RFID（射頻辨識系統）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。典型的RFID 系統由電子標簽（Tag），讀寫器（Reader）以及管理系統等組成。主要應用于門禁管理、物流管理、車輛管理、自動控制、防盜系統等多種場合。但現有的RFID 技術存在數據安全性不高、識別距離短、設備成本高以及讀寫系統工作靈活性不強等問題。為推廣RFID 技術的使用，RFID 的發展應滿足一下要求：

（1） 低成本：現有的RFID 讀卡器需要上萬元，很難滿足大眾群體的需求。

（2） 遠距離：對于大型機構如物流、小區車輛管理、公車管理、不停靠收費站等都需要遠距離識別。

（3） 移動性：數據可無線傳輸到管理系統，系統組網簡單，可用于臨時應急方案。

（4） 可擴展性：在系統不做大的改動的情況下，能夠自動地進行軟件升級和功能擴張。

（5） 保密性：確保用戶的信息不被泄漏或盜取。為了解決RFID 技術的上述問題，本文提出了一種基于ZigBee 技術[2]的遠距離有源RFID 系統。

1 系統框架及硬件設計

1.1 系統工作原理

與典型RFID 一樣，系統由電子標簽，讀寫器和服務器管理系統組成，如圖1 所示。

電子標簽為智能有源RFID 電子標簽，標簽內不僅存儲著物體的具體信息，還集成有相應的傳感器，可以對周圍環境進行監測，并把數據與自己的信息一起傳到服務器。有源標簽本身有發送數據的自主權，減輕了讀寫器的負擔，增大了標簽與讀寫器之間的距離，減少了讀寫器的個數。讀寫器之間可以通過ZigBee協議構成無線傳感器網絡，讀寫器之間可以協調工作；通過多跳方式把數據傳到服務器，擴大了網絡覆蓋面積。服務器可以通過調用數據庫中存儲的進入網絡的標簽的信息，對物體進行定位，跟蹤或觸發相應事件，實現人與人或人與物的交互。

圖1 系統原理圖

1.2 硬件的設計原理

結合目前市場上ZigBee 射頻芯片的性能、價格，本系統采用Chinpcon 公司的CC2430.C2430 芯片是高度集成的解決方案[3],僅需很少的外部元件，且所選用元件均為低成本，可支持快速、廉價的ZigBee 節點的構建。由于技術成熟，這里就不給出CC2430 的具體內部結構圖和它的外圍電路圖，請參閱其技術手冊[4].

讀寫器采用RS232 串口與服務器相連，使用了寬電壓范圍的SP3232E 電平轉換芯片，它的電壓范圍在3.3 到5V.電源模塊采用LM1117 低壓差電壓調節器，采用具有固定電壓輸出3.3V 型號的LM1117-3.3,用5V 適配器為讀卡器供電。

CC2430 內部集成了8~14 位ADC,簡化了標簽的硬件電路設計。電池使用紐扣式電池供電，有利于減小標簽體積。標簽的天線基于1/4 波長單端PCB 印制天線理論設計[5],天線直接印制在PCB 板上，使得標簽緊湊小巧。

為了增大讀卡器與標簽的通信距離，減少路由個數，我們使用TI 公司推出的用于2.4GHz 射頻前端集成芯片CC2591[6].CC2591 專門用于低功耗、低電壓無線傳輸系統，集成了輸出功率高達+22dBm 的功率放大器，及可以將接收靈敏度提高+6dB 的低噪聲放大器，從而能大大提高設備的通信范圍。CC2591 使得在空曠場地的傳輸距離提高到400 米至800 米，比原來提高15 倍。CC2591 外圍電路圖如圖2 所示。

圖2 CC2591 外圍電路圖

與CC2430 的通信接口包括RF_P,RXTX,RF_N,PAEN,EN,HGM.其中RF_P、RF_N 必須與CC2430的RF_P、RF_N 連接，分別映射到系統協議棧內部接口和寄存器。PAEN , EN 使能端接CC2430 的RRFG_OUT,RXTX 接到CC2430 的RXTX_SWITCH,HGM 可接任意普通I/O 口。電源引腳的電容為濾波電容，同時與電感L111 構成射頻負載。CC2591 和天線之間的C111,C112,C113 和L112 L111 網絡相匹配，整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求，同時C112 為芯片內部的PA 及LAN 提供直流偏置。

R151 是偏置電阻，為CC2591 內部提供一個精確的偏置電流。

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2 系統軟件架構

2.1 讀寫器與標簽的通信

讀寫器與標簽通信，首先必須有ZigBee 網絡存在。這就需要系統中讀寫器（一般與服務器直接串口相連）將網絡建立起來，并負責地址的分配和成員的加入、節點設備數據的更新、設備關聯表的維護。標簽發現網絡，就會請求加入網絡。入網成功后，標簽就與其中讀寫器建立父子關系，時刻保持通信。為了降低標簽功耗，標簽具有定時休眠的功能。

本系統采用Z-stack 協議棧來完成網絡的建立及路由或標簽的入網，從而建立通信鏈路。

2.1.1 網絡形成

讀卡器上電后，將掃描DEFAULT_CHANLIST 指定的通道，最后在其中之一形成網絡（根據ZDAPP_CONFIG_PAN_ID 的值）。然后調用ZDO 層的初始化設備函數ZDOInitDevice（0）設置NV 網絡狀態：

networkStateNV=INITDEV_NEW_NETWORK_STAT;最終觸發網絡初始化函數，設置網絡初始化事件；ZDO層任務事件處理函數對網絡初始化事件進行處理，調用ZDO_StartDevice（）函數，將改變設備狀態為協調器啟動：devState = DEV_COORD_STARTING;然后調用NWK 層網絡形成請求函數：NLME_Network-FormationRequest（）；NWK 層通過調用MAC 和PHY 層相關功能函數執行一些列網絡形成動作，最終形成網絡。

2.1.2 標簽加入網絡

標簽在上電初始化以后，經過初始化設備、設置NV 網絡狀態、觸發網絡初始化函數、設置網絡初始化事件、啟動設備后將改變設備狀態為發現網絡：

devState = DEV_NWK_DISC;調用NWK 層發現網絡請求函數：NetworkDiscoveryRequest（）；然后NWK 層通過調用MAC 和PHY 層相關功能函數執行一些列發現網絡動作，發送發現網絡消息至ZDO 層。ZDO 層接收到該消息后，修改設備狀態為正在加入網絡：

devState = DEV_NWK_JOINING; NWK 層通過調用MAC 和PHY 層相關功能函數執行一些列請求加入網絡動作，并發送加入網絡指示消息至ZDO 層。ZDO層任務事件處理函數將執行處理加入網絡函數：

ZDApp_ProcessNetworkJoin（）；修改設備狀態為終端設備：devState = DEV_END_DEVICE.設置ZDO 狀態改變事件： osal_set_event（ZDAppTaskID, ZDO_STATE_CHANGE_EVT ）；最終加入已有網絡，與讀卡器進行通信。

2.2 讀寫器與有源RFID 標簽的軟件流程圖

讀寫器設備初始化后首先要檢測是否有網絡存在，這決定了讀寫器是作為網絡的協調器還是路由器，來完成相應的功能。標簽設備初始化后，首先加入網絡，再執行設備程序，完成傳感器數據采集等功能。

在它休眠醒來或數據發送完成后，要檢測一下是不是已經離開網絡。如果標簽遠離與它通信的讀寫器，它將通過孤點方式再次申請加入網絡，與新的讀寫器建立通信。讀寫器與有源RFID 標簽的具體工作流程如圖3 所示。

圖3 讀寫器與有源RFID 標簽的具體工作流程

2.3 低功耗設計

由于標簽是有源RFID,低功耗設計是非常重要的。在設計中，主要采用增加休眠時間還減少通信流量兩種方法來實現的。標簽在休眠時的功耗將近為喚醒時的千分之一，在保證監控的真確性的前提下，增長休眠時間是低功耗設計的一個重要手段。設計中用定時器1 作為定時休眠，休眠時間為10s.具體實現：

__interrupt void T1_ISR（void）

{ IRCON &= ~0x02; //清中斷標志

counter++;

if（counter == 250）

{counter = 0;timetemp = 10; }//10 秒到

PowerMode（3）； }//進入休眠模式3

為了減少標簽的通信流量，標簽會記錄上一次的狀態（如溫度變化），根據狀態是否變化來決定是否傳輸數據。具體實現：

if（oldstate!=newstate）

{zb_SendDataRequest（0xFFFE,REPORT_CMD_ID, 2, pData,0,AF_ACK_REQUEST,0）；} //發送數據請求

else{PowerMode（3）；}}//進入休眠模式3

3 測試結果

在測試時，我們模擬倉庫管理系統。將標簽中寫入了物體的具體信息（我們這里寫入一個ID 號），并在標簽上設計了溫度傳感器電路，用來實時監測物體周圍環境信息。讀卡器與計算機相連，通過串口顯示標簽的信息。串口顯示如圖4 所示。

圖4 測試顯示結果

4 結語

本文基于ZigBee 技術設計了一種工作頻段為2.4GHz 的有源RFID 系統。改善了目前RFID 系統識別距離短，組網不靈活，抗干擾能力差的缺點。詳細地介紹了整個系統的開發流程。但是此系統中標簽價格仍然昂貴，只適合于貴重物體跟蹤等少數場合。隨著技術水平的不斷提高，生產出價格低廉，集成度更高的射頻芯片，使得芯片體積更小，價格更低，此系統便可以得到廣泛應用。