RFID和ZigBee的圖書館智能監(jiān)控通道系統(tǒng)設計※＊

吳蓬勃，李學海，卜新華

（石家莊郵電職業(yè)技術學院，石家莊050031）

引 言

傳統(tǒng)的圖書館防盜報警系統(tǒng)，采用磁條檢測防盜，檢測率低，系統(tǒng)容易受磁性或金屬物質(zhì)的影響而產(chǎn)生誤報或漏報。而且系統(tǒng)電路復雜、集成度低、故障率高。另外，圖書防盜裝置多為單機系統(tǒng)或者有線通信系統(tǒng)，而圖書館部門繁多、地理位置分散、布線困難，使得圖書館管理人員不能實時可靠地了解圖書館的運行狀況。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要包括兩個部分：圖書館出入口監(jiān)測單元和ZigBee以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換單元。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

1.1 出入口監(jiān)測單元

出入口監(jiān)測單元主要包括：RFID射頻讀卡模塊、熱釋電人流量統(tǒng)計模塊、ZigBee無線傳輸模塊、聲光報警模塊和LCD顯示模塊。該單元完成的主要功能有：

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

①通過RFID射頻讀卡模塊對出入口監(jiān)測區(qū)域進行無線監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)非法（未解鎖）的貼有RFID標簽的圖書經(jīng)過，則發(fā)出聲光報警，同時通過ZigBee無線傳輸模塊，將告警信息發(fā)送給本地的服務臺PC機和遠端的ZigBee協(xié)調(diào)器。

②通過熱釋電人流量統(tǒng)計模塊進行出入人數(shù)統(tǒng)計，統(tǒng)計信息可以顯示到該單元的LCD中，同時通過ZigBee無線傳輸模塊發(fā)送給遠端的ZigBee協(xié)調(diào)器。

1.2 ZigBee以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換單元

各出入口監(jiān)測單元的狀態(tài)信息通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括：STM32微控制器、RFID射頻讀卡模塊、ZigBee無線傳輸模塊、聲光報警模塊、LCD顯示模塊、熱釋電人流量統(tǒng)計模塊。以上幾個部分構(gòu)成了出入口監(jiān)測單元。另外還有連接服務臺PC的ZigBee模塊、連接服務器的ZigBee協(xié)調(diào)器。本文重點介紹RFID射頻讀卡器、熱釋電人流量統(tǒng)計模塊、ZigBee無線傳輸模塊的設計。

2.1 RFID射頻讀卡模塊設計

由于圖書館出入口距離較短，并且出入者可能攜帶多本圖書（即多個RFID標簽），所以要求RFID射頻讀卡模塊要有很高的靈敏度、很高的讀取速度和很好的穿透能力，并且可以進行多標簽識別。

本系統(tǒng)選用了奧地利微電子公司的UHF RFID讀寫器專用芯片AS3992，該芯片支持DRM（多閱讀器），有較好的防沖撞和抗干擾能力。芯片內(nèi)部集成了接收電路、發(fā)送電路、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、控制接口等部分；可以通過并行接口或SPI串行接口與MCU通信（本系統(tǒng)使用了STM32的SPI口與AS3992對接）。AS3992與MCU有兩種通信模式可選：Normal mode和Direct mode。其中，Normal mode支持ISO18000－6C（EPC Gen2）標準，Direct mode可兼容ISO18000－6A／B標準。

基于AS3992射頻芯片的RFID讀卡器電路框圖如圖2所示。STM32通過EN引腳控制AS3992的使能，通過SPI口發(fā)送數(shù)據(jù)到射頻芯片AS3992，AS3992將數(shù)據(jù)進行協(xié)議編碼、調(diào)制載波，然后信號經(jīng)過900MHz巴倫（平衡不平衡轉(zhuǎn)換器）0900BL18B100，將兩路射頻信號轉(zhuǎn)換為單路射頻信號。接著通過功率放大器SPA－2118Z進行信號放大，經(jīng)過低通濾波器LPCN－1000D＋后，信號被送到定向耦合器RCP890A05，再經(jīng)過阻抗匹配后由天線發(fā)送出去。

圖2 RFID讀寫器電路框圖［1]

同樣，經(jīng)過天線接收到的射頻信號也要經(jīng)過阻抗匹配和定向耦合器后，被送至巴倫，將信號轉(zhuǎn)換為兩路差分信號，經(jīng)過AS3992的解調(diào)、解碼后，通過IRQ引腳向STM32提供數(shù)據(jù)接收中斷，STM32通過SPI口從AS3992中讀取接收到的數(shù)據(jù)。

2.2 熱釋電人流量統(tǒng)計模塊設計

熱釋電探測器電路圖如圖3所示。根據(jù)人體峰值輻射波長，本系統(tǒng)選用敏感波長為7～14μm的熱釋電傳感器RE200B探測人體紅外輻射，將紅外信號的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號。同時為了探測人體的移動，在傳感器前端安裝了菲涅爾透鏡。

在探測區(qū)域內(nèi)，當無人體移動時，熱釋電傳感器只探測到恒定的背景溫度，該信號經(jīng)過紅外傳感信號處理器BISS0001識別后，從VO引腳輸出并且維持低電平（作為常態(tài)）；只有當帶有紅外熱源的人體進入探測區(qū)，并且相對于探頭做橫向運動時，熱釋電傳感器才將感應到人體運動信號送到BISS0001進行處理，從VO引腳輸出高電平，該信號被送到STM32；VO引腳的高電平在保持一段延時T1后返回低電平，經(jīng)過一段防干擾保護時間T2后，等待下一次觸發(fā)。

其中T1＝49152×R1×C1，T2＝24×R2×C2，可通過調(diào)整R1、C1、R2、C2來設定時間T1和T2，從而調(diào)整紅外探測器的反應速度。其中BISS0001的A引腳用來設置是否重復觸發(fā)（電路中利用一個3芯排針TRIG＿SET跨接短路子來設置），當A為“1”時，允許重復觸發(fā)；反之，不可重復觸發(fā)。［3]

為了能夠分辨是走出還是走入的人員，需要在進出通道的前后兩端分別安裝一個熱釋電探測器，利用兩個探測器所探測到信號的先后順序來判斷人員是出還是入，同時對兩個探測器探測到有效信號的時間間隔設置一個上限，只有兩個有效信號的時間間隔在設置的時間上限內(nèi)，才被認為是有效的出入，否則將被認為是干擾信號。熱釋電探測器電路圖如圖3所示。

2.3 ZigBee無線傳輸模塊設計

本系統(tǒng)的ZigBee模塊主要有兩種：連接服務器的ZigBee協(xié)調(diào)器、連接出入口監(jiān)測單元和服務臺PC的Zig－Bee路由器。兩種ZigBee模塊的硬件設計完全相同，只是在軟件設計中有所區(qū)別。

本系統(tǒng)采用了TI公司的ZigBee／IEEE 802.15.4無線射頻收發(fā)器CC2530。CC2530的功能強大，其芯片內(nèi)部包括了RF收發(fā)器、增強型8051 CPU、在線可編程的程序存儲器Flash、8KB數(shù)據(jù)存儲器RAM和多種功能豐富的電路模塊。CC2530不僅能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求，而且從休

圖3 熱釋電探測器電路圖［2]

圖4 CC2530Zigbee無線傳輸模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)以STM32為主控制單元，通過RFID讀卡器實現(xiàn)讀卡功能，接收熱釋電傳感器傳過來的人體檢測信號實現(xiàn)人流量的統(tǒng)計，通過串口連接ZigBee模塊實現(xiàn)無線眠模式中喚醒所需的轉(zhuǎn)換時間很短，還可使其進一步降低電能消耗。

CC2530ZigBee無線傳輸模塊的電路圖如圖4所示。CC2530無線模塊實現(xiàn)ZigBee無線信號到有線信號的轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)絊TM32。其中CC2530的天線部分，一般有2種設計方案可選：SMA天線和PCB天線。當選擇常用的SMA天線時，傳輸距離一般是350～450m；而PCB天線如果做的不好，傳輸距離只有100～150m。考慮到室內(nèi)墻壁等障礙物的遮擋，為了使得ZigBee無線信號能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的傳輸，本系統(tǒng)采用了SMA天線。數(shù)據(jù)的傳輸，通過聲光告警設備進行防盜報警，通過LCD顯示設備信息和人流量信息。另外，ZigBee無線傳輸模塊以CC2530為主控制單元，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的自動組建和無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。本文重點對RFID讀卡器部分和ZigBee無線傳輸模塊部分的軟件進行介紹。

3.1 RFID射頻讀卡器軟件設計

目前市場上大部分標簽不具備EAS標識位，部分具有EAS標識位的標簽由于體積較大、成本高，不適合用于圖書管理。本系統(tǒng)選取了Alien公司的UHF無源電子標簽，該標簽符合ISO／IEC 18000－6C和EPC Class1Gen2標準。

對于多標簽的同時讀取，在一個存盤周期內(nèi)讀寫器可以識別2Q－1個標簽。開始讀寫前會賦予Q一個初始值，當處于射頻場內(nèi)的標簽數(shù)量小于2Q－1時，存盤可以正常進行；如果標簽數(shù)量大于2Q－1時，會發(fā)生沖突，通過在軟件中自動調(diào)整Q值，實現(xiàn)對射頻場內(nèi)標簽數(shù)量的自適應。本系統(tǒng)中多標簽的讀取流程如圖5所示。

圖5 RFID多標簽讀取流程［6]

3.2 ZigBee無線傳輸模塊軟件設計

ZigBee無線傳輸模塊的主要功能是自動組建無線網(wǎng)絡，將串口數(shù)據(jù)進行無線收發(fā)。要實現(xiàn)自動組網(wǎng)功能，需要先配置1個協(xié)調(diào)器（通過串口連接本系統(tǒng)的服務器），并設置PANID號，該協(xié)調(diào)器為整個無線傳感網(wǎng)絡的核心，其他無線ZigBee模塊配置為路由器（連接出入口監(jiān)測單元和服務臺PC），加入到協(xié)調(diào)器所構(gòu)建的網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器會為每個路由器設備分配一個16位的短地址（Short Address）。只要網(wǎng)絡中不再加入新的路由器或節(jié)點設備，短地址不會發(fā)生改變。

ZigBee路由器的16位短地址可以作為網(wǎng)絡中各個設備通信地址使用。但是具體哪個短地址對應哪個圖書借閱部門出入口，傳入?yún)f(xié)調(diào)器中的數(shù)據(jù)如何區(qū)分是來自哪個圖書借閱部門，上述問題也被解決。本系統(tǒng)將ZigBee模塊的短地址和實際物理地址進行了綁定，并存儲到STM32的內(nèi)部Flash存儲器中。

ZigBee路由器的ZigBee的短地址與物理地址的綁定過程略——編者注。

結(jié) 語

本文設計了一款用于圖書館的智能監(jiān)控通道。通過RFID射頻讀卡器讀取圖書中RFID標簽的模擬EAS位來進行報警監(jiān)測，較之原來的磁條檢測方式，本系統(tǒng)有更高的集成度和較高的標簽檢測率。采用ZigBee組建無線傳輸網(wǎng)絡，并進行ZigBee設備地址與實際物理地址的綁定，通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸圖書防盜信息和人流量統(tǒng)計信息，克服了有線傳輸所帶來的局限性。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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