一种基于NB-IoT的阅读器的制作方法

本实用新型涉及一种阅读器，特别是涉及一种基于NB-IoT的阅读器。

背景技术：

一种2.4G远距离RFID阅读器，目前主要服务与教育系统，主、副阅读器读取2.4G双频卡的卡号，实现进出校信息的采集。NB-IoT是基于蜂窝网络的窄带物联网技术，聚焦于低功耗广域网，具有广覆盖、低功耗、低成本、大联接等特点，是一种可在全球范围广泛应用的新兴技术。NB-IoT这些优点可以使用到阅读器上。

在一些规模比较大的学校，尤其是不能携带电子设备的学校，学生人数比较多，对放学后学生的位置家长和老师都没有定位的方法。对来接孩子放学的家长因为不知道孩子的位置，经常要盲目的寻找或者一直等到孩子自己找过来，尤其是校门比较多的情况会更加麻烦。虽然可以提前约好位置，但是实际情况可能变化比较大，还是不能第一时间了解到孩子的位置。如果孩子携带了智能设备比若说手机、手表之类的，可以轻松解决这个问题。但是很多时候这些东西是不能带入学校的，所以就需要一种设备，可以定位孩子的位置，给家长和老师一个参考。2.4GHz阅读器就是其中一个方案。

如图1所示，通用的2.4GHz阅读器主要应用在学校进出校考勤上，一般应用需要主副2个阅读器。上级信息机要给主副读头供电，同时与主读头通讯。主读头需要与副读头通讯，接收副读头的读卡信息汇总后发给上级信息机。读头与上级信息机的通讯接口基本上都是485、232或者是以太网，现场施工时，上级信息机主读头与副读头之间需要布线，这就让安装变得复杂。而且因为485、232等接口通讯距离比较近，上级信息机安装位置离阅读器不能太远，否则就会出现通讯异常的问题。通用的2.4GHz阅读器无法来实现校园学生的定位，一个因为布线安装比较复杂，另一个就是所选用的通讯接口距离都不能做到很远。

技术实现要素：

本实用新型针对现有2.4GHz阅读器安装复杂、通讯能力差的技术问题，提供一种安装简单、通讯能力强的基于NB-IoT的阅读器。

为此，本实用新型的技术方案是，设有主板、无线天线、2.4G天线和电池，无线天线、2.4G天线和电池分别与主板连接；主板设有SIM卡、NB-IoT模块、CPU和RFID模块，NB-IoT模块通过电压匹配电路与CPU与连接，RFID模块与CPU连接，NB-IoT模块与SIM卡、无线天线连接，RFID模块与2.4G天线连接；

RFID模块设有无线收发芯片，无线收发芯片的SPI接口与CPU的控制引脚连接，无线收发芯片的输出引脚与CPU的GPIO引脚连接；无线收发芯片的天线输出引脚通过天线匹配电路与2.4G天线连接；无线收发芯片的电源输入引脚通过电源控制电路与CPU的输出引脚连接；

电压匹配电路包括电阻R93、电阻R94和二极管D1，电阻R93的一端与NB-IoT模块的数据发送引脚连接，电阻R93另一端与CPU的数据接收引脚连接，电阻R94的一端、二极管D1的正极与NB-IoT模块的数据接收引脚连接，电阻R94的另一端与NB-IoT模块的电源输出引脚，二极管D1的负极与CPU的数据发送引脚连接。

优选地，天线输出引脚包括RFP引脚、RFN引脚；天线匹配电路包括电感L19、电感L15、电感L20、电容C63、电容C64和电容C111，电感L19两端分别与RFP引脚、RFN引脚连接，电容C111、电感L20串联后与RFP引脚连接，电容C64、电感L15和电容C63串联后与RFN引脚连接，电容C63、电容C64的公共端与2.4G天线的输入引脚连接。

优选地，电源控制电路包括电阻R107、电阻R146、电阻R100、三级管Q100和场效应管U100，电阻R107的一端与CPU的电源控制引脚引脚连接，电阻R107的另一端与三极管Q100的基极连接；电阻R146的一端与三极管Q100的基极连接，电阻R146的另一端与三极管Q100的发射极连接；三极管Q100的集电极通过电阻R100与场效应管U100的源极连接，场效应管U100的栅极与三极管Q100的集电极连接，场效应管U100的漏极与无线收发芯片的电源输入引脚连接。

本实用新型的有益效果是，设有NB-IoT模块，数据传输稳定性好；在低功耗模式下，RFID芯片深度睡眠只有几个uA，CPU低功耗模式耗电小于3mA，NB-IoT模块在省电模式只有5uA，阅读器本身的耗电小于5mA；在工作模式下，平均耗电整机小于100mA。

附图说明

图1是现有阅读器安装示意图；

图2是无线阅读器连接示意图；

图3是无线阅读器考勤应用安装示意图；

图4是无线阅读器的模块连接图；

图5是RFID模块原理图；

图6是NB-IoT模块的电路原理图；

图7是本实用新型的低功耗流程图；

图8是本实用新型的读卡判读流程图。

图中符号说明：

1.CPU；2.RFID模块；3.2.4G天线；4.NB-IoT模块；5.无线天线；6.SIM卡；7.供电电路；8.电池；9.外部太阳能板；10.主板；11.信息机。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。

如图2、3所示，在考勤应用上，阅读器通过NB-IoT无线通讯与信息机通讯。安装时，主阅读器、副阅读器分别安装在校门内外两侧，信息机的安装位置不受限制，本实施例中的信息机安装在门卫室。

如图4所示，基于NB-IoT的2.4GHz阅读器设有主板10、无线天线5、2.4G天线3和电池8，无线天线5、2.4G天线3、电池8分别与主板10连接。

主板10设有SIM卡6、NB-IoT模块4、CPU 1和RFID模块2，CPU1通过SPI接口与RFID模块2通讯，CPU1通过串口与NB-IoT模块4通讯，NB-IoT模块4与SIM卡6、无线天线5连接，实现数据的无线上传功能；RFID模块2与2.4G天线3连接，实现对2.4G卡ID号的读取；NB-IoT模块4与RFID模块2连接。CPU1与供电电路7连接，供电电路7与电池8连接，电池8与外部太阳能板9通过供电电路7与CPU1连接，电池和太阳能电池板给供电电路提供电源输入，保障整个系统的供电。

如图5所示，RFID模块2设有无线收发芯片，该无线收发芯片选用SI24R1芯片，SI24R1芯片的SPI接口连接到CPU1的控制引脚，实现RFID卡号的上传及CPU1对RFID参数的设置，SPI接口包括CE引脚、CSN引脚、SCK引脚、MOSI引脚和MISO引脚。SI24R1芯片的IRQ引脚连接CPU1的GPIO引脚，IRQ引脚是SI24R1芯片的输出引脚，低电平有效，用来通知CPU1已经收到数据，准备接收；CPU1的GPIO引脚设置为中断触发，当检测到IRQ引脚为低电平时，开始进入数据接收模式。

SI24R1芯片的RFP引脚是第一天线输出引脚，RFN引脚是第二天线输出引脚。RFP引脚、RFN引脚与天线匹配电路连接后，与2.4G天线3连接。天线匹配电路包括电感L19、电感L15、电感L20、电容C63、电容C64和电容C111。RFP引脚通过电感L19与RFN引脚连接，RFP引脚与电感L20、电容C111串联后接地，RFN引脚与电感L15、电容C63和电容C64串联后接地，2.4G天线3的输入引脚与电容C63、电容C64的公共端连接。

2.4G卡一直处于发射状态，1s能发射一次。当2.4G卡进入到2.4GHz阅读器的接收范围，2.4G天线将接收到卡的信息，经由RFP引脚、RFN引脚进入SI24R1芯片，芯片对收到的数据进行解调，此时将IRQ引脚置成低电平，通知CPU1准备接收数据；解调完成的数据通过SPI接口发送给CPU1，实现卡号的上传工作。

SI24R1芯片的电源输入引脚(VCC)连接有电源控制电路，电源控制电路包括电阻R107、电阻R146、电阻R100、三级管Q100和场效应管U100，CPU1的电源控制引脚为CPOWER_CTL引脚，将CPOWER_CTL引脚设置为输出引脚，置成高电平VCC供电，SI24R1芯片工作，置成低电平VCC断电，SI24R1芯片关断。

电阻R107的一端与CPU1的CPOWER_CTL引脚连接，另一端与三极管Q100的基极连接。电阻R146的一端与三极管Q100的基极连接，另一端与三极管Q100的发射极连接。三极管Q100的集电极通过电阻R100与场效应管U100的源极连接，场效应管U100的栅极与三极管Q100的集电极公共端连接，场效应管U100的漏极与SI24R1芯片的电源输入引脚连接。

当接收到低功耗指令时，CPU1的CPOWER_CTL引脚输出高电平，三极管Q100导通，场效应管U100的源极、漏极导通，SI24R1芯片的VCC引脚通电，SI24R1芯片将进入正常工作模式。当接收到工作指令时，CPU1的IO口输出低电平，三极管Q100截止，场效应管U100的源极、漏极关断，VCC引脚不通电，SI24R1芯片处于断电状态。

如图6所示，NB-IoT模块4连接运营商的基站，需要安装SIM卡去注册。NB-IoT模块4设有SIM卡读卡模块，SIM卡读卡模块的USIM_VDD引脚与USIM卡座J16的VCC引脚连接，USIM_RST引脚与USIM卡座J16的RST引脚连接，USIM_DATA引脚与USIM卡座J16的IO引脚连接，USIM_CLK引脚与USIM卡座J16的CLK引脚连接。NB-IoT模块4读取USIM卡的信息，用于注册平台及设备的身份识别。

NB-IoT模块4的引脚电源域是2.8V，CPU1的电源域是3.3V，为了进一步降低耗电，需要增加电压匹配电路，保证电路更稳定同时减小耗电。NB-IoT模块4的数据发送引脚(TXD引脚)通过1k电阻R93连接CPU1的数据接收引脚(RXD引脚)；NB-IoT模块的数据接收引脚(RXD引脚)连接电阻R94的一端和二极管D1的正极，电阻R94的另一端连接NB-IoT模块4的VDD_EXT引脚，VDD_EXT引脚是电源输出引脚，电压是2.8V；二极管D1的负极连接CPU的数据发送引脚(TXD引脚)。

当CPU1的TXD引脚输出低电平的时候，二极管D1导通，芯片的RXD引脚电压为0.3V，为低电平；当CPU1的TXD引脚输出为高电平时，二极管D1截止，NB-IoT的RXD引脚为2.8V，为高电平。通过电阻R93、电阻R94、二极管D1实现NB-IoT模块和CPU1的串口通信。NB-IoT模块4的RI引脚通过1K电阻R92连接CPU1的GPIO引脚，RI引脚是NB-IoT模块4模块的振铃提示引脚，用于通知CPU1睡眠和唤醒。当NB-IoT芯片收到数据后，通过TXD引脚把数据发给CPU1的RXD引脚，CPU1根据收到的指令做相应的设置。CPU1检测RI引脚的状态，当RI引脚为高电平时睡眠，当RI引脚为低电平时工作。RI引脚平时休眠的时候为高电平；当接收到数据时，RI引脚变成低电平，CPU1检测到低电平自动唤醒，进入工作模式。CPU1收到数据后，对数据进行处理，只上传有用的卡号，将卡号打包通过CPU1的TXD引脚发给NB-IoT模块4的RXD引脚，NB-IoT模块4接收到数据上传给信息机11。

通用的设备阅读器一直处于接收状态，耗电偏高。在本实施例中，CPU1需要对整机的功耗进行控制，通过在信息机11上增加时间段的设置，来定时的开关阅读器。在信息机11上设置工作时间段，比如上学时间7:00-8:00、放学时间16:00-17:00；在这2个时间段，阅读器处于工作状态，其他时间段进入低功耗模式。

如图7所示，信息机11把控设备工作模式，首先按上面的时间点来对信息机11的时间段进行设置。早上7:00，信息机11下发读卡工作指令给主、副阅读器，NB-IoT模块4接收到这个指令进入工作模式，同时将RI引脚置成低电平，CPU1接收到这个低电平进入工作状态，并控制RFID模块2上电，让芯片进入正常工作模式，此时设备处于正常的工作模式。当工作时间段结束时(8:00)，信息11下发休眠指令，NB-IoT模块4接收到这个指令进入省电模式，同时要将RI引脚置成高电平；CPU检查到这个高电平后，进入低功耗模式，同时关掉RFID模块2的电源，设备将处于低功耗模式。第一个时间段结束，第二个时间段流程同第一个工作段流程。

主、副阅读器在现场施工放置的位置不同，一个要面向校门外，一个面向校门内，信息机11通过设备内SIM卡的ICCID来作为阅读器的身份ID，此身份ID用来判断主阅读器、副阅读器，这是提前设置好的。

如图8所示，进出校门的判断方法，具体步骤如下：

步骤1，阅读器上电，信息机11首先要主、副阅读器进行校时，目的是要主、副阅读器的时钟同步。

步骤2，2.4G卡是1s发射一次的，也就是阅读器1s就能读到一次卡号，学生通过校门需要一段时间，如果每一秒就要上传一次数据，这个数据量是很大的，阅读器的CPU必须要对数据进行筛选；

我们选择设定学生通过校门的时间是40s，计时时长设置为40s，从主阅读器读到2.4G卡的ID号开始计时：

a.如果在40s内，主阅读器读不到该卡号，则为无效卡号，抛弃该卡号；

b.如果在40s内，主阅读器一直能读到该卡号，40s后读不到该卡号(学生已经走出主阅读器区域)，将卡片的ID号和阅读器的ID打包通过NB-IoT模块4上传给信息机11；

c.如果40s后，主阅读器还能继续收到该卡号，则抛弃该卡号(排除学生长时间逗留在门口的情况)。

步骤3，副阅读器要延迟读到2.4G卡的ID号，读到后也开始计时，计时时长为40s。

a.如果在40s内，副阅读器读不到该卡号，则抛弃该卡号；

b.如果在40s内，副阅读器一直能读到该卡号，40s后也能读到，则上传卡号。

步骤4，信息机11对主、副阅读器的上传的卡号进行判断，判断相同的，则生成一个记录。

出校也是按照上面的方法判读，只是将主、副阅读器的优先位置调换一下。

无线阅读器可以采用组网的方式应用在学校里面，实现对学生2.4G的卡片的定位，进一步实现学生位置的定位，具体步骤如下：

步骤1，将阅读器布置在学校的关键位置点，所有阅读器数据上传到同一个信息机11上，实现多个阅读器的组网设计。信息机11提前对布置的阅读器信息进行采集，将阅读器的ID号与实际阅读器安装的位置进行对位，也就是先把阅读器与位置信息进行关联。

步骤2，阅读器里面的2.4G天线3读取到卡片的信息，通过NB-IoT模块4上报到信息机11，上报的信息里面携带有阅读器的ID号，信息机11通过ID号与位置信息可以提供出当前此卡片的具体位置。信息机11提取卡片信息和阅读器ID号，可以通过网络的形式或者短信的形式发送给家长。

步骤2中，阅读器上报信息的情况为：

阅读器1s读取一次卡号，在进行位置判断的时候，CPU1第一次读到卡片信息，标识卡片进入了此阅读器的范围，上传此卡号，同时对卡号进行判断：如果一直能读到，则不做处理；如果读不到该卡号，则再次上传信息，标识卡片离开此阅读器的范围。

其他阅读器做同样处理，通过这种定位阅读器的方式来标定卡片的位置，进一步标识学生的位置，极大的缩小了学生的位置范围，方便家长对孩子的定位。

NB-IoT数据传输稳定性已经由各种物联网设备得到验证；同时低功耗方面，射频芯片深度睡眠只有几个uA，CPU1低功耗模式耗电小于3mA，NB-IoT模块4在省电模式只有5uA，阅读器本身的耗电小于5mA；在工作模式平均耗电整机小于100mA。所以选择合适的电池就可以完全满足要求，电池没有电后可以由太阳能补充。

对于考勤的应用，实际测试500张卡上卡率可以实现100％，在单向进出、双向进出等试验中都和通用的阅读器性能一致。2.4GHz阅读器对卡片信息的识别，可以基本定位学生的位置。

惟以上所述者，仅为本实用新型的具体实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施的范围，故其等同组件的置换，或依本实用新型专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本实用新型权利要求书涵盖之范畴。