ICSD系统中双频固定式阅读器的设计

引言

随着当前物流行业的快速发展。作为物流主要运输方式的集装箱运输．其运输效率及货运安全性日益受到人们关注。近几年来，随着RFID技术的发展和推广，将RFID技术用于集装箱信息识别．实现集装箱运输的智能化已经成为各集装箱厂家竞相开发的目标。RFID技术是一种利用射频通信方法实现的非接触式、快速、实时和准确的采集与处理信息的自动射频识别技术。目前集装箱运输上对RFlD技术的应用仅仅限于利用阅读器射频信道识别电子标签内集装箱信息．并有实现其运输安全上的保证。本文设计了一种基于C8051F410单片机的双频固定式阅读器。该阅读器与智能集装箱安全设备及路标设备配合实用．不仅能快速识别集装箱信息，而且能监测集装箱内货物的安全。一旦集装箱被非法打开阀读器就能侦查到并将相关信息发送到监控中心报警。

1 ICSD系统介绍及阅读器在ICSD系统中的作用

ICSD(Intelligent Container Safe Device)系统即智能集装箱安全设备系统就是一种用于集装箱的安全监测装置及系统．其可以在集装箱箱门被非法打开时自动侦测并且记录信息．可以通过有效监测系统将记录信息传送到管理中心数据库，为相关工作人员提供信息。完整的ICSD系统包括ICSD、手持／固定式阅读器、路标设备、监控软件。数据中心和用户查询终端六个部分。各部分的功能及联系如图1所示：


图1 ICSD系统功能流程图

集装箱在运输过程中要经过三个主要站点：货运出发点堆场、海关检查站点和货运目的地港口。在运输过程中整个系统工作方式是：在货运是出发点，工作人员利用阅读器向ICSD写入本次运输的相关信息，并进行电子施封。在货运出发点出口ICSD通过阅读器将其状态信息上传到数据中心。在海关检查站点，海关人员利用手持设备对ICSD进行海关用户电子解封，检查完毕后冉用海关命令电子施封，之后，ICSD更新相关信息并在海关人口处通过阅读器再次将其状态信息上传至数据中心。到达货运目的地港口后．丁作人员利用阅读器解封并禁能ICSD。出目的地港口时．阅读器将ICSD信息上传至数据中心。同时，在整个运输过程中．用户可随时通过用户查询终端追踪集装箱的状态及所处位置。

由ICSD系统功能流程原理分析可以看出，阅读器在ICSD系统中起通信桥梁的作用。上位机监控软件与ICSD之间必须通过阅读器的作用才能成功实现通信。

2 阅读器硬件设计

2．1阅读器总体结构

为了能使ICSD准确的定位和通信．阅读器与ICSD之间的通信采用了高、低频两种数据传输类型。采用433MHz或2．4GHz高频作为远距离数据链路通信频段．采用125KHz低频作为短距离数据链路通信频段。根据阅读器在ICSD系统中的功能和特性。本固定式阅读器硬件总体设计为五个模块：控制模块、高频收发模块，低频发射模块、串口通信模块和其他功能模块。其总体结构框架图如图2所示：


图2阅读器总体结构框图

2．2阅读器各模块的功能介绍

控制模块即MCU控制电路．选择的芯片是C8051F410。C8051F410是一款完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU。它具有功耗低、片内存储空间大、端口资源丰富、功能强大等特点。可以在阅读器基础卜进行其他功能的扩展。控制模块功能是完成低频信号的发射和高频信号的收发、解码。以及系统其他部分的控制。

串口通信模块主要用于完成单片机与上位机的串口通信。本部分设计为可选择的RS232和RS485电平转换电路。RS485电平转换芯片采用MAX485,RS232电平转换芯片采用SP3232 EE。

高频收发模块包括高频收发电路和高频天线两部分。高频模块选用的芯片是CC2500。CC2500是一款低成本真正单片的超高频收发器，是专为低功耗无线应用而设计。C2500射频收发器具有可编程的数据传输率。可达500kbps。内部集成了前向误差校正选项。大大提高了芯片的性能。另外．CC2500还为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。高频收发模块主要功能就是完成高频信息的收发。当PC通过串口向阅读器发送对ICSD的相关操作指令信息时，控制部分的MCU通过SPI总线与CC2500通信，由CC2500射频电路转发PC命令至ICSD。ICSD在接收到阅读器转发的PC命令并且响应对应操作指令后，向阅读器回发响应信息。此时CC2500高频部分再次接收ICSD的此响应信息并通过串口上传至PC机。

低频发射模块包括低频电路和低频天线两部分。低频发射模块选择的主要芯片是TA5275。ATA5275是ATMEL公司开发的一款用于汽车轮胎压力监测系统frPMS)。工作频率为125KHz的BCDMOS天线驱动器Ic。该芯片具有超低功耗，驱动器过电流保护，过热保护，低频唤醒芯片等功能。低频发射模块主要功能就是向ICSD发送低频唤醒信号，唤醒休眠的ICSD．使其与阅读器进行通信．并响应相关操作指令。当装有ICSD的集装箱进入读写器的识别范围时候上位机软件发送ICSD唤醒指令到阅读器阅读器再通过低频发射电路转发至ICSD．唤醒ICSD。

其他功能模块包括三个部分，电源部分、JTAG接口编程电路部分、报警电路部分。电源部分主要包括AC—DC转换模块、SIPEXlll7 3．3V电源芯片和SIPEXlll7 5．0V电源芯片。220V交流电通过AC—DC转换模块转换为12V DC．再通过两个电源芯片的稳压输送到各自所需的模块供电。JTAG接口电路功能就是实现在片编程和调试。报警部分电路主要芯片是FM3130．由电源或后备电源供电。FM3130是一个高度集成的器件内部集成块了64Kb的串行非易失性RAM、带有报警功能的RTC和可编程频率的时钟输出。报警模块的功能就是提供实时报警。