基于RFID的物联网感知层移动节点的研究与设计

摘要

本文是以物联网感知层上的RFID技术为研究背景,对基于RFID的移动节点设计和节点无线方式接入物联网进行研究,该研究有助于解决物联网节点采集移动物品信息的方案设计。
　　本文对物联网的节点采用了一种新的设计理念:节点可移动,采用无线方式接入物联网。论文的设计结合了RFID、单片机、无线通信、轻量级操作系统、高级语言程序设计等技术。课题设计从芯片的选型、功耗、信息安全、传输速率和节点接入物联网的方式等方面着手。本设计采用STM32F103RBT6为阅读器微控制器,MFRC522为RFID阅读器对射频卡进行读写控制的编码/解码驱动芯片。该阅读器具有以下功能:使用2.8寸TFTLCD触摸显示屏,具有友善的人机交流界面;移植了GUI系统,可以使界面更加美观,使用更加便捷;能够读写S50卡和S70卡,读写距离达到60mm;具有数据存储功能,采用AT45DB161作为外部FLASH存储器,高达2MB存储空间;具有无线接入物联网功能,无线传输距离达20m;系统可使用锂电池供电,也可接直流电源供电或充电,电源具有自动切换功能;阅读器采用低功耗电源管理,具有超长待机时间等。
　　阅读器节点的工作原理:首先通过触摸屏设置阅读器的工作模式,启用读卡任务,当有射频卡进入天线的读写范围时,阅读器读取卡中的信息,读卡完成后,检查阅读器能否通过无线连接到基站,如果连接成功,则将数据发送基站,发送完成后再将数据保存到外部FLASH;如果连接失败,则直接保存到外部FLASH并标志该数据块,待连接无线网络成功时,则自动发送该数据,也可以通过USB接口将数据整体拷出。
　　本论文不仅有理论设计方案,还设计出RFID阅读器和基站实物。将RFID阅读器作为物联网感知层的感知节点,基站与节点之间通过nRF24L01模块无线连接,将一定范围内的节点组建一个小型无线网络,基站是这个网络的中心,基站采用有线的方式与PC机连接,通过PC机连入物联网。
　　通过实验测出相关的实验数据,将数据统计和分析,验证了阅读器节点能准确读写射频卡的数据和节点无线接入方案的可行性。在确保信息安全的前提下,为物联网的RFID节点便捷化、人性化、科技化设计提供了具有实际意义的理论依据。

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第1章 引言

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要内容

1.4 论文章节安排

第2章 物联网RFID节点

2.1 物联网节点

2.2 RFID系统

2.3 阅读器

2.4 射频卡

2.4 本章小结

第3章 硬件总体设计方案

3.1 硬件总体结构设计

3.2 小型无线网络数据传输

3.3 阅读器最小系统设计与MCU简介

3.4 阅读器电源模块设计

3.5 MF RC522模块设计

3.6 数据传输模块设计

3.7 数据存储模块设计

3.8 显示模块设计

3.9 本章小结

第4章 软件架构设计

4.1 软件层次设计

4.2 Free RTOS实时操作系统

4.3 GUI系统

4.4 FAT文件系统

4.5 上位机程序

4.6 MF RC522驱动程序

4.7 AT45DB161驱动程序

4.8 LCD触摸屏驱动程序

4.9 本章小结

第5章 节点无线接入物联网方案

5.1 小型无线网络

5.2 通信协议控制字

5.3 节点的加入与删除

5.4 节点与基站的数据通信

5.5 本章小结

第6章 系统性能验证

6.1 系统测试方案

6.2 测试数据分析

6.3 结果分析

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 工作展望

参考文献

个人简介、申请学位期间的研究成果及发表的学术论文

致谢