基于 ZigBee 技術的 RFID 系統(tǒng)的設計

　　RFID是一種非接觸式的自動識別技術，是現在使用的條形碼的無線版制本，它通過射頻 信號自動識別日標對象并獲取相關數據，具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標簽 數據口可以加密、存儲數據容量更大、存儲 信息更改自如等優(yōu)點。RFID技術在國外的發(fā)展較早也較快，尤其在美國 、英國、德國、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有較為成熟且先進的RFID系統(tǒng)。其 中，低頻近距離RFID系統(tǒng)主要集中在125kHz、13．56MHz系統(tǒng)；高頻遠距離RFID系統(tǒng)主要集中在UHF頻段(902MHz- 928MHz)915MHz、2．45GHz、5．8GHz。在RFID技術研究及產品開發(fā)方面，國內已具有了自主開發(fā)低頻、高頻與微波RFID電子標簽 與讀寫器的技術能力及系統(tǒng)集成能力。與同外RFID先進技術之間的差距主要體現在RF1D芯片技術方面。現有的RFID技術仔在數據，炙全性不高、識別距 離短、設備成本高以及讀寫系統(tǒng) 作靈活性不強等問題。鑒于上述情況，本課題將ZigBee技術融入到RFID中，設計了基于了ZigBee的遠距離 RFID系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)由以下三部分組成：應答 器、讀卡器和上位機。應答器相當于傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)中的射頻卡，主要存儲所管理物品的信息，不同的是它為有源卡；讀卡器讀取應答器中的信息，并將所讀取 的信息經有線或無線方式傳輸給上位機，對本系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。其總體方案設計如圖1所示。

　　2．1射頻芯片的確定

　 　本課題選用Chipcon公司的CC2420作為本系統(tǒng)的無線通信器件。CC2420是Chipcon AS公司推Ⅲ 的首款符合 2．4GHz 1EEE 802．15．4標準的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是市場j二第一款適用于ZigBee產品的RF器件。 CC2420 片是基于Chipcon公司的Smart RF 03技術，采用0．18微米CMOS工藝制作。該芯片具有很高的集成度，幾乎不需要外部元 件，堅實耐用、功耗低。CC2420芯片可以用于ZigBee所定義的全功能設備(Full Flunction Devices，FFD1和簡約功能設 備(Reduted Function Decices．RFD)上。

　　2.2系統(tǒng)對微控制器的要求

　　ZigBee協議棧對系統(tǒng)微控制器的要求有：至少8位微控制器，完全協c義棧所需的ROM為32K，簡單功能節(jié)點協c義棧所需的ROM為6K。讀卡器和應答器對內存的需求分別為四十幾兆、幾兆的空間，再結合芯片價格、開發(fā)難易程度等特點

　 　采用JATMEL公司的AVR系列單片機AT lnega 16L和AT mega 64L比較合適。AT lnega 16L、64L足摯下增強 AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，該控制器的數據吞吐率高達1MIPS／MHz，從而 可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

　　2．3實際工作電路

　　本系統(tǒng)電路如圖2、3所示，分別為應答器和瀆卡器。讀卡器最終要完成與上位機的通信，所以本設計應用串口協議轉換芯片AD101完成兩臺設備的數據傳輸。

　　無線網絡的軟件設計是實現遠距離RFID系統(tǒng)必不可少的部分，本課題所涉及的軟件部分重點包括以下兩方面：

　　(1)讀卡器，也就是主節(jié)點，主要是Atmega 64L與Atmega16L，以及MCU與無線模塊通信的收發(fā)程序。

　　(2)應答器，也就是終端節(jié)點，實現終端節(jié)點與豐節(jié)點的數據交換。在設計各部分程序之前，首先要了解Chipcon公司的CC2420開發(fā)平臺通訊協議的模型結構和所使用的編程工具，以及本系統(tǒng)中無線網絡系統(tǒng)軟件的特點。

　　3．1讀卡器的軟件設計

　 　讀卡器是整個無線網絡的管理員，它將負責網絡的建立、地址的分配和成員的加入、節(jié)點設備數據的更新、設備關聯表的維護并根據網絡的狀況自動更新。 ZigBee網絡要求至少一個FFD作為網絡主節(jié)點。要建立一個網絡，第一個節(jié)點必須被配置成主節(jié)點，這樣才能管理以后添加到網絡的其它節(jié)點。由于主節(jié)點 處于網絡的最上層，功能復雜，因此時主節(jié)點的硬件配置也有較高的要求，主節(jié)點一般是由電源供電。本課題中讀卡器相當于整個網絡的主節(jié)點，而應答器作為終端 節(jié)點。一旦主設備將節(jié)點設備同網絡連接，便可以實現通信。圖4為在網絡建立成功的基礎上讀卡器的工作流程圖。

　　3．2應答器的軟件設計

　 　應答器(終端節(jié)點)是ZigBee網絡結構中最簡單的一種，它可以是一個FFD也可以是一個RFD。它不支持路由功能，只能與一個上層節(jié)點(路南或協凋 器)通信。由于不需要與臨近節(jié)點協調以產生路由功能，終端節(jié)點可以離線工作(如關閉收發(fā)器) 而不影響網絡的連通性。終端節(jié)點是整個網絡的尾端，它是南嵌 入各個設備中的通訊模塊和設備共同組成的，這樣的設備具有網絡功能，可以響應網絡的請求。圖5是本課題設計的遠距離RFID系統(tǒng)中應答器的軟件工作流程 圖。

　 　為了試驗電路板的工作穩(wěn)定性能以及在普通環(huán)境下的無線傳輸中的丟包率。設計了一個測試方案，方案如下：編寫了一個發(fā)包收包軟件，通過PC、凄卡器給應答 器發(fā)包，應答器收到包后， 即回發(fā)，讀卡器回收到包后，通過串口傳給PC，接收到的數據再通過超級終端顯示。讀卡器、應答器在使用時需要外加一載板，載板 上提供3．3V電源與RS232的接口以便傳遞數據。CC2420按上述結構所配置，當傳輸數據AA時接收端St)口輸出的波形為圖6所示。

　　經過反復實驗，本課題所設計的應答器可以很方便地加入、退出讀卡器網絡，識別時無需方向配置，經讀卡器發(fā)送和接收的數據顯示準確，無線通訊距離可達50米，在加入功放的前提下，通訊距離可達到2000米，垂直傳輸可穿越三 、四層樓板。

　 　本課題將其融入到現有的RFID系統(tǒng)中，設計了基于zigBee的遠距離RFID系統(tǒng)。設計了遠距離RFID系統(tǒng)的硬件電路，主要包括有源應答器和讀卡 器部分。完成了讀卡器作為主節(jié)點組網，應答器作為子節(jié)點加入網絡，讀卡器和應答器相互通信的軟件設計。本文所設計的遠距離RFID系統(tǒng)在市場上尚無同類產 品問世，由于技術的通用性，該系統(tǒng)的研制將為其它基于ZigBee無線通信技術的產品研制開發(fā)提供可借鑒之處。