低频磁场无线穿透金属壁通信系统设计_沈建明.pdf

|7电子电路设计与方案0 引言有统计数据显示，我国冷链的增长率在 18%23%之间，在整个物流板细分领域中增长是较快的。从数据来看，2021年冷链市场规模达到4000亿元，据行业专业人士预测，未来三年内将要达到 5500 亿元的市场规模。食材供应链天然分散，必然带来长距离冷链运输巨大需求，如 RFID、GPS、温度控制等领域的应用成为冷链物流领域的一个趋势。RFID 应用程序的核心是一块重要小于 200 克，被称为“JRFW-1 型温度标签”的卡片设备，采用全密封防水设计以便应用在各种极端条件，通过上层软件设置相关的温度参数，并通过读卡器的读和写操作，了解标签所在货物的各项参数。由于它性能可靠，价格低廉，易于使用，被广泛应用于对温度敏感的货物运输中，如血液制品、疫苗和新鲜食品等 1，从根本上解决冷链运输的问题，实现冷链产品状态监测、冷链项目总体流程信息回溯。1 研究现状120135kHz频谱段是无线电频谱中的低频无线电信号，广泛应用于诸多领域。军事方面主要应用于水下通信、水下兵器的遥控，民用主要应用于医学治疗、大地物理勘探、工程探测等方面，但是在诸多应用中，以潜艇水下通信最为突出，目前美国等几个发达国家掌握了超低频对潜通信技术2。在无线电通信高速发展的时代，5G 和 6G 技术飞速发展，但是我们依旧没能利用低频电磁波在导电介质中建立起有效的低频无线电系统3。主要原因有以下 3 个方面：频率越低，波长越长，低频电磁波的天线效率低下，辐射电磁能量困难；大气噪声和人为干扰的影响；低频段上的灵敏检测元件和技术的缺乏。低频无线电磁通信技术增加了物联网的功能，同时，物联网也赋予了低频无线电磁通信技术的内涵，强化了电磁通信技术在未来社会中的作用。2021 年，工信部发布了“十四五”信息通信行业发展规划，指明了未来必将属于万物互联的时代，电磁通信技术也必将在其中扮演着不可替代的作用。低频电磁通信技术因其自身独特的优势，近年来获得了全球的快速发展和应用。低频信号穿壁通信不受时间影响，一定功率的低频信号可以穿透一定厚度的金属，在接收端更加容易识别解调出信息4。125kHz 波段磁场通讯属于低频无线电通讯系统，具有穿透性强、成本低等优点，受金属、液体的影响较小，125kHz 波段磁场通讯具有可靠性高、操作方便和安全保密性好等三大优点。行业企业的实力与冷链物流的发展息息相关，突破长途冷链运输限制目前是一个挑战，保证冷链不“断链”是优先考虑的重点之一。医疗物流领域的冷藏车机构，如疫苗冷藏药品，冷链是需要经过生产，工厂，运输，存储，终端五个过程，在运输过程中保持全程冷链和实时温度控制是一个挑战，需要通过药品经营企业、冷链物流企业和监管部门三方共同努力下建立一个冷链物流产业发展需要的统一物流标准。受技术限制，信息限制，目前，一些物流公司采用人工确认温度进行温度管理。但这种方式仅限于测量时，出库和库存。缺乏运输连续性温度控制数据。因此，急需通过一种无线通讯系统穿透冷藏车金属壁监测内部温度。2 设计目标 2.1 应答器和发射器的设计要求应答器负责读取 125kHz 唤醒载波信号，采集测量数据并发射 125kHz 调制信号；由应答线圈、应答电路构成；应答器的应答信号与信息组成都仿照 RFID 125kHz的 EM4100 规范实现；发射端采用 MCU 模拟 EM4100 卡信号，其中的数据为测量到的温度值；发射端使用线圈接收读取线圈发出的载波信号，有载波信号时，发射端在发射数据，无载波信号时，发射端休眠；载波信号作为唤醒电源，启动发射端 MCU 唤醒；节省电源。低频磁场无线穿透金属壁通信系统设计沈建明，张越，张睿，李金熠（嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036）基金项目：2022年国内高校访问工程师“校企合作项目”低频磁场无线穿透金属壁通信系统设计与研究（立项编号：FG2022326，主持人：沈建明）。摘要：为解决冷链运输产品监测问题，采用线圈作为收发天线，在RFID 125kHz的穿壁通信频率下，通过磁耦合，实现穿透金属壁（25mm）进行通信。穿壁通信有壁外“读取器”与壁内“应答器”两部分组成，采用单片机模拟EM4100卡发射信号，传输温度传感器数据，YL0301读取发射信号，完成通信试验。关键词：RFID；读取器；应答器；EM4001 DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.11.0268|电子制作 2023 年 6月电子电路设计与方案 2.2 ID 卡读取器设计要求采用单片机开发 ID 卡读取器，替代 YL0301 完成穿壁通讯实验，以下是单片机开发的 ID 卡读取器（替代 YL0301）的设计要求：读取器负责发射 125kHz 唤醒载波信号，接收应答器发射的 125kHz 调制信号并解调输出；由读取线圈、读取电路构成；读取器与应答器与采用线圈作为信号收、发天线；读取器与应答器两者独立供电；读取器的读取与解调也完全实现对 EM4100 规范地支持；读取端采用商业的 RFID 读取器，不作任何修改，只是采用查询方式读卡，当要读取数据时，上位机发出查询命令，再进行读卡。2.3 穿壁通信软件设计要求 ID卡模拟器发射EM4100模拟信号，传输温度传感器数据；读取器解码 ID 卡发出的模拟信号，读取温度系数值。具体过程如下：因箱体内需要分布式测温，所以采用DS18B20 电源供电、单总线挂载多个温度传感器的方案；根据 DS18B20 的通讯协议，单片机控制 DS18 B20 实现温度转换，实现测温；温度数据由 ID卡模拟器转换成 125kHz 载波信号，穿透轻薄金属壁，读取器解码 ID 卡发出的载波信号，读取温度值。3 实施方案穿壁通信采用 RFID 125kHz作为通信频率，该频率下，采用线圈作为收发天线，通过磁耦合，实现穿透金属壁（25mm）进行通信的目的。其通讯原理如图 1 所示。穿壁通信有壁外“读取器”与壁内“应答器”两部分组成。采用单片机模拟 EM4100 卡发射信号，传输温度传感器数据，YL0301 读取发射信号，完成通信试验，其穿壁通信组成框图如图 2 所示。3.1 读取电路硬件实现方案读取电路有发射 125kHz 载波信号以完成唤醒应答器，解调应答器发射的 125kHz 调制信号的功能。由于应答器信号协议采用 RFID 125kHz E4100 协议实现，因此，读取电路功能与组成与 125kHz RFID 读取电路完全相同，所以，读取器实现方案可有 3 种：（1）采购商业化的 125kHz 读卡器模块实现，优点：开发快速，缺点：性能固化，往往是功能最简化、指标最普通；采购 RFID 读卡器外壳 4 个，RFID 读卡线圈 125kHz天线 4 个，RFID 射频读卡模块 125kHz YL0301 2 个，即可阅读器谐振回路应答器i1=I1msin（wt）阅读器线圈应答器线圈v2=V2msin(wt)B图 1 阅读器与应答器之间的耦合YL0301E2270BUART读取线圈125KHz通信信号金属壁应答器EM4100信号模拟产生器温度传感器读取器发射线圈9600BaudRate图 2 穿壁通信组成框图卡片ICE5551e5561振荡标准读通道MCU微控制器应答卡片U2270BRF场Typ.125KHzDATA读/写基站滤波使能数据输出开启系统图 3 U2270B 构成的读写电路组成框图|9电子电路设计与方案制成读取电路。（2）直接使用 125kHz RFID读取器芯片 U2270B 实现模块，优点在于可实现不同读写距离，性能功能都可自主优化设计，如图 3所示。U2270B 作为核心器件，其组成有3部分：线圈，U2270B，单片机。U2270B：载波生成、调制信号的解调；单片机：控制 U2270B 工作模式、解调信号的解析；外围电路：为 U2270B 功能、性能实现提供条件。目前，射频技术在低频有广泛应用。在低频读写器工作频率主 要 是 在 125kHz，U2270B 芯片，是 ATMEL 公司生产的基站芯片，基站可以对非接触式的 IC 卡进行读写，基站的射频频率工作在100150kHz 的范围内。在频率为 125kHz 的标准情况下，数据传输速率可以达到 5000b/s。U2207B 组成框图如图 4 所示。不同的外围电路，实现的读卡器性能不同，常规电路能实现读卡功能；原距离电路可增强读卡器读卡距离；频率可调电路通过微调工作频率，增强读卡距离，如图5所示。（3）采 用 单 片 机 自 主 开 发125kHz 读取模块，优点：最大程度地实现功能、性能、成本优化；缺点：开发周期长，需要自主设计很多电路。单片机实现方案不采用专用的IC 芯片实现载波生成、放大与信号检波，而是用分立元件实现载波的生成、放大和信号检波，同时载波生成直接使用单片机 PWM 端口生成，载波放大采用 H 型全桥驱动电路实现，信号检波采用简单的阻容电路实现，如图 6 所示。图 4 U2207B 组成框图82 1.5 mH1 nF4x 1N4148100 k75 kAntenna1N41484.7 nF43 k68 kVSRFVEXTDVSVBattCOIL 2COIL 1InputHIPASSDGNDGNDCHPMSCFEStandbyOutputOEU2270BMicro-controller22 FVDD5 VGND470 k1.5 nFCINVSS180 pF1004.7 kBC8461.5 k47 nF图 5 工作频率可调、长距离通信条件下实现电路低频单元载波发射调制检波功率放大电路检波电路滤波放大电路单片机控制核心外围电路计算机控制单元天线PWM 端口125KHz载波图 6 单片机实现读写电路原理框图10|电子制作 2023 年 6月电子电路设计与方案 3.2 应答电路硬件实现方案为进行读取器配合通信，必须开发应答电路，应答电路硬件由 4 部分组成：(1)温度传感器电路；(2)ID 卡模拟器；(3)发射线圈；(4)单片机控制电路。为发射 EM4100 模拟信号；传输温度传感器数据，首先要开发 ID 卡模拟器硬件，ID 卡模拟器即 125kHz调制信号发射电路，主要由功率放大、整形滤波、线圈匹配、载波信号组成；ID 卡模拟器硬件框图和穿壁通信125kHz 发射链路如图 7 和图 8 所示。ID 卡模拟器发射信号时用并联谐振，检波用串联谐振，此时应答器需要发射信号因此采用并联谐振，如图9 所示。3.3 穿壁通信软件设计采用单片机时钟输出端口，产生标准的 125kHz 载波；ID 卡模拟器总体思路：单片机主机通常处于休眠状态；载波提取电路处于始终上电接收状态；载波提取电路输出端口，经耦合电容，加载在单片机中断唤醒端口；载波提取电路输出端口，经耦合电容，也加载在单片机的某个 GPIO 输入端口上；开关卡处于导通状态；当 ID 卡读取器需要读取数据时，其首先发送 125kHz 载波信号；具体流程图如图 10 所示。3.4 测温电路设计测温电路采用 DS18B20 单总线数字温度计实现。因箱体内需要分布式测温，所以采用 DS18 B20电源供电、单总线挂载多个温度传感器的方案，如图 11 所示。3.5 发射天线的设计发射天线的电感值大约为 345H,因此天线采用线径 0.29mm 进行设计，根据形状和直径(长 宽)不同绕制不同的圈数，具体设计方案如表 1所示。、温度传感器载波信号提取串口、调试口电源口功率放大滤波整形温度传感器调制信号发射使能信号轮询温度值信号调制输出唤醒启动基带数据编码调制信号主控模拟器kk图 7 ID 卡模拟器硬件框图Coil1Coil2400uHC0驱动功率放大LC串联谐振检波整形放大程控开关 KINT0GPIOPWM125KHz调制信号GPIO载波提取C1LC并联谐振单片机电源+5 V数字温度计 1数字温度计 N1-wire bus锁存驱动图 8 穿壁通信 125kHz 发射链路驱 动功 率放 大并联谐振检 波整 形放 大程控开关单 片 机调制信号程控开关载 波 提 取k图 9 ID 卡并联谐振信号模拟器|11电子电路设计与