cookieOptions = {...}; ‧ 採用 ZigBee 和 RFID 技術的電子標籤辨識系統設計介紹 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

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2016年3月7日 星期一

來源: 單片機與嵌入式系統應用 作者:杜軍 馬俊 周亞強

為了提高RFID系統的傳輸距離、靈活性及降低系統成本,結合ZigBeeRFID技術,設計了一種電子標籤辨識系統。系統測試表明:該系統具有成本低,靈活性高、傳輸距離遠、低功耗等優點,拓展了ZigBee技術在無線RFID系統中的應用。



1 引言
RFID(射頻辨識Radio Frequency Identification) 是一種自動辨識技術,其基本原理是利用射頻信號,和空間耦合傳輸特性,對被辨識物體實現自動辨識。與現有條碼技術相比,射頻辨識技術具有耐高溫、防水、可多次重複寫入資料、安全性高、資料儲存空間大等優點

近年來,隨著電腦技術、晶片技術及無線通訊技術的快速發展,RFID技術也得到高速發展,其體積、成本、功耗越來越低,基於RFID技術的應用系統,被廣泛應用到生活各個領域,如交通、物理管理、門禁控制、定位系統等領域。

RFID系統一般由天線、讀寫器和電子標籤組成。傳統的RFID系統採用讀寫器與PC上位機,通過有線的形式(乙太網、RS232)進行通信,存在靈活性差、資料傳輸距離短、成本高等缺點。

與有線傳輸系統比較,ZigBee無線傳輸技術可實現資料資訊的無線雙向傳輸,省去了佈線的麻煩,而且ZigBee組網高效、快捷、簡單。為了提高RFID系統的傳輸距離、靈活性及降低系統成本,結合ZigBeeRFID技術,設計了一種電子標籤辨識系統。系統測試表明:該系統具有成本低,靈活性高、傳輸距離遠、低功耗等優點,拓展了ZigBee技術在無線RFID系統中的應用。
  
2 系統總體設計
系統硬體結構主要由5部分組成:有源電子標籤、以nRF24LE1晶片為微處理器的主從射頻模組、ZigBee終端節點、ZigBee協調器節點和PC上位機,圖1所示為系統總體結構圖。有源電子標籤:記錄了電子標籤的ID號,及其他物品資料資訊;主從射頻模組:即RFID讀寫器,負責辨識處於天線輻射範圍內的電子標籤資料資訊,並將接收到的電子標籤資訊通過串口傳輸,給ZigBee終端節點,也可接收ZigBee終端節點傳輸過來的控制命令。

主射頻模組通過SPI,接受從射頻模組辨識到的電子標籤ID資訊,以實現雙通道傳輸,具有更好的資料準確性及可靠性;ZigBee終端節點:將主從射頻模組對電子標籤辨識到的資料資訊,通過無線方式發送給ZigBee協調器節點,同時ZigBee終端節點根據協調器傳輸過來的控制指令,來控制主從射頻模組,從而實現對電子標籤相應的處理;協調器節點:將ZigBee終端節點發送過來的電子標籤資料資訊,通過串口RS232傳給上位機,把上位機的控制指令轉發給ZigBee終端節點;PC上位機:有相應的應用軟體,處理來自於ZigBee協調器節點的標籤資訊,並且向ZigBee協調器節點發送控制資訊。

采用ZigBee和RFID技术的电子标签识别系统
1 系統總體結構圖
  
3 系統硬體設計
3.1 系統主從射頻模組電路設計
系統主從射頻模組是RFID讀寫器的核心部分,通過串列口接收ZigBee終端節點,從ZigBee協調器節點,傳輸過來的上位機發出的控制指令,從而控制射頻晶片與電子標籤進行資料通信,完成對電子標籤的讀寫。

射頻晶片負責無線信號的編碼和解碼、調製和解調;電子標籤是系統的應用終端,裝載著物體的資料資訊及標籤自身資訊,從讀寫器天線發出的無線脈衝,接收讀寫器所發出的控制資訊,然後把電子標籤的資料資訊通過天線,再返回給讀寫器,完成讀寫器對電子標籤資料的讀寫。

主從射頻模組電路的設計,確保了讀寫器辨識到的電子標籤資訊準確性及可靠性。射頻模組電路採用nRF24LE1晶片,該晶片是Nordic公司推出的一款帶增強型8051內核的無線收發晶片,可工作於2.4-2.5GHzISM頻段,不需要任何通道的通信費用,使用者無須申請頻率使用許可證,方便使用者應用與開發。

最大空中傳輸速率為2Mbps,靈敏度為-94dBm,最大信號發射功率為0dBm。在理想狀態下,室內傳輸距離可達30-40 m,室外傳輸距離可達100-200 m。工作電壓為1.93.3V,極大地降低了系統的功耗。

處理器能力、記憶體、低功耗晶振、即時實名、計數器、AEC加密加速器、亂數發生器和節電模式的組合,為實現射頻協定提供了理想的平臺。對於應用層,nRF24LE1提供了豐富的外設,如SPIIICUART612位的ADCPWM,和一個用於電壓等級系統,喚醒的超低功耗模擬比較器。

一個主SPI,一個從SPI,實現RFID系統雙通道資料通信。nRF24LE1融合了Enhanced Shock Burst技術,其中通信頻道、輸出功率,及自動重發次數等參數,可通過程式設計設置。系統主從射頻模組電路基本一樣,可軟體設定為主射頻模組,如圖2示射頻電路硬體結構圖。

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2 射頻電路硬體結構圖


3.2 ZigBee終端節點電路設計
ZigBee終端節點是系統中非接觸式RFID讀寫器和ZigBee無線模組的硬體核心,主要控制電子標籤與主從射頻模組進行資料交換以及和ZigBee協調器節點進行資料通信。

該終端節點電路使用32MHz的晶振作為時鐘信號,與主從射頻模組通過串口連接實現資料通信。ZigBee終端節點採用CC2530晶片,該晶片是TI公司推出的能實現2.4GHz IEEE 802.15.4的射頻收發,具有靈敏度高、抗干擾能力強等特點,尤其是CC2530晶片的超低功耗,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0.2mA1uA0.4uA,特別適合那些要求低功耗的場合。還具有2V-3.6V的寬電源電壓範圍。

它內含一個8MCU8051),8KBRAM,還包含具有8路輸入和可配置解析度的12位元類比數位轉換器(ADC)、1個符合IEEE 802.5.4規範的MAC計時器、1個常規的16位計時器和18位計時器、AES-128協同處理器、看門狗計時器、32kHz晶振的休眠模式計時器、上電重定電路、掉電檢測電路、以及21個可程式設計I/0引腳。ZigBee終端節點硬體電路如圖3

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3 ZigBee終端節點硬體結構圖

3.3 ZigBee協調器節點電路設計
ZigBee協調器節點負責將ZigBee終端節點發送過來的資料通過RS232串口線與上位機實現資料通信,同時將接受上位機傳輸過來的控制指令併發送給ZigBee終端節點。

ZigBee協調器電路圖與ZigBee終端節點電路一致,如圖3所示,只需將Z-stack協議中將其設定為協調器。由於CC2530使用的是TTL電平,而PC機通信採用的是EIA電平,因此該系統採用MAX232晶片實現電平轉換以保證系統的有效通信,如圖4所示。

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4 MAX232電平轉換電路圖
 
4 系統軟體設計
4.1 ZigBee終端節點軟體設計
終端採集節點主要功能是接受來自上位機的資料獲取指令後,採集電子標籤資料資訊,並將採集到的資料資訊發送到協調器節點。首先ZigBee終端節點上電初始化,申請加入已組建的ZigBee網路,若加入網路成功,進入低功耗模式即休眠狀態,以降低終端節點功耗。

等待定時中斷產生,ZigBee終端節點微處理器控制主從射頻模組讀取電子標籤資訊,並將辨識到的標籤資料資訊通過ZigBee無線模組傳輸給ZigBee協調器節點,然後再通過串口RS232傳輸給上位機進行處理。其終端採集節點程式流程圖如圖5所示。

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4.2 ZigBee協調器節點軟體設計
系統利用ZigBee網路的Z-STACK協定進行無線通訊,Z-STACK協定基於輪轉查詢式作業系統來實現。協調器節點上電後,初始化硬體及協定,搜索通道和空閒通道評估,選擇通道並建立ZigBee網路。

若節點申請加入網路,允許加入並分配一個l6位元的網路短位址,等待上位機發送過來的資料獲取指令,然後RFID讀寫器對電子標籤進行辨識,將接收的所有資料包通過串口通信發送到PC上位機,以便進行資料處理,ZigBee協調器節點軟體流程圖如圖6所示。

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6 ZigBee協調器軟體流程圖


4.3 上位機應用軟體設計
該系統上位機應用軟體使用Visual Basic語言編寫,該語言是一種由Microsoft 公司開發的結構化的、模組化的、物件導向的、包含協助開發環境的事件驅動為機制的視覺化程式設計語言,如圖7示上位機應用軟體介面。利用上位機應用軟體對電子標籤下發命令資料,能夠實現對電子標籤ID資訊的讀取、信號發射功率的修改和工作狀態的切換。
  
設置標籤發射信號功率程式原始程式碼如下:
ReDim bytbyte(1)
bytbyte(0) = 221
bytbyte(1) = 17 - 2 * Val(Form3.Combo_rssi.Text)
Form3.MSComm1.Output = bytbyte
  
設置標籤工作狀態程式原始程式碼如下:
ReDim bytbyte(1)
bytbyte(0) = 221
bytbyte(1) = 17 * (Val(Form3.Combo_sta.ListIndex) + 1)
Form3.MSComm1.Output = bytbyte
  
5 測試結果
為了驗證實驗結果的可靠性和穩定性,在室內外對系統進行了測試,室內測試主要是檢測系統穿透牆壁的傳輸距離,室外測試主要是檢測系統無障礙物的傳輸距離。通過上位機軟體對電子標籤發送控制指令來改變電子標籤的信號發射功率,以實現電子標籤信號的最遠發射距離,更好地達到降低電子標籤功耗和發射距離最大化的平衡點,在不同信號發射功率條件下,電子標籤信號發射距離如表1所示。

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由表1測試結果可知,電子標籤信號發射功率為0dBm(最大信號發射功率)時,在室外電子標籤信號發射距離為30-65m,室內電子標籤信號發射距離為25-50m。在電子標籤信號發射功率為0dBm條件下,以電子標籤ID號為12分別代表室內和室外,其測試結果如圖7所示。

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7 系統測試結果
  
在室內室外不同條件下,系統ZigBee無線模組在200米範圍內能夠對標籤資料資訊實現有效傳輸,提高了系統傳輸距離,有廣泛的應用前景。其測試結果如表2所示。

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6 結論
通過ZigBeeRFID技術,設計了一種電子標籤辨識系統。在系統軟硬體設計中採取了低功耗的設計方法,以CC2530ZigBee節點的微處理器實現了ZigBee節點的低功耗設計,以nRF24LE1為電子標籤晶片,達到了降低功耗和信號發射距離最大化的平衡點。

基於Visual Basic語言開發的上位機應用軟體,可對電子標籤進行讀寫和控制。對系統測試表明:在室內外不同環境及電子標籤不同信號發射功率條件下,在室內電子標籤可穿透牆壁的信號發射距離為25-50m,在室外電子標籤信號發射距離為30-65m


基於ZigBee協定的ZigBee無線模組能夠在200米範圍內對資料實現有效傳輸,提高了系統的傳輸距離。同時ZigBee技術組網簡單、高效,既降低了功耗和成本,也省去了佈線的麻煩,使得ZigBee技術在無線射頻辨識中得以應用,拓展了ZigBee技術在無線RFID系統中的應用範圍。

                                                                                                                                                                                                                            

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