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1 引言 RFID(射頻識別：Radio Frequency Identification) 是一種自動(dòng)識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性對被識別物體實(shí)現自動(dòng)識別。與現有條形碼技術(shù)相比，射頻識別技術(shù)具有耐高溫、防水、可多次重復寫(xiě)入數據、安全性高、數據存儲空間大等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)、芯片技術(shù)及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，RFID技術(shù)也得到高速發(fā)展，其體積、成本、功耗越來(lái)越低，基于RFID技術(shù)的應用系統被廣泛應用到生活各個(gè)領(lǐng)域，如交通、物理管理、門(mén)禁控制、定位系統、第二代身份證等領(lǐng)域。RFID系統一般由天線(xiàn)、讀寫(xiě)器和電子標簽組成。傳統的RFID系統采用讀寫(xiě)器與PC上位機通過(guò)有線(xiàn)的形式（以太網(wǎng)、RS232）進(jìn)行通信，存在靈活性差、數據傳輸距離短、成本高等缺點(diǎn)。與有線(xiàn)傳輸系統比較，ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)可實(shí)現數據信息的無(wú)線(xiàn)雙向傳輸，省去了布線(xiàn)的麻煩，而且ZigBee組網(wǎng)高效、快捷、簡(jiǎn)單。為了提高RFID系統的傳輸距離、靈活性及降低系統成本，結合ZigBee和RFID技術(shù)，設計了一種電子標簽識別系統。系統測試表明：該系統具有成本低，靈活性高、傳輸距離遠、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，拓展了ZigBee技術(shù)在無(wú)線(xiàn)RFID系統中的應用。 2 系統總體設計 系統硬件結構主要由5部分組成：有源電子標簽、以nRF24LE1芯片為微處理器的主從射頻模塊、ZigBee終端節點(diǎn)、ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)和PC上位機，圖1所示為系統總體結構圖。有源電子標簽：記錄了電子標簽的ID號及其他物品數據信息；主從射頻模塊：即RFID讀寫(xiě)器，負責識別處于天線(xiàn)輻射范圍內的電子標簽數據信息，并將接收到的電子標簽信息通過(guò)串口傳輸給ZigBee終端節點(diǎn)，也可接收Z(yǔ)igBee終端節點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的控制命令。主射頻模塊通過(guò)SPI接受從射頻模塊識別到的電子標簽ID信息以實(shí)現雙通道傳輸，具有更好的數據準確性及可靠性；ZigBee終端節點(diǎn)：將主從射頻模塊對電子標簽識別到的數據信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送給ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)，同時(shí)ZigBee終端節點(diǎn)根據協(xié)調器傳輸過(guò)來(lái)的控制指令來(lái)控制主從射頻模塊，從而實(shí)現對電子標簽相應的處理；協(xié)調器節點(diǎn)：將ZigBee終端節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的電子標簽數據信息通過(guò)串口RS232傳給上位機，把上位機的控制指令轉發(fā)給ZigBee終端節點(diǎn)；PC上位機：有相應的應用軟件，處理來(lái)自于ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)的標簽信息并且向ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)發(fā)送控制信息。 圖1 系統總體結構圖 3 系統硬件設計 3.1 系統主從射頻模塊電路設計 系統主從射頻模塊是RFID讀寫(xiě)器的核心部分，通過(guò)串行口接收Z(yǔ)igBee終端節點(diǎn)從ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的上位機發(fā)出的控制指令，從而控制射頻芯片與電子標簽進(jìn)行數據通信，完成對電子標簽的讀寫(xiě)。射頻芯片負責無(wú)線(xiàn)信號的編碼和解碼、調制和解調；電子標簽是系統的應用終端，裝載著(zhù)物體的數據信息及標簽自身信息，從讀寫(xiě)器天線(xiàn)發(fā)出的無(wú)線(xiàn)脈沖接收讀寫(xiě)器所發(fā)出的控制信息，然后把電子標簽的數據信息通過(guò)天線(xiàn)再返回給讀寫(xiě)器，完成讀寫(xiě)器對電子標簽數據的讀寫(xiě)。主從射頻模塊電路的設計，確保了讀寫(xiě)器識別到的電子標簽信息準確性及可靠性。射頻模塊電路采用nRF24LE1芯片，該芯片是Nordic公司推出的一款帶增強型8051內核的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，可工作于2.4-2.5GHz的ISM頻段，不需要任何信道的通信費用，用戶(hù)無(wú)須申請頻率使用許可證，方便用戶(hù)應用與開(kāi)發(fā)。最大空中傳輸速率為2Mbps，靈敏度為-94dBm，最大信號發(fā)射功率為0dBm。在理想狀態(tài)下，室內傳輸距離可達30-40 m，室外傳輸距離可達100-200 m。工作電壓為1.9～3.3V，極大地降低了系統的功耗。處理器能力、內存、低功耗晶振、實(shí)時(shí)實(shí)名、計數器、AEC加密加速器、隨機數發(fā)生器和節電模式的組合為實(shí)現射頻協(xié)議提供了理想的平臺。對于應用層，nRF24LE1提供了豐富的外設，如SPI、IIC、UART、6至12位的ADC、PWM和一個(gè)用于電壓等級系統喚醒的超低功耗模擬比較器。一個(gè)主SPI，一個(gè)從SPI，實(shí)現RFID系統雙通道數據通信。nRF24LE1融合了Enhanced ShockBurst技術(shù)，其中通信頻道、輸出功率及自動(dòng)重發(fā)次數等參數可通過(guò)編程設置。系統主從射頻模塊電路基本一樣，可軟件設定為主射頻模塊，如圖2示射頻電路硬件結構圖。 圖2 射頻電路硬件結構圖 3.2 ZigBee終端節點(diǎn)電路設計 ZigBee終端節點(diǎn)是系統中非接觸式RFID讀寫(xiě)器和ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊的硬件核心，主要控制電子標簽與主從射頻模塊進(jìn)行數據交換以及和ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)進(jìn)行數據通信。該終端節點(diǎn)電路使用32MHz的晶振作為時(shí)鐘信號，與主從射頻模塊通過(guò)串口連接實(shí)現數據通信。ZigBee終端節點(diǎn)采用CC2530芯片，該芯片是TI公司推出的能實(shí)現2.4GHz IEEE 802.15.4的射頻收發(fā)，具有靈敏度高、抗干擾能力強等特點(diǎn)，尤其是CC2530芯片的超低功耗，在被動(dòng)模式（RX）下，電流損耗為24mA，在主動(dòng)模式（TX）時(shí)，電流損耗為29mA，具有三種模式，模式1、模式2和模式3電流損耗分別為0.2mA、1uA和0.4uA，特別適合那些要求低功耗的場(chǎng)合。還具有2V-3.6V的寬電源電壓范圍。它內含一個(gè)8位MCU（8051），8KB的RAM，還包含具有8路輸入和可配置分辨率的12位模擬數字轉換器（ADC）、1個(gè)符合IEEE 802.5.4規范的MAC定時(shí)器、1個(gè)常規的16位定時(shí)器和1個(gè)8位定時(shí)器、AES-128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、掉電檢測電路、以及21個(gè)可編程I/0引腳。圖3示ZigBee終端節點(diǎn)硬件電路圖。 圖3 ZigBee終端節點(diǎn)硬件結構圖 3.3 ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)電路設計 ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)負責將ZigBee終端節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據通過(guò)RS232串口線(xiàn)與上位機實(shí)現數據通信，同時(shí)將接受上位機傳輸過(guò)來(lái)的控制指令并發(fā)送給ZigBee終端節點(diǎn)。ZigBee協(xié)調器電路圖與ZigBee終端節點(diǎn)電路一致，如圖3所示，只需將Z-stack協(xié)議棧中將其設定為協(xié)調器。由于CC2530使用的是TTL電平，而PC機通信采用的是EIA電平，因此該系統采用MAX232芯片實(shí)現電平轉換以保證系統的有效通信，如圖4所示。 圖4 MAX232電平轉換電路圖 4 系統軟件設計 4.1 ZigBee終端節點(diǎn)軟件設計 終端采集節點(diǎn)主要功能是接受來(lái)自上位機的數據采集指令后，采集電子標簽數據信息，并將采集到的數據信息發(fā)送到協(xié)調器節點(diǎn)。首先ZigBee終端節點(diǎn)上電初始化，申請加入已組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò )，若加入網(wǎng)絡(luò )成功，進(jìn)入低功耗模式即休眠狀態(tài)，以降低終端節點(diǎn)功耗。等待定時(shí)中斷產(chǎn)生，ZigBee終端節點(diǎn)微處理器控制主從射頻模塊讀取電子標簽信息，并將識別到的標簽數據信息通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊傳輸給ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)，然后再通過(guò)串口RS232傳輸給上位機進(jìn)行處理。其終端采集節點(diǎn)程序流程圖如圖5所示。 圖5 ZigBee終端采集節點(diǎn)軟件流程圖 4.2 ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)軟件設計 系統利用ZigBee網(wǎng)絡(luò )的Z-STACK協(xié)議棧進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，Z-STACK協(xié)議基于輪轉查詢(xún)式操作系統來(lái)實(shí)現。協(xié)調器節點(diǎn)上電后，初始化硬件及協(xié)議棧，搜索信道和空閑信道評估，選擇信道并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò )。若節點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò )，準許加入并分配一個(gè)l6位的網(wǎng)絡(luò )短地址，等待上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的數據采集指令，然后RFID讀寫(xiě)器對電子標簽進(jìn)行識別，將接收的所有數據包通過(guò)串口通信發(fā)送到PC上位機，以便進(jìn)行數據處理,ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)軟件流程圖如圖6所示。 圖6 ZigBee協(xié)調器軟件流程圖 4.3 上位機應用軟件設計 該系統上位機應用軟件使用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě)，該語(yǔ)言是一種由Microsoft 公司開(kāi)發(fā)的結構化的、模塊化的、面向對象的、包含協(xié)助開(kāi)發(fā)環(huán)境的事件驅動(dòng)為機制的可視化程序設計語(yǔ)言，如圖7示上位機應用軟件界面。利用上位機應用軟件對電子標簽下發(fā)命令數據，能夠實(shí)現對電子標簽ID信息的讀取、信號發(fā)射功率的修改和工作狀態(tài)的切換。 設置標簽發(fā)射信號功率程序源代碼如下： ReDim bytbyte(1) bytbyte(0) = 221 bytbyte(1) = 17 - 2 * Val(Form3.Combo_rssi.Text) Form3.MSComm1.Output = bytbyte() 設置標簽工作狀態(tài)程序源代碼如下： ReDim bytbyte(1) bytbyte(0) = 221 bytbyte(1) = 17 * (Val(Form3.Combo_sta.ListIndex) + 1) Form3.MSComm1.Output = bytbyte() 5 測試結果 為了驗證實(shí)驗結果的可靠性和穩定性，在室內外對系統進(jìn)行了測試，室內測試主要是檢測系統穿透墻壁的傳輸距離，室外測試主要是檢測系統無(wú)障礙物的傳輸距離。通過(guò)上位機軟件對電子標簽發(fā)送控制指令來(lái)改變電子標簽的信號發(fā)射功率，以實(shí)現電子標簽信號的最遠發(fā)射距離，更好地達到降低電子標簽功耗和發(fā)射距離最大化的平衡點(diǎn)，在不同信號發(fā)射功率條件下，電子標簽信號發(fā)射距離如表1所示。 由表1測試結果可知，電子標簽信號發(fā)射功率為0dBm（最大信號發(fā)射功率）時(shí)，在室外電子標簽信號發(fā)射距離為30-65m，室內電子標簽信號發(fā)射距離為25-50m。在電子標簽信號發(fā)射功率為0dBm條件下，以電子標簽ID號為1和2分別代表室內和室外，其測試結果如圖7所示。 圖7 系統測試結果 在室內室外不同條件下，系統ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊在200米范圍內能夠對標簽數據信息實(shí)現有效傳輸，提高了系統傳輸距離，有廣泛的應用前景。其測試結果如表2所示。 6 結論 通過(guò)ZigBee和RFID技術(shù)，設計了一種電子標簽識別系統。在系統軟硬件設計中采取了低功耗的設計方法，以CC2530為ZigBee節點(diǎn)的微處理器實(shí)現了ZigBee節點(diǎn)的低功耗設計，以nRF24LE1為電子標簽芯片，達到了降低功耗和信號發(fā)射距離最大化的平衡點(diǎn)�；赩isual Basic語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的上位機應用軟件，可對電子標簽進(jìn)行讀寫(xiě)和控制。對系統測試表明：在室內外不同環(huán)境及電子標簽不同信號發(fā)射功率條件下，在室內電子標簽可穿透墻壁的信號發(fā)射距離為25-50m，在室外電子標簽信號發(fā)射距離為30-65m�；赯igBee協(xié)議棧的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊能夠在200米范圍內對數據實(shí)現有效傳輸，提高了系統的傳輸距離。同時(shí)ZigBee技術(shù)組網(wǎng)簡(jiǎn)單、高效，既降低了功耗和成本，也省去了布線(xiàn)的麻煩，使得ZigBee技術(shù)在無(wú)線(xiàn)射頻識別中得以應用，拓展了ZigBee技術(shù)在無(wú)線(xiàn)RFID系統中的應用范圍。 |
