劉福濤 ，陳科明，蘇政偉，毛海明

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification:RFId)技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻電子設(shè)備發(fā)射射頻信號(hào)，射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合來(lái)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，并且可以將新的信息寫入目標(biāo)對(duì)象的標(biāo)識(shí)設(shè)備。RFId設(shè)備主要由兩部分組成:標(biāo)簽和讀寫器。標(biāo)簽屬于被識(shí)別物品的標(biāo)識(shí)設(shè)備;而讀寫器是一種可以識(shí)讀現(xiàn)存標(biāo)簽中的信息，并且可以將信息寫入標(biāo)簽的電子設(shè)備中［1，2］。近年來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路、網(wǎng)絡(luò)通信以及信息安全技術(shù)的飛速發(fā)展，RFId技術(shù)逐漸進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。在國(guó)際上，RFId技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制動(dòng)化、商業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間，被公認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一。在國(guó)內(nèi)，RFId技術(shù)應(yīng)用還處于發(fā)展階段，市場(chǎng)前景非常廣闊。ZigBee技術(shù)是為滿足小型化、低成本、低功耗設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要求而誕生的一項(xiàng)新興無(wú)線通信技術(shù)，其具有低數(shù)率、低功耗、低復(fù)雜度、低成本以及網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)［5］。本文將ZigBee技術(shù)和RFId技術(shù)相結(jié)合，以FPGA為系統(tǒng)控制平臺(tái)，使原來(lái)多個(gè)獨(dú)立工作的RFId讀寫器形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn):(1)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力強(qiáng)，可根據(jù)具體的情況隨時(shí)隨地將RFId讀寫器連入網(wǎng)絡(luò);(2)網(wǎng)絡(luò)管理容易，能夠迅速采集節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽信息;(3)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展簡(jiǎn)單，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，可通過(guò)其它節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，迅速將新的RFId閱讀器加入網(wǎng)絡(luò)中。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成:上位機(jī)、網(wǎng)關(guān)、RFId讀寫控制器以及電子標(biāo)簽。系統(tǒng)的總體構(gòu)架如圖1所示。

網(wǎng)關(guān)首先建立網(wǎng)絡(luò)，RFId讀寫控制器以網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)方式加入該網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，等待網(wǎng)關(guān)命令，將讀到的標(biāo)簽信息以無(wú)線電波的方式發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。用戶通過(guò)上位機(jī)可以查看和處理網(wǎng)關(guān)收集到的節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽信息。RFId讀寫控制器每次讀寫電子標(biāo)簽時(shí)，都必須由網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)命令才能進(jìn)行讀取。

在本系統(tǒng)中，采用FPGA作為RFId讀寫控制器的控制平臺(tái)，在此平臺(tái)上擴(kuò)展了串口通道和USB通道。用戶可以通過(guò)不同的通信方式與RFId讀寫器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，增強(qiáng)了本系統(tǒng)在不同環(huán)境下的適應(yīng)能力。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)部分:RFId讀寫控制模塊和ZigBee無(wú)線通信模塊。RFId讀寫控制模塊是完成對(duì)電子標(biāo)簽信息的設(shè)置和讀取，并在FPGA的控制下通過(guò)不同的通訊方式將標(biāo)簽信息傳遞給用戶。ZigBee無(wú)線通信模塊建立系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽信息的無(wú)線采集。

RFId讀寫控制模塊在本系統(tǒng)中作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備。主要包括FPGA控制模塊、ZigBee射頻模塊、串口通信模塊、USB模塊、LCD模塊、讀寫器模塊以及電源管理模塊。其中FPGA控制模塊是作為本系統(tǒng)的主控制平臺(tái)，ZigBee射頻模塊、UART模塊、USB模塊、讀寫器模塊以及電源管理模塊構(gòu)成了RFId讀寫控制模塊的外圍設(shè)備。其模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。FPGA控制模塊是使用Altera公司的CycloneIIEP2C35芯片，采用AMBA總線結(jié)構(gòu)［3］進(jìn)行控制。讀寫器模塊采用恒睿科技公司的超高頻RFId讀寫器 RUM900+模塊［4］。

ZigBee無(wú)線通信模塊包括ZigBee協(xié)調(diào)器即網(wǎng)關(guān)和ZigBee節(jié)點(diǎn)2部分。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，這2部分的設(shè)計(jì)都采用相同的硬件設(shè)計(jì)，ZigBee通信芯片都選取TI公司的CC2530芯片。ZigBee節(jié)點(diǎn)是通過(guò)串口與FPGA控制器進(jìn)行通信。ZigBee協(xié)調(diào)器也是通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)部分:ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。另外，系統(tǒng)選用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)建本次RFId讀寫器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［5］。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信流程設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)分為2部分:ZigBee協(xié)調(diào)器的通信設(shè)計(jì)和ZigBee節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)計(jì)。

3.1.1 ZigBee 協(xié)調(diào)器的通信設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的管理員，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、地址的分配和成員的加入以及并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況自動(dòng)更新等［6］。ZigBee協(xié)調(diào)器的通信流程如圖3所示。ZigBee協(xié)調(diào)器首先建立好網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器可以與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的RFId模塊的讀寫。

3.1.2 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀取以及無(wú)線方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器。它有2種工作模式:通信狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。大部分時(shí)間，節(jié)點(diǎn)都處于休眠的狀態(tài)。當(dāng)RFId模塊有數(shù)據(jù)要讀取或者協(xié)調(diào)器發(fā)送命令時(shí)，節(jié)點(diǎn)由睡眠狀態(tài)進(jìn)入通信狀態(tài)的工作模式［6］。其通信流程如圖4所示。

3.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是人機(jī)交互的關(guān)鍵部分。它對(duì)協(xié)調(diào)器或者其他通道采集到的各節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽信息進(jìn)行處理，并通過(guò)界面實(shí)時(shí)顯示給用戶。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，主要包括界面、數(shù)據(jù)處理模塊和通信函數(shù)模塊3部分。界面實(shí)現(xiàn)用戶與閱讀器信息的交互，完成對(duì)讀寫器的操作;數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并實(shí)時(shí)地響應(yīng)用戶的各種操作，將信息顯示在界面上;通信函數(shù)模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)以特定通信通道發(fā)送出去，并將接收的數(shù)據(jù)返回給數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理，該模塊和硬件有關(guān)。

本系統(tǒng)中使用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)工具C++Builder進(jìn)行上位機(jī)軟件的編程開發(fā)［7］。當(dāng)某一通道打開后，用戶可以設(shè)置節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽的功率、標(biāo)簽的讀取頻率以及標(biāo)簽的識(shí)別方式等。設(shè)置成功后，就可以讀取標(biāo)簽的信息，并實(shí)時(shí)顯示在界面的左邊顯示欄里。用戶通過(guò)上位機(jī)軟件可以很容易很方便對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)RFId的標(biāo)簽進(jìn)行讀寫。

圖5 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

RFId射頻識(shí)別技術(shù)是近幾年新興的熱門技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、日常生活等眾多領(lǐng)域。本文構(gòu)建了一種新型的RFId讀寫網(wǎng)絡(luò)。在本設(shè)計(jì)中，以FPGA作為主控制器，控制RFId的讀寫操作，增強(qiáng)了本系統(tǒng)在不同環(huán)境的適應(yīng)能力。同時(shí)，將ZigBee無(wú)線通信技術(shù)融入RFId系統(tǒng)中，利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了原有RFId讀寫系統(tǒng)的不足。通過(guò)大量測(cè)試表明，該網(wǎng)絡(luò)可以部署在多種不同環(huán)境的設(shè)施場(chǎng)景中，網(wǎng)內(nèi)對(duì)標(biāo)簽信息的讀取和設(shè)置穩(wěn)定可靠。

［1］ 鄒洋.物流信息平臺(tái)的RFId應(yīng)用模式及標(biāo)準(zhǔn)研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)，2010.

［2］ 岳濤.RFId關(guān)鍵技術(shù)及其在現(xiàn)代物流中的應(yīng)用研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

［3］ 王彥.基于FPGA的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007:298－323.

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［5］ 孫彩云.基于ZigBee的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)研究［D］.太原:中北大學(xué)，2011.

［6］ 和偉.基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2011.

［7］ 梅成剛，馬進(jìn)德.C++Builder項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003:43－89.