基于ZigBee技術的電子標簽識別系統(tǒng)設計*

杜軍，馬俊，周亞強

(青海師范大學 計算機學院， 西寧 810008)

杜軍，馬俊，周亞強

(青海師范大學 計算機學院， 西寧 810008)

針對傳統(tǒng)射頻識別技術存在傳輸距離短、靈活性差和設備成本高等問題，設計了一種基于ZigBee技術的電子標簽識別系統(tǒng)。系統(tǒng)以TI公司的CC2530和Nordic公司的nRF24LE1分別作為無線通信節(jié)點的收發(fā)芯片和讀寫器的射頻芯片，通過星型網絡實現(xiàn)電子標簽信息的采集和傳輸，給出了ZigBee終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點的軟硬件設計。在室內外環(huán)境下對該系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試表明:電子標簽信號發(fā)射距離為25～65 m，ZigBee無線模塊在200 m范圍內實現(xiàn)有效傳輸。

CC2530；電子標簽；ZigBee技術；nRF24LE1

引 言

RFID[1-3](Radio Frequency Identification,射頻識別)是一種自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合傳輸特性對被識別物體實現(xiàn)自動識別。與現(xiàn)有條形碼技術相比，射頻識別技術具有耐高溫、防水、可多次重復寫入數(shù)據(jù)、安全性高、數(shù)據(jù)存儲空間大等優(yōu)點。近年來，隨著計算機技術、芯片技術及無線通信技術的快速發(fā)展，RFID技術也得到高速發(fā)展，其體積越來越小，成本、功耗越來越低，基于RFID技術的應用系統(tǒng)被廣泛應用到生活各個領域，如交通、物理管理、門禁控制、定位系統(tǒng)、第二代身份證等領域。RFID系統(tǒng)一般由天線、讀寫器和電子標簽組成。傳統(tǒng)的RFID系統(tǒng)采用讀寫器與PC上位機通過有線的形式(以太網、RS232)進行通信，存在靈活性差、數(shù)據(jù)傳輸距離短、成本高等缺點。與有線傳輸系統(tǒng)相比[5]，ZigBee無線傳輸技術可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線雙向傳輸，省去了布線的麻煩，而且ZigBee組網高效、快捷、簡單。為了提高RFID系統(tǒng)的傳輸距離、靈活性及降低系統(tǒng)成本，結合ZigBee和RFID技術，設計了一種電子標簽識別系統(tǒng)。系統(tǒng)測試表明：該系統(tǒng)具有成本低、靈活性高、傳輸距離遠、低功耗等優(yōu)點，拓展了ZigBee技術在無線RFID系統(tǒng)中的應用。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)硬件結構主要由5部分組成[5-6]：有源電子標簽、以nRF24LE1芯片為微處理器的主從射頻模塊、ZigBee終端節(jié)點、ZigBee協(xié)調器節(jié)點和PC上位機。圖1為系統(tǒng)總體結構圖。有源電子標簽，記錄了電子標簽的ID號及其他物品數(shù)據(jù)信息；主從射頻模塊即RFID讀寫器，負責識別處于天線輻射范圍內的電子標簽數(shù)據(jù)信息，并將接收到的電子標簽信息通過串口傳輸給ZigBee終端節(jié)點，也可接收ZigBee終端節(jié)點傳輸過來的控制命令。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

主射頻模塊通過SPI接收從射頻模塊識別到的電子標簽ID信息以實現(xiàn)雙通道傳輸，具有更好的數(shù)據(jù)準確性及可靠性。ZigBee終端節(jié)點將主從射頻模塊對電子標簽識別到的數(shù)據(jù)信息，通過無線方式發(fā)送給ZigBee協(xié)調器節(jié)點，同時ZigBee終端節(jié)點根據(jù)協(xié)調器傳輸過來的控制指令來控制主從射頻模塊，從而實現(xiàn)對電子標簽相應的處理。協(xié)調器節(jié)點將ZigBee終端節(jié)點發(fā)送過來的電子標簽數(shù)據(jù)信息通過串口RS232傳給上位機，把上位機的控制指令轉發(fā)給ZigBee終端節(jié)點。PC上位機有相應的應用軟件，處理來自于ZigBee協(xié)調器節(jié)點的標簽信息并且向ZigBee協(xié)調器節(jié)點發(fā)送控制信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)主從射頻模塊電路設計

圖2 射頻電路硬件結構圖

系統(tǒng)主從射頻模塊是RFID讀寫器的核心部分，通過串行口接收終端節(jié)點從ZigBee協(xié)調器節(jié)點傳輸過來的上位機發(fā)出的控制指令，從而控制射頻芯片與電子標簽進行數(shù)據(jù)通信，完成對電子標簽的讀寫。射頻芯片負責無線信號的編碼、解碼、調制和解調；電子標簽是系統(tǒng)的應用終端，裝載著物體的數(shù)據(jù)信息及標簽自身信息，從讀寫器天線發(fā)出的無線脈沖接收讀寫器所發(fā)出的控制信息，然后把電子標簽的數(shù)據(jù)信息通過天線再返回給讀寫器，完成對電子標簽數(shù)據(jù)的讀寫。

主從射頻模塊電路的設計，確保了讀寫器識別到的電子標簽信息的準確性及可靠性。射頻模塊電路采用nRF24LE1芯片[7]，該芯片是Nordic公司推出的一款帶增強型8051內核的無線收發(fā)芯片，可工作于2.4～2.5 GHz的ISM頻段，不需要任何信道的通信費用，用戶無須申請頻率使用許可證，方便用戶應用與開發(fā)。最大空中傳輸速率為2 Mbps，靈敏度為-94 dBm，最大信號發(fā)射功率為0 dBm。在理想狀態(tài)下[8]，室內傳輸距離可達30～40 m，室外傳輸距離可達100～200 m，工作電壓為1.9～3.3 V，極大地降低了系統(tǒng)的功耗。處理器能力、內存、低功耗晶振、實時實鐘、計數(shù)器、AEC加密器、隨機數(shù)發(fā)生器和節(jié)電模式的組合，為實現(xiàn)射頻協(xié)議提供了理想的平臺。

對于應用層，nRF24LE1提供了豐富的外設，如SPI、I2C、UART、6～12位的ADC、PWM和一個用于電壓等級系統(tǒng)喚醒的超低功耗模擬比較器。一個主SPI，一個從SPI，實現(xiàn)RFID系統(tǒng)雙通道數(shù)據(jù)通信。nRF24LE1融合了Enhanced ShockBurst技術，其中通信頻道、輸出功率及自動重發(fā)次數(shù)等參數(shù)可通過編程設置。系統(tǒng)主從射頻模塊電路基本一樣，可軟件設定為主射頻模塊，射頻電路硬件結構圖如圖2所示。

2.2 ZigBee終端節(jié)點電路設計

ZigBee終端節(jié)點是系統(tǒng)中非接觸式RFID讀寫器和ZigBee無線模塊的硬件核心，主要控制電子標簽與主從射頻模塊進行數(shù)據(jù)交換，以及與ZigBee協(xié)調器節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信。該終端節(jié)點電路使用32 MHz的晶振作為時鐘信號，與主從射頻模塊通過串口連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。ZigBee終端節(jié)點采用CC2530芯片[9-11]，該芯片是TI公司推出的能實現(xiàn)2.4 GHz IEEE 802.15.4規(guī)范的射頻收發(fā)，具有靈敏度高、抗干擾能力強等特點，尤其是CC2530芯片的超低功耗，在被動模式(RX)下，電流損耗為24 mA，在主動模式(TX)時，電流損耗為29 mA，具有3種模式(模式1、模式2和模式3)。電流損耗分別為0.2 mA、1 μA和0.4 μA，特別適合那些要求低功耗的場合。此外，具有2～3.6 V的寬電源電壓范圍。

CC2530內含1個8位MCU(8051)、8 KB的RAM、具有8路輸入和可配置分辨率的12位模擬/數(shù)字轉換器(ADC)、1個符合IEEE 802.5.4規(guī)范的MAC定時器、1個常規(guī)的16位定時器、1個8位定時器、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。ZigBee終端節(jié)點硬件電路圖如圖3所示。

圖3 ZigBee終端節(jié)點硬件結構圖

2.3 ZigBee協(xié)調器節(jié)點電路設計

ZigBee協(xié)調器節(jié)點負責將ZigBee終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，通過RS232串口線與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時接收上位機傳輸過來的控制指令并發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點。ZigBee協(xié)調器電路與ZigBee終端節(jié)點電路一致，如圖3所示，只需在Z-stack協(xié)議棧中將其設定為協(xié)調器。由于CC2530使用的是TTL電平，而PC機通信采用的是EIA電平，因此該系統(tǒng)采用MAX232芯片實現(xiàn)電平轉換以保證系統(tǒng)的有效通信，如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee終端節(jié)點軟件設計

終端采集節(jié)點主要功能是接收來自上位機的數(shù)據(jù)采集指令，采集電子標簽數(shù)據(jù)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點。首先ZigBee終端節(jié)點上電初始化，申請加入已組建的ZigBee網絡，若加入網絡成功，進入低功耗模式即休眠狀態(tài)，以降低終端節(jié)點功耗。等待定時中斷產生，ZigBee終端節(jié)點微處理器控制主從射頻模塊讀取電子標簽信息，并將識別到的標簽數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線模塊傳輸給ZigBee協(xié)調器節(jié)點，然后再通過串口RS232傳輸給上位機進行處理。其終端采集節(jié)點程序流程圖如圖5所示。

圖4 MAX232電平轉換電路圖

3.2 ZigBee協(xié)調器節(jié)點軟件設計

系統(tǒng)利用ZigBee網絡的Z-stack協(xié)議棧進行無線通信[12]，Z-stack協(xié)議基于輪轉查詢式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。協(xié)調器節(jié)點上電后，初始化硬件及協(xié)議棧，搜索信道和空閑信道評估，選擇信道并建立ZigBee網絡。若節(jié)點申請加入網絡，準許加入并分配一個l6位的網絡短地址，等待上位機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)采集指令，然后RFID讀寫器對電子標簽進行識別，將接收的所有數(shù)據(jù)包通過串口通信發(fā)送到PC上位機，以便進行數(shù)據(jù)處理。ZigBee協(xié)調器節(jié)點軟件流程圖如圖6所示。

圖5 ZigBee終端采集節(jié)點軟件流程圖

圖6 ZigBee協(xié)調器軟件流程圖

3.3 上位機應用軟件設計

該系統(tǒng)上位機應用軟件使用Visual Basic語言編寫，該語言是一種由Microsoft公司開發(fā)的結構化、模塊化、面向對象的、包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的、事件驅動為機制的可視化程序設計語言。上位機應用軟件界面略——編者注。利用上位機應用軟件對電子標簽下發(fā)命令數(shù)據(jù)，能夠實現(xiàn)對電子標簽ID信息的讀取、信號發(fā)射功率的修改和工作狀態(tài)的切換。

設置標簽發(fā)射信號功率程序源代碼如下：

ReDim bytbyte(1)

bytbyte(0) = 221

bytbyte(1) = 17 - 2 * Val(Form3.Combo_rssi.Text)

Form3.MSComm1.Output = bytbyte()

設置標簽工作狀態(tài)程序源代碼如下：

ReDim bytbyte(1)

bytbyte(0) = 221

bytbyte(1) = 17 * (Val(Form3.Combo_sta.ListIndex) + 1)

Form3.MSComm1.Output = bytbyte()

4 測試結果

為了驗證實驗結果的可靠性和穩(wěn)定性，在室內外對系統(tǒng)進行了測試，室內測試主要是檢測系統(tǒng)穿透墻壁的傳輸距離，室外測試主要是檢測系統(tǒng)無障礙物的傳輸距離。通過上位機軟件對電子標簽發(fā)送控制指令來改變電子標簽的信號發(fā)射功率，以實現(xiàn)電子標簽信號的最遠發(fā)射距離，更好地達到降低電子標簽功耗和最大化發(fā)射距離的平衡點，在不同信號發(fā)射功率條件下，電子標簽信號發(fā)射距離如表1所列。

由表1測試結果可知，電子標簽信號發(fā)射功率為0 dBm(最大信號發(fā)射功率)時，在室外電子標簽信號發(fā)射距離為30～65 m，室內電子標簽信號發(fā)射距離為25～50 m。在電子標簽信號發(fā)射功率為0 dBm條件下，以電子標簽ID號為1和2分別代表室內和室外，其測試結果略——編者注。

表1 電子標簽信號發(fā)射距離測試

在室內室外不同條件下，系統(tǒng)ZigBee無線模塊在200 m 范圍內能夠對標簽數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)有效傳輸，提高了系統(tǒng)傳輸距離。其測試結果略——編者注。

結 語

系統(tǒng)測試表明：在室內外不同環(huán)境及電子標簽不同信號發(fā)射功率條件下，在室內電子標簽可穿透墻壁的信號發(fā)射距離為25～50 m，在室外電子標簽信號發(fā)射距離為30～65 m?；赯igBee協(xié)議棧的ZigBee無線模塊能夠在200 m范圍內實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸，提高了系統(tǒng)的傳輸距離。同時ZigBee技術組網簡單、高效，既降低了功耗和成本，又省去了布線的麻煩，使得ZigBee技術在無線射頻識別中得以應用，拓展了ZigBee技術在無線RFID系統(tǒng)中的應用范圍。

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杜軍、周亞強(碩士研究生)，主要研究方向為電子信息技術；馬俊(教授)，主要研究方向為電子信息技術、無線電與智能系統(tǒng)、磁懸浮技術。

Du Jun,Ma Jun,Zhou Yaqiang

(College of Computer Science,Qinghai Normal University,Xining 810008,China)

Aiming at the problems of traditional radio frequency identification technology with short transmission distance, poor flexibility and high equipment cost,an electronic tag identification system is designed based on ZigBee technology.In the system,TI′s CC2530 chip and Nordic′s nRF24LE1 chip respectively serve as transceiver chip of wireless communication node and microcontroller of radio frequency.Electronic tag information is collected and transmitted by the star network.In the paper,the software and hardware design of ZigBee terminal node and coordinator node are given.The test result in indoor and outdoor environment shows that signal launch distance of electronic tag is 25 to 65 meters and ZigBee wireless module within 200 meters can realize communication effectively.

CC2530;electronic tag;ZigBee technology;nRF24LE1

國家自然科學基金(批準號：51167016)；教育部春暉計劃(批準號：Z2011019)；教育部重點實驗室開放基金和青海省135高層次人才工程項目資助的課題。

TP393

A

?迪娜

2014-10-17)