陳翔 曾祥健 邱繼云 劉敏

[摘 要]射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)作為一種安全、可靠、低成本、適用性廣的非接觸式識別技術(shù)，已被廣泛引用于多個產(chǎn)業(yè)和領(lǐng)域，并成為構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。在RFID技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注，產(chǎn)業(yè)潛力逐漸凸顯的當下，為高校提供直觀便利、功能完備的RFID教學實驗工具成為廣泛存在的需求?；贓PC RFID G2 UHF（v2.0.1）協(xié)議，通過USRP和LabVIEW的軟件無線電平臺，設(shè)計并開發(fā)了一個用戶界面友好、功能齊全的RFID教學實驗平臺，滿足高校實驗教學的需要，也可作為RFID協(xié)議研究、功能拓展的軟件無線電模板。

[關(guān)鍵詞]RFID;USRP;LabVIEW;教學實驗平臺

[基金項目]教育部-NI產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“基于USRP的RFID協(xié)議測試模擬器的設(shè)計與研制”（20190131）;國家重點研發(fā)專項“基于服務(wù)的開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究與驗證”（2017YFE0121300-6）

[作者簡介]陳 翔（1980—），男，湖南長沙人，清華大學博士生，中山大學副教授（通信作者），主要從事無線與移動通信、衛(wèi)星通信研究。

[中圖分類號] G642.0[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）45-0-04[收稿日期] 2020-06-10

一、引言

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，以下簡稱RFID）是一種利用射頻信號自動識別目標對象、獲取相關(guān)信息的技術(shù)。作為構(gòu)建“物聯(lián)網(wǎng)”的關(guān)鍵技術(shù)，它被運用于越來越多的行業(yè)以提高物流效率和服務(wù)水平。隨著相關(guān)領(lǐng)域在國內(nèi)的不斷發(fā)展，RFID教學實驗平臺的建設(shè)也成為實際的需求。

現(xiàn)今，已有不少研究者發(fā)表了軟件無線電實現(xiàn)RFID系統(tǒng)的相關(guān)成果，主要有以下方面：文獻[1]論證和分析了通過軟件無線電實現(xiàn)RFID讀寫器的可行性和系統(tǒng)框架;通過軟件無線電實現(xiàn)讀寫器以驗證RFID中的一些研究內(nèi)容，如文獻[2]驗證了對防碰撞算法進行改進的有效性，文獻[3]驗證了一種對標簽測距算法的有效性;通過軟件無線電實現(xiàn)具有特定功能的讀寫器，如文獻[4，5]實現(xiàn)了具有對標簽定位功能的RFID讀寫器;文獻[6-9]通過軟件無線電實現(xiàn)RFID的標簽測試設(shè)備;文獻[10-12]通過軟件無線電實現(xiàn)RFID的物理層基帶傳輸;文獻[13，14]通過軟件無線電實現(xiàn)開放式的RFID讀寫器;文獻[15，16]通過軟件無線電實現(xiàn)RFID讀寫器、標簽，形成統(tǒng)一的使用平臺。

本文主要通過USRP-2922和LabVIEW的軟件無線電平臺，基于EPC RFID G2 UHF協(xié)議標準，實現(xiàn)了功能完備的RFID教學實驗平臺，它也可作為RFID協(xié)議的軟件無線電相關(guān)項目的開發(fā)模板。與上述研究者所開發(fā)的RFID系統(tǒng)相比，具有以下的特點和優(yōu)勢：完整實現(xiàn)讀寫器與標簽;應用目標明確，實用性較強;程序功能較為豐富，有豐富的控制接口與展示面板。

二、RFID系統(tǒng)及其協(xié)議

（一）RFID系統(tǒng)

RFID系統(tǒng)由讀寫器和標簽兩大硬件實體及其相應的軟件構(gòu)成。讀寫器屬于有源器件，負責對標簽進行數(shù)據(jù)的讀寫，并對無源電子標簽進行供電。

最常見的標簽為無源標簽，它具有成本低、體積小的優(yōu)點。根據(jù)讀寫器對無源標簽的供電方式的不同，使用無源標簽的RFID系統(tǒng)可分為磁耦合式與電磁波反射式兩種。其中更常用的是電磁波反射式系統(tǒng)（如圖1所示），標簽通過接收讀寫器的電磁波來為自己供電，雙方通過電磁波的振幅調(diào)制來通信。

（二）EPC RFID G2 UHF協(xié)議

EPC RFID G2 UHF是EPCglobal制定的超高頻段射頻識別空中接口的第二代協(xié)議標準。協(xié)議規(guī)定了860MHz-960MHz頻段內(nèi)讀寫器與無源標簽的半雙工通信標準、無源標簽的內(nèi)部工作邏輯。

協(xié)議的物理層部分規(guī)定，讀寫器到標簽的調(diào)制方式為DSB-ASK、SSB-ASK或PR-ASK，波形編碼為脈沖間隔編碼;標簽到讀寫器的調(diào)制方式ASK或PSK，采用的波形編碼為FM0或Miller Subcarrier。

協(xié)議的邏輯層部分規(guī)定，標簽中有Reserved、EPC、

TID、USER四塊非易失性存儲區(qū)，有ready、arbitrate、reply、acknowledged、open、secured、killed七種狀態(tài)，有盤存標志S0、S1、S2、S3以及選擇標志SL。

不論是對標簽進行讀、寫還是鎖定等操作，讀寫器都必須先經(jīng)過一系列的命令來識別標簽，使其處于open或secured狀態(tài)，這個過程如圖2所示。

三、USRP和LabVIEW的軟件無線電平臺

（一）USRP

USRP全稱Universal Software Radio Peripheral即通用軟件無線電外設(shè)，是由National Instruments（以下簡稱NI）及其子公司Ettus Research研發(fā)和銷售的一系列軟件無線電產(chǎn)品，是目前最主流的軟件無線電硬件平臺之一，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（二）LabVIEW

LabVIEW全稱Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，是由NI公司研制開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境，與其他程序開發(fā)環(huán)境的顯著區(qū)別是，它使用圖形化的形式來編寫程序，產(chǎn)生的程序以框圖來呈現(xiàn)。使用LabVIEW開發(fā)平臺編寫的程序稱為虛擬儀器（Virtual Instrument，以下簡稱VI）程序。

LabVIEW由于其開發(fā)周期短、驅(qū)動和函數(shù)多樣、數(shù)據(jù)處理方便等特點，被廣泛應用于測試測量、控制、仿真等領(lǐng)域。NI公司也為LabVIEW提供了USRP的相關(guān)驅(qū)動，通過簡單的幾個VI即可完成USRP的初始化設(shè)置、信號發(fā)送、信號接收等過程。

（一）系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖4所示。上位機中運行LabVIEW程序，程序在邏輯上可劃分為用戶控制、模擬讀寫器、模擬標簽三個部分，其中模擬讀寫器負責實現(xiàn)RFID協(xié)議中讀寫器的物理層與邏輯層處理，模擬標簽負責實現(xiàn)RFID協(xié)議中標簽的物理層與邏輯層處理，而用戶控制與界面部分則負責用戶對程序的交互控制與物理層波形、邏輯層收發(fā)情況等內(nèi)容的展示。

LabVIEW程序中的模擬讀寫器與模擬標簽通過千兆以太網(wǎng)口，分別與兩臺USRP-2922相連接，完成接收端基帶數(shù)據(jù)、發(fā)送端基帶數(shù)據(jù)的傳遞。USRP-2922通過其射頻模塊，實現(xiàn)基帶信號的空口接收和發(fā)送。此外，除了無線信道以外，用戶也可選擇軟件模擬信道來運行程序。

（二）模擬讀寫器與模擬標簽

模擬讀寫器與模擬標簽是程序中的核心模塊，他們的邏輯流程圖分別如圖5和圖6所示。

五、實際測試

首先，接通兩臺USRP-2922的電源并將它們連接起來，然后用千兆以太網(wǎng)光纖將其中一臺USRP與上位機連接起來。然后，在上位機上打開本文所開發(fā)的LabVIEW程序，完成USRP的IP地址、各命令參數(shù)等設(shè)置后，即可運行該程序。

此處，選擇命令組合發(fā)送模式進行測試，使用的命令組合為Read命令組合。讀寫器端的物理波形、最終測試結(jié)果（總模塊的局部展示）分別如圖7和圖8所示。

六、結(jié)語

本文介紹了RFID的主要概念及被廣泛應用的EPC RFID G2 UHF協(xié)議標準，對USRP與LabVIEW的軟件無線電平臺進行了一定的闡述，設(shè)計并開發(fā)了以USRP-2922為射頻收發(fā)設(shè)備、LabVIEW程序為上位機軟件的軟件無線電式RFID教學實驗平臺，且順利通過了實際測試。

由于時間和個人水平的限制，該平臺仍有不足之處，體現(xiàn)在：仍有一部分較復雜的可選命令沒有實現(xiàn);由于以太網(wǎng)傳輸和操作系統(tǒng)的限制，在接收時延等方面，該平臺無法滿足協(xié)議的要求;讀寫器未專門設(shè)計多標簽識別的模式，功能不夠完善，等等。后續(xù)的工作可以著力于解決這些方面的問題，進一步豐富和完善其功能。

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A RFID Teaching Experiment Platform Based on Software Defined Radio

CHEN Xiang， ZENG Xiang-jian， QIU Ji-yun， LIU Min

（School of Electronics and Information Engineering， Sun Yat-sen University，

Guangzhou， Guangdong 510006， China）

Abstract： Radio Frequency Identification （RFID） technology， as a safe， reliable， low-cost non-contact identification technology with extensive applicability， has been widely used in many fields， and has become a key technology for building the Internet of things （IoT）. As RFID technology gains more and more attention and industry potential becomes more and more prominent， it has become a widespread demand to provide an intuitive， convenient and functional RFID teaching experiment tool for colleges and universities. Based on EPC RFID G2 UHF （v2.0.1） protocol， through the software radio platform of USRP and LabVIEW， a RFID teaching experiment platform with friendly user interface and complete functions was designed and developed， which can meet the needs of experimental teaching in colleges and universities， and can also be used as a software radio template for RFID protocol research and function expansion.

Key words： RFID; USRP; LabVIEW; teaching experiment platform