基于RFID无线传感网的智能家庭安防巡逻定位系统的设计

　　RFID(RadioFrequencyIdentification)是一种非接触式自动识别技术,其原理是利用射频方式进行非接触双向通信,实现对物体的自动识别。由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点,RFID技术强有力地推动家庭自动化、工业自动化、现代物流等领域的发展;ZigBee是一种新兴的近距离无线组网技术,是实现无线传感器网络的一种组网协议。利用ZigBee技术组建由大量节点组成的面向任务的分布式网络,通过各类微型传感器对信息目标进行实时监测,并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。本文通过RFID和WSN的融合组建RFID无线传感网,并将其应用于家庭智能安防系统。

　　传统有线安防系统存在布线难、成本高以及布防撤防不方便的缺点,难以满足人们越来越高的安防需求。基于RFID无线传感网组建智能安防系统能有效解决上述问题,RFID主要实现家庭安防智能小车的巡逻定位,WSN完成家庭环境参数的分布式智能监控。该系统既继承了RFID技术自动识别目标的特性,同时实现了无线传感器网络主动感知与通信的功能[326]。本系统设计了带有移动路由器的自适应星型网络,既保证家庭安防系统的实时性,又避开了复杂的网络拓扑结构,从而提高了家庭安防系统的整体性能。

　　1　系统的总体架构

　　本系统的整体设计架构如图1所示,是以智能家庭网关为中心协调器组建ZigBee星型网络。家庭环境中安装各种安防监测模块节点,一旦监测到异常情况,立刻将警情的具体信息发送到家庭智能网关,家庭智能网关根据具体情况进行相应的警情处理,如进行无线报警、现场报警或派遣巡逻小车对警情作进一步的探测;智能巡逻小车是网络中的移动节点,充当移动路由器,同时可以根据家庭智能网关的指令对家庭环境内有可能出现警情隐患的区域进行更为详细的监控;而贴上智能RFID标签的物体主要用于智能小车的巡逻定位。

图1　系统架构

　　1.1　RFID无线传感网定位原理

　　家庭安防系统首要关心的问题就是,在什么位置或区域发生了什么事件,而实际中巡逻小车的定位只须确定以下三个问题,我在哪里?我要到哪里?该怎么走?在本系统中,采用了一种以RFID标签为路标,用WSN来导航的巡逻定位方法。

　　在家庭中的一些固定物体(如沙发、桌子、椅子和书柜等)以及某些重要位置贴上无源RFID标签,这些就是家庭环境中的位置路标。安装RFID读卡器的家庭小车在家庭环境中进行巡逻,一旦监测到周围有RFID标签,立刻停止前进,读取RFID标签,并通过无线传感器网络将标签值发给家庭智能网关。每个RFID标签的具体位置、与其相邻RFID标签位置信息以及各个RFID标签之间的相对位置关系都以位置表、邻居表和导航表的形式预先存储在家庭智能网关中,家庭智能网关根据具体巡逻任务、当前RFID标签值并结合这三张表的信息就可以为智能巡逻小车进行导航。

　　1.2　家庭智能网关

　　如上图1所示,智能家庭网关处在智能家庭网络的中心位置,是通信、决策、报警的核心。家庭智能网关一方面利用ZigBee网络,对布防在家庭中的各个安防监测模块节点进行环境数据采集和处理,同时实现家庭内部网络设备的管理和控制;另一方面通过GSM模块实现与外网用户的远程通信。当安防监测模块节点监测到警情出现时,家庭智能网关通过GSM模块向远端用户发送报警短信或拨打报警电话。

图2　家庭智能网关原理框图

　　1.3　安防监测模块节点

　　各类安防监测模块节点部署在家庭环境中可能出现安全隐患的区域,根据监测环境参数的不同,原理上略有区别,但基本上都是由安防传感器(温度、湿度、烟雾、红外以及振动)和CC2430射频模块组成。

图3　安防监测模块节点框图

　　1.4　智能巡逻小车

　　如图4所示为智能巡逻小车的原理框图,设计的智能巡逻小车是在飞思卡尔公司提供的微型赛车的基础上装上CC2430射频模块、RFID读卡器、摄像头以及温度、烟雾等家庭安防传感器。

图4　智能小车原理框图

　　智能巡逻小车在家庭安防系统中主要有以下几个功能:

　　①智能巡逻小车充当家庭安防传感器网络的移动路由节点。ZigBee星型网精简了系统设计,但每个节点都只能和家庭智能网关通信。在实际家庭环境中,卧室内的安防节点发射的信号由于受到内墙及室内障碍物的影响,导致客厅中的家庭智能网关接收到的信号很弱,而增加多个路由节点又会增加网络的复杂度,本系统采用在网络中增加一个移动路由节点解决这个问题。在一定时间内没收到回复信号,家庭智能网关命令巡逻小车作到特定的位置(由RFID标签标识)采集信号较弱的节点数据,再转发给家庭智能网关。
　　②智能巡逻小车上装有各种安防传感器,执行巡逻任务时,对各个有安全隐患的区域进行一次更为仔细监控,比如对煤气管道附件的区域进行一次全面燃气泄漏检测。
　　③当某个安防监测模块节点监测到有警情状况时,家庭智能网关导航智能小车去现场详细巡逻,以确定是否由于环境干扰信号造成的误报警,一旦确定警情出现,开启摄像头进行现场拍照。

　　2　主要功能模块硬件设计

　　2.1　CC2430射频模块设计

　　射频模块设计采用TI公司的CC2430(见图5)和CC2591功放的结合,CC2430延用了以往CC2420芯片的架构,芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器;CC2591集成了功率放大器、低噪声放大器、平衡转换器(balun)、交换机、电感器和RF匹配网络等,最大输出功率可以达到22dbm,灵敏度可以提高6dbm。根据CC2591已经包含了RF匹配网络的特点,所以在RF输入/输出部分,不需要增加额外的匹配网络,从而使电路设计变得简单。

图5　CC2430射频模块硬件图

　　2.2　RFID读卡器模块设计

　　图6所示为RFID读卡器原理框图,在CC2430射频模块上扩展RFID读卡模块,RFID主芯片选择飞利普公司的CLRC632。

图6　读卡器组成框图

　　射频芯片RC632与CC2430的连接方式选择了独立的读/写选通模式。在该模式下CLRC632的连接方式见图7。该读卡IC利用了先进的调制和解调概念,完全集成了在13156MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。本设计采用的RFID通信协议是IEC15693协议。

图7　独立读/写选通模式下RC632的连接方式

　　CC2430通过端口P0与CLRC632的数据总线相连,可实现与无线射频芯片RC632之间的命令与数据的传递。CC2430的引脚P210和引脚P211分别与CLRC632的NWR引脚和NRD引脚相连,分别控制RC632的数据的写入和读取。同时,将CC2430的P112作为RC632的片选信号的输入端,该端口低电平有效。RSTPD引脚为复位和掉电引脚,当为高时,停止输入端并与外部断开,该引脚信号的下降沿触发芯片复位,用引脚P116控制。

　　3　系统测试分析

　　系统设计并实现了CC2430射频模块和RFID读卡器模块(如图8右图)。如图9为在CC2430射频模块基础上扩展设计家庭智能网关,正面为CC2430模块,背面为TC35iGSM模块;图8左图为安装上CC2430射频模块和RFID读卡器的智能巡逻小车。

图8　系统实物

　　在实验室环境下模拟家庭环境对系统性能进行了一些测试,下面是对测试结果的一些分析结论:
　　①CC2430射频模块在室内无障碍物情况下有效通信距离为50m以内,遇实体障碍物信号衰减严重。
　　②RFID读卡器有效读卡距离在15cm以内,读卡速率为5card/s。
　　③智能巡逻小车在以015m/s低速前进时能识别RFID标签,并能完成从一个RFID标签到另一个RFID标签的定位。
　　④发送GSM短消息实现远程无线控制和报警。

图9　家庭智能网关

　　4　结束语

　　无线传感器网络和RFID技术都是当今的研究热点,两者相结合组成RFID无线传感网可以以更低的成本应用于物流和供应链管理、生产制造和装配、遥感勘测、抢险、安防等领域。本文针对目前家庭安防系统中存在的问题,设计了一种基于RFID无线传感网的智能家庭安防系统,同时该设计对其他类似扩展应用也具有一定的参考价值。