張　光

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 咸陽　712000)

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一種基于ZigBee無線射頻識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張光

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 咸陽712000)

摘要：無線射頻技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與射頻識別技術(shù)的融合，對于傳統(tǒng)RFID技術(shù)主要通過串口來實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息傳輸，而在多點(diǎn)采集下造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)；ZigBee網(wǎng)絡(luò)多跳功能能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的信息傳輸，且能夠彌補(bǔ)RFID技術(shù)的不足，特別是在軍事應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)武器彈藥等軍用物資的準(zhǔn)確配送，并根據(jù)不同戰(zhàn)地應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行快捷、高效管理，降低管理復(fù)雜度，節(jié)約人力成本；分析RFID與ZigBee互通關(guān)鍵技術(shù)，選用CC2430無線射頻芯片實(shí)現(xiàn)電子識別；本系統(tǒng)具有價(jià)格低、功耗小、應(yīng)用場合適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無線射頻;識別系統(tǒng); ZigBee; CC2420

本文引用格式：張光.一種基于ZigBee無線射頻識別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，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(shù)據(jù)雙向通信的技術(shù)，與傳統(tǒng)條形碼技術(shù)相比更具有防水、可重復(fù)多次寫入、讀出數(shù)據(jù)、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(shè)中具有深遠(yuǎn)的應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中及時(shí)有效的獲取準(zhǔn)確信息是致勝關(guān)鍵，特別是在復(fù)雜戰(zhàn)地環(huán)境中，通過無線射頻識別技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)武器彈藥裝備信息的準(zhǔn)確采集和監(jiān)控，還可以為火控和精確制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確定位信息。然而在技術(shù)上，射頻識別通信方式為單跳、一對多、主從關(guān)系，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)則具有多跳與自組網(wǎng)功能，在技術(shù)部署上更具移動性和隨機(jī)性[1]。為此，通過對射頻識別與無線傳感技術(shù)的優(yōu)劣勢分析，從各自優(yōu)勢上來彌補(bǔ)各自不足，提出一種基于無線射頻的電子識別系統(tǒng)，即利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與RFID系統(tǒng)進(jìn)行組合，并從接口電路、通信方式、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)信息的自適應(yīng)采集。

1系統(tǒng)需求及方案優(yōu)化論證

1.1系統(tǒng)應(yīng)用需求分析

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中軍事信息化建設(shè)的目標(biāo)在于對戰(zhàn)場內(nèi)外各類情報(bào)信息的收集和處理，特別是在軍力、裝備布設(shè)及監(jiān)控上，對于各戰(zhàn)區(qū)重要資源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的安全、快速傳輸尤為重要。

傳統(tǒng)RFID技術(shù)對源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)需要完整的路徑，且因間歇性連接、不均勻連接、高傳輸延時(shí)等弊端，在原有TCP/IP協(xié)議中無法實(shí)現(xiàn)端到端的高效數(shù)據(jù)傳輸，盡管在路由協(xié)議等方面進(jìn)行了改進(jìn)，仍然存在大量的丟包問題[2]。無線射頻技術(shù)與RFID技術(shù)的融合，利用無線射頻技術(shù)中的存儲空間大、讀取速度快、遠(yuǎn)距離傳輸、穿透性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，從平衡資源消耗到減少時(shí)延約束上獲得較高綜合性能。如在飛機(jī)撒播、特種炮彈發(fā)射中，利用無線傳感器節(jié)點(diǎn)的布設(shè)，對陣地各類信息進(jìn)行收集，即便某一傳感器發(fā)生損壞而失效時(shí)，仍然能夠保障整個(gè)布防體系的穩(wěn)定性，完成信息處理任務(wù)。

在芯片選型上，本研究采用CC2430，其內(nèi)置8051CPU，性價(jià)比較高且應(yīng)用廣泛；讀寫卡芯片采用Philips推出的MFRC500，支持ISO14443A多種通信協(xié)議，且內(nèi)置發(fā)送單元，可以直接驅(qū)動讀寫天線與應(yīng)答機(jī)之間的通信[3]；RFID讀寫系統(tǒng)包括標(biāo)簽、讀卡器、接口電路及應(yīng)用軟件等部分，利用射頻脈沖進(jìn)行電子標(biāo)簽識別，也可以從射頻脈沖整流中獲得工作電壓；在數(shù)據(jù)解調(diào)中，利用接收射頻脈沖來解調(diào)數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制邏輯，依照控制邏輯實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)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(yīng)操作，如對于防沖突算法、對數(shù)據(jù)加密、解密，以及射頻卡身份驗(yàn)證等功能。其總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于ZigBee無線射頻系統(tǒng)組成框架圖

1.2系統(tǒng)優(yōu)化原則

ZigBee無線射頻技術(shù)通過底層IEEE802.15.4協(xié)議，可以滿足不同領(lǐng)域靈活、機(jī)動的開發(fā)需求，特別是ZigBee協(xié)議棧，能夠?qū)Πl(fā)送及接收的信息進(jìn)行加密，提升數(shù)據(jù)傳輸安全性。本系統(tǒng)從資源消耗及時(shí)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(shù)的并行，降低數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。如利用無線射頻存儲功能，通過數(shù)據(jù)集中管理，便于對無線射頻信號進(jìn)行雙向非接觸通信，滿足陣地現(xiàn)場多變、遠(yuǎn)距離通信要求，還能利用路由協(xié)議，優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸連接方式。

1.3路由協(xié)議分析

1.3系統(tǒng)平臺總體框架

從本系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)檐娪醚b備信息的采集、傳輸、處理，并針對戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢為軍事決策提供參考依據(jù)。其總體構(gòu)成分為3部分：一是通用上位機(jī)PC；二是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；三是RFID射頻系統(tǒng)。PC機(jī)負(fù)責(zé)對各類裝備信息的收集、傳輸、保存、處理及顯示，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)信息傳輸，特別是自組網(wǎng)功能能夠?qū)崿F(xiàn)對戰(zhàn)區(qū)各節(jié)點(diǎn)RFID模塊進(jìn)行整合，并完成數(shù)據(jù)傳輸通信；RFID射頻系統(tǒng)主要為現(xiàn)場采集，完成信息的讀寫和數(shù)據(jù)交換。其總體框架如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)平臺總體框架圖

2系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)

從無線射頻電子識別系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)來看，主要分3部分：一是PC機(jī)系統(tǒng)，主要從系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示、存儲、運(yùn)算、處理中與各子系統(tǒng)建立控制關(guān)系；二是ZigBee系統(tǒng)，利用自組網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)對某區(qū)域內(nèi)FRID的信息傳輸；三是RFID射頻模塊，主要完成對電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)采集，并與ZigBee系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)交換。

2.1ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件平臺選型

本研究采用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)，以TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片作為通信協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)處理芯片，并對其工作頻率進(jìn)行優(yōu)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(gè)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，在主模式下能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和信息采集，且能耗低、敏感度強(qiáng)。

2.2ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器是核心硬件，滿足無線網(wǎng)絡(luò)的建立、管理及節(jié)點(diǎn)信息的采集與存儲功能，并保障各信標(biāo)及路由間的良好通信。ZigBee協(xié)調(diào)器由CC2430芯片、無線收發(fā)天線、電源模塊、USB接口、串口、晶振復(fù)位模塊等組成，可以支持ZigBee協(xié)議，簡化接口電路設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。[5]其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　ZigBee協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)

在外圍電路設(shè)計(jì)上，主要從電源轉(zhuǎn)換、晶振電路、接口電路、復(fù)位電路等部分，提升無線射頻模塊的通用性。為優(yōu)化供電復(fù)雜度，采用USB直接供電，在電壓轉(zhuǎn)換中，采用TPS79530轉(zhuǎn)換芯片，如圖4所示，能夠滿足低功耗電壓調(diào)節(jié)功能[6]。在串口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)中采用SP232E芯片，能夠在3.3V電壓下正常工作，滿足ZigBee系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與RFID模塊間的雙驅(qū)動雙接受數(shù)據(jù)傳輸要求，其電路如圖5所示。

圖4　TPS79530電壓轉(zhuǎn)換原理圖

2.3ZigBee射頻節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

從無線射頻節(jié)點(diǎn)類型來看，有路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)是中繼設(shè)備，滿足規(guī)?；W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的數(shù)據(jù)傳輸。如圖6所示，路由節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上包括微處理器、無線收發(fā)天線、串口模塊、電源模塊等，并與RFID設(shè)備直接相連，且具有數(shù)據(jù)存儲和路由選擇功能。[7]對于ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，其功能相對較弱，主要負(fù)責(zé)對信息采集和識別，其結(jié)構(gòu)直接連接RFID刷卡識別。

圖5　SP232E串口轉(zhuǎn)換電路

圖6　路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

2.4RFID射頻模塊硬件設(shè)計(jì)

本研究采用的RFID射頻模塊，主要是由STC89C58RD+單片機(jī)，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(jìn)行連接，完成數(shù)據(jù)通信和控制功能[8]。同樣，在MF-RC500外圍電路設(shè)計(jì)中，利用Mifare卡來完成對電子標(biāo)簽信號的識別，接收來自串口的指令，完成讀寫卡任務(wù)。其射頻識別系統(tǒng)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(jìn)行工作時(shí)，MCU微處理器作為控制中樞，一方面實(shí)現(xiàn)對協(xié)議的解析，另一方面完成串口數(shù)據(jù)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(jìn)行無線信號的轉(zhuǎn)換。另外對PC發(fā)出的寫入數(shù)據(jù)指令進(jìn)行傳輸并寫入終端MIFare卡。

圖8　RFID射頻識別系統(tǒng)工作原理圖

3系統(tǒng)測試

由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及多個(gè)子模塊，在進(jìn)行系統(tǒng)測試時(shí)，主要從無線收發(fā)系統(tǒng)、射頻識別系統(tǒng)、以及通信功能3個(gè)方面進(jìn)行測試。

3.1無線收發(fā)系統(tǒng)的測試

對于本系統(tǒng)射頻收發(fā)模塊為CC2430，其數(shù)據(jù)格式支持IEEE801.15.4要求，其數(shù)據(jù)幀要求如表1所示。

表1　數(shù)據(jù)幀格式

芯片測試前首先進(jìn)行初始化，編寫程序完成對寄存器的配置，如定義包協(xié)議格式、寫入地址碼、開啟電壓調(diào)節(jié)器、設(shè)置緩沖器上下限，選擇傳輸信道等；在緩沖發(fā)送模式下，利用CC2430自帶緩存，將同步信息插入到幀中。當(dāng)幀定界符發(fā)送之后，從TXFIFO進(jìn)行獲取數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)傳輸后，TXFIFO自動追加到數(shù)據(jù)幀緩存中，當(dāng)檢測到STXON或STXONCCA指令，重新啟動數(shù)據(jù)傳輸。在緩沖接受模式中，首先檢測FIFO信號標(biāo)志位，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)，則從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，先記錄首字節(jié)，確定數(shù)據(jù)包的長度及結(jié)束幀，并對數(shù)據(jù)包的地址進(jìn)行解析，最后通過CRC校驗(yàn)，對于不是目標(biāo)幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄，在緩存溢出時(shí)進(jìn)行FIFO清除。從數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)來看，對于每幀數(shù)據(jù)都有地址，在地址配置測試上，首先需要對幀地址進(jìn)行判定，當(dāng)幀頭部地址為0XFF時(shí)則為廣播地址，當(dāng)發(fā)送地址與目標(biāo)地址匹配時(shí)則接收數(shù)據(jù)，不匹配時(shí)則丟棄[9]。Mac層地址格式如表2所示。

從測試結(jié)果來看，發(fā)射節(jié)點(diǎn)通常處于休眠狀態(tài)，在軟件喚醒后發(fā)送數(shù)據(jù)包到指定地址；對于接收節(jié)點(diǎn)，從收到數(shù)據(jù)包并進(jìn)行終端顯示，各系統(tǒng)均得到正確反饋。

3.2射頻識別系統(tǒng)的測試

對于射頻識別系統(tǒng)，在進(jìn)行測試時(shí)需要從串口測試讀卡器，并查看蜂鳴器工作狀態(tài)。[10]當(dāng)發(fā)出尋卡指令，讀卡器接收控制命令并執(zhí)行，將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳送至上位機(jī)，上位機(jī)將接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析并顯示結(jié)果。測試結(jié)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(tǒng)的無線射頻識別技術(shù)，需要將ZigBee終端與RFID模塊進(jìn)行通信，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作。[11]通信功能是通過串口來對RFID終端進(jìn)行控制的，如監(jiān)測RFID的工作狀態(tài)、發(fā)送指令、再由ZigBee系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)接收并回傳給上位機(jī)。在具體通信過程中，讀卡器首先監(jiān)聽到卡信息，將數(shù)據(jù)進(jìn)行封包，依照ZigBee數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行傳輸給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包傳送給上位機(jī)。[12]通信功能的測試，關(guān)鍵是監(jiān)聽來自緩沖區(qū)的指令，并對電子標(biāo)簽進(jìn)行判定是否在射頻范圍內(nèi)，如果標(biāo)簽信息符合條件，則進(jìn)行讀取并發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝后傳送給協(xié)調(diào)器，經(jīng)由串口發(fā)送給上位機(jī)，最后在調(diào)試窗口進(jìn)行顯示。測試結(jié)果顯示，系統(tǒng)初始化后啟動終端節(jié)點(diǎn)并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，讀卡器蜂鳴器響則表示狀態(tài)正常，啟動終端進(jìn)入接收狀態(tài)，當(dāng)探測到符合射頻場范圍的Mifare卡片時(shí)，將反饋80T(t)指令，并經(jīng)由串口發(fā)送至終端，在經(jīng)由無線傳輸給上位機(jī)并顯示；當(dāng)發(fā)出尋卡指令時(shí)，蜂鳴器響，探測到卡信息并讀取，經(jīng)數(shù)據(jù)解析發(fā)送給ZigBee終端，再經(jīng)由ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)包封裝，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，解析后發(fā)送卡信息到上位機(jī)，最終在調(diào)試窗口進(jìn)行顯示，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)語

基于ZigBee無線技術(shù)的研究，在軍事領(lǐng)域自主研發(fā)的產(chǎn)品相對較少，本文提出的ZigBee與RFID技術(shù)的相互通信及關(guān)鍵技術(shù)整合方案，能夠從芯片選擇、電源電壓轉(zhuǎn)換電路及軟件測試中完成對各模塊功能的對比研究，彌補(bǔ)了這項(xiàng)技術(shù)的不足，驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。無線通信中的電子識別技術(shù)作為軍事信息化建設(shè)的重要內(nèi)容，在提升武器裝備水平和實(shí)現(xiàn)軍事管理用途方面，對于提升國防安全、提高軍事戰(zhàn)斗力具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

收稿日期：2016-01-22；修回日期：2016-02-25

基金項(xiàng)目：陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目資助(14KCGG-054)

作者簡介：張光(1984—)，男，講師，主要從事電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)庫等研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.024

中圖分類號：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)與控制工程】