采用ZigBee和RFID技術(shù)的電子標(biāo)簽識別系統(tǒng)

1 引言

RFID(射頻識別：Radio Frequency Identification) 是一種自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性對被識別物體實現(xiàn)自動識別。與現(xiàn)有條形碼技術(shù)相比，射頻識別技術(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)存儲空間大等優(yōu)點。近年來，隨著計算機技術(shù)、芯片技術(shù)及無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，RFID技術(shù)也得到高速發(fā)展，其體積、成本、功耗越來越低，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上位機通過有線的形式(以太網(wǎng)、RS232)進行通信，存在靈活性差、數(shù)據(jù)傳輸距離短、成本高等缺點。與有線傳輸系統(tǒng)比較，ZigBee無線傳輸技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線雙向傳輸，省去了布線的麻煩，而且ZigBee組網(wǎng)高效、快捷、簡單。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)計了一種電子標(biāo)簽識別系統(tǒng)。系統(tǒng)測試表明：該系統(tǒng)具有成本低，靈活性高、傳輸距離遠、低功耗等優(yōu)點，拓展了ZigBee技術(shù)在無線RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由5部分組成：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、ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和PC上位機，圖1所示為系統(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號及其他物品數(shù)據(jù)信息;主從射頻模塊：即RFID讀寫器，負責(zé)識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)簽信息通過串口傳輸給ZigBee終端節(jié)點，也可接收ZigBee終端節(jié)點傳輸過來的控制命令。主射頻模塊通過 SPI接受從射頻模塊識別到的電子標(biāo)簽ID信息以實現(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：將主從射頻模塊對電子標(biāo)簽識別到的數(shù)據(jù)信息通過無線方式發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時ZigBee終端節(jié)點根據(jù)協(xié)調(diào)器傳輸過來的控制指令來控制主從射頻模塊，從而實現(xiàn)對電子標(biāo)簽相應(yīng)的處理;協(xié)調(diào)器節(jié)點：將ZigBee終端節(jié)點發(fā)送過來的電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息通過串口RS232傳給上位機，把上位機的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee終端節(jié)點;PC上位機：有相應(yīng)的應(yīng)用軟件，處理來自于ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點的標(biāo)簽信息并且向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送控制信息。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主從射頻模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)主從射頻模塊是RFID讀寫器的核心部分，通過串行口接收ZigBee終端節(jié)點從ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點傳輸過來的上位機發(fā)出的控制指令，從而控制射頻芯片與電子標(biāo)簽進行數(shù)據(jù)通信，完成對電子標(biāo)簽的讀寫。射頻芯片負責(zé)無線信號的編碼和解碼、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)信息通過天線再返回給讀寫器，完成讀寫器對電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫。主從射頻模塊電路的設(shè)計，確保了讀寫器識別到的電子標(biāo)簽信息準(zhǔn)確性及可靠性。射頻模塊電路采用nRF24LE1芯片，該芯片是Nordic公司推出的一款帶增強型8051內(nèi)核的無線收發(fā)芯片，可工作于2.4-2.5GHz的ISM頻段，不需要任何信道的通信費用，用戶無須申請頻率使用許可證，方便用戶應(yīng)用與開發(fā)。最大空中傳輸速率為2Mbps，靈敏度為-94dBm，最大信號發(fā)射功率為0dBm。在理想狀態(tài)下，室內(nèi)傳輸距離可達30-40 m，室外傳輸距離可達100-200 m。工作電壓為1.9～3.3V，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、實時實名、計數(shù)器、AEC加密加速器、隨機數(shù)發(fā)生器和節(jié)電模式的組合為實現(xiàn)射頻協(xié)議提供了理想的平臺。對于應(yīng)用層，nRF24LE1提供了豐富的外設(shè)，如SPI、IIC、UART、6至12位的ADC、PWM和一個用于電壓等級系統(tǒng)喚醒的超低功耗模擬比較器。一個主SPI，一個從SPI，實現(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、輸出功率及自動重發(fā)次數(shù)等參數(shù)可通過編程設(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，如圖2 示射頻電路硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖2 射頻電路硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 ZigBee終端節(jié)點電路設(shè)計

ZigBee終端節(jié)點是系統(tǒng)中非接觸式RFID讀寫器和 ZigBee無線模塊的硬件核心，主要控制電子標(biāo)簽與主從射頻模塊進行數(shù)據(jù)交換以及和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信。該終端節(jié)點電路使用32MHz 的晶振作為時鐘信號，與主從射頻模塊通過串口連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。ZigBee終端節(jié)點采用CC2530芯片，該芯片是TI公司推出的能實現(xiàn)2.4GHz IEEE 802.15.4的射頻收發(fā)，具有靈敏度高、抗干擾能力強等特點，尤其是CC2530芯片的超低功耗，在被動模式(RX)下，電流損耗為24mA，在主動模式(TX)時，電流損耗為29mA，具有三種模式，模式1、模式2和模式3電流損耗分別為0.2mA、1uA和0.4uA，特別適合那些要求低功耗的場合。還具有2V-3.6V的寬電源電壓范圍。它內(nèi)含一個8位MCU(8051)，8KB的RAM，還包含具有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個符合IEEE 802.5.4規(guī)范的MAC定時器、1個常規(guī)的16位定時器和1個8位定時器、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路、以及21個可編程I/0引腳。圖3示ZigBee終端節(jié)點硬件電路圖。

圖3 ZigBee終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

3.3 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點電路設(shè)計

ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)將ZigBee終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)通過RS232串口線與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時將接受上位機傳輸過來的控制指令并發(fā)送給 ZigBee終端節(jié)點。ZigBee協(xié)調(diào)器電路圖與ZigBee終端節(jié)點電路一致，如圖3所示，只需將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機通信采用的是EIA電平，因此該系統(tǒng)采用MAX232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換以保證系統(tǒng)的有效通信，如圖4所示。

圖4 MAX232電平轉(zhuǎn)換電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 ZigBee終端節(jié)點軟件設(shè)計

終端采集節(jié)點主要功能是接受來自上位機的數(shù)據(jù)采集指令后，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。首先ZigBee終端節(jié)點上電初始化，申請加入已組建的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，若加入網(wǎng)絡(luò)成功，進入低功耗模式即休眠狀態(tài)，以降低終端節(jié)點功耗。等待定時中斷產(chǎn)生，ZigBee終端節(jié)點微處理器控制主從射頻模塊讀取電子標(biāo)簽信息，并將識別到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線模塊傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，然后再通過串口RS232傳輸給上位機進行處理。其終端采集節(jié)點程序流程圖如圖5所示。

圖5 ZigBee終端采集節(jié)點軟件流程圖

4.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

系統(tǒng)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的Z-STACK協(xié)議棧進行無線通信，Z-STACK協(xié)議基于輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，初始化硬件及協(xié)議棧，搜索信道和空閑信道評估，選擇信道并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。若節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)許加入并分配一個l6位的網(wǎng)絡(luò)短地址，等待上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)采集指令，然后RFID讀寫器對電子標(biāo)簽進行識別，將接收的所有數(shù)據(jù)包通過串口通信發(fā)送到PC上位機，以便進行數(shù)據(jù)處理,ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖如圖 6所示。

圖6 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件流程圖

4.3 上位機應(yīng)用軟件設(shè)計

該系統(tǒng)上位機應(yīng)用軟件使用Visual Basic語言編寫，該語言是一種由Microsoft 公司開發(fā)的結(jié)構(gòu)化的、模塊化的、面向?qū)ο蟮摹瑓f(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動為機制的可視化程序設(shè)計語言，如圖7示上位機應(yīng)用軟件界面。利用上位機應(yīng)用軟件對電子標(biāo)簽下發(fā)命令數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對電子標(biāo)簽ID信息的讀取、信號發(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()

5 測試結(jié)果

為了驗證實驗結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，在室內(nèi)外對系統(tǒng)進行了測試，室內(nèi)測試主要是檢測系統(tǒng)穿透墻壁的傳輸距離，室外測試主要是檢測系統(tǒng)無障礙物的傳輸距離。通過上位機軟件對電子標(biāo)簽發(fā)送控制指令來改變電子標(biāo)簽的信號發(fā)射功率，以實現(xiàn)電子標(biāo)簽信號的最遠發(fā)射距離，更好地達到降低電子標(biāo)簽功耗和發(fā)射距離最大化的平衡點，在不同信號發(fā)射功率條件下，電子標(biāo)簽信號發(fā)射距離如表1所示。

由表1測試結(jié)果可知，電子標(biāo)簽信號發(fā)射功率為0dBm(最大信號發(fā)射功率)時，在室外電子標(biāo)簽信號發(fā)射距離為30-65m，室內(nèi)電子標(biāo)簽信號發(fā)射距離為 25-50m。在電子標(biāo)簽信號發(fā)射功率為0dBm條件下，以電子標(biāo)簽ID號為1和2分別代表室內(nèi)和室外，其測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測試結(jié)果

在室內(nèi)室外不同條件下，系統(tǒng)ZigBee無線模塊在200米范圍內(nèi)能夠?qū)?biāo)簽數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)有效傳輸，提高了系統(tǒng)傳輸距離，有廣泛的應(yīng)用前景。其測試結(jié)果如表2所示。

6 結(jié)論

通過ZigBee和RFID技術(shù)，設(shè)計了一種電子標(biāo)簽識別系統(tǒng)。在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計中采取了低功耗的設(shè)計方法，以CC2530為ZigBee節(jié)點的微處理器實現(xiàn)了ZigBee節(jié)點的低功耗設(shè)計，以nRF24LE1為電子標(biāo)簽芯片，達到了降低功耗和信號發(fā)射距離最大化的平衡點。基于Visual Basic語言開發(fā)的上位機應(yīng)用軟件，可對電子標(biāo)簽進行讀寫和控制。對系統(tǒng)測試表明：在室內(nèi)外不同環(huán)境及電子標(biāo)簽不同信號發(fā)射功率條件下，在室內(nèi)電子標(biāo)簽可穿透墻壁的信號發(fā)射距離為25-50m，在室外電子標(biāo)簽信號發(fā)射距離為30-65m?；赯igBee協(xié)議棧的ZigBee無線模塊能夠在200米范圍內(nèi)對數(shù)據(jù)實現(xiàn)有效傳輸，提高了系統(tǒng)的傳輸距離。同時ZigBee技術(shù)組網(wǎng)簡單、高效，既降低了功耗和成本，也省去了布線的麻煩，使得ZigBee技術(shù)在無線射頻識別中得以應(yīng)用，拓展了ZigBee技術(shù)在無線RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用范圍。