基于ZigBee技术的有源RFID系统 - 全文

　　摘 要：针对现有RFID 系统中的不足，设计了一种基于ZigBee 技术的有源RFID 系统。阐述了有源RFID 系统的硬件设计原理，分别给出了读写器和有源标签软件设计架构，并通过研究Z-Stack 协议完成阅读器与有源标签之间的通信。采用TI 公司的CC2591 功率放大芯片，增大了读卡器与标签的通信距离。并通过增加休眠时间和减少通信流量完成了标签的低功耗设计。最终实现了远距离、多节点的有源RFID 系统的设计。

　　RFID（射频辨识系统）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。典型的RFID 系统由电子标签（Tag），读写器（Reader）以及管理系统等组成。主要应用于门禁管理、物流管理、车辆管理、自动控制、防盗系统等多种场合。但现有的RFID 技术存在数据安全性不高、识别距离短、设备成本高以及读写系统工作灵活性不强等问题。为推广RFID 技术的使用，RFID 的发展应满足一下要求：

　　（1） 低成本：现有的RFID 读卡器需要上万元，很难满足大众群体的需求。

　　（2） 远距离：对于大型机构如物流、小区车辆管理、公车管理、不停靠收费站等都需要远距离识别。

　　（3） 移动性：数据可无线传输到管理系统，系统组网简单，可用于临时应急方案。

　　（4） 可扩展性：在系统不做大的改动的情况下，能够自动地进行软件升级和功能扩张。

　　（5） 保密性：确保用户的信息不被泄漏或盗取。为了解决RFID 技术的上述问题，本文提出了一种基于ZigBee 技术［2］的远距离有源RFID 系统。

　　1 系统框架及硬件设计

　　1.1 系统工作原理

　　与典型RFID 一样，系统由电子标签，读写器和服务器管理系统组成，如图1 所示。

　　电子标签为智能有源RFID 电子标签，标签内不仅存储着物体的具体信息，还集成有相应的传感器，可以对周围环境进行监测，并把数据与自己的信息一起传到服务器。有源标签本身有发送数据的自主权，减轻了读写器的负担，增大了标签与读写器之间的距离，减少了读写器的个数。读写器之间可以通过ZigBee协议构成无线传感器网络，读写器之间可以协调工作；通过多跳方式把数据传到服务器，扩大了网络覆盖面积。服务器可以通过调用数据库中存储的进入网络的标签的信息，对物体进行定位，跟踪或触发相应事件，实现人与人或人与物的交互。

　　

　　图1 系统原理图

　　1.2 硬件的设计原理

　　结合目前市场上ZigBee 射频芯片的性能、价格，本系统采用Chinpcon 公司的CC2430.C2430 芯片是高度集成的解决方案［3］，仅需很少的外部元件，且所选用元件均为低成本，可支持快速、廉价的ZigBee 节点的构建。由于技术成熟，这里就不给出CC2430 的具体内部结构图和它的外围电路图，请参阅其技术手册［4］。

　　读写器采用RS232 串口与服务器相连，使用了宽电压范围的SP3232E 电平转换芯片，它的电压范围在3.3 到5V.电源模块采用LM1117 低压差电压调节器，采用具有固定电压输出3.3V 型号的LM1117-3.3，用5V 适配器为读卡器供电。

　　CC2430 内部集成了8~14 位ADC，简化了标签的硬件电路设计。电池使用纽扣式电池供电，有利于减小标签体积。标签的天线基于1/4 波长单端PCB 印制天线理论设计［5］，天线直接印制在PCB 板上，使得标签紧凑小巧。

　　为了增大读卡器与标签的通信距离，减少路由个数，我们使用TI 公司推出的用于2.4GHz 射频前端集成芯片CC2591［6］.CC2591 专门用于低功耗、低电压无线传输系统，集成了输出功率高达+22dBm 的功率放大器，及可以将接收灵敏度提高+6dB 的低噪声放大器，从而能大大提高设备的通信范围。CC2591 使得在空旷场地的传输距离提高到400 米至800 米，比原来提高15 倍。CC2591 外围电路图如图2 所示。

　　

　　图2 CC2591 外围电路图。

　　与CC2430 的通信接口包括RF_P，RXTX，RF_N，PAEN，EN，HGM.其中RF_P、RF_N 必须与CC2430的RF_P、RF_N 连接，分别映射到系统协议栈内部接口和寄存器。PAEN ， EN 使能端接CC2430 的RRFG_OUT，RXTX 接到CC2430 的RXTX_SWITCH，HGM 可接任意普通I/O 口。电源引脚的电容为滤波电容，同时与电感L111 构成射频负载。CC2591 和天线之间的C111，C112，C113 和L112 L111 网络相匹配，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求，同时C112 为芯片内部的PA 及LAN 提供直流偏置。

　　R151 是偏置电阻，为CC2591 内部提供一个精确的偏置电流。

　　2 系统软件架构

　　2.1 读写器与标签的通信

　　读写器与标签通信，首先必须有ZigBee 网络存在。这就需要系统中读写器（一般与服务器直接串口相连）将网络建立起来，并负责地址的分配和成员的加入、节点设备数据的更新、设备关联表的维护。标签发现网络，就会请求加入网络。入网成功后，标签就与其中读写器建立父子关系，时刻保持通信。为了降低标签功耗，标签具有定时休眠的功能。

　　本系统采用Z-stack 协议栈来完成网络的建立及路由或标签的入网，从而建立通信链路。

　　2.1.1 网络形成

　　读卡器上电后，将扫描DEFAULT_CHANLIST 指定的通道，最后在其中之一形成网络（根据ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 的值）。然后调用ZDO 层的初始化设备函数ZDOInitDevice（0）设置NV 网络状态：

　　networkStateNV=INITDEV_NEW_NETWORK_STAT;最终触发网络初始化函数，设置网络初始化事件；ZDO层任务事件处理函数对网络初始化事件进行处理，调用ZDO_StartDevice（）函数，将改变设备状态为协调器启动：devState = DEV_COORD_STARTING;然后调用NWK 层网络形成请求函数：NLME_Network-FormationRequest（）；NWK 层通过调用MAC 和PHY 层相关功能函数执行一些列网络形成动作，最终形成网络。

　　2.1.2 标签加入网络

　　标签在上电初始化以后，经过初始化设备、设置NV 网络状态、触发网络初始化函数、设置网络初始化事件、启动设备后将改变设备状态为发现网络：

　　devState = DEV_NWK_DISC;调用NWK 层发现网络请求函数：NetworkDiscoveryRequest（）；然后NWK 层通过调用MAC 和PHY 层相关功能函数执行一些列发现网络动作，发送发现网络消息至ZDO 层。ZDO 层接收到该消息后，修改设备状态为正在加入网络：

　　devState = DEV_NWK_JOINING; NWK 层通过调用MAC 和PHY 层相关功能函数执行一些列请求加入网络动作，并发送加入网络指示消息至ZDO 层。ZDO层任务事件处理函数将执行处理加入网络函数：

　　ZDApp_ProcessNetworkJoin（）；修改设备状态为终端设备：devState = DEV_END_DEVICE.设置ZDO 状态改变事件： osal_set_event（ZDAppTaskID， ZDO_STATE_CHANGE_EVT ）；最终加入已有网络，与读卡器进行通信。

　　2.2 读写器与有源RFID 标签的软件流程图

　　读写器设备初始化后首先要检测是否有网络存在，这决定了读写器是作为网络的协调器还是路由器，来完成相应的功能。标签设备初始化后，首先加入网络，再执行设备程序，完成传感器数据采集等功能。

　　在它休眠醒来或数据发送完成后，要检测一下是不是已经离开网络。如果标签远离与它通信的读写器，它将通过孤点方式再次申请加入网络，与新的读写器建立通信。读写器与有源RFID 标签的具体工作流程如图3 所示。

　　

　　图3 读写器与有源RFID 标签的具体工作流程。

　　2.3 低功耗设计

　　由于标签是有源RFID，低功耗设计是非常重要的。在设计中，主要采用增加休眠时间还减少通信流量两种方法来实现的。标签在休眠时的功耗将近为唤醒时的千分之一，在保证监控的真确性的前提下，增长休眠时间是低功耗设计的一个重要手段。设计中用定时器1 作为定时休眠，休眠时间为10s.具体实现：

　　__interrupt void T1_ISR（void）

　　{ IRCON &= ~0x02; //清中断标志

　　counter++;

　　if（counter == 250）

　　{counter = 0;timetemp = 10; }//10 秒到

　　PowerMode（3）； }//进入休眠模式3

　　为了减少标签的通信流量，标签会记录上一次的状态（如温度变化），根据状态是否变化来决定是否传输数据。具体实现：

　　if（oldstate！=newstate）

　　{zb_SendDataRequest（0xFFFE，REPORT_CMD_ID， 2， pData，0，AF_ACK_REQUEST，0）；} //发送数据请求

　　else{PowerMode（3）；}}//进入休眠模式3

　　3 测试结果

　　在测试时，我们模拟仓库管理系统。将标签中写入了物体的具体信息（我们这里写入一个ID 号），并在标签上设计了温度传感器电路，用来实时监测物体周围环境信息。读卡器与计算机相连，通过串口显示标签的信息。串口显示如图4 所示。

　　

　　图4 测试显示结果。

　　4 结语

　　本文基于ZigBee 技术设计了一种工作频段为2.4GHz 的有源RFID 系统。改善了目前RFID 系统识别距离短，组网不灵活，抗干扰能力差的缺点。详细地介绍了整个系统的开发流程。但是此系统中标签价格仍然昂贵，只适合于贵重物体跟踪等少数场合。随着技术水平的不断提高，生产出价格低廉，集成度更高的射频芯片，使得芯片体积更小，价格更低，此系统便可以得到广泛应用。