一種基于ZigBee無線射頻識別系統的設計

張　光

(陜西工業職業技術學院， 陜西 咸陽　712000)

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一種基于ZigBee無線射頻識別系統的設計

張光

(陜西工業職業技術學院， 陜西 咸陽712000)

摘要：無線射頻技術是無線傳感器網絡與射頻識別技術的融合，對于傳統RFID技術主要通過串口來實現與上位機的信息傳輸，而在多點采集下造成系統資源的浪費；ZigBee網絡多跳功能能夠實現大范圍的信息傳輸，且能夠彌補RFID技術的不足，特別是在軍事應用中，能夠實現武器彈藥等軍用物資的準確配送，并根據不同戰地應用領域進行快捷、高效管理，降低管理復雜度，節約人力成本；分析RFID與ZigBee互通關鍵技術，選用CC2430無線射頻芯片實現電子識別；本系統具有價格低、功耗小、應用場合適應性強等特點。

關鍵詞：無線射頻;識別系統; ZigBee; CC2420

本文引用格式：張光.一種基于ZigBee無線射頻識別系統的設計[J].兵器裝備工程學報，2016(7):109-112.

Citationformat:ZHANGGuang.OptimumDesignandApplicationofRFIDTechnology[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(7):109-112.

射頻識別是基于無線方式，以非接觸式自動識別完成數據雙向通信的技術，與傳統條形碼技術相比更具有防水、可重復多次寫入、讀出數據、耐高溫、足夠大的存儲空間和加密功能，在軍用、國防安全信息化建設中具有深遠的應用價值和戰略意義。

現代戰爭中及時有效的獲取準確信息是致勝關鍵，特別是在復雜戰地環境中，通過無線射頻識別技術能夠實現武器彈藥裝備信息的準確采集和監控，還可以為火控和精確制導系統提供準確定位信息。然而在技術上，射頻識別通信方式為單跳、一對多、主從關系，而無線傳感網絡則具有多跳與自組網功能，在技術部署上更具移動性和隨機性[1]。為此，通過對射頻識別與無線傳感技術的優劣勢分析，從各自優勢上來彌補各自不足，提出一種基于無線射頻的電子識別系統，即利用ZigBee無線網絡與RFID系統進行組合，并從接口電路、通信方式、數據傳輸等方面進行優化設計，實現多點信息的自適應采集。

1系統需求及方案優化論證

1.1系統應用需求分析

現代戰爭中軍事信息化建設的目標在于對戰場內外各類情報信息的收集和處理，特別是在軍力、裝備布設及監控上，對于各戰區重要資源節點數據的安全、快速傳輸尤為重要。

傳統RFID技術對源節點、目的節點需要完整的路徑，且因間歇性連接、不均勻連接、高傳輸延時等弊端，在原有TCP/IP協議中無法實現端到端的高效數據傳輸，盡管在路由協議等方面進行了改進，仍然存在大量的丟包問題[2]。無線射頻技術與RFID技術的融合，利用無線射頻技術中的存儲空間大、讀取速度快、遠距離傳輸、穿透性強、環境適應性強等優勢，從平衡資源消耗到減少時延約束上獲得較高綜合性能。如在飛機撒播、特種炮彈發射中，利用無線傳感器節點的布設，對陣地各類信息進行收集，即便某一傳感器發生損壞而失效時，仍然能夠保障整個布防體系的穩定性，完成信息處理任務。

在芯片選型上，本研究采用CC2430，其內置8051CPU，性價比較高且應用廣泛；讀寫卡芯片采用Philips推出的MFRC500，支持ISO14443A多種通信協議，且內置發送單元，可以直接驅動讀寫天線與應答機之間的通信[3]；RFID讀寫系統包括標簽、讀卡器、接口電路及應用軟件等部分，利用射頻脈沖進行電子標簽識別，也可以從射頻脈沖整流中獲得工作電壓；在數據解調中，利用接收射頻脈沖來解調數據并發送給控制邏輯，依照控制邏輯實現數據的發送、存儲等操作；讀卡器控制單元主要從通信指令判斷中完成相應操作，如對于防沖突算法、對數據加密、解密，以及射頻卡身份驗證等功能。其總體框架結構如圖1所示。

圖1　基于ZigBee無線射頻系統組成框架圖

1.2系統優化原則

ZigBee無線射頻技術通過底層IEEE802.15.4協議，可以滿足不同領域靈活、機動的開發需求，特別是ZigBee協議棧，能夠對發送及接收的信息進行加密，提升數據傳輸安全性。本系統從資源消耗及時延約束上，借助于無線射頻信號，一方面降低能耗，另一方面通過兩種技術的并行，降低數據傳輸延時。如利用無線射頻存儲功能，通過數據集中管理，便于對無線射頻信號進行雙向非接觸通信，滿足陣地現場多變、遠距離通信要求，還能利用路由協議，優化數據傳輸連接方式。

1.3路由協議分析

1.3系統平臺總體框架

從本系統的應用領域為軍用裝備信息的采集、傳輸、處理，并針對戰區態勢為軍事決策提供參考依據。其總體構成分為3部分：一是通用上位機PC；二是ZigBee無線網絡；三是RFID射頻系統。PC機負責對各類裝備信息的收集、傳輸、保存、處理及顯示，ZigBee無線網絡負責信息傳輸，特別是自組網功能能夠實現對戰區各節點RFID模塊進行整合，并完成數據傳輸通信；RFID射頻系統主要為現場采集，完成信息的讀寫和數據交換。其總體框架如圖2所示。

圖2　系統平臺總體框架圖

2系統硬件平臺設計

從無線射頻電子識別系統總體結構來看，主要分3部分：一是PC機系統，主要從系統數據顯示、存儲、運算、處理中與各子系統建立控制關系；二是ZigBee系統，利用自組網功能實現對某區域內FRID的信息傳輸；三是RFID射頻模塊，主要完成對電子標簽的數據采集，并與ZigBee系統建立數據交換。

2.1ZigBee節點硬件平臺選型

本研究采用ZigBee技術來實現無線節點硬件設計，以TI公司生產的CC2430芯片作為通信協調器和節點處理芯片，并對其工作頻率進行優化，滿足2.4GHz的ISM頻段要求。[4]該芯片采用0.1uMCMOS工藝，最大工作電流27mA，集成了8051微處理器，射頻模塊、2路USART串口、8個A/D模數轉換，在主模式下能夠實現無線數據的發送、接收和信息采集，且能耗低、敏感度強。

2.2ZigBee協調器設計

ZigBee協調器是核心硬件，滿足無線網絡的建立、管理及節點信息的采集與存儲功能，并保障各信標及路由間的良好通信。ZigBee協調器由CC2430芯片、無線收發天線、電源模塊、USB接口、串口、晶振復位模塊等組成，可以支持ZigBee協議，簡化接口電路設計，縮短系統開發時間。[5]其結構如圖3所示。

圖3　ZigBee協調器結構

在外圍電路設計上，主要從電源轉換、晶振電路、接口電路、復位電路等部分，提升無線射頻模塊的通用性。為優化供電復雜度，采用USB直接供電，在電壓轉換中，采用TPS79530轉換芯片，如圖4所示，能夠滿足低功耗電壓調節功能[6]。在串口轉換電路設計中采用SP232E芯片，能夠在3.3V電壓下正常工作，滿足ZigBee系統節點與RFID模塊間的雙驅動雙接受數據傳輸要求，其電路如圖5所示。

圖4　TPS79530電壓轉換原理圖

2.3ZigBee射頻節點硬件設計

從無線射頻節點類型來看，有路由節點和終端節點，路由節點是中繼設備，滿足規模化網絡架構下的數據傳輸。如圖6所示，路由節點在硬件設計上包括微處理器、無線收發天線、串口模塊、電源模塊等，并與RFID設備直接相連，且具有數據存儲和路由選擇功能。[7]對于ZigBee終端節點，其功能相對較弱，主要負責對信息采集和識別，其結構直接連接RFID刷卡識別。

圖5　SP232E串口轉換電路

圖6　路由節點結構

2.4RFID射頻模塊硬件設計

本研究采用的RFID射頻模塊，主要是由STC89C58RD+單片機，以及MF-RC500等外圍電路組成。RFID射頻模塊電路圖如7所示，并與MF-RC500進行連接，完成數據通信和控制功能[8]。同樣，在MF-RC500外圍電路設計中，利用Mifare卡來完成對電子標簽信號的識別，接收來自串口的指令，完成讀寫卡任務。其射頻識別系統模塊如圖8所示。

圖7　RFID射頻模塊89C58RD電路

從圖8所示，對于RFID射頻模塊在進行工作時，MCU微處理器作為控制中樞，一方面實現對協議的解析，另一方面完成串口數據通信，而對于MF-RC500，主要從天線電路和電阻匹配中，通過低通濾波來進行無線信號的轉換。另外對PC發出的寫入數據指令進行傳輸并寫入終端MIFare卡。

圖8　RFID射頻識別系統工作原理圖

3系統測試

由于本系統設計涉及多個子模塊，在進行系統測試時，主要從無線收發系統、射頻識別系統、以及通信功能3個方面進行測試。

3.1無線收發系統的測試

對于本系統射頻收發模塊為CC2430，其數據格式支持IEEE801.15.4要求，其數據幀要求如表1所示。

表1　數據幀格式

芯片測試前首先進行初始化，編寫程序完成對寄存器的配置，如定義包協議格式、寫入地址碼、開啟電壓調節器、設置緩沖器上下限，選擇傳輸信道等；在緩沖發送模式下，利用CC2430自帶緩存，將同步信息插入到幀中。當幀定界符發送之后，從TXFIFO進行獲取數據，在完成數據傳輸后，TXFIFO自動追加到數據幀緩存中，當檢測到STXON或STXONCCA指令，重新啟動數據傳輸。在緩沖接受模式中，首先檢測FIFO信號標志位，當有數據到達，則從數據緩沖區讀取數據，先記錄首字節，確定數據包的長度及結束幀，并對數據包的地址進行解析，最后通過CRC校驗，對于不是目標幀的數據進行丟棄，在緩存溢出時進行FIFO清除。從數據包結構來看，對于每幀數據都有地址，在地址配置測試上，首先需要對幀地址進行判定，當幀頭部地址為0XFF時則為廣播地址，當發送地址與目標地址匹配時則接收數據，不匹配時則丟棄[9]。Mac層地址格式如表2所示。

從測試結果來看，發射節點通常處于休眠狀態，在軟件喚醒后發送數據包到指定地址；對于接收節點，從收到數據包并進行終端顯示，各系統均得到正確反饋。

3.2射頻識別系統的測試

對于射頻識別系統，在進行測試時需要從串口測試讀卡器，并查看蜂鳴器工作狀態。[10]當發出尋卡指令，讀卡器接收控制命令并執行，將獲得的數據經串口傳送至上位機，上位機將接收的數據包進行解析并顯示結果。測試結果顯示，無論是尋卡還是讀卡，均符合要求。

表2　MAC層地址配置

3.3通信功能測試

基于ZigBee系統的無線射頻識別技術，需要將ZigBee終端與RFID模塊進行通信，并實現相應操作。[11]通信功能是通過串口來對RFID終端進行控制的，如監測RFID的工作狀態、發送指令、再由ZigBee系統完成數據接收并回傳給上位機。在具體通信過程中，讀卡器首先監聽到卡信息，將數據進行封包，依照ZigBee數據幀格式進行傳輸給協調器，再由協調器將數據包傳送給上位機。[12]通信功能的測試，關鍵是監聽來自緩沖區的指令，并對電子標簽進行判定是否在射頻范圍內，如果標簽信息符合條件，則進行讀取并發送給終端節點，終端節點進行數據封裝后傳送給協調器，經由串口發送給上位機，最后在調試窗口進行顯示。測試結果顯示，系統初始化后啟動終端節點并建立ZigBee網絡，讀卡器蜂鳴器響則表示狀態正常，啟動終端進入接收狀態，當探測到符合射頻場范圍的Mifare卡片時，將反饋80T(t)指令，并經由串口發送至終端，在經由無線傳輸給上位機并顯示；當發出尋卡指令時，蜂鳴器響，探測到卡信息并讀取，經數據解析發送給ZigBee終端，再經由ZigBee協議進行數據包封裝，發送給協調器，解析后發送卡信息到上位機，最終在調試窗口進行顯示，符合系統設計要求。

4結語

基于ZigBee無線技術的研究，在軍事領域自主研發的產品相對較少，本文提出的ZigBee與RFID技術的相互通信及關鍵技術整合方案，能夠從芯片選擇、電源電壓轉換電路及軟件測試中完成對各模塊功能的對比研究，彌補了這項技術的不足，驗證了該技術的可行性。無線通信中的電子識別技術作為軍事信息化建設的重要內容，在提升武器裝備水平和實現軍事管理用途方面，對于提升國防安全、提高軍事戰斗力具有深遠的戰略意義。

參考文獻：

[1]李寶山,李革.超高頻射頻識別讀寫器的研究與設計[J].中國集成電路，2011(8):24-27.

[2]丁龍剛.基于RFID、Wi-Fi、藍牙、ZigBee的物聯網電磁兼容和干擾協調研究[J].物聯網技術， 2011(4):34-37.

[3]WON-JU YOON,SANG-HWA CHUNG,SEONG-JOON LEE.Implementation and performance evaluation of an active RFID system for fast tag collection[J].Computer Communications,2008(17):82-84.

[4]孟凡宇.基于MF-RC500的射頻交通卡讀卡器設計[J].實驗室研究與探索，2013(4):63-65.

[5]陳宏,鄧芳明,吳翔.無源RFID的集成電容式傳感器接口電路設計[J].儀表技術與傳感器，2015(11):82-85.

[6]楊文,裴東興,張瑜,等.彈丸動態參數測量的方法研究[J].傳感技術學報，2015(10):41-44.

[7]趙云青,徐文軍,張曉華,等.射頻識別系統中讀寫器的設計[J].計算機技術與發展，2012(7):104-106.

[8]羅五明,張智文.傳感射頻識別系統中多邏輯傳感器研究[J].裝備學院學報， 2012(2):92-94.

[9]李曉銀,閆連山,潘煒,等.基于讀寫器功率掃描的無線射頻識別定位[J].計算機工程，2013(8):29-32.

[10]尹佳寧,徐偉,王兵,等.手持式超高頻RFID讀寫器天線設計技術綜述[J].信息化研究， 2012(1):34-36.

[11]孫大洋,錢志鴻,韓夢飛,等.無線傳感器網絡中多邊定位的聚類分析改進算法[J].電子學報，2014(8):71-73.

[12]周康渠, 喻代權，李傳明，等.應用射頻識別的汽車制造供應鏈物流信息協同平臺設計及實現[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2014(1)：80-86.

[13]朱夏冰,崔寶同.基于特殊PSO的無線傳感網絡路由算法[J].計算機技術與發展， 2014(6):63-65.

(責任編輯楊繼森)

收稿日期：2016-01-22；修回日期：2016-02-25

基金項目：陜西工業職業技術學院項目資助(14KCGG-054)

作者簡介：張光(1984—)，男，講師，主要從事電子商務、網絡安全和數據庫等研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.024

中圖分類號：TN92

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0109-05

OptimumDesignandApplicationofRFIDTechnology

ZHANGGuang

(ShaanxiPolytechnicInstitute,Xianyang712000,China)

Abstract:Radio frequency technology is the integration of wireless sensor networks and radio frequency identification technology, and RFID technology, with traditional, mainly achieved transfer of information with the host compute through the serial port, resulting in waste of system resources in a multi-point acquisition. ZigBee network multihop transmission functions can achieve a wide range of information and can compensate for the lack of RFID technology. Especially in military applications, it is possible to achieve accurate delivery of weapons and ammunition and other military supplies, and to manage it depending on field applications fast, efficient, and to reduce management complexity, and to save labor costs. This article analyzed the RFID and ZigBee interoperability of key technologies, and selected CC2430 radio frequency chip to implement electronic identification. The system has low price, low power consumption, strong application adaptability and other characteristics.

Key words：RFID; identification system; ZigBee; CC2420

【信息科學與控制工程】