基于ZigBee和RFID技術的特高頻讀寫系統

韓培培，姬五勝，張泉斌，高麗琴，李 莉

（1.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222；2.蘭州大學信號與信息處理研究所，蘭州 730000）

RFID（radio frequency identification）技術為無線電射頻識別技術，它利用電感或者電磁耦合原理，實現電信號的無線雙向傳輸。RFID技術在非接觸的情況下，可實現對目標的自動識別，因此被廣泛應用于公共安全、生產管理與控制、現代物流管理等領域[1-2]。常見的RFID工作頻段為30～300kHz的低頻、3～30MHz的高頻、860～960 MHz的特高頻。低頻、高頻RFID讀寫器和電子標簽之間都采用電感耦合方式，低頻、高頻RFID讀寫器和電子標簽之間的通信距離分別為幾cm和幾十cm；特高頻RFID讀寫器和電子標簽之間采用電磁反向散射的耦合方式，通信距離可達10 m左右。與低頻、高頻RFID系統相比，特高頻RFID系統憑借識別距離遠、傳輸數據速率快、抗干擾性強等優點而備受關注。

彭梅[3]設計一種基于AS3993的超高頻RFID讀寫器，但讀寫器和上位機有線連接，讀寫器位置固定，靈活性差；李儒銀等[4]提出RFID讀寫器與無線傳感器網絡節點融合的協作模式，但沒有給出具體的實現方案；姬五勝等[5-6]設計基于ZigBee和RFID技術的無線讀寫系統，系統具有較高的靈活性、較低的功耗、較遠的傳輸距離，但系統射頻芯片的工作頻段為13.56 MHz，電子標簽的讀寫距離受到限制。本研究將ZigBee透傳模塊與超高頻RFID讀寫器模塊相結合，設計一種無線特高射頻讀寫系統。ZigBee透傳模塊的主控芯片采用整合工業標準增強型8051MCU內核的CC2530芯片；特高頻RFID讀寫器的主控芯片采用與8051兼容的具有CIP-51內核的C8051F340芯片；特高頻芯片采用工作頻段為915 MHZ、由內部集成完整的對射頻信號調制；解調模塊及6C協議控制模塊的AS3992芯片[7-9]，識別距離達到10 m。在室外測試環境中，本系統傳輸鏈路的傳輸距離可達到170 m。該系統克服傳統讀寫系統的位置固定、識別距離短等缺點，使讀寫系統應用范圍不斷擴大。

1 讀寫系統的基本架構

本文設計的特高頻讀寫系統由硬件系統和軟件系統2部分組成。硬件系統由上位機、ZigBee協調器節點、ZigBee路由器節點、ZigBee終端節點和電子標簽組成。上位機的主要作用是發布讀寫指令，同時將ZigBee協調器節點傳輸來的數據經過分析處理后，在上位機軟件上顯示；ZigBee協調器節點的主要作用是建立和維護網絡，負責將上位機指令傳輸到已經形成的ZigBee網絡中，同時將接收的數據傳輸給上位機；ZigBee路由器節點的作用是轉發無線網絡數據；ZigBee終端節點的作用是根據ZigBee路由器傳輸來的指令控制RFID讀寫器對電子標簽的操作，同時將電子標簽返回的信息傳輸給ZigBee路由器；電子標簽主要由耦合元件和芯片組成，內置天線用于同射頻天線間的通信，存儲電子標簽卡號和相應物品信息，可粘貼或安裝在各種物品上。特高頻讀寫系統結構圖如圖1所示。

由圖1可知，上位機和ZigBee協調器節點通過串口連接，上位機向協調器節點發送讀寫指令，由ZigBee協調器節點和ZigBee路由器節點形成的網絡將上位機指令傳輸給ZigBee終端節點，終端節點按照上位機指令讀取電子標簽信息，并將電子標簽信息通過ZigBee網絡傳輸給上位機。

圖1 特高射頻讀寫系統結構圖

2 讀寫系統硬件設計

基于ZigBee和RFID技術的特高射頻讀寫系統的硬件設計主要包括：ZigBee終端節點的電路設計、ZigBee協調器節點的電路設計和路由器節點的電路設計。

2.1 ZigBee終端節點的電路設計

ZigBee終端節點從結構上可劃分為2個模塊：ZigBee透傳模塊和特高頻RFID讀寫器模塊。

2.1.1 ZigBee透傳模塊的電路

ZigBee透傳模塊的芯片采用CC2530，與讀寫器控制芯片C8051F340采用USART串口方式連接。ZigBee透傳模塊通過天線接收ZigBee路由器節點傳輸來的信號，經過濾波電路處理后，通過串口傳輸給讀寫器。同時，讀寫器的信號通過串口傳輸給ZigBee透傳模塊，再通過透傳模塊的天線發送給路由器節點。ZigBee透傳模塊電路圖如圖2所示。

2.1.2 特高頻RFID讀寫器模塊的電路

特高頻RFID讀寫器模塊從功能上分為控制模塊和射頻模塊?？刂颇K主控芯片為C8051F340，射頻模塊芯片采用AS3992。特高射頻RFID讀寫器電路圖如圖3所示。

由圖3知，C8051F340的P1.0～P1.7分別接AS3992射頻芯片的IO0～IO7引腳，AS3992的IRQ中斷控制引腳接C8051F340的外部中斷輸入引腳P0.3。經過AS3992調制的信號由引腳RFOPX和RFONX輸出，經過電感L3、L5和電容C12、C13及C28組成的LC匹配網絡后，再通過BALUN（平衡-不平衡變換器）轉為單端輸出信號，經外置PA芯片SPA2118進行放大。低通濾波器LFCN-1000D將已放大的信號分離出有用信號，經定向耦合器RCP890A05將信號通過天線發射出去。同理，由天線接收的信號，經BALUN（平衡-不平衡變換器）將單端信號轉為雙端差分信號，由射頻芯片AS3992的引腳MIX_INP、MIX_INN接收。

圖2 ZigBee透傳模塊電路圖

圖3 特高射頻RFID讀寫器電路圖

2.2 ZigBee協調器節點的電路設計

ZigBee協調器采用TI/Chipcon公司生產的CC2530芯片，該芯片整合IEEE 802.15.4/ZigBee RF收發機，其功耗較低[10]。安裝有LED指示燈，當ZigBee協調器節點上有數據接收時，相應的LED燈開始閃爍。

ZigBee協調器節點和上位機之間通過串口通信。由于CC2530芯片采用TTL電平，而上位機通信采用EIA電平，所以需要進行電平轉換以保證二者能進行有效的數據通信。

本設計采用USB轉串口芯片CH340G，實現上位機和ZigBee協調器間的電平轉換。CH340G芯片外接12 MHz的晶振，芯片的VCC引腳外接5 V電源，CH340G芯片的串口引腳RXD和TXD與ZigBee協調器連接。CH340G接口電路圖如圖4所示。

圖4 CH340G接口電路圖

2.3 ZigBee路由器節點的電路設計

ZigBee路由器節點包括射頻模塊、ZigBee模塊A、ZigBee模塊B和控制模塊。路由器節點控制模塊的芯片采用STC12C5A60S2_DIP40，該芯片具有雙傳輸通道，其VCC外接5 V電源；ZigBee模塊A和ZigBee模塊B分別與單片機STC12C5A60S2_DIP40的引腳P3.0、P3.1和P1.2、P1.3連接。射頻模塊實現對射頻信號的收發功能，ZigBee模塊A接收ZigBee協調器節點通過天線發送的指令，同時將ZigBee路由器節點接收的數據通過天線傳輸給ZigBee協調器節點；ZigBee模塊B將ZigBee路由器節點的信號向ZigBee終端發送，同時接收ZigBee終端節點傳輸來的數據。ZigBee路由器節點安裝有LED指示燈，當ZigBee路由器節點實現網絡形成和具體數據轉發功能時，相應的LED指示燈閃爍。ZigBee路由器節點電路圖如圖5所示。

3 系統軟件設計及測試

3.1 軟件系統設計

上位機和ZigBee終端節點中讀寫器之間的通信過程為：上位機通過串口向ZigBee協調器節點發送讀寫指令，協調器節點將指令通過ZigBee路由器節點傳輸給ZigBee終端節點。終端節點中的ZigBee透傳模塊將信息傳輸給讀寫器，由讀寫器的主控芯片通過串口將指令寫入到射頻芯片AS3992的FIFO寄存器中，射頻芯片內部啟動6C協議控制模塊，對數據進行編碼、調制后，再通過射頻天線發送出去。處于射頻場范圍內的電子標簽接收到指令，對指令信息進行分析、處理，最后將數據發送給讀寫器。上位機與讀寫器通信流程圖如圖6所示。

3.2 ALOHA防碰撞算法

當多個電子標簽同時進入射頻場范圍時，讀寫器在閱讀過程中會產生多電子標簽碰撞問題[11]。為消除多電子標簽碰撞，本設計采用ISO 18000-6C協議中的ALOHA算法。其原理是根據Q值判斷一次讀取的電子標簽數目。在實際應用中，由于在讀寫器讀寫范圍內的電子標簽數量不確定，讀寫器根據電子標簽不同的返回情況（無電子標簽應答、單電子標簽應答和多電子標簽應答等），不斷調整Q值大小，直至所有電子標簽識別成功。算法流程圖如圖7所示。

由圖7知，循環前Qfp值初始化為4.0；然后讀寫器發送select命令，處于讀寫范圍內的電子標簽將會被選擇；將Qfp的值代入函數 Q=round（Qfp），取整得到Q；讀寫器發送參數為Q值的Query命令，該命令對電子標簽啟動一個盤存周期，進入讀寫范圍內的電子標簽進行應答：①無電子標簽應答，根據公式Qfp=max（15，Qfp-C）調整Q值，返回到Query命令對電子標簽數目進行查詢；②單電子標簽應答，該電子標簽反向散射RNl6到讀寫器，進行應答，無碰撞發生；③多電子標簽應答，發生電子標簽碰撞，根據公式Qfp=max（15，Qfp+C）調整 Q 值，返回到 Query命令進行查詢，直至無碰撞發生。

3.3 測試結果

圖5 ZigBee路由器節點電路圖

圖6 上位機與讀寫器通信流程圖

圖7 ALOHA算法程序流程圖

為測試系統的穩定性和可靠性，分別對ZigBee協調器節點、ZigBee路由器節點、ZigBee終端節點間的傳輸距離、終端節點讀寫器對電子標簽的識別距離進行室內和室外測試。室內測試時，環境溫度為24℃，將ZigBee協調器節點、路由器節點和終端節點分別放置在不同的房間（房間以鋼筋混凝土墻相隔），對ZigBee協調器節點與ZigBee路由器節點及ZigBee路由器節點與ZigBee終端節點之間的傳輸距離進行測試，二者均達到20 m；室外測試時，環境溫度為18℃，測試對象與室內測試相同，二者均達到80 m。在室內、室外2種測試環境下，讀寫器對電子標簽的識別距離均達10 m。具體測試情況如表1所示（測試3次）。

表1 特高頻讀寫系統傳輸距離測試情況一覽表

由表1知，室內測試時，讀寫系統鏈路最遠傳輸距離達到50 m；室外測試時，讀寫系統鏈路最遠傳輸距離達到176.5 m。與饒緒黎等[12]設計的基于ZigBee技術的RFID讀卡系統相比，本系統的室內測量距離較短，其原因是室內測試環境復雜，導致無線信號在傳輸路徑上嚴重衰減。測試對比情況如表2所示。

表2 特高頻讀寫系統傳輸距離測試對比

經比較，本文提出的基于ZigBee和RFID技術的特高頻讀寫系統成本低、標簽數據的傳輸距離也較遠。該系統在傳輸距離上仍有提升空間，主要受以下幾個因素影響。

（1）讀寫系統中ZigBee節點的發射功率只有4.5dbm，發射功率小是ZigBee節點間通信距離受限的主要原因。如果系統采用大功率ZigBee模塊，將增大鏈路數據的傳輸距離。

（2）讀寫系統中協調器節點、路由器節點和終端節點之間的數據傳輸路徑僅有1條。如果增加終端節點和路由器節點形成RFID傳感器網絡拓撲結構，數據的傳輸距離將會增大。

（3）讀寫系統采用無源電子標簽，其能量來源于讀寫器發送的射頻信號，標簽內部將讀寫器發送的一部分射頻載波能量轉化為穩定電壓作為標簽的工作電壓。由于無源電子標簽的發射功率相對較小，使得讀寫器和無源電子標簽的通信距離受到了一定的限制。

4 結語

本文將特高頻RFID技術和ZigBee技術相融合，設計了一款可移動的特高頻無線RFID讀寫系統。通過測試，讀寫器對電子標簽的識別距離可達10 m；室外環境下，系統傳輸鏈路的傳輸距離達170 m，可實現較遠的傳輸距離。該系統部署靈活，可靠性高，彌補了高頻RFID讀寫器識別距離短的缺點，使讀寫系統應用范圍不斷擴大。通過增加終端節點和規劃網絡，可形成無線RFID傳感器網絡。該網絡可應用于大型教室的自動考勤管理，亦可應用在供應鏈管理、醫療、建筑、公共安全、軍事等領域。

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