基于RFID技术的智能衣柜系统设计_徐玉明.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第4期No.42023年2月Feb.2023收稿日期：2021-11-03稿件编号：202111025作者简介：徐玉明（1996），男，安徽滁州人，硕士研究生。研究方向：信息与图像处理。衣柜在人们的日常生活中扮演不可缺少的角色。衣柜过大或者衣物摆放不合理，会导致人们经常难以确定衣物的位置，甚至于丢失衣物，这体现了衣物管理效率低的问题。为了能够准确、快速和方便地找到衣物，文中基于射频识别技术(RFID)，设计了一款智能衣柜的衣物定位系统12。RFID是自动识别技术的一种，使用无线射频的方式读取或写入数据至目标中。其特点是通过射频信号自动识别目标并获得有关数据，识别的过程无需人为干涉，可以在恶劣环境中正常工作，且识别距离远，读写速度快，广泛应用于各个领域中3-7。文中针对衣物在衣柜内寻找困难，尤其是衣物收纳、管理效率低的问题下，设计了一款在智能衣柜中应用的基于RFID的定位系统7。该系统主要采用FPGA 平台以及 RFID 技术支持，首先把衣物的属性基于RFID技术的智能衣柜系统设计徐玉明，王 烈（广西大学 计算机与电子信息学院，广西 南宁 530004）摘要：针对衣柜中的衣物难以寻找以及衣物管理效率低下的问题，设计了一款基于RFID技术的智能衣柜系统。该系统采用了FPGA平台和RFID技术，主要由RFID阅读器、电子标签、FPGA模块和显示模块组成，相应的电子标签固定在衣物上，RFID阅读器作为发射和接收高频信号的节点，FPGA模块根据RFID测得的相位差来计算相隔的距离，进而确定电子标签的距离，并将测得的距离转换成电子标签在衣柜内的区域，显示在液晶屏上。实验验证表明，该系统能较好地完成定位测距功能，精度可达到厘米级，可以满足智能衣柜寻找衣物的需求。关键词：RFID技术；测距；相位差；电子标签中图分类号：TN914文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）04-0072-05DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.04.015Design of intelligent wardrobe system based on RFID technologyXU Yuming，WANG Lie（School of Computer，Electronic and Information，Guangxi University，Nanning 530004，China）Abstract:Aiming at the problems of difficult to find clothes in the wardrobe and low efficiency ofclothing management，this paper designs an intelligent wardrobe system based on RFID technology.Thesystem mainly adopts FPGA platform and RFID technology，which is mainly composed of RFID reader，electronic tags，FPGA module and display module.The corresponding electronic tags are fixed on theclothes.The RFID reader is used as the node to transmit and receive highfrequency signals.The FPGAmodule calculates the distance according to the phase difference measured by RFID and determines thedistance of the electronic tag，the measured distance is converted into the area in the wardrobe where theelectronic label is located and displayed on the LCD screen.The experimental results show that thesystem can well complete the positioning and ranging function，and the accuracy can reach thecentimeter level，which can meet the needs of finding clothes in the intelligent wardrobe.Keywords:RFID technology；ranging；phase difference；electronic tag-72定义到RFID标签中，通过射频阅读器对衣物标签进行识别，通过计算后得出定位信息，并通过液晶显示屏实时显示衣物所在衣柜内的区域。文中的主要创新点：首先，在衣柜系统上结合RFID技术，可将衣物外观及位置信息显示在液晶屏上，解决用户寻衣难问题。其次，进一步提升了算法，使用改进型双频相位差定位算法，相比于单频相位差定位算法提高了测距精度及广度。1系统总体设计方案系统主要由 RFID 系统、FPGA 主控模块和显示模块构成，总体框图如图1所示。图1系统总体框图1）RFID系统设计的 RFID 系统主要由阅读器和电子标签构成，其功能如下：电子标签附着在衣物的表面，存储着衣物的属性特征（如编号、款式、颜色等）；阅读器的主要功能是发送和接收射频信号，实现与电子标签通信，可以对电子标签数据进行读和写。2）FPGA主控模块作为该设计的主控模块，FPGA模块具有灵活性高、速度快和带宽高等特点，在该系统的主要作用是对阅读器采集到的信息进行处理，将定义的标签属性数据与数据库里的衣物数据进行匹配，以实现寻找衣物的目的8-9。3）显示模块显示模块是将FPGA匹配成功的衣物显示出来，并显示该衣物所处衣柜内的区域，达到方便寻找的目的。该系统实现的功能是：首先把衣物的属性特征写入电子标签的芯片中，将电子标签附着在衣物上；而后阅读器通过读取电子标签返回信号的相位差来精准定位衣物的位置和接收电子标签中的数据，发送至 FPGA 模块进行数据处理，得出被识别的衣物信息及方位，最后将被识别衣物的照片及所在衣柜内的位置显示在显示屏上。因文章篇幅有限，下文主要介绍智能衣柜 RFID系统的设计实现。2RFID系统及测距原理2.1RFID系统组成2.1.1电子标签RFID系统电子标签附着在被识别的衣物上，它由芯片和天线组成，芯片作为 RFID 系统的数据载体，储存了用户定义信息，天线主要接收阅读器发射出的信号，并且把自身的数据发射给阅读器10-12。电子标签是通过电磁方向耦合的原理把信号反射回阅读器，其内部等效电路如图 2 所示。该系统采用无源电子标签，其识别精度在厘米级别，可以很好地满足该系统的设计需求。图2标签等效电路该电子标签内部电路会形成一个相位延迟：m=-arctanc1L1R（1）式中，是信号角频率，值为2f，R、C、L、，取值与电路相位延迟有关。2.1.2阅读器阅读器主要由读写模块、射频模块、天线和电源等组成13，是发射信号给电子标签，实现相互通信的设备。阅读器天线的作用与电子标签天线类似，用于发出射频信号以及接收电子标签反射回的射频信号。与天线相邻的是射频模块，该模块有两个信号通道：发射、接收信号通道，发射出去的信号和接收回的信号都由射频模块进行调制解调。读写模块的作用是与射频模块通信，负责信号的加密和解密及防碰撞算法的处理，还要与数据处理模块连接，用于处理标签送回的数据，设计的数据处理模块是FPGA14-16。2.2RFID系统通信原理RFID系统通信框架如图3所示。图3RFID系统通信框架徐玉明，等基于RFID技术的智能衣柜系统设计-73电子设计工程 2023年第4期RFID 系统上电工作时，首先由 FPGA 模块向阅读器发送指令，阅读器接收到指令后，对指令内容进行解析，而后根据 RFID 协议规定输出对应的指令编码。指令经过阅读器的射频模块调制后，加载到载波上，而后由天线发出已经调制好的载波信号给电子标签。信号由电子标签接收并反射回时，阅读器天线检测到信号，会经过滤波、解调与解码等处理后，储存数据，最终把处理后数据送达 FPGA模块。FPGA 模块主要在 RFID 通信中，主要功能是发送指令控制阅读器，以完成与电子标签的通信。2.3智能衣柜相位差的测距原理及算法设计2.3.1相位差测距原理相位差测距法利用的是多频雷达测距原理，阅读器发出频率不同的信号，但信号经过相同的传播路径后又反射回阅读器，测距结果是由阅读器接收到信号的相位差来换算的。相位差测距基本过程如图 4 所示，第一步由FPGA 模块向阅读器发出指令，而后阅读器开始工作，发送一段调制后的载波信号 Signal1 给电子标签，标签接收到 Signal1 信号，该信号一部分提供给电子标签作为正常工作所需要的能量，另一部分经过电子标签调制后反射回信号 Signal2给接收器，处理后可得出相位差，最后传送到 FPGA 模块进行计算，得出相隔距离。图4相位差测距原理如图 5 所示，t1时刻，阅读器发送初始相位分别为1和f的信号，再通过电子标签反射到阅读器，t2时刻信号送达阅读器的相位为2。若阅读器和电子标签的间距是d，全程经过路程为2d，所用时间为t2-t1。电磁波的传播速度为 c=3.0108m/s（空气中传播），则距离d为：d=12c(t2-t1)（2）传播过程中的相位差为：=()2-1=2n+=2f()t2-t1（3）将式（2）与式（3）合并可得：d=c4f=c()2n+4f（4）式（4）无法测量得出n，因此需通过下面的方法避免使用n。阅读器先后发送fa与fb的调制信号，经过电子标签后反射回阅读器，即得出两个信号相位差a与b：a=4fadc（5）b=4fbdc（6）对式（6）与式（5）作差得：b-a=4()fb-fadc（7）化简后得：d=cb-a4()fb-fa（8）为了降低RFID系统的测量误差，依次发射多组fi(i=1，2，,N)信号，得出相应的相位差，再使用最小二乘拟合，解出b-afb-fa的最优解。2.3.2改进型双频相位差定位算法传统的单频相位差测距可由式（5）表示，根据计算结果可得，频率越高，模糊距离越小（模糊距离指为2时d的值）。若频率范围为920925 MHz，由d=c2f计算出模糊距离约为 16 cm，即检测距离超过 16 cm，检测的距离不正确，所以改进后的双频相位差定位算法可以避免上述错误。双频测距方法就是控制阅读器发射两个高频波段，相减得到第二次相位差，当两载波相差 5 MHz时，由图 6 中a=4fad/c与b=4fbd/c相减，得出识别距离可达到 15 m，可以解决模糊距离为 16 cm的问题，算法原理如图6所示。该设计采用的是无源电子标签，且是家中衣柜定位测距，所以通信距离不会超过12 m，即使用最大图5信号传播过程-74频带5 MHz，也能达到15 m测距，完全满足设计要求。2.3.3系统测距方法根据相位差的测距原理可实现阅读器与电子标签的厘米级测距精度，下面将讨论如何将测得距离与衣柜的区域对应。衣柜测距环境如图 7 所示，假设衣柜分为三个存储区域（1区、2区、3区），每个区域宽度为 50 cm。灰色矩形区域内为电子标签放置区域（衣架与衣物连接处），椭圆形区域为阅读器安装区域。图7衣柜测距示意图阅读器与电子标签大致处于同一水平处，若系统测得阅读器与电子标签相距050 cm，则液晶屏上将显示衣物储存在3区，相距50100 cm则显示衣物储存在 2 区，以此类推。该方法可以简单有效知晓衣物所在区域，方便用户有目的的寻找。3系统软件设计智能衣柜系统的