杜軍，馬俊，周亞強(qiáng)

(青海師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 西寧 810008)

杜軍，馬俊，周亞強(qiáng)

(青海師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 西寧 810008)

針對(duì)傳統(tǒng)射頻識(shí)別技術(shù)存在傳輸距離短、靈活性差和設(shè)備成本高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的電子標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)以TI公司的CC2530和Nordic公司的nRF24LE1分別作為無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)的收發(fā)芯片和讀寫器的射頻芯片，通過(guò)星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽信息的采集和傳輸，給出了ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)。在室內(nèi)外環(huán)境下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明:電子標(biāo)簽信號(hào)發(fā)射距離為25～65 m，ZigBee無(wú)線模塊在200 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效傳輸。

CC2530；電子標(biāo)簽；ZigBee技術(shù)；nRF24LE1

引 言

RFID[1-3](Radio Frequency Identification,射頻識(shí)別)是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性對(duì)被識(shí)別物體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別。與現(xiàn)有條形碼技術(shù)相比，射頻識(shí)別技術(shù)具有耐高溫、防水、可多次重復(fù)寫入數(shù)據(jù)、安全性高、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、芯片技術(shù)及無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，RFID技術(shù)也得到高速發(fā)展，其體積越來(lái)越小，成本、功耗越來(lái)越低，基于RFID技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到生活各個(gè)領(lǐng)域，如交通、物理管理、門禁控制、定位系統(tǒng)、第二代身份證等領(lǐng)域。RFID系統(tǒng)一般由天線、讀寫器和電子標(biāo)簽組成。傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)采用讀寫器與PC上位機(jī)通過(guò)有線的形式(以太網(wǎng)、RS232)進(jìn)行通信，存在靈活性差、數(shù)據(jù)傳輸距離短、成本高等缺點(diǎn)。與有線傳輸系統(tǒng)相比[5]，ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無(wú)線雙向傳輸，省去了布線的麻煩，而且ZigBee組網(wǎng)高效、快捷、簡(jiǎn)單。為了提高RFID系統(tǒng)的傳輸距離、靈活性及降低系統(tǒng)成本，結(jié)合ZigBee和RFID技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種電子標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)測(cè)試表明：該系統(tǒng)具有成本低、靈活性高、傳輸距離遠(yuǎn)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，拓展了ZigBee技術(shù)在無(wú)線RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由5部分組成[5-6]：有源電子標(biāo)簽、以nRF24LE1芯片為微處理器的主從射頻模塊、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和PC上位機(jī)。圖1為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。有源電子標(biāo)簽，記錄了電子標(biāo)簽的ID號(hào)及其他物品數(shù)據(jù)信息；主從射頻模塊即RFID讀寫器，負(fù)責(zé)識(shí)別處于天線輻射范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，并將接收到的電子標(biāo)簽信息通過(guò)串口傳輸給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，也可接收Z(yǔ)igBee終端節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的控制命令。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

主射頻模塊通過(guò)SPI接收從射頻模塊識(shí)別到的電子標(biāo)簽ID信息以實(shí)現(xiàn)雙通道傳輸，具有更好的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及可靠性。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將主從射頻模塊對(duì)電子標(biāo)簽識(shí)別到的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)協(xié)調(diào)器傳輸過(guò)來(lái)的控制指令來(lái)控制主從射頻模塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽相應(yīng)的處理。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口RS232傳給上位機(jī)，把上位機(jī)的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。PC上位機(jī)有相應(yīng)的應(yīng)用軟件，處理來(lái)自于ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的標(biāo)簽信息并且向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主從射頻模塊電路設(shè)計(jì)

圖2 射頻電路硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主從射頻模塊是RFID讀寫器的核心部分，通過(guò)串行口接收終端節(jié)點(diǎn)從ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的上位機(jī)發(fā)出的控制指令，從而控制射頻芯片與電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成對(duì)電子標(biāo)簽的讀寫。射頻芯片負(fù)責(zé)無(wú)線信號(hào)的編碼、解碼、調(diào)制和解調(diào)；電子標(biāo)簽是系統(tǒng)的應(yīng)用終端，裝載著物體的數(shù)據(jù)信息及標(biāo)簽自身信息，從讀寫器天線發(fā)出的無(wú)線脈沖接收讀寫器所發(fā)出的控制信息，然后把電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息通過(guò)天線再返回給讀寫器，完成對(duì)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫。

主從射頻模塊電路的設(shè)計(jì)，確保了讀寫器識(shí)別到的電子標(biāo)簽信息的準(zhǔn)確性及可靠性。射頻模塊電路采用nRF24LE1芯片[7]，該芯片是Nordic公司推出的一款帶增強(qiáng)型8051內(nèi)核的無(wú)線收發(fā)芯片，可工作于2.4～2.5 GHz的ISM頻段，不需要任何信道的通信費(fèi)用，用戶無(wú)須申請(qǐng)頻率使用許可證，方便用戶應(yīng)用與開發(fā)。最大空中傳輸速率為2 Mbps，靈敏度為-94 dBm，最大信號(hào)發(fā)射功率為0 dBm。在理想狀態(tài)下[8]，室內(nèi)傳輸距離可達(dá)30～40 m，室外傳輸距離可達(dá)100～200 m，工作電壓為1.9～3.3 V，極大地降低了系統(tǒng)的功耗。處理器能力、內(nèi)存、低功耗晶振、實(shí)時(shí)實(shí)鐘、計(jì)數(shù)器、AEC加密器、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和節(jié)電模式的組合，為實(shí)現(xiàn)射頻協(xié)議提供了理想的平臺(tái)。

對(duì)于應(yīng)用層，nRF24LE1提供了豐富的外設(shè)，如SPI、I2C、UART、6～12位的ADC、PWM和一個(gè)用于電壓等級(jí)系統(tǒng)喚醒的超低功耗模擬比較器。一個(gè)主SPI，一個(gè)從SPI，實(shí)現(xiàn)RFID系統(tǒng)雙通道數(shù)據(jù)通信。nRF24LE1融合了Enhanced ShockBurst技術(shù)，其中通信頻道、輸出功率及自動(dòng)重發(fā)次數(shù)等參數(shù)可通過(guò)編程設(shè)置。系統(tǒng)主從射頻模塊電路基本一樣，可軟件設(shè)定為主射頻模塊，射頻電路硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中非接觸式RFID讀寫器和ZigBee無(wú)線模塊的硬件核心，主要控制電子標(biāo)簽與主從射頻模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以及與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該終端節(jié)點(diǎn)電路使用32 MHz的晶振作為時(shí)鐘信號(hào)，與主從射頻模塊通過(guò)串口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片[9-11]，該芯片是TI公司推出的能實(shí)現(xiàn)2.4 GHz IEEE 802.15.4規(guī)范的射頻收發(fā)，具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是CC2530芯片的超低功耗，在被動(dòng)模式(RX)下，電流損耗為24 mA，在主動(dòng)模式(TX)時(shí)，電流損耗為29 mA，具有3種模式(模式1、模式2和模式3)。電流損耗分別為0.2 mA、1 μA和0.4 μA，特別適合那些要求低功耗的場(chǎng)合。此外，具有2～3.6 V的寬電源電壓范圍。

CC2530內(nèi)含1個(gè)8位MCU(8051)、8 KB的RAM、具有8路輸入和可配置分辨率的12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、1個(gè)符合IEEE 802.5.4規(guī)范的MAC定時(shí)器、1個(gè)常規(guī)的16位定時(shí)器、1個(gè)8位定時(shí)器、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)硬件電路圖如圖3所示。

圖3 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)RS232串口線與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時(shí)接收上位機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的控制指令并發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee協(xié)調(diào)器電路與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)電路一致，如圖3所示，只需在Z-stack協(xié)議棧中將其設(shè)定為協(xié)調(diào)器。由于CC2530使用的是TTL電平，而PC機(jī)通信采用的是EIA電平，因此該系統(tǒng)采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換以保證系統(tǒng)的有效通信，如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端采集節(jié)點(diǎn)主要功能是接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集指令，采集電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。首先ZigBee終端節(jié)點(diǎn)上電初始化，申請(qǐng)加入已組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，若加入網(wǎng)絡(luò)成功，進(jìn)入低功耗模式即休眠狀態(tài)，以降低終端節(jié)點(diǎn)功耗。等待定時(shí)中斷產(chǎn)生，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)微處理器控制主從射頻模塊讀取電子標(biāo)簽信息，并將識(shí)別到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后再通過(guò)串口RS232傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。其終端采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5所示。

圖4 MAX232電平轉(zhuǎn)換電路圖

3.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的Z-stack協(xié)議棧進(jìn)行無(wú)線通信[12]，Z-stack協(xié)議基于輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，初始化硬件及協(xié)議棧，搜索信道和空閑信道評(píng)估，選擇信道并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。若節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)許加入并分配一個(gè)l6位的網(wǎng)絡(luò)短地址，等待上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)采集指令，然后RFID讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別，將接收的所有數(shù)據(jù)包通過(guò)串口通信發(fā)送到PC上位機(jī)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖6所示。

圖5 ZigBee終端采集節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件流程圖

3.3 上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用軟件使用Visual Basic語(yǔ)言編寫，該語(yǔ)言是一種由Microsoft公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)化、模塊化、面向?qū)ο蟮?、包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的、事件驅(qū)動(dòng)為機(jī)制的可視化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。上位機(jī)應(yīng)用軟件界面略——編者注。利用上位機(jī)應(yīng)用軟件對(duì)電子標(biāo)簽下發(fā)命令數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽ID信息的讀取、信號(hào)發(fā)射功率的修改和工作狀態(tài)的切換。

設(shè)置標(biāo)簽發(fā)射信號(hào)功率程序源代碼如下：

ReDim bytbyte(1)

bytbyte(0) = 221

bytbyte(1) = 17 - 2 * Val(Form3.Combo_rssi.Text)

Form3.MSComm1.Output = bytbyte()

設(shè)置標(biāo)簽工作狀態(tài)程序源代碼如下：

ReDim bytbyte(1)

bytbyte(0) = 221

bytbyte(1) = 17 * (Val(Form3.Combo_sta.ListIndex) + 1)

Form3.MSComm1.Output = bytbyte()

4 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，在室內(nèi)外對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，室內(nèi)測(cè)試主要是檢測(cè)系統(tǒng)穿透墻壁的傳輸距離，室外測(cè)試主要是檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)障礙物的傳輸距離。通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)電子標(biāo)簽發(fā)送控制指令來(lái)改變電子標(biāo)簽的信號(hào)發(fā)射功率，以實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽信號(hào)的最遠(yuǎn)發(fā)射距離，更好地達(dá)到降低電子標(biāo)簽功耗和最大化發(fā)射距離的平衡點(diǎn)，在不同信號(hào)發(fā)射功率條件下，電子標(biāo)簽信號(hào)發(fā)射距離如表1所列。

由表1測(cè)試結(jié)果可知，電子標(biāo)簽信號(hào)發(fā)射功率為0 dBm(最大信號(hào)發(fā)射功率)時(shí)，在室外電子標(biāo)簽信號(hào)發(fā)射距離為30～65 m，室內(nèi)電子標(biāo)簽信號(hào)發(fā)射距離為25～50 m。在電子標(biāo)簽信號(hào)發(fā)射功率為0 dBm條件下，以電子標(biāo)簽ID號(hào)為1和2分別代表室內(nèi)和室外，其測(cè)試結(jié)果略——編者注。

表1 電子標(biāo)簽信號(hào)發(fā)射距離測(cè)試

在室內(nèi)室外不同條件下，系統(tǒng)ZigBee無(wú)線模塊在200 m 范圍內(nèi)能夠?qū)?biāo)簽數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)有效傳輸，提高了系統(tǒng)傳輸距離。其測(cè)試結(jié)果略——編者注。

結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)測(cè)試表明：在室內(nèi)外不同環(huán)境及電子標(biāo)簽不同信號(hào)發(fā)射功率條件下，在室內(nèi)電子標(biāo)簽可穿透墻壁的信號(hào)發(fā)射距離為25～50 m，在室外電子標(biāo)簽信號(hào)發(fā)射距離為30～65 m?；赯igBee協(xié)議棧的ZigBee無(wú)線模塊能夠在200 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸，提高了系統(tǒng)的傳輸距離。同時(shí)ZigBee技術(shù)組網(wǎng)簡(jiǎn)單、高效，既降低了功耗和成本，又省去了布線的麻煩，使得ZigBee技術(shù)在無(wú)線射頻識(shí)別中得以應(yīng)用，拓展了ZigBee技術(shù)在無(wú)線RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。

[1] 楊洋.基于ZigBee的嵌入式RFID養(yǎng)殖場(chǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].內(nèi)蒙:內(nèi)蒙古大學(xué)，2013:4-5.

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杜軍、周亞強(qiáng)(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)；馬俊(教授)，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù)、無(wú)線電與智能系統(tǒng)、磁懸浮技術(shù)。

Du Jun,Ma Jun,Zhou Yaqiang

(College of Computer Science,Qinghai Normal University,Xining 810008,China)

Aiming at the problems of traditional radio frequency identification technology with short transmission distance, poor flexibility and high equipment cost,an electronic tag identification system is designed based on ZigBee technology.In the system,TI′s CC2530 chip and Nordic′s nRF24LE1 chip respectively serve as transceiver chip of wireless communication node and microcontroller of radio frequency.Electronic tag information is collected and transmitted by the star network.In the paper,the software and hardware design of ZigBee terminal node and coordinator node are given.The test result in indoor and outdoor environment shows that signal launch distance of electronic tag is 25 to 65 meters and ZigBee wireless module within 200 meters can realize communication effectively.

CC2530;electronic tag;ZigBee technology;nRF24LE1

國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：51167016)；教育部春暉計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào)：Z2011019)；教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金和青海省135高層次人才工程項(xiàng)目資助的課題。

TP393

A

?迪娜

2014-10-17)