RFID和6LoWPAN的智能家居定位鞋設計＊

葛厚洋，付蔚，楊卓，王俊

（重慶郵電大學 自動化學院 智能家居實驗室，重慶400065）

引 言

近年來，以物聯網技術為核心的智能家居發展勢頭十分迅猛。智能家居可以定義為一個系統，它可將先進的計算機技術、網絡通信技術和各種遙感和自動化技術有機地結合在一起，通過統籌管理，讓家居生活更加智能、舒適、節能。6LoWPAN技術是比較有發展前景的無線傳感器網絡，可以和互聯網完美融合，是智能家居領域的一個應用熱點。實現此關鍵技術的重點就是對用戶的識別與定位。

目前國內可應用于室內的定位技術有紅外線室內定位技術、藍牙定位技術、超聲波定位技術、超寬帶定位技術、WiFi定位技術、ZigBee技術和射頻識別（RFID）技術等。紅外線室內定位技術精度較高，但限制條件多，成本也比較高。藍牙定位技術使用方便，但精度較低，穩定性差，易受干擾，成本也比較高。超聲波定位技術結構簡單、精度較高，但易受多徑效應影響，成本也比較高。超寬帶定位技術定位精確，但該技術尚未成熟應用，尚在試驗階段。WiFi技術和ZigBee技術的精度都較低，且ZigBee技術需要大量節點，復雜度較高，成本較高，WiFi技術的穩定性不高，能量消耗也比較大。由此可見以上幾種定位方法的成本太高，不易在普通家居中普遍使用。而射頻識別技術的定位精度可以達到幾厘米，且使用方便、成本低、復雜度低，并且可以根據實際應用情況來調節精度控制成本。其缺點就是不具備與外界通信的能力，但將RFID定位技術與6LoWPAN網絡技術結合，便可開發出定位精度高、結構簡單、方便實用且易于推廣的家居定位系統。

1 系統設計

1.1 系統拓撲結構

如圖1所示，本系統由4個部分構成，即RFID位置標簽、RFID閱讀模塊、6LoWPAN網絡節點模塊以及6LoWPAN網關。RFID位置標簽根據需要貼在地板的固定地方，將每個標簽根據其所在區域進行有序編號并存儲在標簽的芯片內。例如可以用4位十六進制來表示位置編號，廚房可以定義為0x01XX。同時在網關中定義出區域編號及區域內的位置編號，形成有序的位置列表。RFID閱讀模塊和6LoWPAN網絡節點模塊都集成在特制的鞋中，這種具有定位功能的鞋稱作定位鞋。當定位鞋經過某一位置時，就會讀取可讀范圍內的標簽編號并通過串口將編號信息發給6LoWPAN網絡節點模塊。6LoWPAN網絡節點模塊再通過6LoWPAN網絡將編號信息上傳至6LoWPAN網關，網關通過編號判斷使用者所在位置。

圖1 系統結構圖

1.2 RFID定位原理

根據閱讀器自身參數的不同（如工作頻率、增益系數等），特定的閱讀器系統（包括天線）具有特定的識讀范圍。如圖2所示，對于范圍內的 標 簽 Label，閱 讀 器Reader可以實現正常的識讀，而超出該范圍，閱讀器則無能為力。根據這一特點，只要在家居空間中合理布置一定數量的RFID標簽，用不同的RFID標簽將待定位空間劃分成若干子區域，通過輪詢所有附近RFID標簽，就可以判定待定位閱讀器所在的子區域。對于精度要求不高的區域，可以用單個標簽來確定位置；對于精度要求比較高的區域，則可以比較密集的安裝標簽，通過讀取到的標簽標號，推算出比較精確的位置坐標。

圖2 基于空間劃分的RFID定位原理

1.3 6LoWPAN

IPv6over IEEE802.15.4 或IPv6over LR ＿PAN（簡稱6LoWPAN）是IETF于2004年11月新成立的一個工作組，致力于完成IPv6數據包在IEEE802.15.4上傳輸的實現。6LoWPAN技術采用的是規定的IEEE802.15.4物理層和MAC層，同時使用IETF規定的IPv6功能，上層采用TCP／IPv6協議棧，其與TCP／IP協議棧對比的參考模型如圖3所示。6LoWPAN協議棧參考模型與TCP／IP的參考模型大致相似，區別在于6LoWPAN協議棧底層使用IEEE802.15.4PHY標準，而且因低速無線局域網的特性，6LoWPAN的傳輸層沒有使用TCP協議。

圖3 TCP／IPv6與TCP／IP對比的參考模型圖

由于6LoWPAN協議棧給每個終端都分配了唯一的IP地址，而且還具有IEEE802.15.4的低功耗特點，十分有利于物聯網與互聯網的融合，故6LoWPAN技術在同時使用互聯網和物聯網的智能家居中有良好的應用前景。

2 硬件設計

本系統的硬件主要由RFID讀寫器模塊和支持IEEE802.15.4協議的無線模塊組成。RFID讀寫器模塊選用TI公司的RFID標簽讀寫芯片TRF7962A，與控制器MCU連接就可以構成讀寫器電路。CC2530是用于2.4GHz IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案，因此選擇了CC2530構成6LoWPAN節點的無線模塊。此外CC2530內部集成了8051核，故CC2530同時可以充當TRF7962A的控制器MCU。如圖4所示，TRF7962A經射頻匹配電路由天線獲得標簽數據，并通過并行線將獲得的讀取標簽數據傳給CC2530，CC2530通過RF電路將數據傳送到6LoWPAN網關。

圖4 系統硬件框圖

實際電路圖設計如圖5所示，CC2530通過P0口和P1口與TRF7962A進行并行通信，并對TRF7962A進行 相應的控制，例如選擇通信方式是并行還是串行。

圖5 系統硬件電路圖

32kHz晶振X1、32MHz晶振X2為CC2530提供休眠和正常工作兩種狀態下的工作時鐘，C4、C5、C6、C7、C8、L1、L2構成射頻輸入、輸出端與單端天線的匹配電路。31.56MHz晶振X3為TRF7962A提供工作時鐘，C18、C20、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、L3、L4、L5構成TRF7962A射頻輸入、輸出端與讀寫天線間的匹配電路。

3 軟件設計

本系統的程序流程圖如圖6所示，在系統初始化的時候CC2530會初始化定時器等內部配置并向6LoWPAN路由發出入網請求，路由會分配地址給CC2530。然后向TRF7962A發出讀標簽指令，獲取位置標簽數據。若為停放點（平時不用時存放定位鞋的地方，一般貼有特殊標簽）的位置標簽，則將定時器初始值設為5s；否則將初始值設為1s。設置完定時器后便將獲得的位置信息發到網關，發送完畢后打開定時器，系統進入休眠狀態。當定時器定時結束后，關閉定時器并喚醒系統。系統被喚醒后重新開始讀取標簽數據及以后的操作，以此構成循環。由于讀取標簽和發送數據給網關所需要的時間只有幾ms，故大部分的時間都是不需要工作的，因此設計了系統的休眠狀態，從而節約了大量的能量，延長電池的持續工作時間。

圖6 系統軟件流程圖

4 鞋封裝設計

由于本系統中存在兩個高頻天線，即RFID閱讀器的天線和CC2530的天線。雖然兩個高頻電路工作在不同的頻段，但復雜的電磁環境勢必會影響其工作性能。為了解決電磁干擾問題，應將兩部分電路進行嚴格的隔離，在本系統中對RFID的天線用錫箔進行半封閉隔離，使其與RFID電路隔離開來，中間用同軸線相連進行信號的傳輸。同時，整個電路都用錫箔半封閉式與CC2530的天線隔離，從而在電磁環境上改善電路的工作性能，可以有效提高射頻識別的靈敏度。

由于定位鞋是要在房屋內不斷地移動，不可能使用外部電源供電，所以就要在鞋的內部放置一塊電池，且這塊電池的容量既要使系統正常運行一定的時間，又要滿足使用者的舒適感。綜合以上考慮，定位鞋采用小容量電池，完全封閉防水封裝，印制電路板采用硬軟板結合的方式保證鞋底的正常彎曲。電池的充電采用無線充電方式，當定位鞋放置到具有無線充電功能的設備上并識別到特定的標簽時，就會向家居系統發出充電請求，請求通過后，家居系統打開無線充電開關，定位鞋啟動充電模式進行充電，完成后家居系統關閉無線充電裝置電源，節約能源。

結 語

本文對基于RFID技術和6LoWPAN無線傳感網的定位鞋技術進行了系統的闡述與分析。該定位系統的使用和搭建都比較簡單，非常適用于在普通家庭的推廣，且所需成本也是由用戶要求決定的，可以根據用戶情況進行人性化的成本調節。隨著導電油墨等新興技術的發展，可以大大降低RFID標簽的成本，所以RFID在定位服務中的廣泛應用是指日可待的。

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