利用ZigBee和RFID技術的設備防盜系統架構設計

顏洲 李曉轅

【摘? 要】論文基于RFID技術、ZigBee技術和RSSI測距理論，設計由RFID電子標簽系統、全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）組成的設備防盜系統。此設計的重點是基于RFID的定位系統和基于ZigBee的短距離、低功耗的無線自組局域網技術。通過驗證，此系統具有定位精確的優點，可以有效管理實驗設備，提高資產管理水平。

【關鍵詞】RFID;防盜系統;RSSI;ZigBee;電子設備

【中圖分類號】TP393.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2022）07-0118-03

1 引言

隨著芯片技術和網絡技術的快速發展，辦公自動化的普及程度和辦公效率不斷提高。人們在工作中對小型設備的使用越來越普遍，如移動掃描槍、移動投影儀、移動揚聲器、平板電腦等，實現了萬物互聯。這些小型設備通常存儲第一手數據信息，為工作提供了便利。然而，設備的工作場所往往難以達到人們的理想狀態，有時會發生移動設備丟失問題，這極易導致工作不能繼續進行，對單位、人員造成財產損失。同時，設備丟失也會帶來數據泄露和信息不安全問題，對企業和單位造成不利影響。

結合上述問題，本文設計了一種基于ZigBee和RFID技術的無線定位系統。無線定位系統具有如下功能：電子設備能實時反饋設備工作狀態、反饋設備所在區域、自動定位和超出區域自動報警、信息管理，等等。

2 ZigBee技術的自組無線局域網

隨著芯片技術、網絡技術的飛速發展，自組網絡技術越來越成熟。①ZigBee是一種無線通信協議，底層是采用IEEE 802.15.4標準規范的媒體接入層和物理層，具有低功耗、低成本、簡單、多接入點、支持多種拓撲、安全可靠等特點。②藍牙是一種短距離無線通信技術。藍牙模塊體積小，可以集成到筆記本電腦、手機和其他移動終端當中，因其低功耗和高安全性而得到廣泛應用。其位原理主要基于RSSI（信號強度定位），iBeacon部署在固定區域并傳輸信號，藍牙設備接收信號并將其反饋，在部署范圍內，通過接收信號的強度來估計位置。然而，使用藍牙的室內定位系統在一些復雜環境中穩定性較差，容易受到其他信號的干擾，并且信號強度受到距離的限制，超出一定范圍后，藍牙將斷開連接。③WiFi定位技術。近年來，隨著通信技術和網絡技術的發展，WiFi技術已經應用到城市的各個角落，WiFi芯片也分布在用戶的各個終端。這種廣泛的部署得益于WiFi定位的自然優勢，使其可以在大范圍內應用。其缺點是WiFi定位的使用必須處于聯網狀態，并且功耗高。如果WiFi網絡中有更多終端，則可能導致網絡擁塞并降低定位質量。④NFC代表近場通信，其被開發用于室內定位，但用于接近感測。當兩個設備（均支持NFC）相互接觸時，數據傳輸既快速又簡單。傳輸的數據量不能過大，即從96字節到8 192字節（或8 kB）。典型的數據類型包括（但不限于）：信用卡/借記卡配置文件、網站URL、小型HTML、聯系信息或純文本。通過一些編碼，NFC標簽可以觸發設置中的某些更改內容（使手機靜音、配置WiFi設置以將手機驗證到WiFi網絡等）、發送短信和電話、打開應用程序和Web服務。對于現有設備的改造升級從理論上比較簡單可行，無線技術的性能比較如表1所示。

ZigBee技術的無線自組局域網主要由以下幾種類型的設備構成：路由設備、協調設備和末端節點。在自組網絡中，路由設備和協調設備要具有數據收集和路由選擇功能，網絡協調器和路由器必須是FFD，而終端節點則可以是FFD或者RFD。每個網絡節點（FFD）需要與通信范圍內的多個協調設備（FFD）和末端節點（RFD）進行無線連接。

3 利用ZigBee和RFID技術的設備防盜系統架構設計

3.1 設備防盜系統架構設計

在ZigBee技術的無線自組局域網運行過程中，局域網中的末端節點如果發生位移，并且位移達到一定的距離或者離開某個范圍，監控系統發出報警，所有的出入口關閉，末端節點的位置實時反饋到管理員監控系統，管理員通過視頻監控進行查看，同時，派出保安人員現場進行處理。如果末端節點屬于正常移動或者在授權情況下進行移動，則給予放行。如果末端節點需要離開監控區域，則需要授權并且在門禁系統進行驗證和登記，然后才能放行。

設備防盜系統在規劃設計時，需要從企業的發展規劃、實際需求、企業現狀（軟件、硬件、人員、費用等）等角度進行可行性分析，然后根據實際情況制定符合企業特點的最可行方案。在考慮企業情況的同時，需要充分分析現有設備的性能參數，選擇功耗低、抗污染、可重復、掃描快、體積小的協調設備和末端設備。

通過技術參數比對，CC2431RTCR具有低功耗、抗污染、可重復、掃描快、體積小等特點，可以進行表面貼裝，方便在公共設備和電子設備安裝使用。在做嵌入式處理前，需要將設備的技術參數及相關需要的參數寫入128 kB的閃存中。在設置協調節點時，需要根據空間的大小進行設置，每個獨立空間最少設置3個協調設備（見圖1）。走廊和樓梯兩側分別按照設備的技術參數進行交叉設置協調設備;走廊、走廊盡頭、樓梯間按照攝像設備的性能，按照無死角原則進行設置;每層根據協調設備和終端節點的個數安裝路由設備;每個建筑物的出入口安裝4個協調節點和攝像設備。通過這些全功能設備（FFD）和半功能（RFD）設備組成ZigBee無線自組局域網絡。

3.2 RFID定位模塊設計

無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是一種非接觸的自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號、空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達反射的傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。RFID技術具有讀取距離遠、數據可加密等特點。在設備中使用到的電子標簽具有存儲功能，同時具有超薄、價格低廉、可反復使用等特點。RFID技術通常使用于電子設備，特別是智能設備，應用領域包括物流、商品管理、設備管理及智能家居等。按照防盜系統的設計和設備的特點，定位模塊可以選擇無源電子標簽。無源電子標簽由于自身的特點，沒有計算能力，需要借助第三方進行信號接收和信號處理。第三方通常為具有讀寫功能的協調設備，其組成三角型，進行定位設置。由于協調設備的識別范圍在10 m左右，其定位精度會比較高，定位比較準確。

3.3 發射端電路設計

發射端需要通過超聲波探頭發送40 kHz方波信號，超聲波發射器采用分體式超聲波探頭T40-16，其原理是壓電陶瓷能量轉換。單片機提供脈寬調制（PWM）電壓信號輸出功能，可為系統提供原始40 kHz方波信號。但是，由單片機輸出的PWM波信號直接驅動探頭會使測量距離較短，不能滿足實際測量要求，需要對單片機的輸出信號進行放大。本設計采用了由逆變器74als04組成的驅動電路，單片機產生的信號分為兩路：一路信號通過反相器，然后通過兩個并聯反相器;另一路信號直接通過兩個并聯逆變器，將輸出到探頭的電壓加倍，以達到放大效果。放大后的信號可以傳輸得更遠，并且可以增加可測量范圍。

3.4 定位測距系統設計

定位測距系統包括3個部分，分別為發射端、無線傳輸模塊和接收端，其在同一個空間分布有發射端F和接收端A、B、C，但發射端發送電磁信號后，由接收端分別接收電磁信號，然后對信號進行濾波、整形和放大，交由上一級進行處理。

在ZigBee防盜系統中，通過對終端已經寫入信息的電子標簽進行定位，可以快速確定終端的具體位置，這種快速定位技術分為非測距方法和測距方法兩種形式。一般常用的測距方法包括以下幾種：基于信號到達時間（Time of Arrival，TOA）定位、基于信號到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位、基于RSSI定位、基于信號到達角（Angle of Arrival，AOA）定位等。上述測距技術，是基于協調設備與終端設備之間的實際距離進行測算的方法。

3.5 接收模塊定位設計

無線定位技術是利用電磁波進行距離測控，根據相關算法判斷被測物體的位置，實現定位、追蹤、識別和監測目標位置等功能。無線定位一般包括3個部分：定位設備、定位接收器和定位系統。無線定位涉及的參數一般包括：無線電波傳輸的幅度、時間、相位和到達角，等等。測量的方法有很多種，主要包括以下幾種：紅外線定位技術、超聲波定位技術、藍牙技術、射頻識別技術、WiFi技術、ZigBee技術，等等。

在設備防盜系統中，定位系統設計是基于三角關系定位技術、ZigBee技術、無線測距技術及FFD設備、RFD設備組成的。其使用的MC13224芯片符合IEEE 802.15.4標準以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE標準，能夠實現點對點連接和完整的ZigBee網狀網絡。MC13224集成了完整的低功耗2.4 GHz無線電收發器，內嵌了32位ARM7處理器，集成了用于IEEE 802.15.4、MAC和AES安全加密的硬件加速器以及MCU成套外設。根據數據比對（見表2），定位采用源于ZigBee信號強度（RSSI）的指紋定位算法，其根據信號的強弱與理論值進行比較，可以比較精確地計算出末端節點的位置數據。

4 監測系統定位設計

無線定位技術是一種利用電磁波進行距離測量的技術，它通過特定的算法來確定測量物體的準確位置信息。測量參數一般包括傳輸的時間、相位、幅度等?，F有的測量方法有：藍牙方法、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）方法、超寬帶（Ultra Wideband，UWB）方法、WiFi方法和ZigBee方法等。從定位原理來看，定位技術分為3種：三角關系與運算定位技術、臨近關系定位技術和場景分析定位技術。不同的定位方法和定位技術，對測量精度有很大影響。

在小型電子設備防盜系統中定位系統設計是利用ZigBee技術、三角關系和運算定位技術進行設計，其核心是使用Chipcon公司的CC2431芯片，CC2431芯片自帶的硬件定位引擎符合ZigBee/IEEE 802.15.4技術要求。其定位引擎是基于RSSI技術，根據信號的強度與參考信號進行比較，能準確地計算出終端節點的位置數據，并將位置信息發送給協調節點并傳送到監測系統。

4.1 基于ZigBee的RSSI定位技術應用

在ZigBee的RSSI定位技術中，為了對室內設備進行定位，一般使用三角定位測量技術。協調設備固定在三角點位上，然后根據接收的電磁信號的強弱和電磁信號的特點，通過計算得出末端節點的位置，進行定位。由于信號在傳輸過程中會受到電磁信號的干擾和空間物體的影響，在測量時會利用理論值和實地測量數據進行比對，通過公式的計算得出在一定誤差范圍內的數據值。RSSI值的公式為：RSSI=A-10nlg（d）。式中，n為信號傳輸路徑損耗（Pass Loss）指數;A為無線收發節點相距1 m時無線接收器接收到的值;d為接收端接收到的信號強度。

4.2 RSSI取值設計

無線網絡中協調節點可以接收末端節點發出的Blast數據包，從數據包中可以獲取相應的RSSI數值。RSSI數值的取值有3種方法：中值取值策略、多數投票取值策略和均值取值策略。

中值取值策略可以避免取值出現較大偏差，而影響測量精度，使用中值取值一般采用測量值的中值作為測量結果，以保證能得到準確的結果。多數投票取值策略是通過符合條件的取值個數決定測量值是否可用，其精確度比較高，但對資源消耗比較大，不適合資源比較有限的無線傳感器網絡。均值取值策略是通過計算所有得到的測量結果，取其平均值。由于RSSI取值受到環境的影響比較大，所有均值取值策略會出現一些偏差。

通過對這3種策略的分析，選擇中值取值策略作為設備防盜系統的RSSI取值方法。

5 結語

隨著信息技術的快速發展和人工智能的興起，利用無線局域網進行組網設計會越來越普及。同樣，采用無線局域網技術的設備防盜系統就是利用無線網建設的便捷性、方便性、高效性等特點建立了無線傳感器網絡。在未來，可以把溫度監測、濕度監測和煙霧監測融入無線傳感器網絡中，使ZigBee技術的無線局域網具有更大的擴展性。

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