陶為戈，朱昳華，錢志文，賈中寧

（江蘇技術(shù)師范學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，常州 213001）

0 引言

對(duì)一定范圍內(nèi)的人或物進(jìn)行區(qū)域定位管理具有重要現(xiàn)實(shí)意義，已廣泛應(yīng)用于礦井安全生產(chǎn)、交通、物流、醫(yī)療、監(jiān)獄等領(lǐng)域或場(chǎng)所[1]。常用的定位方案有GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）、Wi-Fi、電子標(biāo)簽（RFID）、ZigBee等。從應(yīng)用的便利性、產(chǎn)品價(jià)格以及技術(shù)手段的先進(jìn)性來看，有些還存在著這樣那樣的缺陷。GPS適合于地面作業(yè)定位，設(shè)備成本較高，水平面內(nèi)定位精度5～10m[2]；Wi-Fi定位設(shè)備功耗較大、且通信覆蓋范圍較??；無源RFID讀寫距離僅數(shù)十厘米，有源RFID定位系統(tǒng)卻因價(jià)格偏高、定位精度差而不能廣泛使用；單一ZigBee技術(shù)定位距離受限等等。

鑒于上述原因，本文根據(jù)實(shí)際需要，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的有源RFID實(shí)現(xiàn)方案，并綜合考慮成本、距離、功耗和實(shí)用性，融合Internet技術(shù)構(gòu)建ZigBee/Internet網(wǎng)關(guān)，有效地?cái)U(kuò)大區(qū)域定位范圍。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于有源ZigBee RFID技術(shù)和Internet技術(shù)的區(qū)域定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括ZigBee RFID、ZigBee/Internet網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、監(jiān)控終端等4個(gè)部分。ZigBee RFID為低功耗有源電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，電池供電，能夠和ZigBee/Internet網(wǎng)關(guān)通信，受到振動(dòng)或休眠時(shí)間到自動(dòng)喚醒，絕大部分時(shí)間應(yīng)處于休眠狀態(tài)從而延長(zhǎng)電池使用壽命。ZigBee/Internet網(wǎng)關(guān)含有ZigBee RFID讀寫器和UART/Internet轉(zhuǎn)換器XPort模塊，ZigBee RFID讀寫器負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，識(shí)讀有效通信距離范圍內(nèi)標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)信息，進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)包解析，提取ZigBee RFID標(biāo)簽信息數(shù)據(jù)，獲取接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI: Received Signal Strength Index)值并計(jì)算其與標(biāo)簽的距離 ，通過UART接口與XPort通信；XPort將相關(guān)信息重新封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包，經(jīng)Internet傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器。服務(wù)器管理軟件通過捕獲IP包獲取ZigBee RFID信息，實(shí)現(xiàn)區(qū)域定位數(shù)據(jù)處理、信息存取、為客戶監(jiān)視終端提供區(qū)域定位數(shù)據(jù)服務(wù)等功能?？蛻舯O(jiān)視終端提供區(qū)域定位信息遠(yuǎn)程界面顯示、查詢、報(bào)警等服務(wù)功能。

圖1 區(qū)域定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee芯片

CC2530[3]是由美國(guó)TI公司推出的符合ZigBee/IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線片上系統(tǒng)級(jí)芯片，具有完全集成的高性能RF收發(fā)器、高速低功耗8051微處理器、8KB RAM、256KB閃存，以及其它豐富的外部設(shè)備資源，如DMA、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗定時(shí)器、AES-128安全協(xié)處理器、12位ADC、USART、定時(shí)器、上電復(fù)位、斷電檢測(cè)、可編程I/O口等。具有優(yōu)越的射頻性能，包括超低功耗、高接收靈敏度、以及超強(qiáng)的抗干擾能力。支持芯片無線空中下載、在系統(tǒng)編程。在接收/發(fā)送傳輸空閑模式下，電流分別為24mA和29mA（+1dBm），支持PM1、PM2、PM3三種休眠模式，而PM3深度休眠電流僅為0.1μA。CC2530從休眠模式到工作模式的超短切換時(shí)間，使得該射頻芯片成為針對(duì)超長(zhǎng)電池使用壽命應(yīng)用的理想解決方案。CC2530應(yīng)用包括遠(yuǎn)程控制、消費(fèi)電子、智能家居、智能能源、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。

2.2 XPort模塊

XPort模塊[4]是Lantronix公司開發(fā)的一種高度集成的、嵌入式UART/Internet接口模塊。將XPort模塊集成到產(chǎn)品中，避免了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議問題，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

XPort模塊集成有DSTni-EX 186微控制器、256KB SRAM、16KB引導(dǎo)ROM、512KB存儲(chǔ)固件和Web的fl ash、10/100Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)收發(fā)器、高速串行接口、狀態(tài)指示發(fā)光二極管、以及3個(gè)可編程I/O引腳。XPort在空間結(jié)構(gòu)上等價(jià)一個(gè)連接器，一端提供8引腳3.3V CMOS電平高速串 口 (GND，3.3VDC，Reset，Data In，Data Out，CPl，CP2，CP3)，另一端提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)RJ45接口。另外，XPort提供嵌入式Web服務(wù)器功能，用于遠(yuǎn)程配置與監(jiān)測(cè)。

2.3 ZigBee RFID硬件設(shè)計(jì)

低功耗有源ZigBee RFID由CC2530芯片、外圍電路和其他應(yīng)用電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。外圍電路包括復(fù)位電路、電源監(jiān)測(cè)、射頻天線接口電路、固件下載調(diào)試接口電路等CC2530最小系統(tǒng)電路。其他應(yīng)用電路包括按鍵、狀態(tài)/電源指示LED、UART接口、電源電路、振動(dòng)檢測(cè)等電路構(gòu)成，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景標(biāo)簽工作模式的選擇及低功耗節(jié)電要求。

圖2 有源ZigBee RFID結(jié)構(gòu)圖

2.4 ZigBee/Internet網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee/Internet網(wǎng)關(guān)主要由基于CC2530芯片的ZigBee模塊、按鍵、后備電源、OLED模塊、XPort模塊等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ZigBee/Internet網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

ZigBee模塊串口默認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸速率115200bps，可以通過無線配置或網(wǎng)絡(luò)配置；XPort參數(shù)可以通過Web瀏覽器方式、Telnet遠(yuǎn)程登錄方式或串口方式配置。網(wǎng)關(guān)ZigBee模塊作為ZigBee/Internet網(wǎng)關(guān)控制中心，一方面，ZigBee模塊既是ZigBee RFID讀寫器，又是ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，具有建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功能。另一方面，充分利用網(wǎng)關(guān)ZigBee模塊處理器CC2530的優(yōu)越性能，協(xié)調(diào)網(wǎng)關(guān)各功能部件，控制OLED模塊顯示網(wǎng)關(guān)狀態(tài)信息，通過UART接口與XPort模塊通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議包與TCP/IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：ZigBee RFID軟件、標(biāo)簽讀寫器軟件、服務(wù)器管理軟件。標(biāo)簽和讀寫器軟件開發(fā)平臺(tái)為IAR EW8051 v7.60，ZigBee協(xié)議棧選用ZStack-CC2530-2.5.1a，在該環(huán)境下對(duì)標(biāo)簽和讀寫器進(jìn)行必要的程序設(shè)計(jì)及軟、硬件參數(shù)配置。服務(wù)器管理軟件使用Visual Studio C# 和SQL Server，并通過三層架構(gòu)的C/S模式完成設(shè)計(jì)。

3.1 ZigBee RFID軟件設(shè)計(jì)

ZigBee RFID主程序流程圖如圖4所示。標(biāo)簽CC2530芯片上電后首先完成設(shè)備初始化，包括設(shè)置系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘、硬件配置等初始化工作，接下來進(jìn)入啟動(dòng)ZigBee協(xié)議棧、廣播ID信息、檢測(cè)電池電壓、發(fā)簽/非發(fā)簽?zāi)Ｊ脚袆e等環(huán)節(jié)，在非發(fā)簽?zāi)Ｊ较?，直接進(jìn)入休眠狀態(tài)后至定時(shí)時(shí)間到喚醒或檢測(cè)到振動(dòng)退出休眠狀態(tài)（兩種喚醒方式根據(jù)標(biāo)簽應(yīng)用場(chǎng)景需要配置），再次主動(dòng)給網(wǎng)關(guān)ZigBee RFID讀寫器廣播ID信息。

圖4 ZigBee RFID主程序流程圖

3.2 網(wǎng)關(guān)ZigBee RFID讀寫器軟件設(shè)計(jì)

ZigBee RFID讀寫器CC2530上電后首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化工作，然后啟動(dòng)ZigBee協(xié)議棧，進(jìn)行工作模式判別，模式由按鍵狀態(tài)決定。在發(fā)簽?zāi)Ｊ较?，?dāng)收到配置指令信息，無線轉(zhuǎn)發(fā)給標(biāo)簽；在非發(fā)簽?zāi)Ｊ较拢羰盏綐?biāo)簽ID信息，則將標(biāo)簽ID、根據(jù)RSSI計(jì)算出的距離等信息通過UART接口傳輸給XPort，再以IP數(shù)據(jù)包的形式經(jīng)Internet傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器。

3.3 服務(wù)器管理軟件設(shè)計(jì)

下面以佩戴有源ZigBee RFID的校園人員（學(xué)生）為區(qū)域定位對(duì)象，介紹區(qū)域定位服務(wù)器管理軟件設(shè)計(jì)基本要求。

軟件功能：服務(wù)器管理軟件通過捕獲IP包獲取ZigBee RFID信息，在服務(wù)器端進(jìn)行人員區(qū)域定位數(shù)據(jù)處理、信息存取與界面顯示，使得管理人員通過客戶監(jiān)視終端方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生實(shí)時(shí)位置監(jiān)測(cè)、考勤以及歷史信息查詢等。

服務(wù)器功能模塊主要有：系統(tǒng)管理維護(hù)、設(shè)備管理、基本信息管理、數(shù)據(jù)處理、客戶監(jiān)視管理等。其中客戶監(jiān)視管理軟件功能模塊主要有：登陸模塊、學(xué)生信息管理模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、查詢模塊、打印報(bào)表模塊等。

系統(tǒng)管理：設(shè)定操作員的登陸密碼，設(shè)定數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)名、IP地址等。

設(shè)備管理：設(shè)置通信參數(shù)端口號(hào)，設(shè)置和修改網(wǎng)關(guān)信息，包括IP地址、安裝位置、有效識(shí)讀距離等參數(shù)。設(shè)置的操作包括查詢、修改、新增、刪除以及保存。

基本信息設(shè)置：設(shè)置和修改學(xué)生基本信息，包括姓名、學(xué)號(hào)、班級(jí)等；設(shè)置ZigBee RFID基本信息，包括硬件標(biāo)識(shí)、類型等。設(shè)置的操作仍然包括查詢、修改、新增、刪除以及保存。

4 結(jié)束語

本文提出了一種區(qū)域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，闡述了有源ZigBee RFID、ZigBee/Internet網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器管理軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。以佩戴電子標(biāo)簽的校園人員為區(qū)域定位對(duì)象進(jìn)行了測(cè)試，標(biāo)簽讀寫器室內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別距離大于20m，IP丟包率小于萬分之一，能夠通過Internet對(duì)校園人員進(jìn)行區(qū)域定位監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了有源ZigBee RFID系統(tǒng)與Internet的有機(jī)融合，為泛網(wǎng)研究打下了一定基礎(chǔ)。同時(shí)系統(tǒng)面向市場(chǎng)、實(shí)用性強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 穆萬里. 區(qū)域定位系統(tǒng)原理與關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 電信快報(bào), 2012, (3): 6-8, 17.

[2] 鮑遠(yuǎn)律, 劉振安. 衛(wèi)星定位, 交通監(jiān)控與數(shù)字地圖[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2006.

[3] Texas Instruments Incorporated. A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[EB/OL]. [2012-8-12]. http://www.ti.com/lit/ds/swrs081b/swrs081b. pdf.

[4] Lantronix Inc. XPort Data sheet[EB/OL]. [2012-8-12].http://www.lantronix.com/pdf/XPort_DS. pdf.