1 导言
RFID(射频辨认：Radio Frequency Identification) 是一种自动辨认技能，其根本原理是运用射频信号和空间耦合传输特性对被辨认物体完结自动辨认。与现有条形码技能比较，射频辨认技能具有耐高温、防水、可屡次重复写入数据、安全性高、数据存储空间大等长处。近年来，跟着计算机技能、芯片技能及无线通讯技能的快速开展，RFID技能也得到高速开展，其体积、本钱、功耗越来越低，依据RFID技能的运用体系被广泛运用到日子各个范畴，如交通、物理办理、门禁操控、定位体系、第二代身份证等范畴。RFID体系一般由天线、读写器和电子标签组成。传统的RFID体系选用读写器与PC上位机经过有线的办法(以太网、RS232)进行通讯，存在灵活性差、数据传输间隔短、本钱高级缺陷。与有线传输体系比较，ZigBee无线传输技能可完结数据信息的无线双向传输，省去了布线的费事，而且ZigBee组网高效、便利、简略。为了进步RFID体系的传输间隔、灵活性及下降体系本钱，结合ZigBee和RFID技能，规划了一种电子标签辨认体系。体系测验标明：该体系具有本钱低，灵活性高、传输间隔远、低功耗等长处，拓宽了ZigBee技能在无线RFID体系中的运用。
2 体系整体规划
体系硬件结构首要由5部分组成：有源电子标签、以nRF24LE1芯片为微处理器的主从射频模块、ZigBee终端节点、ZigBee和谐器节点和PC上位机，图1所示为体系整体结构图。有源电子标签：记录了电子标签的ID号及其他物品数据信息;主从射频模块：即RFID读写器，担任辨认处于天线辐射规模内的电子标签数据信息，并将接纳到的电子标签信息经过串口传输给ZigBee终端节点，也可接纳ZigBee终端节点传输过来的操控指令。主射频模块经过 SPI承受从射频模块辨认到的电子标签ID信息以完结双通道传输，具有更好的数据准确性及可靠性;ZigBee终端节点：将主从射频模块对电子标签辨认到的数据信息经过无线办法发送给ZigBee和谐器节点，一起ZigBee终端节点依据和谐器传输过来的操控指令来操控主从射频模块，然后完结对电子标签相应的处理;和谐器节点：将ZigBee终端节点发送过来的电子标签数据信息经过串口RS232传给上位机，把上位机的操控指令转发给ZigBee终端节点;PC上位机：有相应的运用软件，处理来自于ZigBee和谐器节点的标签信息而且向ZigBee和谐器节点发送操控信息。
图1 体系整体结构图
3 体系硬件规划
3.1 体系主从射频模块电路规划
体系主从射频模块是RFID读写器的中心部分，经过串行口接纳ZigBee终端节点从ZigBee和谐器节点传输过来的上位机宣布的操控指令，然后操控射频芯片与电子标签进行数据通讯，完结对电子标签的读写。射频芯片担任无线信号的编码和解码、调制和解调;电子标签是体系的运用终端，装载着物体的数据信息及标签本身信息，从读写器天线宣布的无线脉冲接纳读写器所宣布的操控信息，然后把电子标签的数据信息经过天线再回来给读写器，完结读写器对电子标签数据的读写。主从射频模块电路的规划，确保了读写器辨认到的电子标签信息准确性及可靠性。射频模块电路选用nRF24LE1芯片，该芯片是Nordic公司推出的一款带增强型8051内核的无线收发芯片，可作业于2.4-2.5GHz的ISM频段，不需要任何信道的通讯费用，用户无须请求频率运用许可证，便运用户运用与开发。最大空中传输速率为2Mbps，灵敏度为-94dBm，最大信号发射功率为0dBm。在抱负状况下，室内传输间隔可达30-40 m，室外传输间隔可达100-200 m。作业电压为1.9～3.3V，极大地下降了体系的功耗。处理器才能、内存、低功耗晶振、实时实名、计数器、AEC加密加速器、随机数发生器和节电形式的组合为完结射频协议供给了抱负的渠道。关于运用层，nRF24LE1供给了丰厚的外设，如SPI、I%&&&&&%、UART、6至12位的ADC、PWM和一个用于电压等级体系唤醒的超低功耗模仿比较器。一个主SPI，一个从SPI，完结RFID体系双通道数据通讯。nRF24LE1交融了Enhanced ShockBurst技能，其间通讯频道、输出功率及自动重发次数等参数可经过编程设置。体系主从射频模块电路根本相同，可软件设定为主射频模块，如图2 示射频电路硬件结构图。
图2 射频电路硬件结构图
3.2 ZigBee终端节点电路规划
ZigBee终端节点是体系中非触摸式RFID读写器和 ZigBee无线模块的硬件中心，首要操控电子标签与主从射频模块进行数据交换以及和ZigBee和谐器节点进行数据通讯。该终端节点电路运用32MHz 的晶振奋为时钟信号，与主从射频模块经过串口衔接完结数据通讯。ZigBee终端节点选用CC2530芯片，该芯片是TI公司推出的能完结2.4GHz IEEE 802.15.4的射频收发，具有灵敏度高、抗干扰才能强等特色，尤其是CC2530芯片的超低功耗，在被动形式(RX)下，电流损耗为24mA，在自动形式(TX)时，电流损耗为29mA，具有三种形式，形式1、形式2和形式3电流损耗别离为0.2mA、1uA和0.4uA，特别合适那些要求低功耗的场合。还具有2V-3.6V的宽电源电压规模。它内含一个8位MCU(8051)，8KB的RAM，还包括具有8路输入和可装备分辨率的12位模仿数字转化器(ADC)、1个契合IEEE 802.5.4标准的MAC守时器、1个惯例的16位守时器和1个8位守时器、AES-128协同处理器、看门狗守时器、32kHz晶振的休眠形式守时器、上电复位电路、掉电检测电路、以及21个可编程I/0引脚。图3示ZigBee终端节点硬件电路图。
图3 ZigBee终端节点硬件结构图
3.3 ZigBee和谐器节点电路规划
ZigBee 和谐器节点担任将ZigBee终端节点发送过来的数据经过RS232串口线与上位机完结数据通讯，一起将承受上位机传输过来的操控指令并发送给 ZigBee终端节点。ZigBee和谐器电路图与ZigBee终端节点电路共同，如图3所示，只需将Z-stack协议栈中将其设定为和谐器。因为 CC2530运用的是TTL电平，而PC机通讯选用的是EIA电平，因而该体系选用MAX232芯片完结电平转化以确保体系的有用通讯，如图4所示。
图4 MAX232电平转化电路图
4 体系软件规划
4.1 ZigBee终端节点软件规划
终端收集节点首要功能是承受来自上位机的数据收集指令后，收集电子标签数据信息，并将收集到的数据信息发送到和谐器节点。首要ZigBee终端节点上电初始化，请求参加已组成的 ZigBee网络，若参加网络成功，进入低功耗形式即休眠状况，以下降终端节点功耗。等候守时中止发生，ZigBee终端节点微处理器操控主从射频模块读取电子标签信息，并将辨认到的标签数据信息经过ZigBee无线模块传输给ZigBee和谐器节点，然后再经过串口RS232传输给上位机进行处理。其终端收集节点程序流程图如图5所示。
图5 ZigBee终端收集节点软件流程图
4.2 ZigBee和谐器节点软件规划
体系运用ZigBee网络的Z-STACK协议栈进行无线通讯，Z-STACK协议依据轮转查询式操作体系来完结。和谐器节点上电后，初始化硬件及协议栈，查找信道和闲暇信道评价，挑选信道并树立ZigBee网络。若节点请求参加网络，允许参加并分配一个l6位的网络短地址，等候上位机发送过来的数据收集指令，然后RFID读写器对电子标签进行辨认，将接纳的一切数据包经过串口通讯发送到PC上位机，以便进行数据处理,ZigBee和谐器节点软件流程图如图 6所示。
图6 ZigBee和谐器软件流程图
4.3 上位机运用软件规划
该体系上位机运用软件运用Visual Basic言语编写，该言语是一种由Microsoft 公司开发的结构化的、模块化的、面向对象的、包括帮忙开发环境的事情驱动为机制的可视化程序规划言语，如图7示上位机运用软件界面。运用上位机运用软件对电子标签下发指令数据，可以完结对电子标签ID信息的读取、信号发射功率的修正和作业状况的切换。
设置标签发射信号功率程序源代码如下：
ReDim bytbyte(1)
bytbyte(0) = 221
bytbyte(1) = 17 – 2 * Val(Form3.Combo_rssi.Text)
Form3.MSComm1.Output = bytbyte()
设置标签作业状况程序源代码如下：
ReDim bytbyte(1)
bytbyte(0) = 221
bytbyte(1) = 17 * (Val(Form3.Combo_sta.ListIndex) + 1)
Form3.MSComm1.Output = bytbyte()
5 测验成果
为了验证试验成果的可靠性和稳定性，在室内外对体系进行了测验，室内测验首要是检测体系穿透墙面的传输间隔，室外测验首要是检测体系无障碍物的传输间隔。经过上位机软件对电子标签发送操控指令来改动电子标签的信号发射功率，以完结电子标签信号的最远发射间隔，更好地到达下降电子标签功耗和发射间隔最大化的平衡点，在不同信号发射功率条件下，电子标签信号发射间隔如表1所示。
由表1测验成果可知，电子标签信号发射功率为0dBm(最大信号发射功率)时，在室外电子标签信号发射间隔为30-65m，室内电子标签信号发射间隔为 25-50m。在电子标签信号发射功率为0dBm条件下，以电子标签ID号为1和2别离代表室内和室外，其测验成果如图7所示。
图7 体系测验成果
在室内室外不同条件下，体系ZigBee无线模块在200米规模内可以对标签数据信息完结有用传输，进步了体系传输间隔，有广泛的运用远景。其测验成果如表2所示。
6 定论
经过ZigBee和RFID技能，规划了一种电子标签辨认体系。在体系软硬件规划中采取了低功耗的规划办法，以CC2530为ZigBee节点的微处理器完结了ZigBee节点的低功耗规划，以nRF24LE1为电子标签芯片，到达了下降功耗和信号发射间隔最大化的平衡点。依据Visual Basic言语开发的上位机运用软件，可对电子标签进行读写和操控。对体系测验标明：在室内外不同环境及电子标签不同信号发射功率条件下，在室内电子标签可穿透墙面的信号发射间隔为25-50m，在室外电子标签信号发射间隔为30-65m。依据ZigBee协议栈的ZigBee无线模块可以在200米规模内对数据完结有用传输，进步了体系的传输间隔。一起ZigBee技能组网简略、高效，既下降了功耗和本钱，也省去了布线的费事，使得ZigBee技能在无线射频辨认中得以运用，拓宽了ZigBee技能在无线RFID体系中的运用规模。
