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基于 ZigBee 技术的 RFID 系统的设计
作者：王兰红
来源：RFID世界网
日期：2010-02-02 14:23:19
摘要：现有的RFID(Radio Frequency Identification system，射频辨识系统)技术存在数据安全性不高、识别距离短、设备成本高以及读写系统工作灵活性不强等问题。为了解决RFID技术的上述问题，将ZigBee技术引入RFID系统中，使得基于ZigBee技术的无线射频识别系统有了明显的改良。从远距离RFID系统的设计要求、工作原理着手，提出了该系统的总体设计方案。文章实现了远距离RFID系统的软硬件设计，解决了现有RFID系统的一些弊端，拓宽了该系统的应用范围，并对该技术的发展和应用前景作了展望。
1 引言
RFID是一种非接触式的自动识别技术，是现在使用的条形码的无线版制本，它通过射频信号自动识别日标对象并获取相关数据，具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签 数据口可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。RFID技术在国外的发展较早也较快，尤其在美国 、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的RFID系统。其中，低频近距离RFID系统主要集中在125kHz、13．56MHz系统；高频远距离RFID系统主要集中在UHF频段(902MHz-928MHz)915MHz、2．45GHz、5．8GHz。在RFID技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波RFID电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。与同外RFID先进技术之间的差距主要体现在RF1D芯片技术方面。现有的RFID技术仔在数据，炙全性不高、识别距离短、设备成本高以及读写系统 作灵活性不强等问题。鉴于上述情况，本课题将ZigBee技术融入到RFID中，设计了基于了ZigBee的远距离RFID系统。
2 RFID系统的硬件设计
本系统由以下三部分组成：应答器、读卡器和上位机。应答器相当于传统的RFID系统中的射频卡，主要存储所管理物品的信息，不同的是它为有源卡；读卡器读取应答器中的信息，并将所读取的信息经有线或无线方式传输给上位机，对本系统进行统一管理。其总体方案设计如图1所示。
本课题选用Chipcon公司的CC2420作为本系统的无线通信器件。CC2420是Chipcon AS公司推Ⅲ 的首款符合2．4GHz 1EEE 802．15．4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是市场j二第一款适用于ZigBee产品的RF器件。CC2420 片是基于Chipcon公司的Smart RF 03技术，采用0．18微米CMOS工艺制作。该芯片具有很高的集成度，几乎不需要外部元件，坚实耐用、功耗低。CC2420芯片可以用于ZigBee所定义的全功能设备(Full Flunction Devices，FFD1和简约功能设备(Reduted Function Decices．RFD)上。
2.2系统对微控制器的要求
ZigBee协议栈对系统微控制器的要求有：至少8位微控制器，完全协c义栈所需的ROM为32K，简单功能节点协c义栈所需的ROM为6K。读卡器和应答器对内存的需求分别为四十几兆、几兆的空间，再结合芯片价格、开发难易程度等特点，
采用JATMEL公司的AVR系列单片机AT lnega 16L和AT mega 64L比较合适。AT lnega 16L、64L足挚下增强AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，该控制器的数据吞吐率高达1MIPS／MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
2．3实际工作电路
本系统电路如图2、3所示，分别为应答器和渎卡器。读卡器最终要完成与上位机的通信，所以本设计应用串口协议转换芯片AD101完成两台设备的数据传输。
无线网络的软件设计是实现远距离RFID系统必不可少的部分，本课题所涉及的软件部分重点包括以下两方面：
(1)读卡器，也就是主节点，主要是Atmega 64L与Atmega16L，以及MCU与无线模块通信的收发程序。
(2)应答器，也就是终端节点，实现终端节点与丰节点的数据交换。在设计各部分程序之前，首先要了解Chipcon公司的CC2420开发平台通讯协议的模型结构和所使用的编程工具，以及本系统中无线网络系统软件的特点。
3．1读卡器的软件设计
读卡器是整个无线网络的管理员，它将负责网络的建立、地址的分配和成员的加入、节点设备数据的更新、设备关联表的维护并根据网络的状况自动更新。ZigBee网络要求至少一个FFD作为网络主节点。要建立一个网络，第一个节点必须被配置成主节点，这样才能管理以后添加到网络的其它节点。由于主节点处于网络的最上层，功能复杂，因此时主节点的硬件配置也有较高的要求，主节点一般是由电源供电。本课题中读卡器相当于整个网络的主节点，而应答器作为终端节点。一旦主设备将节点设备同网络连接，便可以实现通信。图4为在网络建立成功的基础上读卡器的工作流程图。
3．2应答器的软件设计
应答器(终端节点)是ZigBee网络结构中最简单的一种，它可以是一个FFD也可以是一个RFD。它不支持路由功能，只能与一个上层节点(路南或协凋器)通信。由于不需要与临近节点协调以产生路由功能，终端节点可以离线工作(如关闭收发器) 而不影响网络的连通性。终端节点是整个网络的尾端，它是南嵌入各个设备中的通讯模块和设备共同组成的，这样的设备具有网络功能，可以响应网络的请求。图5是本课题设计的远距离RFID系统中应答器的软件工作流程图。
4 实验测试
为了试验电路板的工作稳定性能以及在普通环境下的无线传输中的丢包率。设计了一个测试方案，方案如下：编写了一个发包收包软件，通过PC、凄卡器给应答器发包，应答器收到包后， 即回发，读卡器回收到包后，通过串口传给PC，接收到的数据再通过超级终端显示。读卡器、应答器在使用时需要外加一载板，载板上提供3．3V电源与RS232的接口以便传递数据。CC2420按上述结构所配置，当传输数据AA时接收端St)口输出的波形为图6所示。
经过反复实验，本课题所设计的应答器可以很方便地加入、退出读卡器网络，识别时无需方向配置，经读卡器发送和接收的数据显示准确，无线通讯距离可达50米，在加入功放的前提下，通讯距离可达到2000米，垂直传输可穿越三 、四层楼板。
5 结束语
本课题将其融入到现有的RFID系统中，设计了基于zigBee的远距离RFID系统。设计了远距离RFID系统的硬件电路，主要包括有源应答器和读卡器部分。完成了读卡器作为主节点组网，应答器作为子节点加入网络，读卡器和应答器相互通信的软件设计。本文所设计的远距离RFID系统在市场上尚无同类产品问世，由于技术的通用性，该系统的研制将为其它基于ZigBee无线通信技术的产品研制开发提供可借鉴之处。
RFID是一种非接触式的自动识别技术，是现在使用的条形码的无线版制本，它通过射频信号自动识别日标对象并获取相关数据，具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签 数据口可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等优点。RFID技术在国外的发展较早也较快，尤其在美国 、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的RFID系统。其中，低频近距离RFID系统主要集中在125kHz、13．56MHz系统；高频远距离RFID系统主要集中在UHF频段(902MHz-928MHz)915MHz、2．45GHz、5．8GHz。在RFID技术研究及产品开发方面，国内已具有了自主开发低频、高频与微波RFID电子标签与读写器的技术能力及系统集成能力。与同外RFID先进技术之间的差距主要体现在RF1D芯片技术方面。现有的RFID技术仔在数据，炙全性不高、识别距离短、设备成本高以及读写系统 作灵活性不强等问题。鉴于上述情况，本课题将ZigBee技术融入到RFID中，设计了基于了ZigBee的远距离RFID系统。
2 RFID系统的硬件设计
本系统由以下三部分组成：应答器、读卡器和上位机。应答器相当于传统的RFID系统中的射频卡，主要存储所管理物品的信息，不同的是它为有源卡；读卡器读取应答器中的信息，并将所读取的信息经有线或无线方式传输给上位机，对本系统进行统一管理。其总体方案设计如图1所示。
本课题选用Chipcon公司的CC2420作为本系统的无线通信器件。CC2420是Chipcon AS公司推Ⅲ 的首款符合2．4GHz 1EEE 802．15．4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是市场j二第一款适用于ZigBee产品的RF器件。CC2420 片是基于Chipcon公司的Smart RF 03技术，采用0．18微米CMOS工艺制作。该芯片具有很高的集成度，几乎不需要外部元件，坚实耐用、功耗低。CC2420芯片可以用于ZigBee所定义的全功能设备(Full Flunction Devices，FFD1和简约功能设备(Reduted Function Decices．RFD)上。
2.2系统对微控制器的要求
ZigBee协议栈对系统微控制器的要求有：至少8位微控制器，完全协c义栈所需的ROM为32K，简单功能节点协c义栈所需的ROM为6K。读卡器和应答器对内存的需求分别为四十几兆、几兆的空间，再结合芯片价格、开发难易程度等特点，
采用JATMEL公司的AVR系列单片机AT lnega 16L和AT mega 64L比较合适。AT lnega 16L、64L足挚下增强AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，该控制器的数据吞吐率高达1MIPS／MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
2．3实际工作电路
本系统电路如图2、3所示，分别为应答器和渎卡器。读卡器最终要完成与上位机的通信，所以本设计应用串口协议转换芯片AD101完成两台设备的数据传输。
无线网络的软件设计是实现远距离RFID系统必不可少的部分，本课题所涉及的软件部分重点包括以下两方面：
(1)读卡器，也就是主节点，主要是Atmega 64L与Atmega16L，以及MCU与无线模块通信的收发程序。
(2)应答器，也就是终端节点，实现终端节点与丰节点的数据交换。在设计各部分程序之前，首先要了解Chipcon公司的CC2420开发平台通讯协议的模型结构和所使用的编程工具，以及本系统中无线网络系统软件的特点。
3．1读卡器的软件设计
读卡器是整个无线网络的管理员，它将负责网络的建立、地址的分配和成员的加入、节点设备数据的更新、设备关联表的维护并根据网络的状况自动更新。ZigBee网络要求至少一个FFD作为网络主节点。要建立一个网络，第一个节点必须被配置成主节点，这样才能管理以后添加到网络的其它节点。由于主节点处于网络的最上层，功能复杂，因此时主节点的硬件配置也有较高的要求，主节点一般是由电源供电。本课题中读卡器相当于整个网络的主节点，而应答器作为终端节点。一旦主设备将节点设备同网络连接，便可以实现通信。图4为在网络建立成功的基础上读卡器的工作流程图。
3．2应答器的软件设计
应答器(终端节点)是ZigBee网络结构中最简单的一种，它可以是一个FFD也可以是一个RFD。它不支持路由功能，只能与一个上层节点(路南或协凋器)通信。由于不需要与临近节点协调以产生路由功能，终端节点可以离线工作(如关闭收发器) 而不影响网络的连通性。终端节点是整个网络的尾端，它是南嵌入各个设备中的通讯模块和设备共同组成的，这样的设备具有网络功能，可以响应网络的请求。图5是本课题设计的远距离RFID系统中应答器的软件工作流程图。
4 实验测试
为了试验电路板的工作稳定性能以及在普通环境下的无线传输中的丢包率。设计了一个测试方案，方案如下：编写了一个发包收包软件，通过PC、凄卡器给应答器发包，应答器收到包后， 即回发，读卡器回收到包后，通过串口传给PC，接收到的数据再通过超级终端显示。读卡器、应答器在使用时需要外加一载板，载板上提供3．3V电源与RS232的接口以便传递数据。CC2420按上述结构所配置，当传输数据AA时接收端St)口输出的波形为图6所示。
经过反复实验，本课题所设计的应答器可以很方便地加入、退出读卡器网络，识别时无需方向配置，经读卡器发送和接收的数据显示准确，无线通讯距离可达50米，在加入功放的前提下，通讯距离可达到2000米，垂直传输可穿越三 、四层楼板。
5 结束语
本课题将其融入到现有的RFID系统中，设计了基于zigBee的远距离RFID系统。设计了远距离RFID系统的硬件电路，主要包括有源应答器和读卡器部分。完成了读卡器作为主节点组网，应答器作为子节点加入网络，读卡器和应答器相互通信的软件设计。本文所设计的远距离RFID系统在市场上尚无同类产品问世，由于技术的通用性，该系统的研制将为其它基于ZigBee无线通信技术的产品研制开发提供可借鉴之处。
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