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基于ZigBee技术的有源RFID系统

   日期:2014-08-05    
核心提示: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。

 
标签: RFID
  
  
  
  
 
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