基于ZigBee技术的有源RFID系统

　　摘 要：针对现有RFID 系统中的不足，设计了一种基于ZigBee 技术的有源RFID 系统。阐述了有源RFID 系统的硬件设计原理，分别给出了读写器和有源标签软件设计架构，并通过研究Z-Stack 协议完成阅读器与有源标签之间的通信。采用TI 公司的CC2591 功率放大芯片，增大了读卡器与标签的通信距离。并通过增加休眠时间和减少通信流量完成了标签的低功耗设计。最终实现了远距离、多节点的有源RFID 系统的设计。

　　RFID（射频辨识系统）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。典型的RFID 系统由电子标签（Tag），读写器（Reader）以及管理系统等组成。主要应用于门禁管理、物流管理、车辆管理、自动控制、防盗系统等多种场合。但现有的RFID 技术存在数据安全性不高、识别距离短、设备成本高以及读写系统工作灵活性不强等问题。为推广RFID 技术的使用，RFID 的发展应满足一下要求：

　　（1） 低成本：现有的RFID 读卡器需要上万元，很难满足大众群体的需求。

　　（2） 远距离：对于大型机构如物流、小区车辆管理、公车管理、不停靠收费站等都需要远距离识别。

　　（3） 移动性：数据可无线传输到管理系统，系统组网简单，可用于临时应急方案。

　　（4） 可扩展性：在系统不做大的改动的情况下，能够自动地进行软件升级和功能扩张。

　　（5） 保密性：确保用户的信息不被泄漏或盗取。为了解决RFID 技术的上述问题，本文提出了一种基于ZigBee 技术［2］的远距离有源RFID 系统。

　　1 系统框架及硬件设计

　　1.1 系统工作原理

　　与典型RFID 一样，系统由电子标签，读写器和服务器管理系统组成，如图1 所示。

　　电子标签为智能有源RFID 电子标签，标签内不仅存储着物体的具体信息，还集成有相应的传感器，可以对周围环境进行监测，并把数据与自己的信息一起传到服务器。有源标签本身有发送数据的自主权，减轻了读写器的负担，增大了标签与读写器之间的距离，减少了读写器的个数。读写器之间可以通过ZigBee协议构成无线传感器网络，读写器之间可以协调工作；通过多跳方式把数据传到服务器，扩大了网络覆盖面积。服务器可以通过调用数据库中存储的进入网络的标签的信息，对物体进行定位，跟踪或触发相应事件，实现人与人或人与物的交互。

　　

　　图1 系统原理图

　　1.2 硬件的设计原理

　　结合目前市场上ZigBee 射频芯片的性能、价格，本系统采用Chinpcon 公司的CC2430.C2430 芯片是高度集成的解决方案［3］，仅需很少的外部元件，且所选用元件均为低成本，可支持快速、廉价的ZigBee 节点的构建。由于技术成熟，这里就不给出CC2430 的具体内部结构图和它的外围电路图，请参阅其技术手册［4］。

　　读写器采用RS232 串口与服务器相连，使用了宽电压范围的SP3232E 电平转换芯片，它的电压范围在3.3 到5V.电源模块采用LM1117 低压差电压调节器，采用具有固定电压输出3.3V 型号的LM1117-3.3，用5V 适配器为读卡器供电。

　　CC2430 内部集成了8~14 位ADC，简化了标签的硬件电路设计。电池使用纽扣式电池供电，有利于减小标签体积。标签的天线基于1/4 波长单端PCB 印制天线理论设计［5］，天线直接印制在PCB 板上，使得标签紧凑小巧。

　　为了增大读卡器与标签的通信距离，减少路由个数，我们使用TI 公司推出的用于2.4GHz 射频前端集成芯片CC2591［6］.CC2591 专门用于低功耗、低电压无线传输系统，集成了输出功率高达+22dBm 的功率放大器，及可以将接收灵敏度提高+6dB 的低噪声放大器，从而能大大提高设备的通信范围。CC2591 使得在空旷场地的传输距离提高到400 米至800 米，比原来提高15 倍。CC2591 外围电路图如图2 所示。

　　

　　图2 CC2591 外围电路图。

　　与CC2430 的通信接口包括RF_P，RXTX，RF_N，PAEN，EN，HGM.其中RF_P、RF_N 必须与CC2430的RF_P、RF_N 连接，分别映射到系统协议栈内部接口和寄存器。PAEN ， EN 使能端接CC2430 的RRFG_OUT，RXTX 接到CC2430 的RXTX_SWITCH，HGM 可接任意普通I/O 口。电源引脚的电容为滤波电容，同时与电感L111 构成射频负载。CC2591 和天线之间的C111，C112，C113 和L112 L111 网络相匹配，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻（50Ω）的要求，同时C112 为芯片内部的PA 及LAN 提供直流偏置。

　　R151 是偏置电阻，为CC2591 内部提供一个精确的偏置电流。