基于ZigBee網絡傳輸的雙頻RFID讀寫器設計

張 巍，趙 光

（天津職業技術師范大學電子工程學院，天津 300222）

RFID（radio frequency identification）技術是興起于20世紀90年代的一種自動識別技術，現早已被大多數人熟知。其主要功能是通過一些先進的技術手段，使人們在不同狀態下對各類物體或設備進行自動識別和管理。隨著科學技術的不斷發展，RFID技術逐漸進入了人們的生活中，在安全、管理、交通、物流和生產等領域都可以發現它的身影[1]。RFID技術的應用，很大程度地提高了工作效率，降低了成本，對提升社會信息化水平、提高人們的生活質量、增強公共安全等方面都具有深遠的影響。然而，目前的讀寫器只有單一工作頻率，在某些場合會有很多局限性。針對此問題，本文設計了基于MSP430的雙頻讀寫器。該讀寫器主要應用在物流管理、物品管理、交通管理等系統中[2-3]。該讀寫器只有識別超高頻和微波2種頻段的功能，可選擇性地采用其中1種頻率工作，也可在某些特殊情況下同時工作。系統工作時能自動檢測范圍內所有設備上的電子標簽，進行設備信息的讀取，經過處理后發送到上一層的PC機或其他設備上。該讀寫器還具有數據容量大、適應環境能力強、安全可靠性高、多個標簽同時讀寫等特點。因此，可以應用到物流等領域，利用電子標簽對有價值的物品進行監管。

1 系統架構

1.1 讀寫器系統

RFID是一種通信技術，以非接觸的方式自動讀取某個范圍內電子標簽發出的無線信號。一個完整的RFID系統，由電子標簽、閱讀器及上位機軟件組成。根據電子標簽是否內置電池可分為有源標簽和無源標簽，有源標簽輻射距離較遠。讀寫器一般安裝在固定位置，可以接收電子標簽發送來的信息，電子標簽會發送固化在其內部的唯一的識別編碼[4]。

目前市場上的一些雙頻讀寫器主要有以下3種：低頻讀寫器與中高頻讀寫器組合；中高頻讀寫器與超高頻讀寫器組合；超高頻讀寫器與微波讀寫器組合[5]。但是采用超高頻與微波讀寫器組合的雙頻讀寫器較少。因為在某些物品管理、物流管理等場合中出現頻率和距離問題，例如在某些閘門的車輛、集裝箱自動識別等應用中要求系統識別電子標簽距離10 m～20 m（915 MHz可滿足），而在空曠廠房或廠區則要求系統識別電子標簽距離100 m～200 m為佳（2.4 GHz可滿足）。因此，在不同的應用環境應選擇不同的工作頻率。本設計選用超高頻915 MHz讀寫器與微波2.4 GHz讀寫器相結合，它們都具有識別距離較遠、主動讀卡、可大量讀取等優點。

本設計的主硬件電路以MSP430F5529單片機為核心，整個系統由MCU核心電路、超高頻讀寫模塊電路、微波讀寫電路、通信接口電路以及4個超高頻電子標簽模塊電路和4個2.4 GHz電子標簽模塊電路組成。

1.2 傳輸系統

ZigBee技術是基于IEEE802.15.4標準，具有超低成本、超低功耗的特性，并能以Mesh的方式組成大規模的無線網絡，1個ZigBee無線傳感器網絡最多可支持65 536個節點[6]，它廣泛用于無線傳感器網絡、工業自動化、軍事信息化、家庭網絡等方面。本設計使用了Mesh網絡模式，即用短距離無線技術，將RFID讀寫器通過ZigBee透傳的方式以Mesh組網模式連接起來，可以實現多個RFID讀寫器協同工作。在此基礎上，利用簡單的通信接口與計算機對接，實現遠程監測與操控的功能[7]。使用ZigBee網絡傳輸數據其成本低，功耗小；配置簡單，組網靈活，無線配置；容量大，有較強的可擴展性和開放性，可隨需增減；延時短，速度快，數據傳輸安全可靠，可加密。傳輸系統總體設計原理如圖1所示。

圖1 傳輸系統原理圖

2 硬件設計

本文設計的RFID讀寫器主要由讀寫器MCU模塊、超高頻射頻模塊、微波射頻模塊和數據傳輸模塊組成。讀寫器的微控制器采用低功耗MSP430F5529單片機；射頻部分核心器件采用頻率為915 MHz的nRF905芯片與頻率為2.4 GHz的nRF24L01+無線收發器芯片；ZigBee網絡傳輸部分的核心芯片采用德州儀器的CC2530芯片。

2.1 讀寫器MCU模塊

MSP430F5529單片機是一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器，具有128 kB閃存、8 kB RAM、USB接口、3個 Timer_A 塊、1個 Timer_B塊、16通道 12位 ADC、2 個 USCI（UART/SPI/I2C）塊、63個I/O接口，系統時鐘最高達25 MHz[8-9]。讀寫器具有JATG接口，可用于完整的4線編程和調試。MSP430F5529單片機共有8組雙向可編程I/O接口，所有IO接口可內部設置上拉、下拉，可以推挽輸出。另外，幾乎所有的I/O接口上都有復用功能，主要包括定時器比較輸出、系統時鐘輸出、SPI接口、串口、I2C接口、USB接口、AD輸入口、比較輸入口、晶振接口。

2.2 超高頻射頻模塊

超高頻讀寫部分是由nRF905無線模塊組成，使用SPI接口進行通信。nRF905芯片是挪威NORDIC公司推出的一款無線數據傳輸芯片，可根據寄存器設置工作于433/868/915 MHz任意1個頻段上。芯片內集成了功率放大器、頻率調制器、晶體振蕩器、帶解調器的接收器、調節器等。其供電范圍為1.9～3.6 V，功耗低，可通過SPI接口與MCU連接，輸出最高功率為10 dBm。

2.3 微波射頻模塊

微波射頻模塊采用nRF24L01+芯片。該芯片是挪威NORDIC公司推出的一款工作于2.4 GHz的ISM頻段上的無線數據傳輸芯片。芯片內集成了功率放大器、頻率調制器、晶體振蕩器、帶解調器的接收器和調節器等。其電源供電范圍為1.9～3.6V，功耗低，可通過SPI接口與MCU連接，輸出功率最大為0 dBm，最大傳輸速率為2 Mbps。微波讀寫部分由nRF24L01+無線模塊組成，使用SPI接口進行通信。

2.4 數據傳輸模塊

德州儀器生產的CC2530芯片結合了RF收發器的優良性能，可在低成本的條件下構建一個強大的網絡。芯片內部具有1個增強型8051處理器核，在系統內具有可編程的閃存和許多其他強大的功能。在存儲容量上，CC2530具有4個不同的版本（CC2530F32/64/128/256），每個版本的閃存容量分別為32 kB、64 kB、128 kB、256 kB。為適應超低功耗要求的系統，CC2530具有多種運行模式，各模式之間根據功耗的要求進行切換。本文設計的讀寫器選用的芯片型號為CC2530F256，其中結合了德州儀器的ZigBee協議棧，可提供一個強大和完整的ZigBee解決方案[10]。ZigBee模塊如圖2所示。

圖2 ZigBee模塊框圖

3 軟件設計

本文設計的雙頻RFID讀寫器的軟件主要由2部分組成，即RFID業務控制部分與ZigBee數據傳輸部分。RFID業務控制部分主要由電子標簽的識別、電子標簽信息的修改等程序組成，ZigBee數據傳輸部分使用TI提供的Z-stack協議棧軟件，在協議棧軟件的基礎上實現數據傳輸。

3.1 RFID業務控制軟件設計

根據設計要求，RFID業務控制程序流程如圖3所示。系統上電后，單片機對I/O接口、通信接口、定時器等程序進行初始化，然后等待上位機指令，根據不同指令執行不同功能。主要包括標簽識別、標簽信息讀取、標簽信息修改3個主要功能。

標簽識別程序為：接收到標簽識別指令后，單片機控制無線模塊對所有電子標簽依次進行查找，檢測所有標簽的狀態。如果監測不到某個標簽或連接不成功，則視為標簽識別失敗并統計次數，達到一定次數后則判定該標簽不在線，繼續查找下一個標簽，最后將各個標簽所在的狀態返回到上位機中。

標簽信息讀取程序為：接收到信息讀取指令后，單片機控制無線模塊對相應電子標簽進行查找，監測到標簽在線后進一步讀回標簽內部的設備信息，加以處理后返回到上位機中。如果監測不到標簽或連接不成功，則視為標簽識別失敗并統計次數，達到一定次數后則判定該標簽不在線，返回標簽不存在的消息到上位機中。

圖3 RFID業務控制程序流程

標簽信息修改程序為：接收到標簽修改指令后，單片機控制無線模塊對相應電子標簽進行查找，監測到標簽在線后進一步修改標簽內部的設備信息，并返回修改成功標志到上位機中。如果監測不到標簽或連接不成功，則視為標簽識別失敗并統計次數，達到一定次數后則判定該標簽不在線，返回標簽不存在的消息到上位機中。

3.2 ZigBee傳輸軟件設計

傳輸模塊程序流程如圖4所示。

3.2.1 協調器網絡組建

網絡的建立過程是由ZDO（ZigBee Device Object，ZigBee設備對象）來實現的，ZDO是一種應用，它利用網絡層和應用支持子層的服務來實現協調器、路由器和終端設備其中之一個設備角色。網絡建立后，在應用層收到ZDO_STATE_CHANGE消息，該消息中包含了當前節點的網絡狀態[12]。網絡建立的過程描述如下：

圖4 傳輸模塊程序流程

3.2.2 ZigBee協議棧串口透傳分析

在ZigBee協議棧中已對串口初始化所需要的函數進行了編寫，用戶只需設定幾個參數便可以使用串口，此外ZigBee協議棧還編寫了串口的讀取函數和寫入函數。ZigBee協議棧提供與UART相關的函數如下：

3.2.3 主體程序

程序設計主要包括協調器程序和終端設備程序設計。協調器軟件流程如圖5所示，終端設備軟件流程如圖6所示。協調器設備作為ZigBee設備1，終端設備作為ZigBee設備2。協調器設備上電初始化后，首先建立ZigBee無線網絡，進入操作系統判斷應用層事件SampeApp_CMD_SERIA_MSG是否發生，如果發生，執行串口處理函數SampeApp_SeriaCMD（）將串口傳來的信息通過射頻收發器以射頻的方式發送出去；接著判斷事件AF_INCOMING_MSG_CMD接收無線數據是否發生，如果發生，將接收到的無線數據通過串口發送給PC機顯示。終端設備上電初始化后，發現并加入到協調器產生的網絡中，進入操作系統后，事件處理與協調器的操作過程相同。

圖5 協調器的軟件流程

圖6 終端設備的軟件流程

4 結 語

本文設計了一款基于ZigBee網絡傳輸的RFID雙頻讀寫器并對系統的原理、硬件組成以及軟件設計進行了介紹。其傳輸模式采用了ZigBee網絡，該網絡是一種比較新型的讀寫傳輸模式，省去了傳統的有線傳輸系統布線的過程，是對各種物資管理的先進化、合理化發展的一種有益探索。本設計操作簡單，成本低，性能穩定，有2種工作頻段可供選擇，能廣泛應用于安全、管理、物流等領域，提高了工作效率，節約了人力資源，實現了智能化管理。