無線射頻遠(yuǎn)程讀寫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔡明 馬經(jīng)權(quán) 康國旗

摘 ?要：為解決無線射頻讀寫距離近的問題，對基于ZigBee的無線射頻遠(yuǎn)距離讀寫方法進(jìn)行了研究，將射頻識別系統(tǒng)和無線接入點(diǎn)設(shè)計(jì)在一個(gè)混合系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)RFID遠(yuǎn)程讀寫，并通過ZigBee實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，無線傳感終端由RFID讀寫器和無線接入點(diǎn)兩部分組成。在硬件結(jié)構(gòu)上，采用CC2530作為ZigBee無線通信微控制器和ZigBee射頻模塊，國產(chǎn)Si522作為讀寫器射頻芯片。該系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活性好、可靠性高、數(shù)據(jù)傳輸安全和成本低的特點(diǎn)，并延長了RFID的通信距離，拓寬了其應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：RFID;ZigBee;遠(yuǎn)程讀寫系統(tǒng);CC2530;Si522

中圖分類號：TP391.44;TP368.12 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）15-0164-03

Abstract：In order to solve the problem of short reading and writing distance of radio frequency，the ZigBee long-distance reading and writing method of radio frequency is studied，and the design of radio frequency identification and wireless access point is designed in a hybrid system to realize RFID remote reading write and realize data transmission through ZigBee. The wireless terminal node is composed of RFID reader and wireless access point. In the hardware structure，CC2530 is used as the microcontroller and radio frequency module for ZigBee wireless communication，and Si522 is used as the reader radio frequency chip. The system has the characteristics of good flexibility，strong scalability，high reliability，safe data transmission and low cost，and the communication distance of RFID is extended and its application range is widened..

Keywords：RFID;ZigBee;remote reading and writing system;CC2530;Si522

0 ?引 ?言

物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的目標(biāo)是將物理世界和數(shù)字世界無縫地結(jié)合起來。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也引起了人們對無線射頻識別（RFID）、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)等不同互聯(lián)技術(shù)集成使用的關(guān)注。RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，可以提供對象級的自動識別。RFID一般由三個(gè)基本組件組成：電子標(biāo)簽、讀寫器和PC服務(wù)器。無論是主動的還是被動的，電子標(biāo)簽都是通過無線方式與讀寫器進(jìn)行無線通信，而讀寫器則通過電纜與PC服務(wù)器進(jìn)行通信。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)信息點(diǎn)的集合，它可以收集物理世界的信息并以電信號的形式進(jìn)行傳輸。無線傳感網(wǎng)絡(luò)提供多種實(shí)時(shí)應(yīng)用，包括醫(yī)療、環(huán)境、娛樂、軍事和安全等。該網(wǎng)絡(luò)一般由路由器、協(xié)調(diào)器組成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)傳感器、存儲器、電源和處理芯片。傳感器節(jié)點(diǎn)可以直接與無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信，所有的信息都被傳送到PC服務(wù)器。

武漢某職業(yè)技術(shù)學(xué)院在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的實(shí)訓(xùn)硬件過于簡單分立，不具有兼容性和綜合性，特委托我校團(tuán)隊(duì)開發(fā)一套完整的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)具有較好兼容性和綜合性的實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)傳感數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程采集，執(zhí)行器能夠遠(yuǎn)程控制。采集和分發(fā)的信息可以通過后臺服務(wù)器管理，人機(jī)接口終端設(shè)備能夠訪問管理后臺服務(wù)器數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)的主要目的是為上述應(yīng)用場景開發(fā)一種適用于無線射頻識別-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)混合系統(tǒng)的便攜式無線射頻識別讀寫器/路由器，由于數(shù)據(jù)傳送采用了ZigBee的組網(wǎng)通信方式，所以該系統(tǒng)具組網(wǎng)靈活性強(qiáng)、可靠性高、數(shù)據(jù)傳送安全特點(diǎn)。無線傳感終端（RFID讀寫器+無線接入點(diǎn)）可以廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程無線方式的數(shù)據(jù)讀寫。

1 ?RFID無線傳感網(wǎng)絡(luò)混合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無線射頻識別-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)混合系統(tǒng)應(yīng)用于從公共服務(wù)、制造環(huán)境與物流組織的各項(xiàng)工作，在這些應(yīng)用中，員工、患者、產(chǎn)品、機(jī)器等都將被識別、跟蹤或定位。大中型空間的環(huán)境變量也應(yīng)被捕獲并傳輸?shù)絇C服務(wù)器。因此，電子標(biāo)簽和傳感器節(jié)點(diǎn)都被用作覆蓋整個(gè)工業(yè)或服務(wù)區(qū)域的終端節(jié)點(diǎn)。無線傳感終端獲取信息，并將信息傳輸?shù)綗o線傳感網(wǎng)絡(luò)。對于通信網(wǎng)絡(luò)，ZigBee因其范圍廣、自動路由能力強(qiáng)、功耗低、帶寬充足而被選中?；旌舷到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線傳感終端作為身份信息和感知信息的接收器和發(fā)送器，將信息轉(zhuǎn)發(fā)給無線傳感網(wǎng)絡(luò)，最終轉(zhuǎn)發(fā)到PC服務(wù)器。

無線傳感終端負(fù)責(zé)從傳感器節(jié)點(diǎn)向無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息，同時(shí)接收無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的指令信息并傳送給傳感器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)啟動整個(gè)ZigBee系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)收集整個(gè)區(qū)域的環(huán)境信息，并通過串行通信方式（USART）將收集到的信息發(fā)送到PC服務(wù)器，同時(shí)將來自PC服務(wù)器的控制信息傳輸?shù)綗o線傳感終端。PC服務(wù)器收集所有的身份和感知信息，以便進(jìn)一步處理，并負(fù)責(zé)提供人機(jī)交互。

2 ?遠(yuǎn)程讀寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?無線傳感終端設(shè)計(jì)

無線傳感終端的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。CC2530作為微處理器和2.4 GHz收發(fā)器。它獲取環(huán)境信息，將信息傳輸給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，并且執(zhí)行協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令。Si522作為RFID讀寫器工作在13.56 MHz，負(fù)責(zé)執(zhí)行讀寫操作。在各自的工作頻率下，CC2530和Si522互不干擾。

無線傳感終端主要控制讀寫器射頻通信模塊和電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530低功耗射頻芯片。它集成了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee射頻收發(fā)器和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微控制器（MCU）內(nèi)核。數(shù)據(jù)讀取流程為：主機(jī)（CC2530）發(fā)送最高位為1，同時(shí)拉低SDA。讀取數(shù)據(jù)的8位地址并按規(guī)定的格式編碼，數(shù)據(jù)在8個(gè)周期后從高到低發(fā)送到MOSI線路。接收到讀取指令地址的數(shù)據(jù)后，由Si522將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送回主機(jī)。主機(jī)將在8個(gè)循環(huán)后讀出MISO上的數(shù)據(jù)，同時(shí)將SDA拉高，表示一個(gè)字節(jié)的讀取操作完成。數(shù)據(jù)寫入操作：主機(jī)發(fā)送最高位為0，同時(shí)拉低SDA。根據(jù)讀數(shù)據(jù)操作中的地址發(fā)送方式，目標(biāo)地址在8個(gè)周期后完成發(fā)出。再經(jīng)過8個(gè)周期后，通過MOSI發(fā)送需要寫入的數(shù)據(jù)，指示Si522中相應(yīng)地址更新完成。系統(tǒng)采用32 MHz晶體振蕩器時(shí)鐘信號作為核心控制器，CC2530與讀寫器射頻通信模塊之間采用串行外圍接口（SPI）通信方式。P1_4用作控制線信號連接RF芯片Si522的SDA端。P1_5連接Si522的RST引腳，用于復(fù)位射頻模塊的控制器。圖3顯示了CC2530和Si522的I/O接口連接。

2.2 ?讀寫器射頻通信模塊電路設(shè)計(jì)

讀寫器射頻通信電路由射頻芯片及其外圍電路組成。其主要功能是與電子標(biāo)簽進(jìn)行通信，完成標(biāo)簽信息的交換。讀寫器射頻模塊的核心芯片是國產(chǎn)南京中科微Si522。與該讀寫器配套使用的電子標(biāo)簽為飛利浦生產(chǎn)的M1卡。圖4顯示了讀寫器射頻通信模塊電路。

如圖4所示，讀寫器射頻模塊通過引腳TX1和TX2將頻率為13.56 MHz，由包絡(luò)信號調(diào)制的載波能量信號發(fā)送到天線模塊。天線由L8、L9、C50和C51組成的電磁兼容（EMC）濾波電路和C47、C49、C51、C52組成的匹配電路驅(qū)動。在R16、C45、C46、R15組成的信號接收電路中，RX管腳的直流偏置電壓通過R15和C46穩(wěn)定在管腳VMID處，接收信號通過C45和R16。本模塊與CC2530通過P2集成的SPI口通信。

3 ?系統(tǒng)性能測試

測試了由無線傳感終端與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)的可靠性。測試分兩種情況進(jìn)行：（1）戶外測試：無障礙開闊場地;（2）室內(nèi)測試：無線傳感網(wǎng)絡(luò)組建在室內(nèi)，無線傳感終端放置在實(shí)室外走廊內(nèi)，走廊的形狀是矩形，位于建筑物的五層，其混凝土墻厚26 cm。測試步驟為PC服務(wù)器向無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送電子標(biāo)簽讀（寫）標(biāo)簽的指令，相應(yīng)的無線傳感終端執(zhí)行讀（寫）命令對電子標(biāo)簽進(jìn)行操作。通過計(jì)算無線傳感終端未能正確執(zhí)行無線傳感網(wǎng)絡(luò)指令的次數(shù)或執(zhí)行指令后的信息錯(cuò)誤次數(shù)來計(jì)算丟包率。在測試過程中，無線傳感終端和無線傳感網(wǎng)絡(luò)之間的距離不斷變化，以驗(yàn)證不同測試距離對測試過程中讀（寫）結(jié)果的影響。測試中電子標(biāo)簽離讀寫器的距離不應(yīng)超過10 cm。

測試結(jié)果如表1所示，在戶外測試中，當(dāng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與無線傳感終端之間的傳輸距離在80～120 m范圍內(nèi)時(shí)，最大丟包率為3%;當(dāng)測試距離為80 m或以下時(shí)，丟包率為0%。在室內(nèi)測試中，當(dāng)傳輸距離為20～60 m時(shí)，最大丟包率為3%;當(dāng)測試距離小于等于20 m時(shí)，丟包率為0%。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。證明了本文設(shè)計(jì)的無線射頻遠(yuǎn)程讀寫系統(tǒng)在保證傳輸較為穩(wěn)定的情況下延長了無線傳感網(wǎng)絡(luò)和無線傳感終端之間的通信傳輸距離。

4 ?結(jié) ?論

本設(shè)計(jì)將RFID技術(shù)與ZigBee技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于Si522和CC2530的無線射頻遠(yuǎn)程讀寫系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了RFID讀寫器的遠(yuǎn)程無線讀寫，實(shí)現(xiàn)了通信數(shù)據(jù)的雙向傳輸，使系統(tǒng)組網(wǎng)更加靈活。同時(shí)，該系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，終端節(jié)點(diǎn)小，成本低，易于部署。所開發(fā)的RFID讀寫器可以根據(jù)應(yīng)用需求在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中使用，從而實(shí)現(xiàn)更大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)RFID讀寫器工作距離短、抗干擾能力差、易受環(huán)境影響等缺點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)采用的CC2530芯片除作為ZigBee通信模塊外，多余資源還被用做控制數(shù)據(jù)傳輸，控制射頻模塊對電子標(biāo)簽的讀寫操作。這降低了微控制器使用成本，而且省去了布線的麻煩，節(jié)約了資源。測試表明，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、較長的識別距離，具有重要的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用價(jià)值。

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作者簡介：蔡明（1980.08—），男，漢族，湖北武漢人，副教授，工學(xué)學(xué)士，研究方向：信息技術(shù)與智能工程應(yīng)用。