RFID和ZigBee的图书馆智能监控通道系统设计※＊

吴蓬勃，李学海，卜新华

（石家庄邮电职业技术学院，石家庄050031）

引 言

传统的图书馆防盗报警系统，采用磁条检测防盗，检测率低，系统容易受磁性或金属物质的影响而产生误报或漏报。而且系统电路复杂、集成度低、故障率高。另外，图书防盗装置多为单机系统或者有线通信系统，而图书馆部门繁多、地理位置分散、布线困难，使得图书馆管理人员不能实时可靠地了解图书馆的运行状况。

1 系统总体设计

本系统主要包括两个部分：图书馆出入口监测单元和ZigBee以太网转换单元。系统整体结构图，如图1所示。

1.1 出入口监测单元

出入口监测单元主要包括：RFID射频读卡模块、热释电人流量统计模块、ZigBee无线传输模块、声光报警模块和LCD显示模块。该单元完成的主要功能有：

图1 系统整体结构图

①通过RFID射频读卡模块对出入口监测区域进行无线监测，如果发现非法（未解锁）的贴有RFID标签的图书经过，则发出声光报警，同时通过ZigBee无线传输模块，将告警信息发送给本地的服务台PC机和远端的ZigBee协调器。

②通过热释电人流量统计模块进行出入人数统计，统计信息可以显示到该单元的LCD中，同时通过ZigBee无线传输模块发送给远端的ZigBee协调器。

1.2 ZigBee以太网转换单元

各出入口监测单元的状态信息通过ZigBee无线网络传输到ZigBee协调器，ZigBee协调器通过串口将数据发送到服务器。

2 系统硬件设计

本系统的硬件部分主要包括：STM32微控制器、RFID射频读卡模块、ZigBee无线传输模块、声光报警模块、LCD显示模块、热释电人流量统计模块。以上几个部分构成了出入口监测单元。另外还有连接服务台PC的ZigBee模块、连接服务器的ZigBee协调器。本文重点介绍RFID射频读卡器、热释电人流量统计模块、ZigBee无线传输模块的设计。

2.1 RFID射频读卡模块设计

由于图书馆出入口距离较短，并且出入者可能携带多本图书（即多个RFID标签），所以要求RFID射频读卡模块要有很高的灵敏度、很高的读取速度和很好的穿透能力，并且可以进行多标签识别。

本系统选用了奥地利微电子公司的UHF RFID读写器专用芯片AS3992，该芯片支持DRM（多阅读器），有较好的防冲撞和抗干扰能力。芯片内部集成了接收电路、发送电路、协议转换单元、控制接口等部分；可以通过并行接口或SPI串行接口与MCU通信（本系统使用了STM32的SPI口与AS3992对接）。AS3992与MCU有两种通信模式可选：Normal mode和Direct mode。其中，Normal mode支持ISO18000－6C（EPC Gen2）标准，Direct mode可兼容ISO18000－6A／B标准。

基于AS3992射频芯片的RFID读卡器电路框图如图2所示。STM32通过EN引脚控制AS3992的使能，通过SPI口发送数据到射频芯片AS3992，AS3992将数据进行协议编码、调制载波，然后信号经过900MHz巴伦（平衡不平衡转换器）0900BL18B100，将两路射频信号转换为单路射频信号。接着通过功率放大器SPA－2118Z进行信号放大，经过低通滤波器LPCN－1000D＋后，信号被送到定向耦合器RCP890A05，再经过阻抗匹配后由天线发送出去。

图2 RFID读写器电路框图［1]

同样，经过天线接收到的射频信号也要经过阻抗匹配和定向耦合器后，被送至巴伦，将信号转换为两路差分信号，经过AS3992的解调、解码后，通过IRQ引脚向STM32提供数据接收中断，STM32通过SPI口从AS3992中读取接收到的数据。

2.2 热释电人流量统计模块设计

热释电探测器电路图如图3所示。根据人体峰值辐射波长，本系统选用敏感波长为7～14μm的热释电传感器RE200B探测人体红外辐射，将红外信号的变化转变为电脉冲信号。同时为了探测人体的移动，在传感器前端安装了菲涅尔透镜。

在探测区域内，当无人体移动时，热释电传感器只探测到恒定的背景温度，该信号经过红外传感信号处理器BISS0001识别后，从VO引脚输出并且维持低电平（作为常态）；只有当带有红外热源的人体进入探测区，并且相对于探头做横向运动时，热释电传感器才将感应到人体运动信号送到BISS0001进行处理，从VO引脚输出高电平，该信号被送到STM32；VO引脚的高电平在保持一段延时T1后返回低电平，经过一段防干扰保护时间T2后，等待下一次触发。

其中T1＝49152×R1×C1，T2＝24×R2×C2，可通过调整R1、C1、R2、C2来设定时间T1和T2，从而调整红外探测器的反应速度。其中BISS0001的A引脚用来设置是否重复触发（电路中利用一个3芯排针TRIG＿SET跨接短路子来设置），当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发。［3]

为了能够分辨是走出还是走入的人员，需要在进出通道的前后两端分别安装一个热释电探测器，利用两个探测器所探测到信号的先后顺序来判断人员是出还是入，同时对两个探测器探测到有效信号的时间间隔设置一个上限，只有两个有效信号的时间间隔在设置的时间上限内，才被认为是有效的出入，否则将被认为是干扰信号。热释电探测器电路图如图3所示。

2.3 ZigBee无线传输模块设计

本系统的ZigBee模块主要有两种：连接服务器的ZigBee协调器、连接出入口监测单元和服务台PC的Zig－Bee路由器。两种ZigBee模块的硬件设计完全相同，只是在软件设计中有所区别。

本系统采用了TI公司的ZigBee／IEEE 802.15.4无线射频收发器CC2530。CC2530的功能强大，其芯片内部包括了RF收发器、增强型8051 CPU、在线可编程的程序存储器Flash、8KB数据存储器RAM和多种功能丰富的电路模块。CC2530不仅能满足超低功耗系统的要求，而且从休

图3 热释电探测器电路图［2]

图4 CC2530Zigbee无线传输模块电路图

3 系统软件设计

本系统以STM32为主控制单元，通过RFID读卡器实现读卡功能，接收热释电传感器传过来的人体检测信号实现人流量的统计，通过串口连接ZigBee模块实现无线眠模式中唤醒所需的转换时间很短，还可使其进一步降低电能消耗。

CC2530ZigBee无线传输模块的电路图如图4所示。CC2530无线模块实现ZigBee无线信号到有线信号的转换，最终将数据通过串口传输到STM32。其中CC2530的天线部分，一般有2种设计方案可选：SMA天线和PCB天线。当选择常用的SMA天线时，传输距离一般是350～450m；而PCB天线如果做的不好，传输距离只有100～150m。考虑到室内墙壁等障碍物的遮挡，为了使得ZigBee无线信号能够实现可靠的传输，本系统采用了SMA天线。数据的传输，通过声光告警设备进行防盗报警，通过LCD显示设备信息和人流量信息。另外，ZigBee无线传输模块以CC2530为主控制单元，实现无线网络的自动组建和无线数据的收发。本文重点对RFID读卡器部分和ZigBee无线传输模块部分的软件进行介绍。

3.1 RFID射频读卡器软件设计

目前市场上大部分标签不具备EAS标识位，部分具有EAS标识位的标签由于体积较大、成本高，不适合用于图书管理。本系统选取了Alien公司的UHF无源电子标签，该标签符合ISO／IEC 18000－6C和EPC Class1Gen2标准。

对于多标签的同时读取，在一个存盘周期内读写器可以识别2Q－1个标签。开始读写前会赋予Q一个初始值，当处于射频场内的标签数量小于2Q－1时，存盘可以正常进行；如果标签数量大于2Q－1时，会发生冲突，通过在软件中自动调整Q值，实现对射频场内标签数量的自适应。本系统中多标签的读取流程如图5所示。

图5 RFID多标签读取流程［6]

3.2 ZigBee无线传输模块软件设计

ZigBee无线传输模块的主要功能是自动组建无线网络，将串口数据进行无线收发。要实现自动组网功能，需要先配置1个协调器（通过串口连接本系统的服务器），并设置PANID号，该协调器为整个无线传感网络的核心，其他无线ZigBee模块配置为路由器（连接出入口监测单元和服务台PC），加入到协调器所构建的网络中，协调器会为每个路由器设备分配一个16位的短地址（Short Address）。只要网络中不再加入新的路由器或节点设备，短地址不会发生改变。

ZigBee路由器的16位短地址可以作为网络中各个设备通信地址使用。但是具体哪个短地址对应哪个图书借阅部门出入口，传入协调器中的数据如何区分是来自哪个图书借阅部门，上述问题也被解决。本系统将ZigBee模块的短地址和实际物理地址进行了绑定，并存储到STM32的内部Flash存储器中。

ZigBee路由器的ZigBee的短地址与物理地址的绑定过程略——编者注。

结 语

本文设计了一款用于图书馆的智能监控通道。通过RFID射频读卡器读取图书中RFID标签的模拟EAS位来进行报警监测，较之原来的磁条检测方式，本系统有更高的集成度和较高的标签检测率。采用ZigBee组建无线传输网络，并进行ZigBee设备地址与实际物理地址的绑定，通过ZigBee网络传输图书防盗信息和人流量统计信息，克服了有线传输所带来的局限性。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

［1] 夏宏，吴济文.超高频RFID读写器系统的设计与实现［J] .计算机应用研究，2012，32（8）.

［2] 上海京西电子信息系统有限公司.［EB／OL] .［2013－06] .http：／／www.jing－xi.com／.

［3] 钟鼎，尹媛媛.基于STM32人流量统计监控系统设计［J] .电子设计工程，2011，19（9）.

［4] 国家质量监督检验检疫总局.ICS 35.040—2004射频识别协议－第1类第2代UHF RFID 860兆赫－960兆赫通讯协议［S] .

［5] 林宇.基于AS3992的UHFRFID读写模块的研究与开发［D] .上海：华东理工大学，2012.

［6] 肖菊兰，张红雨.超高频RFID读写器设计［J] .电子设计工程，2010，18（11）.