射頻識別的無線傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)計

　物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。

　　因此，筆者提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多標(biāo)準(zhǔn)RFID設(shè)別設(shè)備，此設(shè)備可以實時自動識別物品的RFID電子標(biāo)簽內(nèi)信息，具有識別可靠性高，信息處理能力強(qiáng)，功耗小，保密性強(qiáng)。再結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息傳輸，可實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息應(yīng)用，本實用新型的應(yīng)用將會越來越廣泛，對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

　　1 RFID技術(shù)簡介

　　1．1 RFID分類

　　RFID按應(yīng)用頻率不同分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(MW)，相對應(yīng)代表性頻率分別為：低頻135 kHz以下、高頻13．56 MHz、超高頻860～960 MHz、微波2．4～5．8 G。

　　RFID按照能源供給方式分為無源RFID標(biāo)簽或被動標(biāo)簽(Passive Tag)，有源RFID標(biāo)簽或主動標(biāo)簽(Active Tag)，以及電池協(xié)助的無源RFID標(biāo)簽。無源RFID標(biāo)簽價格很低，但是無需要電池，有源RFID可以提供更遠(yuǎn)的讀寫距離，但是需要電池供電。有源標(biāo)簽由于有電池供電和功能較強(qiáng)的微控制器和無線單片機(jī)，所以可以實現(xiàn)更大范圍的傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，也可以通過ZigBee、Wi—Fi、GPRS／3G等技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，來延伸標(biāo)簽的范圍，是RFID技術(shù)一個非常重要的發(fā)展方向。

　　1．2 射頻識別系統(tǒng)組成

　　射頻識別系統(tǒng)主要由標(biāo)簽(Tag)、讀卡器(Reader)、天線(Antenna)等組成，一般還需要其他軟硬件的支持。

標(biāo)簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成(有源標(biāo)簽還需要電池和傳感器等)，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象。
讀卡器(Reader)：也稱讀寫器等，讀取(有時還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。
天線(Antenna)：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。如果是有源電子標(biāo)簽，讀卡器也以同時是一個無線網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)⒂性礃?biāo)簽節(jié)點收集的數(shù)據(jù)，通過低功耗網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。

　　1．3 RFID技術(shù)的工作原理

　　RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，射頻前端發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽)；讀取信息并解碼后，送至RFID射頻識別控制單元進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

　　2 射頻識別節(jié)點的硬件設(shè)計

　　2．1 射頻識別節(jié)點的結(jié)構(gòu)

　　如圖1為射頻識別節(jié)點的結(jié)構(gòu)：它包括：1)USB轉(zhuǎn)串口單元；2)RFID射頻識別控制單元；3)RFID讀頭前端單元；4)和無線射頻收發(fā)單元。射頻前端和標(biāo)簽間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，同時通過耦合給無源應(yīng)答器提供能量和時序。在實際應(yīng)用中，可進(jìn)一步通過Eth-ernet或WLAN等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。

　　2．2 USB轉(zhuǎn)串口和射頻識別控制單元

　　USB轉(zhuǎn)串口單元和RFID射頻識別控制單元連接如圖2所示。其工作原理為：用戶可以通過USB接口把模塊與PC機(jī)連接，通過USB轉(zhuǎn)串口單元發(fā)送命令到射頻識別控制單元，同時射頻識別控制單元可以通過USB轉(zhuǎn)串口單元把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　2．3 RFID讀頭前端單元

　　圖3給出了本實用新型的核心控制電路，其工作過程是：TRF7960通過SPI口與MSP430F2370通信。當(dāng)讀頭前端檢測到有效標(biāo)簽，IRQ就置高電平，TRF7960與MSP430F2370的SPI通信有效，射頻識別控制單元把數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)寄存器中以便向PC機(jī)發(fā)送。同時射頻識別控制單元根據(jù)不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，判斷出不同協(xié)議的標(biāo)簽，通過外接的LED燈指示出不同標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽。

　RFID讀頭前端單元的核心是TRF7960芯片如圖4所示，TRF7960的第8引腳RX1_AM，第9引腳RX2_PM為信號輸入的端，電阻R1、R2，電容C16、C17、C18，通過相互調(diào)節(jié)達(dá)到50 Ω的阻抗，以便接收信號最佳，電阻R2，電容C18前端的PCB天線構(gòu)成了磁場，TRF7960的第5引腳TX_ OUT不斷向磁場附近發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令。當(dāng)有標(biāo)簽靠近磁場的時候，標(biāo)簽通過電磁耦合接收到命令，同時向讀頭前端發(fā)送數(shù)據(jù)請求應(yīng)答命令，標(biāo)簽此時處于準(zhǔn)備狀態(tài)，當(dāng)讀頭接收到數(shù)據(jù)請求應(yīng)答命令，開始讀取標(biāo)簽的序列號，同時調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)處理函數(shù)，如果數(shù)據(jù)校驗正確就把標(biāo)簽信息發(fā)送到射頻識別控制單元，否則重新讀取信息。

　　2．4 無線射頻收發(fā)單元工作原理

　　無線射頻收發(fā)單元主要采用AT86RF230芯片：當(dāng)AT86RF230發(fā)送數(shù)據(jù)時，MSP430F2370把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送到AT86RF230的寄存器中。數(shù)據(jù)經(jīng)過基頻處理、頻率合成、功率放大，然后經(jīng)過AT86RF230的第4引腳RFP通過天線E1發(fā)射。當(dāng)AT86RF230接收數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)通過天線E1經(jīng)AT86RF230的第5腳RFN輸入，然后經(jīng)過低噪聲放大、多相濾波器、復(fù)合帶通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后把接收到數(shù)據(jù)存儲在AT86RF230的寄存器中，然后通過SPI接口與MSP430F2370進(jìn)行通信，把數(shù)據(jù)存儲到MSP430F2370的寄存器中。RFID射頻識別控制單元與無線射頻收發(fā)單元連接電路圖如圖5所示。

　　3 結(jié)束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國防軍事、環(huán)境科學(xué)以及智能家居等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用，由于通常運行在人不能或不便接近的環(huán)境，能源無法替代，因此傳感器節(jié)點的位置信息在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多應(yīng)用領(lǐng)域中扮演著十分重要的角色。利用該芯片開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點識別可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉和體積小巧特點。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點，為今后無線傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用提供了理想的解決方案。