基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RFID 讀寫(xiě)器和標(biāo)簽系統(tǒng)均采用低功耗MCU 芯片PIC16F877A 作為核心控制單元， 以低功耗無(wú)線射頻收發(fā)器芯片CC2500 為核心配合外圍濾波器和天線等構(gòu)成系統(tǒng)的通信單元。在讀寫(xiě)器與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的過(guò)程中， 通過(guò)獲取RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示）信號(hào)推測(cè)出讀寫(xiě)器與標(biāo)簽之間的距離，在獲得來(lái)自于多個(gè)具有固定位置信息的標(biāo)簽的RSSI 信號(hào)后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)讀寫(xiě)器的無(wú)線定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的無(wú)線區(qū)域定位。

　　隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)定位服務(wù)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足室內(nèi)定位的需求。GPS 在戶外環(huán)境的定位中應(yīng)用廣泛，但是由于混凝土等障礙物對(duì)電磁波的阻擋，它在室內(nèi)環(huán)境中是完全失效的。筆者基于有源RFID 技術(shù)，采用PIC 系列單片機(jī)PIC16F877A 和TI 公司的射頻收發(fā)器芯片CC2500，設(shè)計(jì)出了一種低成本、低功耗，可以適用于室內(nèi)環(huán)境的無(wú)線定位系統(tǒng)。

　　1 總體設(shè)計(jì)

　　RFID 室內(nèi)定位系統(tǒng)由讀寫(xiě)器和標(biāo)簽組成。其中讀寫(xiě)器按照功能劃分可以分為4 個(gè)模塊，如圖1 所示。分別是控制模塊、射頻通信模塊、定位信息顯示模塊、電源模塊?？刂颇K負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，包括對(duì)各種外設(shè)的控制，以及完成定位算法的運(yùn)行等。射頻通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)， 采用ASK 調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)傳輸。定位信息顯示模塊主要是顯示定位目標(biāo)的信息。電源模塊用來(lái)給系統(tǒng)的各個(gè)單元提供工作電源。另外，與上位機(jī)連接的讀寫(xiě)器通過(guò)RS-232 串口與上位機(jī)進(jìn)行通信， 所以部分讀寫(xiě)器還帶有串口通信模塊。

圖1 讀寫(xiě)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　標(biāo)簽主要由控制模塊、射頻通信模塊、電源模塊組成，如圖2 所示。

圖2 標(biāo)簽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　控制模塊中的微控制器通過(guò)SPI 接口與射頻收發(fā)器通信，在控制模塊的統(tǒng)一調(diào)度下，讀寫(xiě)器與標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線射頻通信交換信息。在讀寫(xiě)器的無(wú)線信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)，標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自讀寫(xiě)器的廣播信號(hào)后會(huì)處于激活狀態(tài)，處于激活狀態(tài)的標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)會(huì)將自己的ID 號(hào)發(fā)送給讀寫(xiě)器，然后接收讀寫(xiě)器的請(qǐng)求命令，將存儲(chǔ)于節(jié)點(diǎn)中的信息傳送給讀寫(xiě)器；或者接收讀寫(xiě)器的寫(xiě)命令，將來(lái)自讀寫(xiě)器的信息寫(xiě)入自己的存儲(chǔ)器中。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)#e#

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 控制器部分

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)的功耗、成本及性能等要求，選擇Microchip 公司的PIC16F877A 作為系統(tǒng)的微控制器。

　　PIC16F877A 是一款具有RISC 結(jié)構(gòu)的16 位高性能單片機(jī)，內(nèi)部集成了一個(gè)在線調(diào)試器（In-Circuit Debugger），可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程。擁有35 條單字指令，8k×14 個(gè)字節(jié)的FLASH 程序存儲(chǔ)器，368×8 字節(jié)的RAM，8 級(jí)硬件堆棧，內(nèi)部看門狗定時(shí)器，低功耗休眠模式，高達(dá)25 mA 的吸入/拉出電流， 外部具有3 個(gè)定時(shí)器模塊， 擁有10 位多通道A/D 轉(zhuǎn)換器，通用同步異步接收/發(fā)送器等功能模塊。它具有功耗低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、外接電路簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，同時(shí)具有哈佛總線結(jié)構(gòu)、尋址簡(jiǎn)單、指令條數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)。

　　微控制器模塊主要由PIC16F877A 單片機(jī)及其外圍電路組成。其電路原理圖如圖3 所示。在讀寫(xiě)器系統(tǒng)在中，PIC16F877A 的RB0~RB3 及RC7，RD4~RD7 用作向顯示模塊發(fā)送顯示數(shù)據(jù)的通信接口；OSC1 和OSC2 擴(kuò)展外部時(shí)鐘電路；PIC16F877A 單片機(jī)通過(guò)SPI 接口設(shè)置CC2500 的工作參數(shù)并與CC2500 交換數(shù)據(jù)。

圖3 單片機(jī)外圍電路原理圖

2.2 射頻通信模塊

　　考慮到功耗、接收靈敏度、傳輸速率和芯片成本等因素，系統(tǒng)采用了TI 公司的無(wú)線射頻收發(fā)芯片CC2500 作為無(wú)線通信模塊控制器。CC2500 是TI 公司推出的一款低成本、低功耗、體積小的2.4 GHz 無(wú)線通信頻段的收發(fā)器，工作頻率波段為2400~2 483.5 MHz。RF 收發(fā)器集成了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500kbit/s 的高度， 可配置的調(diào)制解調(diào)器和一個(gè)64 位傳輸/接收FIFO（先進(jìn)先出堆棧）。CC2500 的寄存器配置可通過(guò)SPI 接口控制。它具有載波監(jiān)聽(tīng)和休眠模式，非常適合低功耗應(yīng)用。

　　射頻通信模塊主要由CC2500 收發(fā)器、傳輸與接收天線及其外圍濾波、匹配網(wǎng)絡(luò)組成，其中天線采用了Rainsun 公司的貼片天線，系統(tǒng)電路原理圖如圖4 所示。

圖4 CC2500 外圍電路原理圖

　　CC2500 通過(guò)4 線SPI 兼容接口（SI，SO，SCLK 和CSN）與PIC16F877A 相連，這個(gè)接口用作寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù)。SI 為數(shù)據(jù)輸入線，SO 為數(shù)據(jù)輸出線，SCLK 為時(shí)鐘線，CSN 為片選信號(hào)線，低電平有效。SPI 接口的狀態(tài)控制線還包含一個(gè)讀/寫(xiě)信號(hào)控制線。CC2500 的狀態(tài)寄存器里指示一些系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息。

　　2.3 電源模塊

　　RFID 室內(nèi)定位系統(tǒng)一般主要布置在樓宇、倉(cāng)儲(chǔ)建筑物等的內(nèi)部，有些具有移動(dòng)性，所以節(jié)點(diǎn)大多數(shù)需要采用電池供電，在元器件的選取中，盡量選擇低功耗器件以降低系統(tǒng)功耗，2.4~3.6 V 的電壓可以使系統(tǒng)中所有的器件和模塊正常工作。因此，實(shí)際中采用與之電壓匹配的高能紐扣鋰電池作為供電電源。

　　2.4 電磁兼容與抗干擾設(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)2.45 GHz 的RFID 系統(tǒng)時(shí)要考慮電磁兼容性（EMC），以保證讀寫(xiě)器和標(biāo)簽在設(shè)定的電磁環(huán)境和規(guī)定的安全界限內(nèi)運(yùn)行。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，元件的選擇和電路設(shè)計(jì)是影響電磁兼容的重要因素，對(duì)于射頻通信模塊需要去耦電容來(lái)去除元件狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的噪聲電壓，并且要注意信號(hào)源和信號(hào)終端的阻抗匹配。PCB 上的導(dǎo)線同樣具有阻抗、電感、電容特性，因此在PCB 布局和布線也考慮了電磁兼容性等問(wèn)題。布局是按照信號(hào)流程放置元件， 盡量縮短元件之間的連接，CC2500 底部通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與地層連接。濾波電容盡量靠近器件放置，同時(shí)，為了抗電磁干擾，把數(shù)字電源和模擬電源、數(shù)字地和模擬地隔離開(kāi)來(lái)。RFID 定位系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的布設(shè)位置應(yīng)盡量避開(kāi)高大障礙物，以減少對(duì)電磁波的阻隔，影響傳輸性能。