基于ZigBee有源電子標簽和Internet的區域定位系統

陶為戈，朱昳華，錢志文，賈中寧

（江蘇技術師范學院 電氣信息工程學院，常州 213001）

0 引言

對一定范圍內的人或物進行區域定位管理具有重要現實意義，已廣泛應用于礦井安全生產、交通、物流、醫療、監獄等領域或場所[1]。常用的定位方案有GPS（全球衛星定位系統）、Wi-Fi、電子標簽（RFID）、ZigBee等。從應用的便利性、產品價格以及技術手段的先進性來看，有些還存在著這樣那樣的缺陷。GPS適合于地面作業定位，設備成本較高，水平面內定位精度5～10m[2]；Wi-Fi定位設備功耗較大、且通信覆蓋范圍較小；無源RFID讀寫距離僅數十厘米，有源RFID定位系統卻因價格偏高、定位精度差而不能廣泛使用；單一ZigBee技術定位距離受限等等。

鑒于上述原因，本文根據實際需要，提出了一種基于ZigBee技術的有源RFID實現方案，并綜合考慮成本、距離、功耗和實用性，融合Internet技術構建ZigBee/Internet網關，有效地擴大區域定位范圍。

1 系統結構

基于有源ZigBee RFID技術和Internet技術的區域定位系統結構如圖1所示，主要包括ZigBee RFID、ZigBee/Internet網關、服務器、監控終端等4個部分。ZigBee RFID為低功耗有源電子標簽節點，電池供電，能夠和ZigBee/Internet網關通信，受到振動或休眠時間到自動喚醒，絕大部分時間應處于休眠狀態從而延長電池使用壽命。ZigBee/Internet網關含有ZigBee RFID讀寫器和UART/Internet轉換器XPort模塊，ZigBee RFID讀寫器負責建立ZigBee網絡，識讀有效通信距離范圍內標簽節點信息，進行ZigBee數據包解析，提取ZigBee RFID標簽信息數據，獲取接收信號強度指示(RSSI: Received Signal Strength Index)值并計算其與標簽的距離 ，通過UART接口與XPort通信；XPort將相關信息重新封裝成TCP/IP數據包，經Internet傳輸給遠程服務器。服務器管理軟件通過捕獲IP包獲取ZigBee RFID信息，實現區域定位數據處理、信息存取、為客戶監視終端提供區域定位數據服務等功能。客戶監視終端提供區域定位信息遠程界面顯示、查詢、報警等服務功能。

圖1 區域定位系統結構

2 硬件設計

2.1 ZigBee芯片

CC2530[3]是由美國TI公司推出的符合ZigBee/IEEE802.15.4標準的無線片上系統級芯片，具有完全集成的高性能RF收發器、高速低功耗8051微處理器、8KB RAM、256KB閃存，以及其它豐富的外部設備資源，如DMA、定時/計數器、看門狗定時器、AES-128安全協處理器、12位ADC、USART、定時器、上電復位、斷電檢測、可編程I/O口等。具有優越的射頻性能，包括超低功耗、高接收靈敏度、以及超強的抗干擾能力。支持芯片無線空中下載、在系統編程。在接收/發送傳輸空閑模式下，電流分別為24mA和29mA（+1dBm），支持PM1、PM2、PM3三種休眠模式，而PM3深度休眠電流僅為0.1μA。CC2530從休眠模式到工作模式的超短切換時間，使得該射頻芯片成為針對超長電池使用壽命應用的理想解決方案。CC2530應用包括遠程控制、消費電子、智能家居、智能能源、樓宇自動化、醫療等眾多領域。

2.2 XPort模塊

XPort模塊[4]是Lantronix公司開發的一種高度集成的、嵌入式UART/Internet接口模塊。將XPort模塊集成到產品中，避免了復雜的網絡協議問題，極大地縮短產品開發周期。

XPort模塊集成有DSTni-EX 186微控制器、256KB SRAM、16KB引導ROM、512KB存儲固件和Web的fl ash、10/100Mbps自適應以太網收發器、高速串行接口、狀態指示發光二極管、以及3個可編程I/O引腳。XPort在空間結構上等價一個連接器，一端提供8引腳3.3V CMOS電平高速串 口 (GND，3.3VDC，Reset，Data In，Data Out，CPl，CP2，CP3)，另一端提供標準的以太網RJ45接口。另外，XPort提供嵌入式Web服務器功能，用于遠程配置與監測。

2.3 ZigBee RFID硬件設計

低功耗有源ZigBee RFID由CC2530芯片、外圍電路和其他應用電路組成，其結構如圖2所示。外圍電路包括復位電路、電源監測、射頻天線接口電路、固件下載調試接口電路等CC2530最小系統電路。其他應用電路包括按鍵、狀態/電源指示LED、UART接口、電源電路、振動檢測等電路構成，以滿足不同應用場景標簽工作模式的選擇及低功耗節電要求。

圖2 有源ZigBee RFID結構圖

2.4 ZigBee/Internet網關硬件設計

ZigBee/Internet網關主要由基于CC2530芯片的ZigBee模塊、按鍵、后備電源、OLED模塊、XPort模塊等構成，結構如圖3所示。

圖3 ZigBee/Internet網關結構圖

ZigBee模塊串口默認數據傳輸速率115200bps，可以通過無線配置或網絡配置；XPort參數可以通過Web瀏覽器方式、Telnet遠程登錄方式或串口方式配置。網關ZigBee模塊作為ZigBee/Internet網關控制中心，一方面，ZigBee模塊既是ZigBee RFID讀寫器，又是ZigBee網絡協調器，具有建立ZigBee網絡的功能。另一方面，充分利用網關ZigBee模塊處理器CC2530的優越性能，協調網關各功能部件，控制OLED模塊顯示網關狀態信息，通過UART接口與XPort模塊通信，進而實現ZigBee協議包與TCP/IP數據包轉換。

3 軟件設計

軟件設計主要包括三個部分：ZigBee RFID軟件、標簽讀寫器軟件、服務器管理軟件。標簽和讀寫器軟件開發平臺為IAR EW8051 v7.60，ZigBee協議棧選用ZStack-CC2530-2.5.1a，在該環境下對標簽和讀寫器進行必要的程序設計及軟、硬件參數配置。服務器管理軟件使用Visual Studio C# 和SQL Server，并通過三層架構的C/S模式完成設計。

3.1 ZigBee RFID軟件設計

ZigBee RFID主程序流程圖如圖4所示。標簽CC2530芯片上電后首先完成設備初始化，包括設置系統基準時鐘、硬件配置等初始化工作，接下來進入啟動ZigBee協議棧、廣播ID信息、檢測電池電壓、發簽/非發簽模式判別等環節，在非發簽模式下，直接進入休眠狀態后至定時時間到喚醒或檢測到振動退出休眠狀態（兩種喚醒方式根據標簽應用場景需要配置），再次主動給網關ZigBee RFID讀寫器廣播ID信息。

圖4 ZigBee RFID主程序流程圖

3.2 網關ZigBee RFID讀寫器軟件設計

ZigBee RFID讀寫器CC2530上電后首先執行系統初始化工作，然后啟動ZigBee協議棧，進行工作模式判別，模式由按鍵狀態決定。在發簽模式下，當收到配置指令信息，無線轉發給標簽；在非發簽模式下，若收到標簽ID信息，則將標簽ID、根據RSSI計算出的距離等信息通過UART接口傳輸給XPort，再以IP數據包的形式經Internet傳輸給遠程服務器。

3.3 服務器管理軟件設計

下面以佩戴有源ZigBee RFID的校園人員（學生）為區域定位對象，介紹區域定位服務器管理軟件設計基本要求。

軟件功能：服務器管理軟件通過捕獲IP包獲取ZigBee RFID信息，在服務器端進行人員區域定位數據處理、信息存取與界面顯示，使得管理人員通過客戶監視終端方便地實現對學生實時位置監測、考勤以及歷史信息查詢等。

服務器功能模塊主要有：系統管理維護、設備管理、基本信息管理、數據處理、客戶監視管理等。其中客戶監視管理軟件功能模塊主要有：登陸模塊、學生信息管理模塊、數據解析模塊、數據處理模塊、查詢模塊、打印報表模塊等。

系統管理：設定操作員的登陸密碼，設定數據庫連接參數、數據庫服務名、IP地址等。

設備管理：設置通信參數端口號，設置和修改網關信息，包括IP地址、安裝位置、有效識讀距離等參數。設置的操作包括查詢、修改、新增、刪除以及保存。

基本信息設置：設置和修改學生基本信息，包括姓名、學號、班級等；設置ZigBee RFID基本信息，包括硬件標識、類型等。設置的操作仍然包括查詢、修改、新增、刪除以及保存。

4 結束語

本文提出了一種區域定位系統設計方案，闡述了有源ZigBee RFID、ZigBee/Internet網關、服務器管理軟件設計與實現方法。以佩戴電子標簽的校園人員為區域定位對象進行了測試，標簽讀寫器室內準確識別距離大于20m，IP丟包率小于萬分之一，能夠通過Internet對校園人員進行區域定位監測。測試結果表明，系統較好地實現了有源ZigBee RFID系統與Internet的有機融合，為泛網研究打下了一定基礎。同時系統面向市場、實用性強，具有廣泛的應用前景。

[1] 穆萬里. 區域定位系統原理與關鍵技術研究[J]. 電信快報, 2012, (3): 6-8, 17.

[2] 鮑遠律, 劉振安. 衛星定位, 交通監控與數字地圖[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006.

[3] Texas Instruments Incorporated. A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[EB/OL]. [2012-8-12]. http://www.ti.com/lit/ds/swrs081b/swrs081b. pdf.

[4] Lantronix Inc. XPort Data sheet[EB/OL]. [2012-8-12].http://www.lantronix.com/pdf/XPort_DS. pdf.