《物联网实验》

实验报告

题目	：	实验3 RFID-UHF超高频实验
姓名	：	高星杰
学号	：	2021307220712
专业	：	计算机科学与技术
上课时间	：	2024春
授课教师	：	朱容波

2024 年 6月 18 日

[TOC]

实验3 RFID-UHF超高频实验

实验目的

掌握 UHF 超高频通讯原理；
掌握 UHF 超高频通讯协议；
掌握读卡器操作流程；
了解 UHF 超高频应用；

实验设备

硬件：提供电源、PC、USB口、RS232串口、RJ45以太口、5539光敏传感器、蜂鸣传感器、CC Debugger仿真器一套。
软件：ZigBee基础实验平台软件、python3.8、IAR Embedded WorkBench,ZStack协议栈，Keil开发软件。

实验要求

参考视频实现UHF超高频RFID通信
通过Python编写界面程序实现RFID端口数据通信

实验原理

在进行实验之前我们要先了解实验的原理，为了能够讲解清楚实验的原理，我将以问答的形式介绍本次实验的原理。

什么是RFID？

RFID，即射频识别（Radio Frequency Identification），是一种通过无线电波进行非接触式数据通信的技术，用于自动识别和追踪物体。RFID系统通常由三部分组成：标签（Tag）、读写器（Reader）和数据处理系统。

RFID标签（Tag）

RFID标签包含一个芯片和一个天线，芯片中存储有唯一标识信息。根据能量来源，RFID标签可以分为以下三类：

无源标签（Passive Tag）：没有电池，依靠读写器发出的电磁场供电，反射信号回读写器。

有源标签（Active Tag）：内置电池，能主动发送信号，读取距离较远。

半有源标签（Semi-passive Tag）：内置电池，但只在被激活时发送信号。

2. RFID读写器（Reader）

RFID读写器通过天线发出无线电波，与RFID标签通信，读取或写入标签中的数据。读写器根据使用频率和应用场景，可以分为低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）等类型。

3. 数据处理系统

数据处理系统接收来自读写器的数据，对数据进行处理、存储和分析。这些数据通常通过网络传输到中央数据库或管理系统，用于进一步的应用和决策支持。

RFID工作原理

RFID系统的工作过程通常包括以下步骤：

读写器发射信号：RFID读写器通过天线发射无线电信号，形成一个电磁场。
标签接收信号：当RFID标签进入读写器的读写范围时，标签天线接收信号，激活标签内的芯片。
标签回应信号：无源标签通过反射读写器的信号回应数据，有源标签则使用自身电源主动发送数据。
读写器接收信号：读写器接收到来自标签的信号，将标签中的数据读取出来。
数据处理：读写器将读取到的数据传输到数据处理系统，进行存储、分析和应用。

RFID的应用

RFID技术具有识别距离远、多目标识别、抗干扰能力强、数据存储容量大等优点，被广泛应用于各个领域：

物流与仓储管理：用于自动化库存管理、货物追踪、仓库盘点等，提高管理效率。
交通与自动收费：用于不停车收费系统（ETC）、公交卡、门禁系统等，方便快捷。
零售与防盗：用于商品防盗、库存管理和快速结算等，提升购物体验。
医疗与健康管理：用于病人身份识别、药品追踪、医疗设备管理等，确保安全和准确性。
农业与畜牧业：用于动物身份识别、养殖管理、环境监控等，提升管理效率和生产效益。

什么是UHF？

UHF（Ultra High Frequency，超高频）是一种射频识别（RFID）技术使用的频率范围，通常指频率范围在300 MHz到3 GHz之间。UHF RFID技术具有较长的读取距离和较快的数据传输速度，因此在许多应用中被广泛采用。

UHF的特点

频率范围：UHF频段通常在300 MHz到3 GHz之间。常见的UHF RFID系统工作频率为860-960 MHz。
读取距离：UHF RFID标签的读取距离较长，一般可以达到几米到十几米，甚至更远，具体距离取决于读写器的功率、天线设计和环境因素。
数据传输速度：UHF RFID系统的数据传输速度较快，适用于需要快速读取大量标签的应用场景。
抗干扰能力：UHF RFID系统采用多种技术减少干扰，如频率跳变、调制技术等，能够在复杂环境中稳定工作。
成本：UHF RFID标签的成本较低，适合大规模应用。

UHF RFID的工作原理

UHF RFID系统的工作过程如下：

读写器发射射频信号：UHF RFID读写器通过天线发射射频信号。
标签接收信号：UHF RFID标签的天线接收射频信号，激活标签内的芯片。无源标签依靠接收到的信号供电，有源标签则使用内置电池供电。
标签回应信号：标签芯片处理信号后，将存储的数据通过反射或主动发射的方式回应给读写器。
读写器接收信号：读写器接收到标签发回的信号，并将数据解码，传输到数据处理系统。

UHF RFID的应用

由于UHF RFID技术的特点，它在多个领域中得到广泛应用：

物流与供应链管理：UHF RFID用于自动化仓库管理、货物追踪、库存盘点等，提高供应链效率。
零售业：用于商品防盗、库存管理、快速结算等，提高购物体验和运营效率。
交通与自动收费：用于高速公路不停车收费系统（ETC）、停车场管理等，提高交通管理效率。
制造业：用于生产线自动化、设备管理、产品追踪等，提高生产效率和质量控制。
医疗与健康管理：用于病人身份识别、药品管理、医疗设备追踪等，提高医疗服务质量。
资产管理：用于公司资产的标识和追踪，提高资产利用率和管理效率。

实验步骤

1. 盘存操作

发送盘存指令
- 在串口调试助手上发送以下盘存指令：
```
73 00 01 00 00 00 20 00 02 00 01 90 01 00
```
- 首先返回命令成功数据：
```
73 00 03 00 01 00 20 00 04 00 00 00 00 00 00
```
读取EPC码
- 将超高频标签置于读写器天线上方，返回的数据中包含EPC码：
```
E2 00 41 27 88 14 01 01 22 70 29 DB
```

2. 停止盘存

发送停止盘存指令：

73 00 01 00 00 00 20 00 02 00 00 00 00 00

成功返回数据：

73 00 03 00 01 00 20 00 04 00 00 00 00 00 00 00 73 00 00 01 00 20 00 04 00 00 00 00 00 00

3. 标签扇区读取操作

3.1 读取EPC码

扇区读取命令0x22可读取标签的四个分区数据。
EPC码长度为96位（6个word），从地址0x02开始。

发送读取EPC码的指令：

73 00 01 00 00 00 22 00 0C 00 03 C9 00 00 00 00 00 00 01 00 02 00 06 00

返回的数据中最后的6个word即为EPC码。

3.2 读取TID码

TID码长度为96位（6个word），从地址0x00开始。

发送读取TID码的指令：

73 00 01 00 00 00 22 00 0C 00 02 42 00 00 00 00 00 00 02 00 00 00 06 00

返回的数据中最后的6个word即为TID码。

4. 标签扇区写操作

在AITGM-UHF接口应用程序上，发送以下十六进制数据：

73 00 01 00 00 00 30 00 18 00 25 F0 00 00 00 00 00 00 01 00 02 00 06 00 E2 00 41 27 88 14 01 04 04 80 E1 6E

返回的数据中最后4个字节全为0表示执行成功。

5. 使用Python可视化

使用Python第三方库Serial读取串口接收到的传输信息。
使用Tkinter创建可视化界面，显示发送与接收情况。

实验结果

1 盘存操作

将超高频标签置于读写器天线上方

4bc5c25af3f55b9f83888f7d60130cde_720

输入指令

08857fc37acfbcf33d7b30392792b2bb

发送指令并返回结果

bf69dcad04b3ec4442657ad2ab65a250

2 停止存盘

输入停止存盘指令并发送，可以发现返回数据停止了。

tes

3 标签扇区读取操作

3.1 读取EPC码

d2fedcdf5d93ee63f9a576abbfb7b799

3.2 读取TID码

4 标签扇区写操作

返回末尾是 00 00 说明成功

7dc2dc643fffe71e52e6fe1480343514

5 读取EPC码

可以发现已经写入成功

f79fac753b4f70a55390372a7664cd9c

6 实时盘存

dd8d4ce45950f5eeb2b794ebc514fc70

1dbc7af3ecb91f58e13fc055ae9c8fc4

7 Python可视化

cd2840b62ad1ce752e8bd9a31133a148

实验代码

import binascii  # 用于二进制和ASCII字符串的相互转换
import tkinter as tk  # Tkinter是Python的标准GUI库
from tkinter import ttk  # ttk模块提供了若干新小部件
import serial  # pySerial库，用于串口通信
import threading  # 用于实现多线程

# 一个简单的信息窗口类
class InformWindow:
    def __init__(self, informStr):
        self.window = tk.Tk()
        self.window.title("Information")  # 设置窗口标题
        self.window.geometry("220x60")  # 设置窗口大小
        label = tk.Label(self.window, text=informStr)  # 显示信息的标签
        buttonOK = tk.Button(self.window, text="OK", command=self.processButtonOK)  # 确定按钮
        label.pack(side=tk.TOP)
        buttonOK.pack(side=tk.BOTTOM)
        self.window.mainloop()  # 进入消息循环

    def processButtonOK(self):
        self.window.destroy()  # 销毁窗口

# 主GUI类
class mainGUI:
    def __init__(self):
        window = tk.Tk()
        window.title("GUI UART Tx/Rx Demo")  # 设置窗口标题
        self.uartState = False  # 标识串口是否打开

        # 包含COM信息和开始/停止按钮的框架
        frame_COMinf = tk.Frame(window)
        frame_COMinf.grid(row=1, column=1)
        labelCOM = tk.Label(frame_COMinf, text="COMx: ")  # COM端口标签
        self.COM = tk.StringVar(value="COM1")  # COM端口变量
        ertryCOM = tk.Entry(frame_COMinf, textvariable=self.COM)  # 输入COM端口
        labelCOM.grid(row=1, column=1, padx=5, pady=3)
        ertryCOM.grid(row=1, column=2, padx=5, pady=3)
        labelBaudrate = tk.Label(frame_COMinf, text="Baudrate: ")  # 波特率标签
        self.Baudrate = tk.IntVar(value=115200)  # 波特率变量
        ertryBaudrate = tk.Entry(frame_COMinf, textvariable=self.Baudrate)  # 输入波特率
        labelBaudrate.grid(row=1, column=3, padx=5, pady=3)
        ertryBaudrate.grid(row=1, column=4, padx=5, pady=3)
        labelParity = tk.Label(frame_COMinf, text="Parity: ")  # 校验位标签
        self.Parity = tk.StringVar(value="NONE")  # 校验位变量
        comboParity = ttk.Combobox(frame_COMinf, width=17, textvariable=self.Parity)  # 校验位下拉框
        comboParity["values"] = ("NONE", "ODD", "EVEN", "MARK", "SPACE")
        comboParity["state"] = "readonly"
        labelParity.grid(row=2, column=1, padx=5, pady=3)
        comboParity.grid(row=2, column=2, padx=5, pady=3)
        labelStopbits = tk.Label(frame_COMinf, text="Stopbits: ")  # 停止位标签
        self.Stopbits = tk.StringVar(value="1")  # 停止位变量
        comboStopbits = ttk.Combobox(frame_COMinf, width=17, textvariable=self.Stopbits)  # 停止位下拉框
        comboStopbits["values"] = ("1", "1.5", "2")
        comboStopbits["state"] = "readonly"
        labelStopbits.grid(row=2, column=3, padx=5, pady=3)
        comboStopbits.grid(row=2, column=4, padx=5, pady=3)
        self.buttonSS = tk.Button(frame_COMinf, text="Start", command=self.processButtonSS)  # 开始/停止按钮
        self.buttonSS.grid(row=3, column=4, padx=5, pady=3, sticky=tk.E)
        
        # 串口对象
        self.ser = serial.Serial()
        
        # 串口读取线程
        self.ReadUARTThread = threading.Thread(target=self.ReadUART)
        self.ReadUARTThread.start()
        
        # 接收数据的框架
        frameRecv = tk.Frame(window)
        frameRecv.grid(row=2, column=1)
        labelOutText = tk.Label(frameRecv, text="ReceivedData:")  # 接收数据标签
        labelOutText.grid(row=1, column=1, padx=3, pady=2, sticky=tk.W)
        frameRecvSon = tk.Frame(frameRecv)
        frameRecvSon.grid(row=2, column=1)
        scrollbarRecv = tk.Scrollbar(frameRecvSon)
        scrollbarRecv.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
        self.OutputText = tk.Text(frameRecvSon, wrap=tk.WORD, width=60, height=20, yscrollcommand=scrollbarRecv.set)  # 显示接收数据的文本框
        self.OutputText.pack()
        
        # 发送数据的框架
        frameTrans = tk.Frame(window)
        frameTrans.grid(row=3, column=1)
        labelInText = tk.Label(frameTrans, text="To Transmit Data:")  # 发送数据标签
        labelInText.grid(row=1, column=1, padx=3, pady=2, sticky=tk.W)
        frameTransSon = tk.Frame(frameTrans)
        frameTransSon.grid(row=2, column=1)
        scrollbarTrans = tk.Scrollbar(frameTransSon)
        scrollbarTrans.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
        self.InputText = tk.Text(frameTransSon, wrap=tk.WORD, width=60, height=5, yscrollcommand=scrollbarTrans.set)  # 输入发送数据的文本框
        self.InputText.pack()
        self.buttonSend = tk.Button(frameTrans, text="Send", command=self.processButtonSend)  # 发送按钮
        self.buttonSend.grid(row=3, column=1, padx=5, pady=3, sticky=tk.E)
        window.mainloop()

    def processButtonSS(self):
        if (self.uartState):
            self.ser.close()  # 关闭串口
            self.buttonSS["text"] = "Start"  # 更改按钮文字
            self.uartState = False
        else:
            # 重新启动串口
            self.ser.port = self.COM.get()
            self.ser.baudrate = self.Baudrate.get()
            strParity = self.Parity.get()
            if (strParity == "NONE"):
                self.ser.parity = serial.PARITY_NONE
            elif (strParity == "ODD"):
                self.ser.parity = serial.PARITY_ODD
            elif (strParity == "EVEN"):
                self.ser.parity = serial.PARITY_EVEN
            elif (strParity == "MARK"):
                self.ser.parity = serial.PARITY_MARK
            elif (strParity == "SPACE"):
                self.ser.parity = serial.PARITY_SPACE

            strStopbits = self.Stopbits.get()
            if (strStopbits == "1"):
                self.ser.stopbits = serial.STOPBITS_ONE
            elif (strStopbits == "1.5"):
                self.ser.stopbits = serial.STOPBITS_ONE_POINT_FIVE
            elif (strStopbits == "2"):
                self.ser.stopbits = serial.STOPBITS_TWO

            try:
                self.ser.open()  # 打开串口
            except:
                informStr = "Can't open " + self.ser.port
                InformWindow(informStr)

            if (self.ser.isOpen()):  # 打开成功
                self.buttonSS["text"] = "Stop"  # 更改按钮文字
                self.uartState = True

    def processButtonSend(self):
        if (self.uartState):
            strToSend = self.InputText.get(1.0, tk.END)
            bytesToSend = bytes.fromhex(strToSend[0:-1])  # 将输入的十六进制字符串转换为字节
            self.ser.write(bytesToSend)  # 发送数据
            print(bytesToSend)
        else:
            informStr = "UART is not open"
            InformWindow(informStr)

    def ReadUART(self):
        while True:
            if (self.uartState):
                try:
                    ch = self.ser.read()  # 读取一个字节
                    print(ch, end='')
                    data = str(binascii.b2a_hex(ch))  # 将字节转换为十六进制字符串
                    print(str(data[1:]).split('\\x'))
                    self.OutputText.insert(tk.END, data.split('b\'\\x'))  # 在文本框中显示接收到的数据
                except:
                    informStr = "Error reading UART"
                    InformWindow(informStr)
                    self.ser.close()  # 关闭串口
                    self.buttonSS["text"] = "Start"
                    self.uartState = False

# 启动主GUI
mainGUI()

代码分析

导入必要的库

binascii: 用于二进制和ASCII字符串的相互转换。

tkinter和ttk: 用于创建图形用户界面。

serial: pySerial库，用于串口通信。

threading: 用于实现多线程。

信息窗口类 InformWindow

这个类用于创建一个简单的信息窗口，用于显示错误或状态信息。窗口包含一个标签和一个“OK”按钮，点击按钮后窗口关闭。

主GUI类 mainGUI

初始化GUI窗口: 创建主窗口并设置标题。

串口信息框架: 包含COM端口、波特率、校验位和停止位的输入字段，以及一个开始/停止按钮。用户可以在这里输入串口的相关信息并启动或停止串口通信。

串口对象: 创建一个串口对象self.ser，用于串口通信。

串口读取线程: 创建并启动一个线程self.ReadUARTThread，用于后台读取串口数据。

接收数据框架: 一个文本框，用于显示从串口接收到的数据。包含一个滚动条，可以滚动查看长数据。

发送数据框架: 一个文本框，用于输入需要通过串口发送的数据，以及一个发送按钮。

processButtonSS方法

处理开始/停止按钮的点击事件：
- 如果串口已打开，则关闭串口，并将按钮文字改为“Start”。
- 如果串口未打开，则根据用户输入的串口配置信息，配置并尝试打开串口。打开成功后，将按钮文字改为“Stop”。

processButtonSend方法

处理发送按钮的点击事件:
- 如果串口已打开，则读取用户输入的数据，将其转换为字节并发送到串口。
- 如果串口未打开，则弹出信息窗口提示用户串口未打开。

ReadUART方法

后台线程方法: 不断检查串口是否已打开，如果打开，则读取串口数据，将数据转换为十六进制字符串并显示在接收数据框架的文本框中。

启动主GUI

创建并启动mainGUI对象，进入Tkinter主事件循环。

总体功能

创建了一个GUI界面，用于通过串口发送和接收数据。用户可以输入串口的相关配置信息（COM端口、波特率、校验位和停止位），启动或停止串口通信，发送和接收数据，并在界面上实时查看接收到的数据。通过多线程实现了后台读取串口数据，保证界面响应不被阻塞。

实验总结与感悟

在这次UHF超高频通信实验中，我们不仅仅是按照步骤进行操作，更是一次深刻的学习和探索之旅。这个实验让我对UHF超高频通信技术有了更深刻的理解，也让我感受到团队合作和动手实践的无穷魅力。

实验开始，我们怀着好奇和期待，通过发送盘存指令，成功读取到了标签的EPC码。这一刻，看到屏幕上跳动的数据，我们兴奋不已。这不仅仅是对硬件设备的成功操作，更是对我们理论知识的一次有力验证。紧接着，我们发送停止盘存指令，读写器按照我们的指令停止了操作，这种掌控感让我们对技术的敬畏和热爱又增加了几分。

在接下来的标签扇区读取和写入操作中，我们遇到了一些小挑战，但通过团队的智慧和不懈努力，我们逐一攻克。成功读取EPC码和TID码，并对EPC码进行了修改，看到实验数据准确无误地返回，内心的成就感难以言表。这不仅是实验的成功，更是我们不断学习和探索的成果。

通过这次实验，我深刻体会到了理论与实践相结合的重要性。书本上的知识在实际操作中变得鲜活起来，每一次成功的操作都是对我们学习成果的肯定。团队合作在这次实验中发挥了至关重要的作用，大家一起讨论、解决问题，在合作中碰撞出智慧的火花。这种合作精神和默契也将成为我们未来学习和工作的宝贵财富。

这次实验还极大地提升了我的编程技能和实际操作能力。通过编写和调试Python代码，我们实现了串口数据的实时发送、接收和显示，这不仅增强了我们的动手能力，也让我们更加熟悉了Python编程和Tkinter图形界面的使用。在代码调试过程中，每一个问题的解决都让我对编程有了更多的信心和热爱。

这次UHF超高频通信实验，不仅让我深入了解了这一前沿技术，还让我感受到物联网技术在现代生活中的巨大潜力和广阔前景。通过这次实验，我更加坚定了继续深入学习物联网技术的信心和决心。实验中的每一次成功和挑战，都将成为我学习道路上的宝贵经验和动力。

这次实验经历，不仅是对知识的学习和技术的掌握，更是对自己能力的提升和信心的培养。它将激励我在未来的学习和研究中，不断探索和创新，为物联网的发展贡献自己的力量。感谢这次实验，让我更加热爱这个充满无限可能的领域。

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