葛厚洋，付蔚，楊卓，王俊

（重慶郵電大學(xué) 自動化學(xué)院 智能家居實驗室，重慶400065）

引 言

近年來，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的智能家居發(fā)展勢頭十分迅猛。智能家居可以定義為一個系統(tǒng)，它可將先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和各種遙感和自動化技術(shù)有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加智能、舒適、節(jié)能。6LoWPAN技術(shù)是比較有發(fā)展前景的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以和互聯(lián)網(wǎng)完美融合，是智能家居領(lǐng)域的一個應(yīng)用熱點。實現(xiàn)此關(guān)鍵技術(shù)的重點就是對用戶的識別與定位。

目前國內(nèi)可應(yīng)用于室內(nèi)的定位技術(shù)有紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、藍牙定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、超寬帶定位技術(shù)、WiFi定位技術(shù)、ZigBee技術(shù)和射頻識別（RFID）技術(shù)等。紅外線室內(nèi)定位技術(shù)精度較高，但限制條件多，成本也比較高。藍牙定位技術(shù)使用方便，但精度較低，穩(wěn)定性差，易受干擾，成本也比較高。超聲波定位技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、精度較高，但易受多徑效應(yīng)影響，成本也比較高。超寬帶定位技術(shù)定位精確，但該技術(shù)尚未成熟應(yīng)用，尚在試驗階段。WiFi技術(shù)和ZigBee技術(shù)的精度都較低，且ZigBee技術(shù)需要大量節(jié)點，復(fù)雜度較高，成本較高，WiFi技術(shù)的穩(wěn)定性不高，能量消耗也比較大。由此可見以上幾種定位方法的成本太高，不易在普通家居中普遍使用。而射頻識別技術(shù)的定位精度可以達到幾厘米，且使用方便、成本低、復(fù)雜度低，并且可以根據(jù)實際應(yīng)用情況來調(diào)節(jié)精度控制成本。其缺點就是不具備與外界通信的能力，但將RFID定位技術(shù)與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，便可開發(fā)出定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、方便實用且易于推廣的家居定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本系統(tǒng)由4個部分構(gòu)成，即RFID位置標簽、RFID閱讀模塊、6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊以及6LoWPAN網(wǎng)關(guān)。RFID位置標簽根據(jù)需要貼在地板的固定地方，將每個標簽根據(jù)其所在區(qū)域進行有序編號并存儲在標簽的芯片內(nèi)。例如可以用4位十六進制來表示位置編號，廚房可以定義為0x01XX。同時在網(wǎng)關(guān)中定義出區(qū)域編號及區(qū)域內(nèi)的位置編號，形成有序的位置列表。RFID閱讀模塊和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊都集成在特制的鞋中，這種具有定位功能的鞋稱作定位鞋。當定位鞋經(jīng)過某一位置時，就會讀取可讀范圍內(nèi)的標簽編號并通過串口將編號信息發(fā)給6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊。6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊再通過6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)將編號信息上傳至6LoWPAN網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過編號判斷使用者所在位置。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 RFID定位原理

根據(jù)閱讀器自身參數(shù)的不同（如工作頻率、增益系數(shù)等），特定的閱讀器系統(tǒng)（包括天線）具有特定的識讀范圍。如圖2所示，對于范圍內(nèi)的 標 簽 Label，閱 讀 器Reader可以實現(xiàn)正常的識讀，而超出該范圍，閱讀器則無能為力。根據(jù)這一特點，只要在家居空間中合理布置一定數(shù)量的RFID標簽，用不同的RFID標簽將待定位空間劃分成若干子區(qū)域，通過輪詢所有附近RFID標簽，就可以判定待定位閱讀器所在的子區(qū)域。對于精度要求不高的區(qū)域，可以用單個標簽來確定位置；對于精度要求比較高的區(qū)域，則可以比較密集的安裝標簽，通過讀取到的標簽標號，推算出比較精確的位置坐標。

圖2 基于空間劃分的RFID定位原理

1.3 6LoWPAN

IPv6over IEEE802.15.4 或IPv6over LR ＿PAN（簡稱6LoWPAN）是IETF于2004年11月新成立的一個工作組，致力于完成IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE802.15.4上傳輸?shù)膶崿F(xiàn)。6LoWPAN技術(shù)采用的是規(guī)定的IEEE802.15.4物理層和MAC層，同時使用IETF規(guī)定的IPv6功能，上層采用TCP／IPv6協(xié)議棧，其與TCP／IP協(xié)議棧對比的參考模型如圖3所示。6LoWPAN協(xié)議棧參考模型與TCP／IP的參考模型大致相似，區(qū)別在于6LoWPAN協(xié)議棧底層使用IEEE802.15.4PHY標準，而且因低速無線局域網(wǎng)的特性，6LoWPAN的傳輸層沒有使用TCP協(xié)議。

圖3 TCP／IPv6與TCP／IP對比的參考模型圖

由于6LoWPAN協(xié)議棧給每個終端都分配了唯一的IP地址，而且還具有IEEE802.15.4的低功耗特點，十分有利于物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，故6LoWPAN技術(shù)在同時使用互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的智能家居中有良好的應(yīng)用前景。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件主要由RFID讀寫器模塊和支持IEEE802.15.4協(xié)議的無線模塊組成。RFID讀寫器模塊選用TI公司的RFID標簽讀寫芯片TRF7962A，與控制器MCU連接就可以構(gòu)成讀寫器電路。CC2530是用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，因此選擇了CC2530構(gòu)成6LoWPAN節(jié)點的無線模塊。此外CC2530內(nèi)部集成了8051核，故CC2530同時可以充當TRF7962A的控制器MCU。如圖4所示，TRF7962A經(jīng)射頻匹配電路由天線獲得標簽數(shù)據(jù)，并通過并行線將獲得的讀取標簽數(shù)據(jù)傳給CC2530，CC2530通過RF電路將數(shù)據(jù)傳送到6LoWPAN網(wǎng)關(guān)。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

實際電路圖設(shè)計如圖5所示，CC2530通過P0口和P1口與TRF7962A進行并行通信，并對TRF7962A進行 相應(yīng)的控制，例如選擇通信方式是并行還是串行。

圖5 系統(tǒng)硬件電路圖

32kHz晶振X1、32MHz晶振X2為CC2530提供休眠和正常工作兩種狀態(tài)下的工作時鐘，C4、C5、C6、C7、C8、L1、L2構(gòu)成射頻輸入、輸出端與單端天線的匹配電路。31.56MHz晶振X3為TRF7962A提供工作時鐘，C18、C20、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、L3、L4、L5構(gòu)成TRF7962A射頻輸入、輸出端與讀寫天線間的匹配電路。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的程序流程圖如圖6所示，在系統(tǒng)初始化的時候CC2530會初始化定時器等內(nèi)部配置并向6LoWPAN路由發(fā)出入網(wǎng)請求，路由會分配地址給CC2530。然后向TRF7962A發(fā)出讀標簽指令，獲取位置標簽數(shù)據(jù)。若為停放點（平時不用時存放定位鞋的地方，一般貼有特殊標簽）的位置標簽，則將定時器初始值設(shè)為5s；否則將初始值設(shè)為1s。設(shè)置完定時器后便將獲得的位置信息發(fā)到網(wǎng)關(guān)，發(fā)送完畢后打開定時器，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)。當定時器定時結(jié)束后，關(guān)閉定時器并喚醒系統(tǒng)。系統(tǒng)被喚醒后重新開始讀取標簽數(shù)據(jù)及以后的操作，以此構(gòu)成循環(huán)。由于讀取標簽和發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)所需要的時間只有幾ms，故大部分的時間都是不需要工作的，因此設(shè)計了系統(tǒng)的休眠狀態(tài)，從而節(jié)約了大量的能量，延長電池的持續(xù)工作時間。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 鞋封裝設(shè)計

由于本系統(tǒng)中存在兩個高頻天線，即RFID閱讀器的天線和CC2530的天線。雖然兩個高頻電路工作在不同的頻段，但復(fù)雜的電磁環(huán)境勢必會影響其工作性能。為了解決電磁干擾問題，應(yīng)將兩部分電路進行嚴格的隔離，在本系統(tǒng)中對RFID的天線用錫箔進行半封閉隔離，使其與RFID電路隔離開來，中間用同軸線相連進行信號的傳輸。同時，整個電路都用錫箔半封閉式與CC2530的天線隔離，從而在電磁環(huán)境上改善電路的工作性能，可以有效提高射頻識別的靈敏度。

由于定位鞋是要在房屋內(nèi)不斷地移動，不可能使用外部電源供電，所以就要在鞋的內(nèi)部放置一塊電池，且這塊電池的容量既要使系統(tǒng)正常運行一定的時間，又要滿足使用者的舒適感。綜合以上考慮，定位鞋采用小容量電池，完全封閉防水封裝，印制電路板采用硬軟板結(jié)合的方式保證鞋底的正常彎曲。電池的充電采用無線充電方式，當定位鞋放置到具有無線充電功能的設(shè)備上并識別到特定的標簽時，就會向家居系統(tǒng)發(fā)出充電請求，請求通過后，家居系統(tǒng)打開無線充電開關(guān)，定位鞋啟動充電模式進行充電，完成后家居系統(tǒng)關(guān)閉無線充電裝置電源，節(jié)約能源。

結(jié) 語

本文對基于RFID技術(shù)和6LoWPAN無線傳感網(wǎng)的定位鞋技術(shù)進行了系統(tǒng)的闡述與分析。該定位系統(tǒng)的使用和搭建都比較簡單，非常適用于在普通家庭的推廣，且所需成本也是由用戶要求決定的，可以根據(jù)用戶情況進行人性化的成本調(diào)節(jié)。隨著導(dǎo)電油墨等新興技術(shù)的發(fā)展，可以大大降低RFID標簽的成本，所以RFID在定位服務(wù)中的廣泛應(yīng)用是指日可待的。

［1］劉巖.RFID通信測試技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［2］張光山，張爍，張有光.基于隨機時隙的RFID讀寫器防沖突方法［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2012（6）：782－786.

［3］吳大中，張蒙蒙.基于移動節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012（5）.

［4］王緩緩，周小佳，閆斌.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究［J］.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2011（2）.

［5］李海燕.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用淺析［J］.科技信息，2011（18）.

［6］Hua Hu，Li Zheng.Direct Path Detection Method in Indoor Location［J］.Journal of DongHua University，2006（3）.

［7］IETF.IPv6over Low Power WPAN［EB／OL］.（2005－03－08）［2013－04］.http：／／www.ietf.org／html.charters／6lowpan－charter.html.