基于ZigBee 技术的RFID 系统的设计与实现

　　1 引言

射频识别技术（Radio Frequency Identification，缩写RFID），射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型（雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。1948年哈里斯托克曼发表的"利用反射功率的通信"奠定了射频识别技术的理论基础。

不同频段的RFID产品会有不同的特性，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。目前定义RFID产品的工作频率有低频、高频和超高频的频率范围内的符合不同标准的不同的产品，而且不同频段的RFID产品会有不同的特性。其中感应器有无源和有源两种方式，下面详细介绍无源的感应器在不同工作频率产品的特性以及主要的应用。

　　2 RFID系统的硬件设计

本系统由以下三部分组成：应答 器、读卡器和上位机。应答器相当于传统的RFID系统中的射频卡，主要存储所管理物品的信息，不同的是它为有源卡；读卡器读取应答器中的信息，并将所读取 的信息经有线或无线方式传输给上位机，对本系统进行统一管理。其总体方案设计。

　　2.1射频芯片的确定

CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成 只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps可以实现多点对多点的快速组网。

　　2.2系统对微控制器的要求

无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议（包括MAC层、路由、网络层、应用层等），传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。Zigbee的基础是IEEE 802.15.但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

ZigBee协议栈对系统微控制器的要求有：至少8位微控制器，完全协c义栈所需的ROM为32K，简单功能节点协c义栈所需的ROM为6K。读卡器和应答器对内存的需求分别为四十几兆、几兆的空间，再结合芯片价格、开发难易程度等特点

采用JATMEL公司的AVR系列单片机AT lnega 16L和AT mega 64L比较合适。AT lnega 16L、64L足挚下增强 AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，该控制器的数据吞吐率高达1MIPS／MHz，从而 可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

　　2.3实际工作电路

本系统电路，分别为应答器和渎卡器。读卡器终要完成与上位机的通信，所以本设计应用串口协议转换芯片AD101完成两台设备的数据传输。

　　3 RFID系统的软件设计

无线网络的软件设计是实现远距离RFID系统必不可少的部分，本课题所涉及的软件部分重点包括以下两方面：

（1）读卡器，也就是主节点，主要是Atmega 64L与Atmega16L，以及MCU与无线模块通信的收发程序。

（2）应答器，也就是终端节点，实现终端节点与丰节点的数据交换。在设计各部分程序之前，首先要了解Chipcon公司的CC2420开发平台通讯协议的模型结构和所使用的编程工具，以及本系统中无线网络系统软件的特点。

　　3.1读卡器的软件设计

读卡器是整个无线网络的管理员，它将负责网络的建立、地址的分配和成员的加入、节点设备数据的更新、设备关联表的维护并根据网络的状况自动更新。 ZigBee网络要求至少一个FFD作为网络主节点。要建立一个网络，个节点必须被配置成主节点，这样才能管理以后添加到网络的其它节点。由于主节点 处于网络的上层，功能复杂，因此时主节点的硬件配置也有较高的要求，主节点一般是由电源供电。本课题中读卡器相当于整个网络的主节点，而应答器作为终端 节点。在网络建立成功的基础上读卡器的工作流程。

　　3.2应答器的软件设计

应答器（终端节点）是ZigBee网络结构中简单的一种，它可以是一个FFD也可以是一个RFD。它不支持路由功能，只能与一个上层节点通信。由于不需要与临近节点协调以产生路由功能，终端节点可以离线工作（如关闭收发器） 而不影响网络的连通性。终端节点是整个网络的尾端，它是南嵌 入各个设备中的通讯模块和设备共同组成的，这样的设备具有网络功能，可以响应网络的请求。本课题设计的远距离RFID系统中应答器的软件工作流程。

　　4 实验测试

为了试验电路板的工作稳定性能以及在普通环境下的无线传输中的丢包率。设计了一个测试方案，方案如下：编写了一个发包收包软件，通过PC、凄卡器给应答 器发包，应答器收到包后， 即回发，读卡器回收到包后，通过串口传给PC，接收到的数据再通过超级终端显示。CC2420按上述结构所配置，当传输数据AA时接收端St）口输出的波形。

经过反复实验，本课题所设计的应答器可以很方便地加入、退出读卡器网络，识别时无需方向配置，经读卡器发送和接收的数据显示准确，无线通讯距离可达50米，在加入功放的前提下，通讯距离可达到2000米，垂直传输可穿越三 、四层楼板。

　　5 结束语

本课题将其融入到现有的RFID系统中，设计了基于zigBee的远距离RFID系统。设计了远距离RFID系统的硬件电路，主要包括有源应答器和读卡 器部分。完成了读卡器作为主节点组网，应答器作为子节点加入网络，读卡器和应答器相互通信的软件设计。本文所设计的远距离RFID系统在市场上尚无同类产 品问世，由于技术的通用性，该系统的研制将为其它基于ZigBee无线通信技术的产品研制开发提供可借鉴之处。