CN203299829U - 一种有源rfid系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于RFID技术领域，具体涉及一种有源RFID系统。本实用新型包括阅读器和标签；阅读器包括射频单元、控制单元、接口单元、CMDA模块和电源模块，其中，射频单元、接口单元和电源模块分别与控制单元相连接；标签包括射频单元、控制单元和电源模块，其中，射频单元和电源模块分别与标签控制单元相连接；其中，阅读器控制单元和标签控制单元使用MSP430芯片；阅读器控制单元使用MSP430F149，标签控制单元使用MSP430OF2001。本实用新型的技术方案及应用，解决了有源RFID系统标签的功耗高问题，并且减少了信号碰撞。

Description

一种有源RFID系统

技术领域

本实用新型属于无线射频识别（RFID）技术领域，具体涉及一种有源RFID系统。

背景技术

RFID（无线射频识别）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，具有无需接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用等多方面的优点。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。此外，通过把标签贴在具体物品上，可以实现对物品的全程跟踪和实时管理。

RFID分为有源和无源两种。无源RFID基本的工作原理是利用阅读器发射特定频率的无线电波能量，实现对进入读写范围的标签的自动识别的，即标签吸收识别器的能量然后才能工作，因此对于无源RFID也称为被动标签。对于无源RFID系统其缺点是识别距离短。有源RFID的系统多采用频段2.4GHz，2.4GHz频段是ISM免费频段，其也是有源RFID系统设计中使用较多的一个频段。有源RFID系统标签因自身携带电源，能够主动向识别器发送数据，因此它并不受阅读器的限制，识别距离很远。

但对于目前经常使用的有源RFID系统，标签在使用中能耗过大，导致标签使用寿命过短；标签信号传输中存在信号碰撞问题，致使有源RFID系统的识别率下降；并且传输距离相对较短，不能实现长距离传输限制了有源RFID系统的使用范围，并且阅读器接口也比较单一。

实用新型内容

为了优化有源RFID系统，降低标签使用中能耗过大，解决标签信号碰撞等问题，以及增加有源RFID的传输距离扩展适用范围，丰富有源RFID系统阅读器的接口；本实用新型提供了一种有源RFID系统。

本实用新型采用以下技术方案：

一种有源RFID系统，包括阅读器和标签；

所述阅读器包括射频单元、控制单元、接口单元、CMDA模块和电源模块，其中，所述射频单元、接口单元和电源模块分别与所述阅读器控制单元相连接；所述标签包括射频单元、控制单元和电源模块，其中，所述射频单元和电源模块分别与所述标签控制单元相连接；

其中，所述阅读器控制单元和所述标签控制单元使用MSP430芯片；

所述阅读器控制单元使用MSP430F149，

所述标签控制单元使用MSP430OF2001。

进一步，所述的一种有源RFID系统，所述阅读器的射频单元包括射频子单元和匹配电路，

其中，所述射频子单元与控制模块相连接，所述匹配电路与射频子单元相连接；

所述标签的射频单元包括射频子单元、匹配电路和PCB天线，

其中，所述射频子单元与标签控制单元相连接，所述匹配电路与所述射频子单元和PCB天线分别相连接。

进一步所述的一种有源RFID系统，所述阅读器的射频子单元采用NRF2401AG芯片；

所述标签的射频子单元采用NRF2402芯片。

进一步，所述的一种有源RFID系统，所述阅读器的所述接口单元包括USB接口、UART和CDMA模块；

其中，所述USB接口与阅读器控制单元相连接；

所述UART分别与阅读器控制单元和CDMA模块相连接。

进一步，所述的一种有源RFID系统，所述USB接口采用CP2102芯片。

进一步，所述的一种有源RFID系统，所述CDMA模块采用MC703芯片。

进一步，所述的一种有源RFID系统，所述标签的所述电源模块采用纽扣电池进行供电。

本实用新型所采用的技术方案，由于MSP430的低电压、超低功耗，等待方式下工作电流低，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA等特点；及NRF2402的工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，体积小，功耗低等特点，降低了标签使用中的功耗，进而延长了标签的使用寿命。

并且，由于本实用新型阅读器射频单元采用NRF2401AG，标签射频单元采用NRF2402有效的解决了标签信号碰撞问题，实现了多标签的同时识别。并且，因增加了USB接口、UART及CMDA模块，扩展了有源RFID系统阅读器的接口，丰富了阅读器的数字接口，便捷数据的传输，也同时提高了传输距离，扩展了应用范围。

附图说明

图1为本实用新型的有源RFID系统原理示意图。

图2为本实用新型实施例中各个具体模块原理示意图。

图3为本实用新型的标签射频子单元和匹配电路原理示意图。

图4为本实用新型的标签射频单元的PCB天线示意图。

图5为本实用新型的标签控制单元电路原理示意图。

图6为本实用新型的阅读器射频子单元和匹配电路原理示意图。

图7为本实用新型的阅读器控制单元电路原理示意图。

图8为本实用新型的阅读器CDMA模块电路原理示意图。

图9为本实用新型的阅读器CDMA中RUIM卡电路原理示意图。

图10为本实用新型的阅读器电源模块电路原理示意图。

图11为本实用新型的有源RFID系统应用示意图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种有源RFID系统，包括阅读器和标签。其中阅读器包括射频单元、控制单元、接口单元、CMDA模块和电源模块；标签包括射频单元、控制单元和电源模块。下面结合附图并通过具体实施方式进一步对本实用新型进行更加清楚与完整的阐述，以期使对本实用新型的说明与描述更加详尽。

实施例如下

本实施例中，在对各个模块单元所应用芯片进行说明的基础上进而对本实用新型的主要模块进行说明。下面将结合附图逐一对各个具体模块的芯片应用进行说明，但对于本实用新型中芯片的采用及各个芯片参数的设定并不仅限于在本实施例中所举例，根据本实用新型的具体应用方式和环境可适当做相应的调整。

如图2所示，本实用新型主要模块和单元组成示意图。其中阅读器包括CDMA模块、UART、USB接口、电源模块、匹配电路、射频子单元和控制单元；标签包括匹配电路、射频子单元、控制电路和电源模块。

结合本实用新型示意图例，其中图3至图5为标签主要单元或模块所采用芯片电路原理示意图。

图3为本实用新型的标签射频子单元芯片和匹配电路原理示意图。

如图3所示，U1为射频子单元的NRF2402芯片，其中电感L1、电容C1与C19组成第一滤波电路；电感L6、电容C11与C20连接组成为第二滤波电路。晶振X1、电阻R6、电容C12与电容C13相互连接组成晶振电路，其中晶振X1的时钟频率为16MHz，电阻R6=1M，电容C12=C13=12pF。NRF2402芯片引脚1-4为芯片的数字接口(SPI)，这些引脚直接和控制芯片相连；引脚9-12为射频端引脚，电源输出端VDD_PA与三个滤波电容相连接，其值为电容C2=2.2nF，电容C3=4.7pF，电容C21=1nF。其它匹配元件值为电容C4=1.0pF，电感L2=10nH，电感L3=3.3nH，电容C10=2.2pF，电感L4=1.8nH，电容C5=4.7pF，电容C6=1.5nH，电容C8为预留的匹配口。

采用此种芯片的标签射频子单元产生2.4GHz频段的波，其中图3中的匹配电路与射频子单元芯片相连接，二者组成射频单元。匹配电路实现对标签射频子单元进行优化与匹配。

图4为本实用新型的标签射频单元的PCB天线示意图。

标签所匹配的天线用来发射标签射频单元发射的2.4GHz频段的波。如图4所示，PCB天线的示意图。PCB天线长度为28mm宽度为1.8mm，厚度为0.036mm；馈电阻抗为50欧姆，板材介质为FR4，节点常数为4.8，板厚为1.0mm。系统中PCB天线用于发射射频子单元和匹配电路所产生的2.4GHz的波。上述对天线所做的说明对本实用新型来说并不仅限于此，根据系统实际应用环境可做出相应调整设计。

图5为本实用新型的标签控制单元原理示意图。

如图5，U2为标签控制单元所采用的芯片MSP430F2001，MSP430F2001具有低功耗体积小的特点。MSP430F2001的2-6引脚作为数字引脚与射频子单元NRF2402相连接，并对标签射频单元进行控制。排针座J1与芯片MSP430F2001相连接，用来给芯片下载程序。控制单元用来对标签进行控制，为了实现相应的功能及所应用的实际环境可对芯片MSP430F2001植入相应的程序。

标签的控制单元、射频单元需要对其进行供电。标签的电源模块与控制单元和射频单元分别相连接，并由2块CR3032纽扣电池提供。图5中使用电容C14-电容C18与标签电源相连接，对其进行滤波；其中钽电容C14为10uF，余下的按照阅读器电源模块中的说明取值。电源模块的存在主要是对标签进行供电，保证标签的正常工作。

在对标签的主要模块和单元及各模块连接方式进行说的基础上，下面对阅读器主要模块与单元进行说明与描述。结合本实用新型示意图例，其中图6至图10为阅读器主要单元或模块的芯片的原理示意图。

图6为本实用新型的阅读器射频子单元和匹配电路原理示意图。

阅读器射频子单元与匹配电路用于感应接收标签所发射的2.4GHz频段的波，并读取其记载的信息。

如图6所示，U2射频子单元NRF2401AG和匹配电路。晶振X2与电容C41、电容C42及电阻R38相连接，组成时钟晶振，其提供16M的时钟。这样射频单元的数据传输率可以高于控制单元的数据率，其中电阻R38=1M，电容C41=电容C43=22pF。电感L6、电感L5、电感L4和电容C35、电容C36、电容C37组成NRF2401AG的射频通路，它们完成射频匹配功能，最终把输出阻抗匹配为50欧姆，即标准的SMA插件J2的输出点阻抗为50欧姆。其中电容C39=2.2nF、电容C40=4.7pF和电感L7=8.2nH相连接组成输出端VDD_PA的滤波电路。匹配电路元件值为：电感L6=4.7nH，电容C35=0.5pF，电感L5=5.6nH，电感L4=5.6nH，电容C36=2.2pF，电容C37=1.0pF。

采用NRF2401AG的射频子单元与匹配电路相连接，二者组成射频单元，用于提供对外的天线接口，提供50欧姆射频接口。射频单元感应读取标签所发出的2.4GHz频率波段的波所传输的信息。然后把此信息进行处理传送给服务器端，进而识别标签信息。

图7为本实用新型的阅读器控制单元原理示意图。

如图7所示，U9为阅读器控制单元芯片MSP430F149，VCC3V3由电源模块提供供电。电感L2、电容C31和电容C34相连接组成滤波电路，使得对控制模块的供电保持稳定。晶振X1、电容C29、电容C30组成晶振单元，晶振单元与芯片MSP430F149相连接，为控制单元提供时钟；其中晶振时钟为8MHz，电容C29=电容C30=12pF。其它的接口包括程序下载口(JTAG口)RST/NMI、TCK、TMS、TDI、TDO/TDI。DATA1、CLK11、DR11、CS1、DOUT21、CLK21、DR21、CE1、POW_UP1为射频单元接口。3GP_EN、3G_MWKUP、3G_RESET、3G_TERM_ON、3G_TXD、3G_RXD、3G_HWKUP为3G模块接口。UART接口为URXD0和UTXD0，ALERT为阅读器接收指示接口。

阅读器控制单元利用在设计过程中在控制单元芯片中植入的程序实现对阅读器的控制。根据具体应用的需要，在出厂设置中可对阅读器控制单元芯片植入相应的程序，以此满足不同的应用需求。控制单元实现对阅读器的控制，调整阅读器的工作状态等，使阅读器能够正常工作。

图8为本实用新型的阅读器CDMA模块电路原理示意图，图9为本实用新型的阅读器CDMA中RUIM卡电路原理示意图。

如图8所示，为CDMA模块。由于控制模块没有USB接口，因此设计中通过UART口与CDMA模块相连接，通过UART实现对CDMA模块的控制。如图8中的3G_RXD和3G_TXD，此外通过数字接口控制CDMA模块：3G_REST为模块的复位端，3G_TERM_ON为模块的开机端，3G_MWKUP为模块唤醒端，3G_HWKUP为模块唤醒控制芯片接口。

图9所示，阅读器CDMA中RUIM卡的电路原理示意图。图9中U6为RUIM卡槽，通用的RUIM卡有5个接口，包括CLK，RST，VREG，IO，GND。为了防止静电，使用ESDA6V1-5P6芯片来实现。

CDMA模块的存在扩展了阅读器的接口及连接方式。通过CDMA，可以实现阅读器与服务器端的无线连接，使得阅读器与服务器端的数据传输更加自由与灵活。

为了实现对阅读器的应用的扩展，方便阅读器与其他外部设备的连接，本实用型中还包括USB接口及UART。其中，UART还与CDMA模块连接，用于对CDMA模块提供一个外部接口，进一步实现对CDMA模块的控制。USB接口及UART的存在，极大的丰富了阅读器的外部接口

图10为本实用新型的阅读器电源模块电路原理示意图。

如图10所示，阅读器电源模块。因为整个阅读器系统需要两种以上的电源，所以电源模块采用两款芯片TPS39020和AMS1117。TPS39020是一个电源开关芯片，它的负载能力大但是输出波形不好，因此它的输入输出端都使用较多的滤波电容(电容C2-电容C5，电容C6-电容C8)来提高电源质量，电阻R3、电阻R4和电阻R6与芯片TPS39020相连接为输出电压的调整电阻，通过调整它们的值可以改变芯片的输出电压值。TPS39020的主要作用是提供CDMA模块的3.8V电压(电阻R3=320欧姆，电阻R4=1M，电阻R6=200K)。同时，控制模块通过3GP_EN接口与芯片TPS39020相连接，用来对CDMA模块的电源进行控制。芯片AMS1117是高性能LDO，它外围电路简单，输出电压波形好，通过AMS1117输出3.3V电压为控制单元和射频单元提供稳定的电压。电容的阻抗与频率成反比，所以通过电容可以滤除交流的纹波。为了滤除不同频率的纹波，采用多级电容滤波，采用0.1uF、10nF、100pF，在图10中如果使用三级则使用上面三个值，如果使用两级则使用前两个值。同时为了防止浪涌，在电源的输入和输出端都添加了钽电容，电容C6=220uF，电容C3=220uF，电容C21=47uF。

优选的，阅读器的射频芯片采用Nodic的NRF2401A，标签的射频芯片采用NRF2402。此两种芯片具有体积小功耗低的特点，工作频段2.4GHz～2.524GHz。阅读器的处理器采用低功耗低成本的MSP430F149，它的主频达到8MHz，提供两路UART接口和其它数字接口。标签的处理器采用MSP430F2001，它具有低功耗的特点，引脚满足标签需求。对于阅读器芯片及标签芯片的采用并不仅限于此，根据实际产品设计需要可做出相应调整。

优选的，CDMA模块使用是华为的MC703，它是工业级的CDMA2000模块，功能丰富接口齐全，本系统中控制模块是通过UART口与MC703相连的。对于CDMA模块芯片的采用并不仅限于此，可根据具体应用环境做相应的调整设计。

优选的，射频通路在参考Nodic的射频电路部分后结合具体情形仿真得出的，并在矢量分析仪上测试通过。

优选的，标签电源模块采用松下的CR3032电池，电池总容量为500*2mAh，因此标签工作时间实际上＞3年，但对于电池的采用并不仅限于此。

采用以上芯片组装完成的2.4GHz有源RFID系统，具有体积小（76mm*65mm），接口(UART，USB，CDMA)丰富的特点。所以可以单独作为一个阅读器使用，也可以通过接口进行二次集成开发使用。本实用新型标签具有体积小(89mm*56mm)，功耗低、防碰撞功能。标签识别距离能够达到220米以上，阅读器能够同时识别150张以上的标签，标签工作电流小于40uA。

综上可以看出，本实用新型的有源RFID阅读器和标签系统具有一般有源RFID的特点；同时标签具有良好的防碰撞能力和低功耗特点，而且丰富了阅读器的数字接口；阅读器采用模块化、小型化的设计，从而整个系统可以在多种环境中得到应用。并且本实用新型标签具有自动休眠功能，进一步降低了功耗。

以上述介绍为基础，现对本实用新型的实际应用做进一步的说明与描述。本实用新型应用于出租车防伪系统，出租车管理系统的具体功能及应用方式如下：

如图11所示，有源RFID系统应用示意图。图11中，标签代表贴有标签的出租车。

（1）出租车登记与注销

注册登记：出租车上安装上标签，对于每个标签分配相应的编号，并且编号唯一。然后服务器端数据库根据每个标签的特性，进行注册并建立相应的数据库信息。每个标签注册信息包括车主的信息，如姓名、身份证号等，车辆信息如车牌号、车颜色等。

变更与注销：有时出租车需要变更或注销。标签发出频段2.4GHz的波，阅读器感应并读取这些频段波所载信息，进而利用所读取的信息在服务器显示标签注册信息，进而完成对标签注册信息进行变更或注销。

（2）数据验证

固定安装或移动的阅读器将识别到的标签所发出的载信息的波，阅读器根据所接收的相应信息，通过分析与处理对服务器发出相应信息。服务器根据所接收到的信息，查找标签所对应的相应注册信息。进而，服务器显示所查找到的注册信息，然后用此信息对出租车相关信心进行验证。实现对出租车的管理。与数据库中的信息比对，对信息进行验证。

（3）信息查询

根据出租车所安装标签的相应编号，根据编号可在服务器端查找相应注册信息。

采用本实用新型所装置的出租车管理系统，能够有效的实现对出租车的实时管理，便捷出租车管理流程。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种有源RFID系统，包括阅读器和标签；其特征在于：

所述阅读器包括射频单元、控制单元、接口单元、CMDA模块和电源模块，其中，所述射频单元、接口单元和电源模块分别与所述阅读器控制单元相连接；所述标签包括射频单元、控制单元和电源模块，其中，所述射频单元和电源模块分别与所述标签控制单元相连接；

其中，所述阅读器控制单元和所述标签控制单元使用MSP430芯片；

所述阅读器控制单元使用MSP430F149，

所述标签控制单元使用MSP430OF2001。

2.如权利要求1所述的一种有源RFID系统，其特征在于，所述阅读器的射频单元包括射频子单元和匹配电路，

其中，所述射频子单元与控制模块相连接，所述匹配电路与射频子单元相连接；

所述标签的射频单元包括射频子单元、匹配电路和PCB天线，

其中，所述射频子单元与标签控制单元相连接，所述匹配电路与所述射频子单元和PCB天线分别相连接。

3.如权利要求2所述的一种有源RFID系统，其特征在于，所述阅读器的射频子单元采用NRF2401AG芯片；

所述标签的射频子单元采用NRF2402芯片。

4.如权利要求1所述的一种有源RFID系统，其特征在于，所述阅读器的所述接口单元包括USB接口、UART和CDMA模块；

其中，所述USB接口与阅读器控制单元相连接；

所述UART分别与阅读器控制单元和CDMA模块相连接。

5.如权利要求4所述的一种有源RFID系统，其特征在于，所述USB接口采用CP2102芯片。

6.如权利要求4所述的一种有源RFID系统，其特征在于，所述CDMA模块采用MC703芯片。

7.如权利要求1所述的一种有源RFID系统，其特征在于，所述标签的所述电源模块采用纽扣电池进行供电。

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