韓培培，姬五勝，張泉斌，高麗琴，李 莉

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學電子工程學院，天津 300222；2.蘭州大學信號與信息處理研究所，蘭州 730000）

RFID（radio frequency identification）技術(shù)為無線電射頻識別技術(shù)，它利用電感或者電磁耦合原理，實現(xiàn)電信號的無線雙向傳輸。RFID技術(shù)在非接觸的情況下，可實現(xiàn)對目標的自動識別，因此被廣泛應用于公共安全、生產(chǎn)管理與控制、現(xiàn)代物流管理等領域[1-2]。常見的RFID工作頻段為30～300kHz的低頻、3～30MHz的高頻、860～960 MHz的特高頻。低頻、高頻RFID讀寫器和電子標簽之間都采用電感耦合方式，低頻、高頻RFID讀寫器和電子標簽之間的通信距離分別為幾cm和幾十cm；特高頻RFID讀寫器和電子標簽之間采用電磁反向散射的耦合方式，通信距離可達10 m左右。與低頻、高頻RFID系統(tǒng)相比，特高頻RFID系統(tǒng)憑借識別距離遠、傳輸數(shù)據(jù)速率快、抗干擾性強等優(yōu)點而備受關注。

彭梅[3]設計一種基于AS3993的超高頻RFID讀寫器，但讀寫器和上位機有線連接，讀寫器位置固定，靈活性差；李儒銀等[4]提出RFID讀寫器與無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點融合的協(xié)作模式，但沒有給出具體的實現(xiàn)方案；姬五勝等[5-6]設計基于ZigBee和RFID技術(shù)的無線讀寫系統(tǒng)，系統(tǒng)具有較高的靈活性、較低的功耗、較遠的傳輸距離，但系統(tǒng)射頻芯片的工作頻段為13.56 MHz，電子標簽的讀寫距離受到限制。本研究將ZigBee透傳模塊與超高頻RFID讀寫器模塊相結(jié)合，設計一種無線特高射頻讀寫系統(tǒng)。ZigBee透傳模塊的主控芯片采用整合工業(yè)標準增強型8051MCU內(nèi)核的CC2530芯片；特高頻RFID讀寫器的主控芯片采用與8051兼容的具有CIP-51內(nèi)核的C8051F340芯片；特高頻芯片采用工作頻段為915 MHZ、由內(nèi)部集成完整的對射頻信號調(diào)制；解調(diào)模塊及6C協(xié)議控制模塊的AS3992芯片[7-9]，識別距離達到10 m。在室外測試環(huán)境中，本系統(tǒng)傳輸鏈路的傳輸距離可達到170 m。該系統(tǒng)克服傳統(tǒng)讀寫系統(tǒng)的位置固定、識別距離短等缺點，使讀寫系統(tǒng)應用范圍不斷擴大。

1 讀寫系統(tǒng)的基本架構(gòu)

本文設計的特高頻讀寫系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2部分組成。硬件系統(tǒng)由上位機、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、ZigBee路由器節(jié)點、ZigBee終端節(jié)點和電子標簽組成。上位機的主要作用是發(fā)布讀寫指令，同時將ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理后，在上位機軟件上顯示；ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要作用是建立和維護網(wǎng)絡，負責將上位機指令傳輸?shù)揭呀?jīng)形成的ZigBee網(wǎng)絡中，同時將接收的數(shù)據(jù)傳輸給上位機；ZigBee路由器節(jié)點的作用是轉(zhuǎn)發(fā)無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；ZigBee終端節(jié)點的作用是根據(jù)ZigBee路由器傳輸來的指令控制RFID讀寫器對電子標簽的操作，同時將電子標簽返回的信息傳輸給ZigBee路由器；電子標簽主要由耦合元件和芯片組成，內(nèi)置天線用于同射頻天線間的通信，存儲電子標簽卡號和相應物品信息，可粘貼或安裝在各種物品上。特高頻讀寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由圖1可知，上位機和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口連接，上位機向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送讀寫指令，由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和ZigBee路由器節(jié)點形成的網(wǎng)絡將上位機指令傳輸給ZigBee終端節(jié)點，終端節(jié)點按照上位機指令讀取電子標簽信息，并將電子標簽信息通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸給上位機。

圖1 特高射頻讀寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 讀寫系統(tǒng)硬件設計

基于ZigBee和RFID技術(shù)的特高射頻讀寫系統(tǒng)的硬件設計主要包括：ZigBee終端節(jié)點的電路設計、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點的電路設計和路由器節(jié)點的電路設計。

2.1 ZigBee終端節(jié)點的電路設計

ZigBee終端節(jié)點從結(jié)構(gòu)上可劃分為2個模塊：ZigBee透傳模塊和特高頻RFID讀寫器模塊。

2.1.1 ZigBee透傳模塊的電路

ZigBee透傳模塊的芯片采用CC2530，與讀寫器控制芯片C8051F340采用USART串口方式連接。ZigBee透傳模塊通過天線接收ZigBee路由器節(jié)點傳輸來的信號，經(jīng)過濾波電路處理后，通過串口傳輸給讀寫器。同時，讀寫器的信號通過串口傳輸給ZigBee透傳模塊，再通過透傳模塊的天線發(fā)送給路由器節(jié)點。ZigBee透傳模塊電路圖如圖2所示。

2.1.2 特高頻RFID讀寫器模塊的電路

特高頻RFID讀寫器模塊從功能上分為控制模塊和射頻模塊?？刂颇K主控芯片為C8051F340，射頻模塊芯片采用AS3992。特高射頻RFID讀寫器電路圖如圖3所示。

由圖3知，C8051F340的P1.0～P1.7分別接AS3992射頻芯片的IO0～IO7引腳，AS3992的IRQ中斷控制引腳接C8051F340的外部中斷輸入引腳P0.3。經(jīng)過AS3992調(diào)制的信號由引腳RFOPX和RFONX輸出，經(jīng)過電感L3、L5和電容C12、C13及C28組成的LC匹配網(wǎng)絡后，再通過BALUN（平衡-不平衡變換器）轉(zhuǎn)為單端輸出信號，經(jīng)外置PA芯片SPA2118進行放大。低通濾波器LFCN-1000D將已放大的信號分離出有用信號，經(jīng)定向耦合器RCP890A05將信號通過天線發(fā)射出去。同理，由天線接收的信號，經(jīng)BALUN（平衡-不平衡變換器）將單端信號轉(zhuǎn)為雙端差分信號，由射頻芯片AS3992的引腳MIX_INP、MIX_INN接收。

圖2 ZigBee透傳模塊電路圖

圖3 特高射頻RFID讀寫器電路圖

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點的電路設計

ZigBee協(xié)調(diào)器采用TI/Chipcon公司生產(chǎn)的CC2530芯片，該芯片整合IEEE 802.15.4/ZigBee RF收發(fā)機，其功耗較低[10]。安裝有LED指示燈，當ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點上有數(shù)據(jù)接收時，相應的LED燈開始閃爍。

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位機之間通過串口通信。由于CC2530芯片采用TTL電平，而上位機通信采用EIA電平，所以需要進行電平轉(zhuǎn)換以保證二者能進行有效的數(shù)據(jù)通信。

本設計采用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340G，實現(xiàn)上位機和ZigBee協(xié)調(diào)器間的電平轉(zhuǎn)換。CH340G芯片外接12 MHz的晶振，芯片的VCC引腳外接5 V電源，CH340G芯片的串口引腳RXD和TXD與ZigBee協(xié)調(diào)器連接。CH340G接口電路圖如圖4所示。

圖4 CH340G接口電路圖

2.3 ZigBee路由器節(jié)點的電路設計

ZigBee路由器節(jié)點包括射頻模塊、ZigBee模塊A、ZigBee模塊B和控制模塊。路由器節(jié)點控制模塊的芯片采用STC12C5A60S2_DIP40，該芯片具有雙傳輸通道，其VCC外接5 V電源；ZigBee模塊A和ZigBee模塊B分別與單片機STC12C5A60S2_DIP40的引腳P3.0、P3.1和P1.2、P1.3連接。射頻模塊實現(xiàn)對射頻信號的收發(fā)功能，ZigBee模塊A接收ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點通過天線發(fā)送的指令，同時將ZigBee路由器節(jié)點接收的數(shù)據(jù)通過天線傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點；ZigBee模塊B將ZigBee路由器節(jié)點的信號向ZigBee終端發(fā)送，同時接收ZigBee終端節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)。ZigBee路由器節(jié)點安裝有LED指示燈，當ZigBee路由器節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡形成和具體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能時，相應的LED指示燈閃爍。ZigBee路由器節(jié)點電路圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計及測試

3.1 軟件系統(tǒng)設計

上位機和ZigBee終端節(jié)點中讀寫器之間的通信過程為：上位機通過串口向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送讀寫指令，協(xié)調(diào)器節(jié)點將指令通過ZigBee路由器節(jié)點傳輸給ZigBee終端節(jié)點。終端節(jié)點中的ZigBee透傳模塊將信息傳輸給讀寫器，由讀寫器的主控芯片通過串口將指令寫入到射頻芯片AS3992的FIFO寄存器中，射頻芯片內(nèi)部啟動6C協(xié)議控制模塊，對數(shù)據(jù)進行編碼、調(diào)制后，再通過射頻天線發(fā)送出去。處于射頻場范圍內(nèi)的電子標簽接收到指令，對指令信息進行分析、處理，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送給讀寫器。上位機與讀寫器通信流程圖如圖6所示。

3.2 ALOHA防碰撞算法

當多個電子標簽同時進入射頻場范圍時，讀寫器在閱讀過程中會產(chǎn)生多電子標簽碰撞問題[11]。為消除多電子標簽碰撞，本設計采用ISO 18000-6C協(xié)議中的ALOHA算法。其原理是根據(jù)Q值判斷一次讀取的電子標簽數(shù)目。在實際應用中，由于在讀寫器讀寫范圍內(nèi)的電子標簽數(shù)量不確定，讀寫器根據(jù)電子標簽不同的返回情況（無電子標簽應答、單電子標簽應答和多電子標簽應答等），不斷調(diào)整Q值大小，直至所有電子標簽識別成功。算法流程圖如圖7所示。

由圖7知，循環(huán)前Qfp值初始化為4.0；然后讀寫器發(fā)送select命令，處于讀寫范圍內(nèi)的電子標簽將會被選擇；將Qfp的值代入函數(shù) Q=round（Qfp），取整得到Q；讀寫器發(fā)送參數(shù)為Q值的Query命令，該命令對電子標簽啟動一個盤存周期，進入讀寫范圍內(nèi)的電子標簽進行應答：①無電子標簽應答，根據(jù)公式Qfp=max（15，Qfp-C）調(diào)整Q值，返回到Query命令對電子標簽數(shù)目進行查詢；②單電子標簽應答，該電子標簽反向散射RNl6到讀寫器，進行應答，無碰撞發(fā)生；③多電子標簽應答，發(fā)生電子標簽碰撞，根據(jù)公式Qfp=max（15，Qfp+C）調(diào)整 Q 值，返回到 Query命令進行查詢，直至無碰撞發(fā)生。

3.3 測試結(jié)果

圖5 ZigBee路由器節(jié)點電路圖

圖6 上位機與讀寫器通信流程圖

圖7 ALOHA算法程序流程圖

為測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，分別對ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、ZigBee路由器節(jié)點、ZigBee終端節(jié)點間的傳輸距離、終端節(jié)點讀寫器對電子標簽的識別距離進行室內(nèi)和室外測試。室內(nèi)測試時，環(huán)境溫度為24℃，將ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點分別放置在不同的房間（房間以鋼筋混凝土墻相隔），對ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點與ZigBee路由器節(jié)點及ZigBee路由器節(jié)點與ZigBee終端節(jié)點之間的傳輸距離進行測試，二者均達到20 m；室外測試時，環(huán)境溫度為18℃，測試對象與室內(nèi)測試相同，二者均達到80 m。在室內(nèi)、室外2種測試環(huán)境下，讀寫器對電子標簽的識別距離均達10 m。具體測試情況如表1所示（測試3次）。

表1 特高頻讀寫系統(tǒng)傳輸距離測試情況一覽表

由表1知，室內(nèi)測試時，讀寫系統(tǒng)鏈路最遠傳輸距離達到50 m；室外測試時，讀寫系統(tǒng)鏈路最遠傳輸距離達到176.5 m。與饒緒黎等[12]設計的基于ZigBee技術(shù)的RFID讀卡系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的室內(nèi)測量距離較短，其原因是室內(nèi)測試環(huán)境復雜，導致無線信號在傳輸路徑上嚴重衰減。測試對比情況如表2所示。

表2 特高頻讀寫系統(tǒng)傳輸距離測試對比

經(jīng)比較，本文提出的基于ZigBee和RFID技術(shù)的特高頻讀寫系統(tǒng)成本低、標簽數(shù)據(jù)的傳輸距離也較遠。該系統(tǒng)在傳輸距離上仍有提升空間，主要受以下幾個因素影響。

（1）讀寫系統(tǒng)中ZigBee節(jié)點的發(fā)射功率只有4.5dbm，發(fā)射功率小是ZigBee節(jié)點間通信距離受限的主要原因。如果系統(tǒng)采用大功率ZigBee模塊，將增大鏈路數(shù)據(jù)的傳輸距離。

（2）讀寫系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑僅有1條。如果增加終端節(jié)點和路由器節(jié)點形成RFID傳感器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的傳輸距離將會增大。

（3）讀寫系統(tǒng)采用無源電子標簽，其能量來源于讀寫器發(fā)送的射頻信號，標簽內(nèi)部將讀寫器發(fā)送的一部分射頻載波能量轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定電壓作為標簽的工作電壓。由于無源電子標簽的發(fā)射功率相對較小，使得讀寫器和無源電子標簽的通信距離受到了一定的限制。

4 結(jié)語

本文將特高頻RFID技術(shù)和ZigBee技術(shù)相融合，設計了一款可移動的特高頻無線RFID讀寫系統(tǒng)。通過測試，讀寫器對電子標簽的識別距離可達10 m；室外環(huán)境下，系統(tǒng)傳輸鏈路的傳輸距離達170 m，可實現(xiàn)較遠的傳輸距離。該系統(tǒng)部署靈活，可靠性高，彌補了高頻RFID讀寫器識別距離短的缺點，使讀寫系統(tǒng)應用范圍不斷擴大。通過增加終端節(jié)點和規(guī)劃網(wǎng)絡，可形成無線RFID傳感器網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡可應用于大型教室的自動考勤管理，亦可應用在供應鏈管理、醫(yī)療、建筑、公共安全、軍事等領域。

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