摘 要：針對現(xiàn)有RFID 系統(tǒng)中的不足，設計了一種基于ZigBee 技術的有源RFID 系統(tǒng)。闡述了有源RFID 系統(tǒng)的硬件設計原理，分別給出了讀寫器和有源標簽軟件設計架構(gòu)，并通過研究Z-Stack 協(xié)議完成閱讀器與有源標簽之間的通信。采用TI 公司的CC2591 功率放大芯片，增大了讀卡器與標簽的通信距離。并通過增加休眠時間和減少通信流量完成了標簽的低功耗設計。最終實現(xiàn)了遠距離、多節(jié)點的有源RFID 系統(tǒng)的設計。

　　RFID（射頻辨識系統(tǒng)）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。典型的RFID 系統(tǒng)由電子標簽（Tag），讀寫器（Reader）以及管理系統(tǒng)等組成。主要應用于門禁管理、物流管理、車輛管理、自動控制、防盜系統(tǒng)等多種場合。但現(xiàn)有的RFID 技術存在數(shù)據(jù)安全性不高、識別距離短、設備成本高以及讀寫系統(tǒng)工作靈活性不強等問題。為推廣RFID 技術的使用，RFID 的發(fā)展應滿足一下要求：

　?。?） 低成本：現(xiàn)有的RFID 讀卡器需要上萬元，很難滿足大眾群體的需求。

　　（2） 遠距離：對于大型機構(gòu)如物流、小區(qū)車輛管理、公車管理、不?？渴召M站等都需要遠距離識別。

　?。?） 移動性：數(shù)據(jù)可無線傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)，系統(tǒng)組網(wǎng)簡單，可用于臨時應急方案。

　　（4） 可擴展性：在系統(tǒng)不做大的改動的情況下，能夠自動地進行軟件升級和功能擴張。

　?。?） 保密性：確保用戶的信息不被泄漏或盜取。為了解決RFID 技術的上述問題，本文提出了一種基于ZigBee 技術［2］的遠距離有源RFID 系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)框架及硬件設計

　　1.1 系統(tǒng)工作原理

　　與典型RFID 一樣，系統(tǒng)由電子標簽，讀寫器和服務器管理系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

　　電子標簽為智能有源RFID 電子標簽，標簽內(nèi)不僅存儲著物體的具體信息，還集成有相應的傳感器，可以對周圍環(huán)境進行監(jiān)測，并把數(shù)據(jù)與自己的信息一起傳到服務器。有源標簽本身有發(fā)送數(shù)據(jù)的自主權(quán)，減輕了讀寫器的負擔，增大了標簽與讀寫器之間的距離，減少了讀寫器的個數(shù)。讀寫器之間可以通過ZigBee協(xié)議構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡，讀寫器之間可以協(xié)調(diào)工作；通過多跳方式把數(shù)據(jù)傳到服務器，擴大了網(wǎng)絡覆蓋面積。服務器可以通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的進入網(wǎng)絡的標簽的信息，對物體進行定位，跟蹤或觸發(fā)相應事件，實現(xiàn)人與人或人與物的交互。

　　圖1 系統(tǒng)原理圖

　　1.2 硬件的設計原理

　　結(jié)合目前市場上ZigBee 射頻芯片的性能、價格，本系統(tǒng)采用Chinpcon 公司的CC2430.C2430 芯片是高度集成的解決方案［3］，僅需很少的外部元件，且所選用元件均為低成本，可支持快速、廉價的ZigBee 節(jié)點的構(gòu)建。由于技術成熟，這里就不給出CC2430 的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和它的外圍電路圖，請參閱其技術手冊［4］。

　　讀寫器采用RS232 串口與服務器相連，使用了寬電壓范圍的SP3232E 電平轉(zhuǎn)換芯片，它的電壓范圍在3.3 到5V.電源模塊采用LM1117 低壓差電壓調(diào)節(jié)器，采用具有固定電壓輸出3.3V 型號的LM1117-3.3，用5V 適配器為讀卡器供電。

　　CC2430 內(nèi)部集成了8~14 位ADC，簡化了標簽的硬件電路設計。電池使用紐扣式電池供電，有利于減小標簽體積。標簽的天線基于1/4 波長單端PCB 印制天線理論設計［5］，天線直接印制在PCB 板上，使得標簽緊湊小巧。

　　為了增大讀卡器與標簽的通信距離，減少路由個數(shù)，我們使用TI 公司推出的用于2.4GHz 射頻前端集成芯片CC2591［6］.CC2591 專門用于低功耗、低電壓無線傳輸系統(tǒng)，集成了輸出功率高達+22dBm 的功率放大器，及可以將接收靈敏度提高+6dB 的低噪聲放大器，從而能大大提高設備的通信范圍。CC2591 使得在空曠場地的傳輸距離提高到400 米至800 米，比原來提高15 倍。CC2591 外圍電路圖如圖2 所示。

　　圖2 CC2591 外圍電路圖。

　　與CC2430 的通信接口包括RF_P，RXTX，RF_N，PAEN，EN，HGM.其中RF_P、RF_N 必須與CC2430的RF_P、RF_N 連接，分別映射到系統(tǒng)協(xié)議棧內(nèi)部接口和寄存器。PAEN ， EN 使能端接CC2430 的RRFG_OUT，RXTX 接到CC2430 的RXTX_SWITCH，HGM 可接任意普通I/O 口。電源引腳的電容為濾波電容，同時與電感L111 構(gòu)成射頻負載。CC2591 和天線之間的C111，C112，C113 和L112 L111 網(wǎng)絡相匹配，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求，同時C112 為芯片內(nèi)部的PA 及LAN 提供直流偏置。

　　R151 是偏置電阻，為CC2591 內(nèi)部提供一個精確的偏置電流。

　　2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　2.1 讀寫器與標簽的通信

　　讀寫器與標簽通信，首先必須有ZigBee 網(wǎng)絡存在。這就需要系統(tǒng)中讀寫器（一般與服務器直接串口相連）將網(wǎng)絡建立起來，并負責地址的分配和成員的加入、節(jié)點設備數(shù)據(jù)的更新、設備關聯(lián)表的維護。標簽發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡，就會請求加入網(wǎng)絡。入網(wǎng)成功后，標簽就與其中讀寫器建立父子關系，時刻保持通信。為了降低標簽功耗，標簽具有定時休眠的功能。

　　本系統(tǒng)采用Z-stack 協(xié)議棧來完成網(wǎng)絡的建立及路由或標簽的入網(wǎng)，從而建立通信鏈路。

　　2.1.1 網(wǎng)絡形成

　　讀卡器上電后，將掃描DEFAULT_CHANLIST 指定的通道，最后在其中之一形成網(wǎng)絡（根據(jù)ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 的值）。然后調(diào)用ZDO 層的初始化設備函數(shù)ZDOInitDevice（0）設置NV 網(wǎng)絡狀態(tài)：

　　networkStateNV=INITDEV_NEW_NETWORK_STAT;最終觸發(fā)網(wǎng)絡初始化函數(shù)，設置網(wǎng)絡初始化事件；ZDO層任務事件處理函數(shù)對網(wǎng)絡初始化事件進行處理，調(diào)用ZDO_StartDevice（）函數(shù)，將改變設備狀態(tài)為協(xié)調(diào)器啟動：devState = DEV_COORD_STARTING;然后調(diào)用NWK 層網(wǎng)絡形成請求函數(shù)：NLME_Network-FormationRequest（）；NWK 層通過調(diào)用MAC 和PHY 層相關功能函數(shù)執(zhí)行一些列網(wǎng)絡形成動作，最終形成網(wǎng)絡。

　　2.1.2 標簽加入網(wǎng)絡

　　標簽在上電初始化以后，經(jīng)過初始化設備、設置NV 網(wǎng)絡狀態(tài)、觸發(fā)網(wǎng)絡初始化函數(shù)、設置網(wǎng)絡初始化事件、啟動設備后將改變設備狀態(tài)為發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡：

　　devState = DEV_NWK_DISC;調(diào)用NWK 層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡請求函數(shù)：NetworkDiscoveryRequest（）；然后NWK 層通過調(diào)用MAC 和PHY 層相關功能函數(shù)執(zhí)行一些列發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡動作，發(fā)送發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡消息至ZDO 層。ZDO 層接收到該消息后，修改設備狀態(tài)為正在加入網(wǎng)絡：

　　devState = DEV_NWK_JOINING; NWK 層通過調(diào)用MAC 和PHY 層相關功能函數(shù)執(zhí)行一些列請求加入網(wǎng)絡動作，并發(fā)送加入網(wǎng)絡指示消息至ZDO 層。ZDO層任務事件處理函數(shù)將執(zhí)行處理加入網(wǎng)絡函數(shù)：

　　ZDApp_ProcessNetworkJoin（）；修改設備狀態(tài)為終端設備：devState = DEV_END_DEVICE.設置ZDO 狀態(tài)改變事件： osal_set_event（ZDAppTaskID， ZDO_STATE_CHANGE_EVT ）；最終加入已有網(wǎng)絡，與讀卡器進行通信。

　　2.2 讀寫器與有源RFID 標簽的軟件流程圖

　　讀寫器設備初始化后首先要檢測是否有網(wǎng)絡存在，這決定了讀寫器是作為網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器還是路由器，來完成相應的功能。標簽設備初始化后，首先加入網(wǎng)絡，再執(zhí)行設備程序，完成傳感器數(shù)據(jù)采集等功能。

　　在它休眠醒來或數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，要檢測一下是不是已經(jīng)離開網(wǎng)絡。如果標簽遠離與它通信的讀寫器，它將通過孤點方式再次申請加入網(wǎng)絡，與新的讀寫器建立通信。讀寫器與有源RFID 標簽的具體工作流程如圖3 所示。

　　圖3 讀寫器與有源RFID 標簽的具體工作流程。

　　2.3 低功耗設計

　　由于標簽是有源RFID，低功耗設計是非常重要的。在設計中，主要采用增加休眠時間還減少通信流量兩種方法來實現(xiàn)的。標簽在休眠時的功耗將近為喚醒時的千分之一，在保證監(jiān)控的真確性的前提下，增長休眠時間是低功耗設計的一個重要手段。設計中用定時器1 作為定時休眠，休眠時間為10s.具體實現(xiàn)：

　　__interrupt void T1_ISR（void）

　　{ IRCON &= ~0x02; //清中斷標志

　　counter++;

　　if（counter == 250）

　　{counter = 0;timetemp = 10; }//10 秒到

　　PowerMode（3）； }//進入休眠模式3

　　為了減少標簽的通信流量，標簽會記錄上一次的狀態(tài)（如溫度變化），根據(jù)狀態(tài)是否變化來決定是否傳輸數(shù)據(jù)。具體實現(xiàn)：

　　if（oldstate！=newstate）

　　{zb_SendDataRequest（0xFFFE，REPORT_CMD_ID， 2， pData，0，AF_ACK_REQUEST，0）；} //發(fā)送數(shù)據(jù)請求

　　else{PowerMode（3）；}}//進入休眠模式3

　　3 測試結(jié)果

　　在測試時，我們模擬倉庫管理系統(tǒng)。將標簽中寫入了物體的具體信息（我們這里寫入一個ID 號），并在標簽上設計了溫度傳感器電路，用來實時監(jiān)測物體周圍環(huán)境信息。讀卡器與計算機相連，通過串口顯示標簽的信息。串口顯示如圖4 所示。

　　圖4 測試顯示結(jié)果。

　　4 結(jié)語

　　本文基于ZigBee 技術設計了一種工作頻段為2.4GHz 的有源RFID 系統(tǒng)。改善了目前RFID 系統(tǒng)識別距離短，組網(wǎng)不靈活，抗干擾能力差的缺點。詳細地介紹了整個系統(tǒng)的開發(fā)流程。但是此系統(tǒng)中標簽價格仍然昂貴，只適合于貴重物體跟蹤等少數(shù)場合。隨著技術水平的不斷提高，生產(chǎn)出價格低廉，集成度更高的射頻芯片，使得芯片體積更小，價格更低，此系統(tǒng)便可以得到廣泛應用。