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ZigBee和RFID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ZigBee和RFID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。
圖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2.4-2.5GHz的ISM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1.9～3.3V，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SPI、IIC、UART、6至12位的ADC、PWM，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。
圖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0.2mA、1uA和0.4uA，特別適合那些要求低功耗的場合。還具有2V-3.6V的寬電源電壓範圍。
它內含一個8位MCU（8051），8KB的RAM，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1個8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。
圖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。
圖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。
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。
圖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。
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1和2分別代表室內和室外，其測試結果如圖7所示。
圖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。
6 結論
通過ZigBee和RFID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CC2530為ZigBee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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