基于 ZigBee 技術(shù)的 RFID 系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

　　RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，是現(xiàn)在使用的條形碼的無線版制本，它通過射頻信號自動識別日標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽 數(shù)據(jù)口可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息更改自如等優(yōu)點。RFID技術(shù)在國外的發(fā)展較早也較快，尤其在美國 、英國、德國、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有較為成熟且先進的RFID系統(tǒng)。其中，低頻近距離RFID系統(tǒng)主要集中在125kHz、13．56MHz系統(tǒng)；高頻遠距離RFID系統(tǒng)主要集中在UHF頻段(902MHz-928MHz)915MHz、2．45GHz、5．8GHz。在RFID技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)方面，國內(nèi)已具有了自主開發(fā)低頻、高頻與微波RFID電子標簽與讀寫器的技術(shù)能力及系統(tǒng)集成能力。與同外RFID先進技術(shù)之間的差距主要體現(xiàn)在RF1D芯片技術(shù)方面?，F(xiàn)有的RFID技術(shù)仔在數(shù)據(jù)，炙全性不高、識別距離短、設(shè)備成本高以及讀寫系統(tǒng) 作靈活性不強等問題。鑒于上述情況，本課題將ZigBee技術(shù)融入到RFID中，設(shè)計了基于了ZigBee的遠距離RFID系統(tǒng)。

2 RFID系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)由以下三部分組成：應(yīng)答器、讀卡器和上位機。應(yīng)答器相當(dāng)于傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)中的射頻卡，主要存儲所管理物品的信息，不同的是它為有源卡；讀卡器讀取應(yīng)答器中的信息，并將所讀取的信息經(jīng)有線或無線方式傳輸給上位機，對本系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。其總體方案設(shè)計如圖1所示。

　　2．1射頻芯片的確定

　　本課題選用Chipcon公司的CC2420作為本系統(tǒng)的無線通信器件。CC2420是Chipcon AS公司推Ⅲ 的首款符合2．4GHz 1EEE 802．15．4標準的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是市場j二第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。CC2420 片是基于Chipcon公司的Smart RF 03技術(shù)，采用0．18微米CMOS工藝制作。該芯片具有很高的集成度，幾乎不需要外部元件，堅實耐用、功耗低。CC2420芯片可以用于ZigBee所定義的全功能設(shè)備(Full Flunction Devices，F(xiàn)FD1和簡約功能設(shè)備(Reduted Function Decices．RFD)上。

　　2.2系統(tǒng)對微控制器的要求

　　ZigBee協(xié)議棧對系統(tǒng)微控制器的要求有：至少8位微控制器，完全協(xié)c義棧所需的ROM為32K，簡單功能節(jié)點協(xié)c義棧所需的ROM為6K。讀卡器和應(yīng)答器對內(nèi)存的需求分別為四十幾兆、幾兆的空間，再結(jié)合芯片價格、開發(fā)難易程度等特點，

　　采用JATMEL公司的AVR系列單片機AT lnega 16L和AT mega 64L比較合適。AT lnega 16L、64L足摯下增強AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，該控制器的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS／MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

　　2．3實際工作電路

　　本系統(tǒng)電路如圖2、3所示，分別為應(yīng)答器和瀆卡器。讀卡器最終要完成與上位機的通信，所以本設(shè)計應(yīng)用串口協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片AD101完成兩臺設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。

3 RFID系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　無線網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計是實現(xiàn)遠距離RFID系統(tǒng)必不可少的部分，本課題所涉及的軟件部分重點包括以下兩方面：

　　(1)讀卡器，也就是主節(jié)點，主要是Atmega 64L與Atmega16L，以及MCU與無線模塊通信的收發(fā)程序。

　　(2)應(yīng)答器，也就是終端節(jié)點，實現(xiàn)終端節(jié)點與豐節(jié)點的數(shù)據(jù)交換。在設(shè)計各部分程序之前，首先要了解Chipcon公司的CC2420開發(fā)平臺通訊協(xié)議的模型結(jié)構(gòu)和所使用的編程工具，以及本系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件的特點。

　　3．1讀卡器的軟件設(shè)計

　　讀卡器是整個無線網(wǎng)絡(luò)的管理員，它將負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、地址的分配和成員的加入、節(jié)點設(shè)備數(shù)據(jù)的更新、設(shè)備關(guān)聯(lián)表的維護并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況自動更新。ZigBee網(wǎng)絡(luò)要求至少一個FFD作為網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點。要建立一個網(wǎng)絡(luò)，第一個節(jié)點必須被配置成主節(jié)點，這樣才能管理以后添加到網(wǎng)絡(luò)的其它節(jié)點。由于主節(jié)點處于網(wǎng)絡(luò)的最上層，功能復(fù)雜，因此時主節(jié)點的硬件配置也有較高的要求，主節(jié)點一般是由電源供電。本課題中讀卡器相當(dāng)于整個網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點，而應(yīng)答器作為終端節(jié)點。一旦主設(shè)備將節(jié)點設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接，便可以實現(xiàn)通信。圖4為在網(wǎng)絡(luò)建立成功的基礎(chǔ)上讀卡器的工作流程圖。

　　3．2應(yīng)答器的軟件設(shè)計

　　應(yīng)答器(終端節(jié)點)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最簡單的一種，它可以是一個FFD也可以是一個RFD。它不支持路由功能，只能與一個上層節(jié)點(路南或協(xié)凋器)通信。由于不需要與臨近節(jié)點協(xié)調(diào)以產(chǎn)生路由功能，終端節(jié)點可以離線工作(如關(guān)閉收發(fā)器) 而不影響網(wǎng)絡(luò)的連通性。終端節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的尾端，它是南嵌入各個設(shè)備中的通訊模塊和設(shè)備共同組成的，這樣的設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)功能，可以響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的請求。圖5是本課題設(shè)計的遠距離RFID系統(tǒng)中應(yīng)答器的軟件工作流程圖。

4 實驗測試

　　為了試驗電路板的工作穩(wěn)定性能以及在普通環(huán)境下的無線傳輸中的丟包率。設(shè)計了一個測試方案，方案如下：編寫了一個發(fā)包收包軟件，通過PC、凄卡器給應(yīng)答器發(fā)包，應(yīng)答器收到包后， 即回發(fā)，讀卡器回收到包后，通過串口傳給PC，接收到的數(shù)據(jù)再通過超級終端顯示。讀卡器、應(yīng)答器在使用時需要外加一載板，載板上提供3．3V電源與RS232的接口以便傳遞數(shù)據(jù)。CC2420按上述結(jié)構(gòu)所配置，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)AA時接收端St)口輸出的波形為圖6所示。

　　經(jīng)過反復(fù)實驗，本課題所設(shè)計的應(yīng)答器可以很方便地加入、退出讀卡器網(wǎng)絡(luò)，識別時無需方向配置，經(jīng)讀卡器發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)顯示準確，無線通訊距離可達50米，在加入功放的前提下，通訊距離可達到2000米，垂直傳輸可穿越三 、四層樓板。

5 結(jié)束語

　　本課題將其融入到現(xiàn)有的RFID系統(tǒng)中，設(shè)計了基于zigBee的遠距離RFID系統(tǒng)。設(shè)計了遠距離RFID系統(tǒng)的硬件電路，主要包括有源應(yīng)答器和讀卡器部分。完成了讀卡器作為主節(jié)點組網(wǎng)，應(yīng)答器作為子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，讀卡器和應(yīng)答器相互通信的軟件設(shè)計。本文所設(shè)計的遠距離RFID系統(tǒng)在市場上尚無同類產(chǎn)品問世，由于技術(shù)的通用性，該系統(tǒng)的研制將為其它基于ZigBee無線通信技術(shù)的產(chǎn)品研制開發(fā)提供可借鑒之處。