無線射頻遠程讀寫系統的設計

蔡明 馬經權 康國旗

摘 ?要：為解決無線射頻讀寫距離近的問題，對基于ZigBee的無線射頻遠距離讀寫方法進行了研究，將射頻識別系統和無線接入點設計在一個混合系統中，實現RFID遠程讀寫，并通過ZigBee實現數據傳輸，無線傳感終端由RFID讀寫器和無線接入點兩部分組成。在硬件結構上，采用CC2530作為ZigBee無線通信微控制器和ZigBee射頻模塊，國產Si522作為讀寫器射頻芯片。該系統具有組網靈活性好、可靠性高、數據傳輸安全和成本低的特點，并延長了RFID的通信距離，拓寬了其應用范圍。

關鍵詞：RFID;ZigBee;遠程讀寫系統;CC2530;Si522

中圖分類號：TP391.44;TP368.12 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：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

物聯網（IOT）的目標是將物理世界和數字世界無縫地結合起來。物聯網的發展也引起了人們對無線射頻識別（RFID）、無線傳感器網絡和5G網絡等不同互聯技術集成使用的關注。RFID是一種非接觸式的自動識別技術，可以提供對象級的自動識別。RFID一般由三個基本組件組成：電子標簽、讀寫器和PC服務器。無論是主動的還是被動的，電子標簽都是通過無線方式與讀寫器進行無線通信，而讀寫器則通過電纜與PC服務器進行通信。無線傳感網絡是一個信息點的集合，它可以收集物理世界的信息并以電信號的形式進行傳輸。無線傳感網絡提供多種實時應用，包括醫療、環境、娛樂、軍事和安全等。該網絡一般由路由器、協調器組成。每個傳感器節點包含一個或多個傳感器、存儲器、電源和處理芯片。傳感器節點可以直接與無線傳感網絡通信，所有的信息都被傳送到PC服務器。

武漢某職業技術學院在物聯網應用技術專業的實訓教學中，發現現有的實訓硬件過于簡單分立，不具有兼容性和綜合性，特委托我校團隊開發一套完整的物聯網應用場景，實現具有較好兼容性和綜合性的實訓教學系統，該系統傳感數據能夠進行遠程采集，執行器能夠遠程控制。采集和分發的信息可以通過后臺服務器管理，人機接口終端設備能夠訪問管理后臺服務器數據。

本設計的主要目的是為上述應用場景開發一種適用于無線射頻識別-無線傳感器網絡混合系統的便攜式無線射頻識別讀寫器/路由器，由于數據傳送采用了ZigBee的組網通信方式，所以該系統具組網靈活性強、可靠性高、數據傳送安全特點。無線傳感終端（RFID讀寫器+無線接入點）可以廣泛應用于遠程無線方式的數據讀寫。

1 ?RFID無線傳感網絡混合系統的設計

無線射頻識別-無線傳感器網絡混合系統應用于從公共服務、制造環境與物流組織的各項工作，在這些應用中，員工、患者、產品、機器等都將被識別、跟蹤或定位。大中型空間的環境變量也應被捕獲并傳輸到PC服務器。因此，電子標簽和傳感器節點都被用作覆蓋整個工業或服務區域的終端節點。無線傳感終端獲取信息，并將信息傳輸到無線傳感網絡。對于通信網絡，ZigBee因其范圍廣、自動路由能力強、功耗低、帶寬充足而被選中。混合系統的基本結構如圖1所示。無線傳感終端作為身份信息和感知信息的接收器和發送器，將信息轉發給無線傳感網絡，最終轉發到PC服務器。

無線傳感終端負責從傳感器節點向無線傳感網絡發送信息，同時接收無線傳感網絡發送的指令信息并傳送給傳感器節點，負責啟動整個ZigBee系統網絡，無線傳感網絡負責收集整個區域的環境信息，并通過串行通信方式（USART）將收集到的信息發送到PC服務器，同時將來自PC服務器的控制信息傳輸到無線傳感終端。PC服務器收集所有的身份和感知信息，以便進一步處理，并負責提供人機交互。

2 ?遠程讀寫系統設計

2.1 ?無線傳感終端設計

無線傳感終端的結構框圖如圖2所示。CC2530作為微處理器和2.4 GHz收發器。它獲取環境信息，將信息傳輸給無線傳感器網絡中的協調器，并且執行協調器發送的命令。Si522作為RFID讀寫器工作在13.56 MHz，負責執行讀寫操作。在各自的工作頻率下，CC2530和Si522互不干擾。

無線傳感終端主要控制讀寫器射頻通信模塊和電子標簽之間的數據交換。系統采用TI公司生產的CC2530低功耗射頻芯片。它集成了IEEE802.15.4標準，ZigBee射頻收發器和工業標準增強型8051微控制器（MCU）內核。數據讀取流程為：主機（CC2530）發送最高位為1，同時拉低SDA。讀取數據的8位地址并按規定的格式編碼，數據在8個周期后從高到低發送到MOSI線路。接收到讀取指令地址的數據后，由Si522將相應的數據發送回主機。主機將在8個循環后讀出MISO上的數據，同時將SDA拉高，表示一個字節的讀取操作完成。數據寫入操作：主機發送最高位為0，同時拉低SDA。根據讀數據操作中的地址發送方式，目標地址在8個周期后完成發出。再經過8個周期后，通過MOSI發送需要寫入的數據，指示Si522中相應地址更新完成。系統采用32 MHz晶體振蕩器時鐘信號作為核心控制器，CC2530與讀寫器射頻通信模塊之間采用串行外圍接口（SPI）通信方式。P1_4用作控制線信號連接RF芯片Si522的SDA端。P1_5連接Si522的RST引腳，用于復位射頻模塊的控制器。圖3顯示了CC2530和Si522的I/O接口連接。

2.2 ?讀寫器射頻通信模塊電路設計

讀寫器射頻通信電路由射頻芯片及其外圍電路組成。其主要功能是與電子標簽進行通信，完成標簽信息的交換。讀寫器射頻模塊的核心芯片是國產南京中科微Si522。與該讀寫器配套使用的電子標簽為飛利浦生產的M1卡。圖4顯示了讀寫器射頻通信模塊電路。

如圖4所示，讀寫器射頻模塊通過引腳TX1和TX2將頻率為13.56 MHz，由包絡信號調制的載波能量信號發送到天線模塊。天線由L8、L9、C50和C51組成的電磁兼容（EMC）濾波電路和C47、C49、C51、C52組成的匹配電路驅動。在R16、C45、C46、R15組成的信號接收電路中，RX管腳的直流偏置電壓通過R15和C46穩定在管腳VMID處，接收信號通過C45和R16。本模塊與CC2530通過P2集成的SPI口通信。

3 ?系統性能測試

測試了由無線傳感終端與無線傳感網絡的通信系統的可靠性。測試分兩種情況進行：（1）戶外測試：無障礙開闊場地;（2）室內測試：無線傳感網絡組建在室內，無線傳感終端放置在實室外走廊內，走廊的形狀是矩形，位于建筑物的五層，其混凝土墻厚26 cm。測試步驟為PC服務器向無線傳感網絡發送電子標簽讀（寫）標簽的指令，相應的無線傳感終端執行讀（寫）命令對電子標簽進行操作。通過計算無線傳感終端未能正確執行無線傳感網絡指令的次數或執行指令后的信息錯誤次數來計算丟包率。在測試過程中，無線傳感終端和無線傳感網絡之間的距離不斷變化，以驗證不同測試距離對測試過程中讀（寫）結果的影響。測試中電子標簽離讀寫器的距離不應超過10 cm。

測試結果如表1所示，在戶外測試中，當無線傳感網絡與無線傳感終端之間的傳輸距離在80～120 m范圍內時，最大丟包率為3%;當測試距離為80 m或以下時，丟包率為0%。在室內測試中，當傳輸距離為20～60 m時，最大丟包率為3%;當測試距離小于等于20 m時，丟包率為0%。測試結果表明，該系統能夠實現穩定的數據傳輸。證明了本文設計的無線射頻遠程讀寫系統在保證傳輸較為穩定的情況下延長了無線傳感網絡和無線傳感終端之間的通信傳輸距離。

4 ?結 ?論

本設計將RFID技術與ZigBee技術結合，設計了基于Si522和CC2530的無線射頻遠程讀寫系統。實現了RFID讀寫器的遠程無線讀寫，實現了通信數據的雙向傳輸，使系統組網更加靈活。同時，該系統具有良好的可擴展性，終端節點小，成本低，易于部署。所開發的RFID讀寫器可以根據應用需求在現有網絡中使用，從而實現更大的無線傳感器網絡的應用。該系統克服了傳統RFID讀寫器工作距離短、抗干擾能力差、易受環境影響等缺點。同時，系統采用的CC2530芯片除作為ZigBee通信模塊外，多余資源還被用做控制數據傳輸，控制射頻模塊對電子標簽的讀寫操作。這降低了微控制器使用成本，而且省去了布線的麻煩，節約了資源。測試表明，該系統具有較高的穩定性、較長的識別距離，具有重要的經濟和實用價值。

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作者簡介：蔡明（1980.08—），男，漢族，湖北武漢人，副教授，工學學士，研究方向：信息技術與智能工程應用。