无线射频远程读写系统的设计

蔡明 马经权 康国旗

摘  要：为解决无线射频读写距离近的问题，对基于ZigBee的无线射频远距离读写方法进行了研究，将射频识别系统和无线接入点设计在一个混合系统中，实现RFID远程读写，并通过ZigBee实现数据传输，无线传感终端由RFID读写器和无线接入点两部分组成。在硬件结构上，采用CC2530作为ZigBee无线通信微控制器和ZigBee射频模块，国产Si522作为读写器射频芯片。该系统具有组网灵活性好、可靠性高、数据传输安全和成本低的特点，并延长了RFID的通信距离，拓宽了其应用范围。

关键词：RFID;ZigBee;远程读写系统;CC2530;Si522

中图分类号：TP391.44;TP368.12      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）15-0164-03

Abstract：In order to solve the problem of short reading and writing distance of radio frequency，the ZigBee long-distance reading and writing method of radio frequency is studied，and the design of radio frequency identification and wireless access point is designed in a hybrid system to realize RFID remote reading write and realize data transmission through ZigBee. The wireless terminal node is composed of RFID reader and wireless access point. In the hardware structure，CC2530 is used as the microcontroller and radio frequency module for ZigBee wireless communication，and Si522 is used as the reader radio frequency chip. The system has the characteristics of good flexibility，strong scalability，high reliability，safe data transmission and low cost，and the communication distance of RFID is extended and its application range is widened..

Keywords：RFID;ZigBee;remote reading and writing system;CC2530;Si522

0  引  言

物联网（IOT）的目标是将物理世界和数字世界无缝地结合起来。物联网的发展也引起了人们对无线射频识别（RFID）、无线传感器网络和5G网络等不同互联技术集成使用的关注。RFID是一种非接触式的自动识别技术，可以提供对象级的自动识别。RFID一般由三个基本组件组成：电子标签、读写器和PC服务器。无论是主动的还是被动的，电子标签都是通过无线方式与读写器进行无线通信，而读写器则通过电缆与PC服务器进行通信。无线传感网络是一个信息点的集合，它可以收集物理世界的信息并以电信号的形式进行传输。无线传感网络提供多种实时应用，包括医疗、环境、娱乐、军事和安全等。该网络一般由路由器、协调器组成。每个传感器节点包含一个或多个传感器、存储器、电源和处理芯片。传感器节点可以直接与无线传感网络通信，所有的信息都被传送到PC服务器。

武汉某职业技术学院在物联网应用技术专业的实训教学中，发现现有的实训硬件过于简单分立，不具有兼容性和综合性，特委托我校团队开发一套完整的物联网应用场景，实现具有较好兼容性和综合性的实训教学系统，该系统传感数据能够进行远程采集，执行器能够远程控制。采集和分发的信息可以通过后台服务器管理，人机接口终端设备能够访问管理后台服务器数据。

本设计的主要目的是为上述應用场景开发一种适用于无线射频识别-无线传感器网络混合系统的便携式无线射频识别读写器/路由器，由于数据传送采用了ZigBee的组网通信方式，所以该系统具组网灵活性强、可靠性高、数据传送安全特点。无线传感终端（RFID读写器+无线接入点）可以广泛应用于远程无线方式的数据读写。

1  RFID无线传感网络混合系统的设计

无线射频识别-无线传感器网络混合系统应用于从公共服务、制造环境与物流组织的各项工作，在这些应用中，员工、患者、产品、机器等都将被识别、跟踪或定位。大中型空间的环境变量也应被捕获并传输到PC服务器。因此，电子标签和传感器节点都被用作覆盖整个工业或服务区域的终端节点。无线传感终端获取信息，并将信息传输到无线传感网络。对于通信网络，ZigBee因其范围广、自动路由能力强、功耗低、带宽充足而被选中。混合系统的基本结构如图1所示。无线传感终端作为身份信息和感知信息的接收器和发送器，将信息转发给无线传感网络，最终转发到PC服务器。

无线传感终端负责从传感器节点向无线传感网络发送信息，同时接收无线传感网络发送的指令信息并传送给传感器节点，负责启动整个ZigBee系统网络，无线传感网络负责收集整个区域的环境信息，并通过串行通信方式（USART）将收集到的信息发送到PC服务器，同时将来自PC服务器的控制信息传输到无线传感终端。PC服务器收集所有的身份和感知信息，以便进一步处理，并负责提供人机交互。

2  远程读写系统设计

2.1  无线传感终端设计

无线传感终端的结构框图如图2所示。CC2530作为微处理器和2.4 GHz收发器。它获取环境信息，将信息传输给无线传感器网络中的协调器，并且执行协调器发送的命令。Si522作为RFID读写器工作在13.56 MHz，负责执行读写操作。在各自的工作频率下，CC2530和Si522互不干扰。

无线传感终端主要控制读写器射频通信模块和电子标签之间的数据交换。系统采用TI公司生产的CC2530低功耗射频芯片。它集成了IEEE802.15.4标准，ZigBee射频收发器和工业标准增强型8051微控制器（MCU）内核。数据读取流程为：主机（CC2530）发送最高位为1，同时拉低SDA。读取数据的8位地址并按规定的格式编码，数据在8个周期后从高到低发送到MOSI线路。接收到读取指令地址的数据后，由Si522将相应的数据发送回主机。主机将在8个循环后读出MISO上的数据，同时将SDA拉高，表示一个字节的读取操作完成。数据写入操作：主机发送最高位为0，同时拉低SDA。根据读数据操作中的地址发送方式，目标地址在8个周期后完成发出。再经过8个周期后，通过MOSI发送需要写入的数据，指示Si522中相应地址更新完成。系统采用32 MHz晶体振荡器时钟信号作为核心控制器，CC2530与读写器射频通信模块之间采用串行外围接口（SPI）通信方式。P1_4用作控制线信号连接RF芯片Si522的SDA端。P1_5连接Si522的RST引脚，用于复位射频模块的控制器。图3显示了CC2530和Si522的I/O接口连接。

2.2  读写器射频通信模块电路设计

读写器射频通信电路由射频芯片及其外围电路组成。其主要功能是与电子标签进行通信，完成标签信息的交换。读写器射频模块的核心芯片是国产南京中科微Si522。与该读写器配套使用的电子标签为飞利浦生产的M1卡。图4显示了读写器射频通信模块电路。

如图4所示，读写器射频模块通过引脚TX1和TX2将频率为13.56 MHz，由包络信号调制的载波能量信号发送到天线模块。天线由L8、L9、C50和C51组成的电磁兼容（EMC）滤波电路和C47、C49、C51、C52组成的匹配电路驱动。在R16、C45、C46、R15组成的信号接收电路中，RX管脚的直流偏置电压通过R15和C46稳定在管脚VMID处，接收信号通过C45和R16。本模块与CC2530通过P2集成的SPI口通信。

3  系统性能测试

测试了由无线传感终端与无线传感网络的通信系统的可靠性。测试分两种情况进行：（1）户外测试：无障碍开阔场地;（2）室内测试：无线传感网络组建在室内，无线传感终端放置在实室外走廊内，走廊的形状是矩形，位于建筑物的五层，其混凝土墙厚26 cm。测试步骤为PC服务器向无线传感网络发送电子标签读（写）标签的指令，相应的无线传感终端执行读（写）命令对电子标签进行操作。通过计算无线传感终端未能正确执行无线传感网络指令的次数或执行指令后的信息错误次数来计算丢包率。在测试过程中，无线传感终端和无线传感网络之间的距离不断变化，以验证不同测试距离对测试过程中读（写）结果的影响。测试中电子标签离读写器的距离不应超过10 cm。

测试结果如表1所示，在户外测试中，当无线传感网络与无线传感终端之间的传输距离在80～120 m范围内时，最大丢包率为3%;当测试距离为80 m或以下时，丢包率为0%。在室内测试中，当传输距离为20～60 m时，最大丢包率为3%;当测试距离小于等于20 m时，丢包率为0%。测试结果表明，该系统能够实现稳定的数据传输。证明了本文设计的无线射频远程读写系统在保证传输较为稳定的情况下延长了无线传感网络和无线传感终端之间的通信传输距离。

4  结  论

本设计将RFID技术与ZigBee技术结合，设计了基于Si522和CC2530的无线射频远程读写系统。实现了RFID读写器的远程无线读写，实现了通信数据的双向传输，使系统组网更加灵活。同时，该系统具有良好的可扩展性，终端节点小，成本低，易于部署。所开发的RFID读写器可以根据应用需求在现有网络中使用，从而实现更大的无线传感器网络的应用。该系统克服了传统RFID读写器工作距离短、抗干扰能力差、易受环境影响等缺点。同时，系统采用的CC2530芯片除作為ZigBee通信模块外，多余资源还被用做控制数据传输，控制射频模块对电子标签的读写操作。这降低了微控制器使用成本，而且省去了布线的麻烦，节约了资源。测试表明，该系统具有较高的稳定性、较长的识别距离，具有重要的经济和实用价值。

参考文献：

[1] 刘毅力，焦尚彬.基于CC2530无线传感网络系统的设计 [J].现代电子技术，2013，36（3）：43-46.

[2] 赵欣.基于RFID和ZigBee的变电站巡检系统设计 [J].电气应用，2016，35（16）：98-101.

[3] 郝唯文，江世进，张琼，等.用于变电站的RFID无线温度传感器 [J].机械与电子，2020，38（7）：55-62.

[4] 李苗苗，杨伟东，杨泽青，等.基于ZigBee和RFID技术的仓库货物定位系统设计 [J].现代电子技术，2017，40（4）：103-106.

[5] 许广文，高立峰.基于CC2530的无线温度采集装置的研究 [J].工业仪表与自动化装置，2020（3）：114-117+125.

[6] 刘小莉，杨稳，胡慧超，等.基于ZigBee的高校智能照明系统的设计与实现 [J].现代信息科技，2019，3（2）：12-13+ 16.

作者简介：蔡明（1980.08—），男，汉族，湖北武汉人，副教授，工学学士，研究方向：信息技术与智能工程应用。