基于ZigBee网络传输的双频RFID读写器设计
2018-07-10张巍，赵光
张 巍，赵 光
（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）
RFID（radio frequency identification）技术是兴起于20世纪90年代的一种自动识别技术，现早已被大多数人熟知。其主要功能是通过一些先进的技术手段，使人们在不同状态下对各类物体或设备进行自动识别和管理。随着科学技术的不断发展，RFID技术逐渐进入了人们的生活中，在安全、管理、交通、物流和生产等领域都可以发现它的身影[1]。RFID技术的应用，很大程度地提高了工作效率，降低了成本，对提升社会信息化水平、提高人们的生活质量、增强公共安全等方面都具有深远的影响。然而，目前的读写器只有单一工作频率，在某些场合会有很多局限性。针对此问题，本文设计了基于MSP430的双频读写器。该读写器主要应用在物流管理、物品管理、交通管理等系统中[2-3]。该读写器只有识别超高频和微波2种频段的功能，可选择性地采用其中1种频率工作，也可在某些特殊情况下同时工作。系统工作时能自动检测范围内所有设备上的电子标签，进行设备信息的读取，经过处理后发送到上一层的PC机或其他设备上。该读写器还具有数据容量大、适应环境能力强、安全可靠性高、多个标签同时读写等特点。因此，可以应用到物流等领域，利用电子标签对有价值的物品进行监管。
1 系统架构
1.1 读写器系统
RFID是一种通信技术，以非接触的方式自动读取某个范围内电子标签发出的无线信号。一个完整的RFID系统，由电子标签、阅读器及上位机软件组成。根据电子标签是否内置电池可分为有源标签和无源标签，有源标签辐射距离较远。读写器一般安装在固定位置，可以接收电子标签发送来的信息，电子标签会发送固化在其内部的唯一的识别编码[4]。
目前市场上的一些双频读写器主要有以下3种：低频读写器与中高频读写器组合；中高频读写器与超高频读写器组合；超高频读写器与微波读写器组合[5]。但是采用超高频与微波读写器组合的双频读写器较少。因为在某些物品管理、物流管理等场合中出现频率和距离问题，例如在某些闸门的车辆、集装箱自动识别等应用中要求系统识别电子标签距离10 m～20 m（915 MHz可满足），而在空旷厂房或厂区则要求系统识别电子标签距离100 m～200 m为佳（2.4 GHz可满足）。因此，在不同的应用环境应选择不同的工作频率。本设计选用超高频915 MHz读写器与微波2.4 GHz读写器相结合，它们都具有识别距离较远、主动读卡、可大量读取等优点。
本设计的主硬件电路以MSP430F5529单片机为核心，整个系统由MCU核心电路、超高频读写模块电路、微波读写电路、通信接口电路以及4个超高频电子标签模块电路和4个2.4 GHz电子标签模块电路组成。
1.2 传输系统
ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准，具有超低成本、超低功耗的特性，并能以Mesh的方式组成大规模的无线网络，1个ZigBee无线传感器网络最多可支持65 536个节点[6]，它广泛用于无线传感器网络、工业自动化、军事信息化、家庭网络等方面。本设计使用了Mesh网络模式，即用短距离无线技术，将RFID读写器通过ZigBee透传的方式以Mesh组网模式连接起来，可以实现多个RFID读写器协同工作。在此基础上，利用简单的通信接口与计算机对接，实现远程监测与操控的功能[7]。使用ZigBee网络传输数据其成本低，功耗小；配置简单，组网灵活，无线配置；容量大，有较强的可扩展性和开放性，可随需增减；延时短，速度快，数据传输安全可靠，可加密。传输系统总体设计原理如图1所示。
图1 传输系统原理图
2 硬件设计
本文设计的RFID读写器主要由读写器MCU模块、超高频射频模块、微波射频模块和数据传输模块组成。读写器的微控制器采用低功耗MSP430F5529单片机；射频部分核心器件采用频率为915 MHz的nRF905芯片与频率为2.4 GHz的nRF24L01+无线收发器芯片；ZigBee网络传输部分的核心芯片采用德州仪器的CC2530芯片。
2.1 读写器MCU模块
MSP430F5529单片机是一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器，具有128 kB闪存、8 kB RAM、USB接口、3个 Timer_A 块、1个 Timer_B块、16通道 12位 ADC、2 个 USCI（UART/SPI/I2C）块、63个I/O接口，系统时钟最高达25 MHz[8-9]。读写器具有JATG接口，可用于完整的4线编程和调试。MSP430F5529单片机共有8组双向可编程I/O接口，所有IO接口可内部设置上拉、下拉，可以推挽输出。另外，几乎所有的I/O接口上都有复用功能，主要包括定时器比较输出、系统时钟输出、SPI接口、串口、I2C接口、USB接口、AD输入口、比较输入口、晶振接口。
2.2 超高频射频模块
超高频读写部分是由nRF905无线模块组成，使用SPI接口进行通信。nRF905芯片是挪威NORDIC公司推出的一款无线数据传输芯片，可根据寄存器设置工作于433/868/915 MHz任意1个频段上。芯片内集成了功率放大器、频率调制器、晶体振荡器、带解调器的接收器、调节器等。其供电范围为1.9～3.6 V，功耗低，可通过SPI接口与MCU连接，输出最高功率为10 dBm。
2.3 微波射频模块
微波射频模块采用nRF24L01+芯片。该芯片是挪威NORDIC公司推出的一款工作于2.4 GHz的ISM频段上的无线数据传输芯片。芯片内集成了功率放大器、频率调制器、晶体振荡器、带解调器的接收器和调节器等。其电源供电范围为1.9～3.6V，功耗低，可通过SPI接口与MCU连接，输出功率最大为0 dBm，最大传输速率为2 Mbps。微波读写部分由nRF24L01+无线模块组成，使用SPI接口进行通信。
2.4 数据传输模块
德州仪器生产的CC2530芯片结合了RF收发器的优良性能，可在低成本的条件下构建一个强大的网络。芯片内部具有1个增强型8051处理器核，在系统内具有可编程的闪存和许多其他强大的功能。在存储容量上，CC2530具有4个不同的版本（CC2530F32/64/128/256），每个版本的闪存容量分别为32 kB、64 kB、128 kB、256 kB。为适应超低功耗要求的系统，CC2530具有多种运行模式，各模式之间根据功耗的要求进行切换。本文设计的读写器选用的芯片型号为CC2530F256，其中结合了德州仪器的ZigBee协议栈，可提供一个强大和完整的ZigBee解决方案[10]。ZigBee模块如图2所示。
图2 ZigBee模块框图
3 软件设计
本文设计的双频RFID读写器的软件主要由2部分组成，即RFID业务控制部分与ZigBee数据传输部分。RFID业务控制部分主要由电子标签的识别、电子标签信息的修改等程序组成，ZigBee数据传输部分使用TI提供的Z-stack协议栈软件，在协议栈软件的基础上实现数据传输。
3.1 RFID业务控制软件设计
根据设计要求，RFID业务控制程序流程如图3所示。系统上电后，单片机对I/O接口、通信接口、定时器等程序进行初始化，然后等待上位机指令，根据不同指令执行不同功能。主要包括标签识别、标签信息读取、标签信息修改3个主要功能。
标签识别程序为：接收到标签识别指令后，单片机控制无线模块对所有电子标签依次进行查找，检测所有标签的状态。如果监测不到某个标签或连接不成功，则视为标签识别失败并统计次数，达到一定次数后则判定该标签不在线，继续查找下一个标签，最后将各个标签所在的状态返回到上位机中。
标签信息读取程序为：接收到信息读取指令后，单片机控制无线模块对相应电子标签进行查找，监测到标签在线后进一步读回标签内部的设备信息，加以处理后返回到上位机中。如果监测不到标签或连接不成功，则视为标签识别失败并统计次数，达到一定次数后则判定该标签不在线，返回标签不存在的消息到上位机中。
图3 RFID业务控制程序流程
标签信息修改程序为：接收到标签修改指令后，单片机控制无线模块对相应电子标签进行查找，监测到标签在线后进一步修改标签内部的设备信息，并返回修改成功标志到上位机中。如果监测不到标签或连接不成功，则视为标签识别失败并统计次数，达到一定次数后则判定该标签不在线，返回标签不存在的消息到上位机中。
3.2 ZigBee传输软件设计
传输模块程序流程如图4所示。
3.2.1 协调器网络组建
网络的建立过程是由ZDO（ZigBee Device Object，ZigBee设备对象）来实现的，ZDO是一种应用，它利用网络层和应用支持子层的服务来实现协调器、路由器和终端设备其中之一个设备角色。网络建立后，在应用层收到ZDO_STATE_CHANGE消息，该消息中包含了当前节点的网络状态[12]。网络建立的过程描述如下：
图4 传输模块程序流程
3.2.2 ZigBee协议栈串口透传分析
在ZigBee协议栈中已对串口初始化所需要的函数进行了编写，用户只需设定几个参数便可以使用串口，此外ZigBee协议栈还编写了串口的读取函数和写入函数。ZigBee协议栈提供与UART相关的函数如下：
3.2.3 主体程序
程序设计主要包括协调器程序和终端设备程序设计。协调器软件流程如图5所示，终端设备软件流程如图6所示。协调器设备作为ZigBee设备1，终端设备作为ZigBee设备2。协调器设备上电初始化后，首先建立ZigBee无线网络，进入操作系统判断应用层事件SampeApp_CMD_SERIA_MSG是否发生，如果发生，执行串口处理函数SampeApp_SeriaCMD（）将串口传来的信息通过射频收发器以射频的方式发送出去；接着判断事件AF_INCOMING_MSG_CMD接收无线数据是否发生，如果发生，将接收到的无线数据通过串口发送给PC机显示。终端设备上电初始化后，发现并加入到协调器产生的网络中，进入操作系统后，事件处理与协调器的操作过程相同。
图5 协调器的软件流程
图6 终端设备的软件流程
4 结 语
本文设计了一款基于ZigBee网络传输的RFID双频读写器并对系统的原理、硬件组成以及软件设计进行了介绍。其传输模式采用了ZigBee网络，该网络是一种比较新型的读写传输模式，省去了传统的有线传输系统布线的过程，是对各种物资管理的先进化、合理化发展的一种有益探索。本设计操作简单，成本低，性能稳定，有2种工作频段可供选择，能广泛应用于安全、管理、物流等领域，提高了工作效率，节约了人力资源，实现了智能化管理。
