沈陽工業(yè)大學(xué)化工過程自動化學(xué)院 孫 鐸 佟維妍 張佳楠 王余杰 王 建

基于MSP430和Zigbee的RFID讀寫設(shè)備

沈陽工業(yè)大學(xué)化工過程自動化學(xué)院 孫 鐸 佟維妍 張佳楠 王余杰 王 建

本文提出了一種基于RFID和Zigbee的讀寫設(shè)備的設(shè)計方案。介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作過程，簡述了基于MSP430和Zigbee的RFID讀寫設(shè)備的軟硬件設(shè)計。該系統(tǒng)的實施將大大提高管理效率，具有一定的應(yīng)用價值。

RFID讀寫設(shè)備；Zigbee；MSP430

1 引言

RFID是一種非接觸式自動識別技術(shù)，它通過無線射頻方式，實現(xiàn)對RFID標簽的信息獲取。RFID技術(shù)可同時識別多個高速運動的標簽，其工作可靠性高、保密性強、方便快捷[1]。

ZigBee技術(shù)是一種具有低復(fù)雜度、近距離、低成本等特點的雙向無線通訊技術(shù)[2]。主要應(yīng)用于功耗低、低傳輸率且近距離的各種電子設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳輸，也適用于典型的間歇性、周期性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)的傳輸[3]。ZigBee作為一種新興起的短距離無線通信國際標準協(xié)議，在通信產(chǎn)品中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，進入大規(guī)模的商業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用時期。

基于物聯(lián)網(wǎng)的先進思想，提出一種基于MSP430和Zigbee的RFID讀寫設(shè)備，將ZigBee技術(shù)和RFID技術(shù)相結(jié)合，以MSP430F149單片機為系統(tǒng)控制器，利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線自組網(wǎng)原理實現(xiàn)了手持移動式RFID讀寫端和PC機接收端的遠程無線通信，無需布線，可根據(jù)具體的情況隨時隨地將RFID讀寫端連入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)管理容易，能夠迅速采集多個電子標簽信息，提高了組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴踩院捅憬菪?，滿足物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

RFID讀寫設(shè)備是利用射頻技術(shù)(RFID)讀/寫電子標簽信息的設(shè)備，可將上位PC機的讀寫命令傳送到電子標簽，同時進行數(shù)據(jù)加密，將電子標簽返回的數(shù)據(jù)解密后送到上位PC機或通過LCD顯示[4]。

RFID讀寫設(shè)備包括手持移動式RFID讀寫端和PC機接收端兩部分，如圖1。工作時，管理員啟動手持移動式RFID讀寫端，當工作區(qū)域內(nèi)有電子標簽時，RFID讀寫端自動讀取該標簽的相關(guān)信息，實時地將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至PC機接收端，PC機接收端通過RS232串行通信與PC上位機進行通訊連接，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸至上位機管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理[5]。

圖1 RFID讀寫設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3 手持移動式RFID讀寫端的設(shè)計

手持移動式RFID讀寫端采用電池供電方式，主要由MCU、RFID讀卡模塊、讀寫端ZigBee模塊、LCD顯示模塊、鍵盤電路、電源模塊等構(gòu)成。

MCU采用了超低功耗的16位單片機MSP430F149，其采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，只有簡潔的27條指令，運算速度快。片上集成了豐富的外設(shè)，如12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、看門狗、SPI等。MSP430適應(yīng)工業(yè)級的運行環(huán)境，更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器儀表類產(chǎn)品中，如圖2所示。本設(shè)計的軟件采用高效的MSP430系列的C語言編寫，軟件的開發(fā)選擇了IAR 5.5開發(fā)環(huán)境。利用IAR 5.5軟件可直接通過單片機的JTAG接口下載程序或讀取單片機內(nèi)數(shù)據(jù)。在MSP430F149中存儲RFID中間件程序和ZigBee通訊程序，起著連接底層設(shè)備的作用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和處理、實時數(shù)據(jù)的采集功能。

圖2 手持移動式RFID讀寫端MCU原理圖

RFID讀寫卡芯片選用了低電壓、低功耗、小尺寸非接觸式讀寫基站芯片RC522，通過10Mbit/s的SPI方式與手持移動式RFID讀寫端MCU通信。

圖3 RFID讀卡模塊電路圖

手持移動式RFID讀寫端通過與讀寫卡芯片連接的天線和電子標簽線圈產(chǎn)生共振來傳遞數(shù)據(jù)，當有電子標簽處在讀寫端的有效工作范圍內(nèi)時，MSP430通過RC522向電子標簽發(fā)出尋卡命令，當讀寫卡芯片的天線檢測到電子標簽的響應(yīng)信號后，經(jīng)過天線匹配后把接收信號傳送到讀寫卡芯片，讀寫卡芯片內(nèi)部對該信號進行解調(diào)，并進行相應(yīng)的解密處理，從而完成讀寫卡芯片與電子標簽的通訊，讀寫卡芯片完成和電子標簽的通訊后再將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至手持移動式RFID讀寫端MCU[6]，如圖3所示。

若同時有多張電子標簽在天線的工作范圍內(nèi)，讀寫端將啟動防沖撞機制，依據(jù)電子標簽的序列號來選擇一張電子標簽，被選中的電子標簽再與讀寫端進行密碼校驗，確定讀寫端對電子標簽存在操作權(quán)限并且保證電子標簽的合法性，而未被選中的則仍然處在閑置狀態(tài)，等待下一次尋找命令。

防沖撞程序如下：

char PcdAntlcoll(unslgned char *str)

{

char stts;

unslgned char l,hecha=0;

unslgned lnt changdu;

unslgned char hcsj[ZHUIDA];

Qishiwei(Zhuangtai,0x08);

Xierame(Biaozhi,0x00);

Qishiwei(Xunhuan,0x80);

hcsj[0] = PLCC_ANTLCOLL1;

hcsj[1] = 0x20;

stts = Pqqsd(PCD_TRANSCELVE,hcsj,2,hcsj,&chan gdu);

lf (stts == WANHAO)

{

for (l=0; l＜4; l++)

{

*(str+l) = hcsj[l];

hecha ^= hcsj[l];

}

lf (hecha != hcsj[l])

{stts = CHUOWU; }

}

Shezhimas(Xunhuan,0x80);

return stts;

}

4 PC機接收端的設(shè)計

PC機接收端主要由MCU、接收端ZigBee模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊等構(gòu)成。

手持移動式RFID讀寫端和PC機接收端的ZigBee模塊選用符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器CC2420。CC2420支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps，通過SPI接口進行編程配置，如圖4所示。PC機接收端ZigBee模塊可同時與多個手持移動式RFID讀寫端ZigBee模塊之間進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 ZigBee收發(fā)模塊電路圖

圖5 PC機接收端電平轉(zhuǎn)換模塊電路圖

接收數(shù)據(jù)并判斷程序如下：

if(CC2420_RxPacket())

{

CC2420_ReadRXFIFO();

CC2420_SetRxMode();

if(CC2420_PSDU[25] == 1)

{

LED1_1;LED2_0;BELL_0;delay_ms(50);LED1_0;LED2 _0;BELL_1; CC2420_PSDU[25] = 0;

}

if(CC2420_PSDU[25] == 2)

{

LED1_0;LED2_1;BELL_0;delay_ms(50);LED1_0;LED2 _0;BELL_1; CC2420_PSDU[25] = 0;

}

SCLK_OFF();CSN_ON();CC2420_ Command(CMD_SFLUSHRX);

}

在本設(shè)備中，PC機與PC機接收端采用近距離的串行通信，采用RS232實現(xiàn)。MSP430單片機串口的輸入輸出均為TTL低電平，PC機的RS232接口采用RS232標準的EIA電平，故選用MAX232CSE芯片實現(xiàn)這兩種電平之間的轉(zhuǎn)化，如圖5所示。

5 結(jié)束語

本文主要研究的是基于MSP430和ZigBee的RFID讀寫設(shè)備的設(shè)計。采用MSP430F149單片機微處理器與RFID模塊或芯片構(gòu)建RFID讀寫器，實現(xiàn)對RFID標簽的信號采集、顯示及傳輸?shù)裙δ堋Ｔ撛O(shè)備網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力強，可根據(jù)具體的情況隨時隨地將RFID讀寫設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)管理容易。

[1]駱波濤,馬文清,李沛東．基于RFID的實驗室設(shè)備管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．軟件導(dǎo)刊:教育技術(shù),2011(08):84-86．

[2]王占領(lǐng)．淺析無線通訊技術(shù)中近距離通訊技術(shù)的發(fā)展[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(10):31．

[3]劉建杰,梁高紅,等．數(shù)字化系統(tǒng)在盤古梁油田的建設(shè)及應(yīng)用[J]．中國科技博覽,2012,14．

[4]蔣武洲．RFID應(yīng)用系統(tǒng)通過Web服務(wù)傳輸數(shù)據(jù)的研究與實現(xiàn)[J]．計算機工程與設(shè)計,2007(13):3126-3129．

[5]佟維妍,等．基于ZigBee的RFID讀寫設(shè)備:中國,ZL20 1320707110．2[P]．2014-04-30．

[6]朱炳瑞,裴煥斗,劉春力．基于RFID的單片機系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子世界,2013(01):129-130．

孫鐸（1994—），男，遼寧錦州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于沈陽工業(yè)大學(xué)化工過程自動化學(xué)院電氣工程系測控技術(shù)與儀器專業(yè)。

佟維妍（1981—），女，遼寧遼陽人，碩士，講師，研究方向：智能控制理論及其應(yīng)用。

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(項目編號：L2015394)；2015年遼寧省教育廳大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目。