图书馆管理系统项目案例：物联网终端技术研究

1.项目需求

在进行数字化校园建设的今天，传统的图书馆管理模式无法适应需求。而RFID技术的应用很好地解决了图书管理自动化信息化管理的问题，通过RFID标签取代原有图书、资料条形码，使读取速度提高，可一次读取多个标签，使管理人员的工作效率得到极大提升。

基于射频识别技术的图书馆管理系统的解决方案是用射频标签、实现不同功能的读写器、上位机以及信息总线构建具有图书信息记录、管理分拣和安全报警等功能的管理系统。每本图书都采用一张射频只读标签作为标识，标签一般附在书籍上、期刊上或者CD、DVD等音像资料上。图书入库或典藏清点时，利用读写器或RFID射频标签可很快完成图书的分拣、排架和清理工作。

该系统采用射频阅读芯片TI S6700、标签TI Tag来设计一款遵循ISO/IEC15693标准的读卡器；设计读写器印刷电路板天线，使读写器的阅读距离达到15cm；同时，该读写器与PC机通信以及在LCD液晶上即时显现书本信息。

2.读写器组成及功能

读写器主要由三个模块组成：射频模块、LCD显示模块、串行通信模块。这三个模块之间与MCU的交互关系。

射频模块：射频模块采用TI公司最新的射频收发器芯片RI-R6C-001A完成射频功能。

LCD显示模块：本系统所选用的LCD显示分辨率为16×8点阵，模块可以显示字母、数字符号、中文字形等信息。

串行通信模块：MCU通过普通I/O口与PC机RS232串口实现通信。由于PC机串行口为RS232C标准接口，与输入、输出均采用TTL电平的MCU在接口规范上不一致，为了实现TTL电平到RS232接口电平的转换，系统采用MAXIM公司的MAX232标准RS232接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1”（-3V～15V）和逻辑“0”（+3V～15V）的电平转换。

在本系统中，读写器所需要完成的功能有：

（1）驱动ASIC（Application Specific Integrated Circuit，特殊应用IC，采用RI-R6C-001A）。PC机经过RS232将命令数据发送给MCU，MCU进行解析，打包封装成ASIC规定的指令序列并发送至ASIC；ASIC根据指令做出动作，然后，接收VICC（遥耦合卡）返回的数据，回传给MCU；MCU经过处理后，将数据经RS232端口上传至PC机。

（2）驱动LCD0当读写器读卡成功，数据上传后，PC机从数据库中查询到相关记录，将书本名、序列号、借出日期、状态、归还日期、借书人等信息下载至MCU，并由MCU驱动LCD显现相关数据。

3.ASIC与VICC

（1）ASICO

本系统中所使用的是TI公司的一款射频芯片作为ASIC实现标签的读取，该芯片是Texas Instruments公司的S67OO系列芯片，是最新开发的针对射频卡读写的多协议收发器集成芯片，它提供给用户数字接口，所以应用非常方便。本系统使用该系列中的一员，其产品编号为RI-R6C-001A，特点是功耗低、外围电路简单、体积小。

RI-R6C-001A芯片采用SSOP20封装，芯片参数，+5V供电，内部封装有发送编码器、调制器、接收器和解调器，采用曼彻斯特编码方式，典型发送功拳200mW，其ESD保护符合MILSTD-883标准，有IDLE、POWER DOWN、FULL POWER三种电源管理功能。该芯片支持的协议包括：Tag-it协议JSO/IEC 15693-2 JSO/IEC 14443-2（TYPE A）。

串行通信接口：该IC芯片与控制器之间的通信通常使用三根线：串行时钟SCLOCK、数据输入DIN、数据输出DOUT。通过这三根线可完成控制器与RI-R6C-001A芯片之间的数据传输。串行时钟SCLOCK是双向的，当RI-R6C-001A要发送数据时，时钟由单片机控制，当它要接收数据时，时钟由该芯片控制。RI-R6C-001A在时钟的上升沿锁存数据。DOUT除了拥有在接收数据期间把接收到的数据输出给单片机的功能外，还用来表征RI-R6C-001A内部FIFO的情况。DOUT内部下拉，平时为低电平。在输入数据过程中，当RI-R6C-001A的16位FIFO寄存器满时，DOUT线会自动跳变为高电平，直到FIFO寄存器空，DOUT线又会跳变为低电平。在软件设计时单片机每发一位数据都要检测DOUT的状态。在DOUT为高电平期间，输入数据无效。

除了通信线外，系统还有一条M_ERR线，用于在同时读多张卡的时候表征数据的突发情况。同样，M_ERR线也有内部下拉，平时为低电平，冲突时此线会升为高电平。

操作模式：对RI-R6C-001A的操作有三种模式：普通模式、寄存器模式和直接模式。直接模式下，MCU要直接面向射频信号处理，比较复杂，所以这种模式一般不用。普通模式和寄存器模式均为标准的数字信号操作，其区别在于规定芯片操作的一些参数不同（例如规定所采用的射频协议、调制方式及传输速率是在命令顺序中规定，还应由寄存器来设定）。普通模式每条指令均含有该指令使用的参数，而寄存器模式指令序列中并不含这些参数，而是由预先写入寄存器中的数值来决定。若使RI-R6C-001A芯片正常工作，上电后必须首先初始化时间寄存器。

（2）VICC

VICC（遥耦合卡），在本系统中Vice专指Tag-it。Tag-it是TI公司最新开发的RFID Transponder（无线射频电子标签）的注册商标，是一个产品系列。Tag-it是迄今世界上应用范围最广的电子标签产品，其标签本身不需另加电源，只需借由读写器天线发射的电磁波即可感应产生能量将其自身的ID Code及资料发射给读写器接受。

Tag-it的主要特点有：

①每张Tag-it皆有一无法修改、独一无二的ID Code。

②可重复读写，次数高达10万次以上。

③内建可重复读写内存，共2Kbits，分为64页，每页32bits。其中每一页皆可单独修改或锁死，一旦锁死该页则只能读取而不能修改。

④Tag-it的构成为一芯片（Chip）与软性电路板（FPC），其复制难度极高，非法复制的Tag-it需要外部电源才可将自身的ID Code与内存发射给读写器接收，且尺寸会变得很庞大，很容易分辨真伪。

⑤价格低廉，可用于取代目前条形码、IC卡等消费性产品。(www.xing528.com)

⑥其应用范围极为广泛，主要为图书管理、门禁安全管理、票券、物流等。

4.读写器硬件电路设计

读写器硬件电路主要包括MCU控制电路、射频电路、LCD显示电路和串行通信电路。MCU控制电路是整个读写器电路的核心，相当于整个硬件电路的大脑，控制着射频模块、LCD显示和串行通信的工作，由ATMEL89C51以及必要的外围电路构成。射频电路负责射频信号的调制、解调以及编码、解码，由RI-R6C-001A和外围电路以及天线组成。LCD显示电路主要由1602LCD液晶显示组成。串行通信电路是由Maxim RS232芯片组成的。

读写器各部分电路使用的均为5V电压，且ASIC对电源稳定性要求较高，因此在输入端使用了一个三端稳压管78L05。

MCU（Micro Control Unit）微控制器，本读写器中选用的MCU是ATMEL 89C51RD芯片，这是一片内部带有64Kbytes ROM和512Bytes RAM的低电压、高性能、COMS工艺的8位单片机，采用了ATMEL公司的高密永久性存储技术，并且与行业标准80C51.80C52指令系统和引脚定义相兼容。此外，该芯片还提供了32根I/O口线、3个16位定时/计数器、两个外部中断和一个全双工串口。ATMEL 89C51RD的封装形式为PLCC44。

在电路中应用，使用了一片24MHz的晶振，配合两个30PF的瓷片电容连接在单片机的XTAL1、XTAL2上，与单片机内部正反馈电路构成稳定的振荡电路。采用24MHz的晶振可以方便地生成所有的标准通信波特率，方便程序的编制。

P0口连接到1602LCD的数据总线DB0-DB7。

P1口的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分别连接到RI-R6C-001A的M_ERR、DOUT、SCLOCK、DIN。

P2口的P2.5、P2.6、P2.7分别连接到1602LCD的E、R/W、RS端口。

P3口的P3.0、P3.1连接Maxim RS232的R1OUT和T1IN。

（1）射频电路

根据前面对RI-R6C-001A芯片的介绍，最终设计的射频电路主要由三部分组成：RI-R6C-001A外围电路，单片机接口电路，天线发送、接收电路。

使用一片13.56MHz的晶振与两个22pF的电容构成振荡电路接入到RI-R6C-001A的XTAL1与XTAL2管脚，为芯片提供时钟信号。

在芯片输出端TX_OUT连接的电路中，由Ll（3.9uH）、L2（0.33uH）、L3（5.6uH）、C17（56pF）组成的T型网络以及L4（l.22uH）、C16（47pF）组成的LC网络都是起到滤波的效果，使RI-R6C-001A通过天线接收的数据不至于流向输出端TX_OUT。因为此芯片发送数据时频率是13.56MHz，而接收的信号的载波频率是13.56MHz/28和13.56MHz/32（FM）或者13.56MHz/32（AM），发送信号的调制深度主要由R_MOD端的电阻R5决定。

天线电路中，R3（43Q）、C14（47pF）、R10（10KQ）、C12（15pF）、C20（5-25pF）与天线（电路中用R11代替）组成串联谐振电路，匹配天线阻抗500，可通过调节可调电容C20使电路谐振点保持在13.56MHz。这一设计有利于读写器正确地接收和发送信息。

在TX_OUT端与T型网络之间添加一个10阻值的电阻，可提高因晶体管输出导致削弱的电磁兼容性。

在与为ASIC提供电源的VCC相连的电容旁并联一个小容值的电容，如在C6.C8.C10旁并联一个InF的电容，可以提高高频信号的信噪比。

（2）LCD显示电路

本系统所使用的1602LCD，分辨率为128×64，能显示16×2个字符。

（3）串行通信电路

MAX232芯片是MAXIM公司生产的、包含两路接收器和驱动器的IC芯片，适用于各种EIA—232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换为RS232C输出电平所需的10V电压。所以采用此芯片接口的串行通信系统只需要单一的+5V电源就可以了。对于没有12V的场合，适应性更强。原理图上的C4、C5、C6、C7、C8与芯片内部电路配合完成电源变换部分。

在实际应用中C4、C5、C6、C7、C8通常取10F，用以提高抗干扰能力，在PCB板上布线时这些器件应尽量靠近MAX232芯片。T1OUT、R1IN可以直接接到计算机的Rxd和Txd，R1OUT和T1IN可以直接接到单片机的Rxd和Txd。

（4）天线设计

因读写器要求小巧方便，且对标签的读取距离要求不高，在15cm左右即可满足需要，因此读写器的天线可以直接制作在印刷电路板上，下面介绍印刷电路板天线的理论和实现。

由于读写器芯片发射频率13.56MHz的波长（22.12m），比读写器天线和标签之间的距离（20cm）大好多倍，因此可以把标签到读写器天线之间的电磁场当作简单的交变磁场来对待。

读写器天线产生发射磁场，磁场的一小部分磁力线穿过距读写器天线线圈一定距离的标签天线线圈。通过感应，在标签的天线线圈上产生一个电压V。将其整流后作为标签数据载体（即标签上的微型芯片）的电源。