口进行连接，形成数据通道；

所述射频模块单元利用微控制器A连接采集模块单元微控制器B，电源单元分别连接射频模块单元与采集模块单元，以提供稳定的直流电压；

其特征是：

射频模块单元主要包括如下步骤：

(1)初始化微控制器A；

(2)初始化射频前端，进入定时发送模式；

(3)在定时发送周期内，首先读取指定的一个或若干个通道数据；

(4)加载待发送的标签数据包，并发送射频数据；

(5)如果通道数据不需要应答，则进入间歇休眠，唤醒后重复步骤(1)；

(6)如果通道数据需要应答，则设置为接收模式等待应答数据；

(7)如果接收到应答数据，判断是否有未发送数据，如果没有，则执行步骤(5)；

(8)如果接收应答数据超时，则暂存数据，判断是否有时间发送，如果没有，则执行步骤(5)，如果有，则设置为发送模式，并发送暂存数据，并重复执行步骤(6)；

射频模块单元包含的上述步骤中，如果在步骤(4)至步骤(5)的过程中接收到上位机命令，则进行命令处理；

采集模块单元主要包括如下步骤：

(9)初始化微控制器B，并初始化通道端口；

(10)读取指定通道端口数据；

(11)暂存通道数据，重复执行步骤(10)；

采集模块单元包含的上述步骤中，如果在步骤(10)至步骤(11)的过程中接收到数据发送命令，则发送指定通道数据，并返回；其中，数据发送命令由射频模块单元在执行其步骤(11)时提供。