基于ZigBee技术的RFId读写器网络设计

刘福涛 ，陈科明，苏政伟，毛海明

(杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018)

0 引言

射频识别(Radio Frequency Identification:RFId)技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频电子设备发射射频信号，射频信号通过空间耦合来自动识别目标对象并获取相关数据，并且可以将新的信息写入目标对象的标识设备。RFId设备主要由两部分组成:标签和读写器。标签属于被识别物品的标识设备;而读写器是一种可以识读现存标签中的信息，并且可以将信息写入标签的电子设备中［1，2］。近年来，随着大规模集成电路、网络通信以及信息安全技术的飞速发展，RFId技术逐渐进入商业化应用阶段。在国际上，RFId技术已经广泛应用于工业制动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，显示出巨大的发展潜力与应用空间，被公认为是21世纪最有发展前途的信息技术之一。在国内，RFId技术应用还处于发展阶段，市场前景非常广阔。ZigBee技术是为满足小型化、低成本、低功耗设备的无线联网技术要求而诞生的一项新兴无线通信技术，其具有低数率、低功耗、低复杂度、低成本以及网络容量大等特点［5］。本文将ZigBee技术和RFId技术相结合，以FPGA为系统控制平台，使原来多个独立工作的RFId读写器形成一个网络，该网络具有以下特点:(1)网络适应能力强，可根据具体的情况随时随地将RFId读写器连入网络;(2)网络管理容易，能够迅速采集节点标签信息;(3)网络的扩展简单，一旦某个节点出现问题，可通过其它节点传输数据，迅速将新的RFId阅读器加入网络中。

1 系统总体构架设计

本系统主要由4个部分组成:上位机、网关、RFId读写控制器以及电子标签。系统的总体构架如图1所示。

网关首先建立网络，RFId读写控制器以网络的终端节点方式加入该网络。当节点加入网络后，等待网关命令，将读到的标签信息以无线电波的方式发送到网关。用户通过上位机可以查看和处理网关收集到的节点标签信息。RFId读写控制器每次读写电子标签时，都必须由网关发来命令才能进行读取。

在本系统中，采用FPGA作为RFId读写控制器的控制平台，在此平台上扩展了串口通道和USB通道。用户可以通过不同的通信方式与RFId读写器进行实时通讯，增强了本系统在不同环境下的适应能力。

2 系统硬件设计

系统的硬件设计主要包括2个部分:RFId读写控制模块和ZigBee无线通信模块。RFId读写控制模块是完成对电子标签信息的设置和读取，并在FPGA的控制下通过不同的通讯方式将标签信息传递给用户。ZigBee无线通信模块建立系统的通信网络，并实现对各个节点标签信息的无线采集。

RFId读写控制模块在本系统中作为ZigBee网络的终端设备。主要包括FPGA控制模块、ZigBee射频模块、串口通信模块、USB模块、LCD模块、读写器模块以及电源管理模块。其中FPGA控制模块是作为本系统的主控制平台，ZigBee射频模块、UART模块、USB模块、读写器模块以及电源管理模块构成了RFId读写控制模块的外围设备。其模块设计如图2所示。FPGA控制模块是使用Altera公司的CycloneIIEP2C35芯片，采用AMBA总线结构［3］进行控制。读写器模块采用恒睿科技公司的超高频RFId读写器 RUM900+模块［4］。

ZigBee无线通信模块包括ZigBee协调器即网关和ZigBee节点2部分。在本系统设计中，这2部分的设计都采用相同的硬件设计，ZigBee通信芯片都选取TI公司的CC2530芯片。ZigBee节点是通过串口与FPGA控制器进行通信。ZigBee协调器也是通过串口与上位机进行通信。

3 系统软件设计

本系统的软件设计主要包括2个部分:ZigBee网络的无线通信设计和上位机软件的设计。另外，系统选用星型网络拓扑构建本次RFId读写器网络的网络结构［5］。

3.1 ZigBee网络的无线通信流程设计

ZigBee网络通信设计分为2部分:ZigBee协调器的通信设计和ZigBee节点的通信设计。

3.1.1 ZigBee 协调器的通信设计

ZigBee协调器是网络的管理员，负责网络的建立、地址的分配和成员的加入以及并根据网络的状况自动更新等［6］。ZigBee协调器的通信流程如图3所示。ZigBee协调器首先建立好网络，当所有节点加入网络后，协调器可以与各节点进行通信，实现对每个节点的RFId模块的读写。

3.1.2 ZigBee 节点的通信设计

ZigBee节点负责数据的读取以及无线方式发送给协调器。它有2种工作模式:通信状态和睡眠状态。大部分时间，节点都处于休眠的状态。当RFId模块有数据要读取或者协调器发送命令时，节点由睡眠状态进入通信状态的工作模式［6］。其通信流程如图4所示。

3.2 上位机软件的设计

上位机软件是人机交互的关键部分。它对协调器或者其他通道采集到的各节点标签信息进行处理，并通过界面实时显示给用户。其结构图如图5所示，主要包括界面、数据处理模块和通信函数模块3部分。界面实现用户与阅读器信息的交互，完成对读写器的操作;数据处理模块负责按照规定的数据格式对接收到的数据进行分析处理，并实时地响应用户的各种操作，将信息显示在界面上;通信函数模块负责将数据处理模块的数据以特定通信通道发送出去，并将接收的数据返回给数据处理模块进行处理，该模块和硬件有关。

本系统中使用面向对象程序设计工具C++Builder进行上位机软件的编程开发［7］。当某一通道打开后，用户可以设置节点标签的功率、标签的读取频率以及标签的识别方式等。设置成功后，就可以读取标签的信息，并实时显示在界面的左边显示栏里。用户通过上位机软件可以很容易很方便对网络中的各个节点RFId的标签进行读写。

图5 上位机软件结构图

4 结束语

RFId射频识别技术是近几年新兴的热门技术，已经广泛应用于工业、日常生活等众多领域。本文构建了一种新型的RFId读写网络。在本设计中，以FPGA作为主控制器，控制RFId的读写操作，增强了本系统在不同环境的适应能力。同时，将ZigBee无线通信技术融入RFId系统中，利用ZigBee无线网络的优势，弥补了原有RFId读写系统的不足。通过大量测试表明，该网络可以部署在多种不同环境的设施场景中，网内对标签信息的读取和设置稳定可靠。

［1］ 邹洋.物流信息平台的RFId应用模式及标准研究［D］.广州:华南理工大学，2010.

［2］ 岳涛.RFId关键技术及其在现代物流中的应用研究［D］.武汉:武汉理工大学，2010.

［3］ 王彦.基于FPGA的工程设计与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2007:298－323.

［4］ 郇新，李海玉.RFId卡读写器设计［J］.黑龙江科技信息，2011，(28):120.

［5］ 孙彩云.基于ZigBee的无线组网技术研究［D］.太原:中北大学，2011.

［6］ 和伟.基于ZIGBEE技术的无线网络的研究与实现［D］.西安:西安电子科技大学，2011.

［7］ 梅成刚，马进德.C++Builder项目开发实践［M］.北京:中国铁道出版社，2003:43－89.