在車輛安監(jiān)預警類型的物聯網應用系統(tǒng)中，確保RFID讀寫器能可靠地識讀到安裝在車輛內部的電子標簽是系統(tǒng)正常運作的前提和基礎[1]。超高頻RFID讀寫器憑借其遠距離識讀能力占據了較大的應用市場[2]，但是在實際部署過程中，讀寫器的發(fā)射功率通常是恒定的，系統(tǒng)的能耗表現不佳，且在惡劣天氣情況下，讀寫器不能靈活調節(jié)其發(fā)射功率，容易出現漏讀的情況。針對此問題，參考文獻[3]在分析前后兩次讀取標簽數量差值的基礎上，采用模糊控制算法來動態(tài)改變讀寫器的發(fā)射功率，但該方法只適用于連續(xù)、大批量標簽讀取業(yè)務，無法滿足間歇性小批量讀取系統(tǒng)的應用需求；參考文獻[4]設計并實現了一種基于STM32和RMU900+的物聯網工程讀寫器，可以在聯網模式下批量調節(jié)讀寫器的發(fā)射功率,大幅提高系統(tǒng)部署效率及使用過程中的靈活性，但該讀寫器未能引入自適應的控制策略，需要人工值守。本文在基于STM32和RMU900+的物聯網工程讀寫器的基礎上，利用雨量傳感、溫度傳感和雷達探測等模塊感知的信息，制定了一套簡單、靈活且可靠的讀寫器功率自適應調節(jié)策略。應用該調節(jié)策略和傳輸網絡，讀寫器的發(fā)射功率可雙重自適應控制，具有較高的識讀成功率和良好的節(jié)能效果。
1 系統(tǒng)的工作原理及整體結構概述
    整個系統(tǒng)結構框架如圖1所示。主控機和物聯網多源信息終端通過3G、LAN、WiFi等多種通信方式來實現組網[5]，它們是系統(tǒng)的傳輸與處理核心。每個物聯網多源信息終端可以連接最多16個讀寫器，通過多源信息終端來實現異構讀寫器協同工作，降低讀寫器在通信方面的復雜度，并提高系統(tǒng)部署的靈活性。為了實現讀寫器發(fā)射功率的自適應調節(jié)，增加了溫度、雨量和雷達探測等傳感模塊，利用這些模塊采集到的信息作為自適應調節(jié)的原始數據。功率調節(jié)策略可以通過傳輸網絡由主控機遠程設定，如未遠程設定，則執(zhí)行讀寫器本地存儲的默認策略來控制射頻發(fā)射功率。

2 硬件系統(tǒng)設計與實現
    功率自適應調節(jié)的超高頻RFID讀寫器硬件框架如圖2所示。

    根據參考文獻[1]所述方案實現基本平臺，控制核心采用STM32F103ZET6 MCU,可通過本地按鍵進行控制。在規(guī)模化部署時也可以通過串行通信方式與信息終端連接，利用主控機進行集中控制、設置液晶顯示屏，用來顯示本地信息；系統(tǒng)的射頻模塊選用RMU900+[3-4]，并通過SMA接口連接13 dBi增益的射頻天線；雨量傳感、溫度傳感和雷達探測模塊將檢測到的信息通過I/O口傳輸給MCU，MCU根據預先設定的調節(jié)策略實時地控制系統(tǒng)的射頻發(fā)射功率[6-8]。
2.1雷達探測模塊
    在預警型園區(qū)車輛管理系統(tǒng)中,只有當車輛經過時，相應的RFID讀寫器才需要工作;沒有車輛經過時，讀寫器可以處在休眠狀態(tài)，達到節(jié)省電能、延長讀寫器工作壽命的目的。在讀寫器兩邊分別布設10.525 GHz微波模塊來探測是否有車輛移動，如果有車輛移動，則啟動RFID模塊工作，準備識讀標簽(本系統(tǒng)同時也完成方向識別功能)。微波處理模塊電路如圖3所示，根據雷達測速原理，ft與fr的差值是計算車輛的移動速度的原始數據，該輸出信號會送入圖4所示的驅動電路進行運算放大。

    在本系統(tǒng)中，當IF端的頻率為72 Hz時，車輛移動速度大約為3.6 km/h，略高于成人正常的步行速度(在實際應用系統(tǒng)中，可以靈活調整)。
2.2 溫度傳感模塊
    在本系統(tǒng)中,在沒有車輛經過的情況下RFID讀寫器可能長時間處于休眠狀態(tài)，且在極端氣候環(huán)境下，射頻模塊可能因溫度原因無法立即被喚醒并正常工作。因此,本文設計了溫度控制模塊, 將模塊溫度控制在0~+50℃之間。
　　溫度探測模塊直接使用2片DS18B20,該模塊在-10℃~+85℃范圍內的精度可以滿足系統(tǒng)要求，當檢測溫度低于0℃時，給RFID模塊供電以保持其溫度不至于過低；當溫度高于5℃時，恢復休眠狀態(tài)；當檢測到溫度高于50℃時,啟動散熱風扇工作，以免系統(tǒng)溫度過高。
2.3 雨量傳感模塊
　UHF頻段的電磁波能量較容易被雨水吸收，因此，在雨量比較大的惡劣天氣狀況下，需要提高讀寫器的發(fā)射功率。本文設計了一個紅外散射式雨量傳感器系統(tǒng)以檢測降雨情況。
    利用MCU內的定時器輸出頻率為28 kHz的方波信號來驅動紅外發(fā)射管，紅外光以固定角度投射到玻璃上，反射光被紅外接收器接收。如果玻璃上無雨水，則接收器收到的紅外線總量穩(wěn)定且與發(fā)射器發(fā)出的紅外線基本相等；有降雨發(fā)生時，散射現象會導致接收到的紅外線總量小于發(fā)射總量，系統(tǒng)以此來判定是否有降雨發(fā)生。為盡量排除可見光的干擾，在玻璃下方疊加了一片濾光片。
3 軟件系統(tǒng)設計與實現
    在基于STM32和RMU900+的物聯網工程讀寫器的基礎平臺上，發(fā)射功率自適應調節(jié)模塊主要包括雷達探測、溫度檢控、雨量檢控等功能。具體軟件實現流程如圖5所示。

    參數預置模塊用于控制對應場景的射頻發(fā)射功率調節(jié)策略，可以通過網絡進行集中預置，也可以直接讀取本地存儲的預置參數。初始化并自檢通過后系統(tǒng)打開對應中斷，開始各功能模塊的檢測工作;否則轉向錯誤處理模塊進行處理并發(fā)出警告信息。
4 測試與分析
    在模塊初始化成功后，能通過網絡讀取和預置調節(jié)參數，人為斷開各功能模塊電路，錯誤處理模塊均能做出響應并向遠程集控機提交警告信息，系統(tǒng)進入應急工作模式。在基礎性模塊測試通過的基礎上逐項進行功能性測試。
4.1雷達探測模塊測試
    雷達探測模塊主要用于將休眠中的射頻模塊喚醒，設定好喚醒的速度閾值，超過后就喚醒射頻模塊工作，發(fā)射功率則由雨量傳感模塊控制。考慮到在較低速度情況下汽車比較難于精確控制車速[9]，設計用改裝的電控小車來模擬車輛行駛狀態(tài)。測試數據如表1所示。

    按照理論計算，3.6 km/h應為射頻輸出控制的閾值，經實際測得，車速在3.5 km/h時無射頻輸出，車速超過4.0 km/h時有射頻輸出,表明雷達探測模塊能夠正常工作并喚醒射頻模塊輸出。
4.2 溫度傳感模塊
    由于受氣溫及實驗條件的限制，低溫環(huán)境最低只能測試到0℃，測試運行時臨時設定射頻模塊退出休眠的溫度為1℃，結果表明，溫度檢控模塊也能按照預期正常運作。測試數據如表2所示。
4.3 雨量傳感模塊
    雨量傳感模塊主要用于控制射頻模塊的發(fā)射功率，以確保可靠識讀車內標簽。測試運行時，分別用霧化裝置和花灑來模擬4檔降雨量。測試數據如表3所示。

    在正常工作狀態(tài)下，配合13 dBi增益的射頻天線，系統(tǒng)的射頻輸出功率約15 dBm,可以實現約3 m的識讀距離。在微量降雨(LL)至高強度降雨(HH)等4種狀態(tài)下，射頻輸出功率自動調節(jié)為20 dBm~30 dBm，基本實現了自適應調節(jié)功能。
    本文通過多模塊協同工作，設計并實現了RFID讀寫器射頻發(fā)射功率的寬范圍自適應調節(jié)，同時實現了調節(jié)策略本機單獨設定和網絡集中設定兩種模式，方便靈活部署。
參考文獻
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