0 引言

　　有線通信技術已被廣泛地應用于各個控制領域，它們功耗低、速度快，易于實施，非常適用于通信節點較少，節點位置較為固定的場合。 然而，隨著分布式、模塊化技術的發展，越來越多的控制系統開始采用靈活性更高，擴展性更強的分布式控制結構。相較于常規結構，它們具有控制節點多，節點間位置和連接關系不確定等特點。這使得通過線纜連接的分布式控制系統布線繁瑣，故障發生率高，且靈活性和擴展性也受到很大限制。利用無線通信技術構建無線分布式控制系統可以避免上述問題，從而有效地提高系統的可靠性、擴展性和重構性。目前，無線通信技術已經成為通信技術中的一大熱點，各種用于工業控制自動化和家電智能化的近距離無線互聯標準相繼出現。近幾年來，較為流行的有紅外(IrDA)、藍牙(Bluetooth)和wi—Fi(IEEES02.11)等。IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，它主要用于計算機與外設之間的近距離數據傳輸[1]。Bluetooth能實現近距離范圍內的數據互通，具有通用的無線電接口及控制軟件，已廣泛地用于便攜式設備間的數據通信[2]。基于以太網協議和CSMA/CA機制的無線局域網(Wi—Fi)是當前無線接入的主要標準，它具有較長的通訊距離和較高的通信速度[3]。上述無線通信標準解決了有線控制系統中存在的問題，增加了系統的靈活性，降低了集成專用無線通信技術的風險。然而，IrDA存在視距角度、傳輸距離短等問題，也不適用于多臺設備間的連接。Bluetooth和wi—Fi雖然具有易于組網、通信速率高、傳輸距離遠等優點，但軟硬件較為復雜、成本較高、功耗也較大。因此，為了滿足部分控制系統的簡易、低成本無線聯網要求，需要采用一種復雜程度較低、成本和功耗均很低的無線連接技術。射頻識別(RadioFrequency Identification，RFID)技術是一種通過射頻信號獲取目標對象相關數據的非接觸式自動識別技術[4]，它最初用于替換條形碼應用在物流領域，現已被應用到了交通、加工制造、生產線自動化、無線傳感器網絡等方面，與以上無線通信技術相比，它具有功耗小、成本低、抗干擾能力強、使用壽命長等優點。表1是RFID通信技術與其他幾種常用無線傳輸方式的性能比較。

　　鑒于小型無線分布式控制系統的使用要求以及RFID無線傳輸技術的特點，本文提出了一種基于RFID的近距離無線控制系統。該系統采用一主多從的通訊模式。其中，主機由PC和RFID讀寫器構成;從機采用高速單片機為控制芯片，主動RFID標簽為無線數據收發模塊，并利用單片機的通用輸入/輸出接口實現對傳感器數據的采集和執行單元的控制。系統電路結構簡單，應用靈活，適合于小型、小數據量、低功耗的分布式控制系統。

　　1 RFlD系統概述

　　1.1 RFID系統的組成

　　一個最基本的RFID系統通常由三部分組成：標簽(Tag)：由芯片及天線組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，并可存儲一定容量的數據以標識目標對象。標簽依據發送射頻信號方式的不同，可分為有源(Active)、半無源(semi-passive)和無源(passive)三種。有源標簽包含內部電源，能主動向讀寫器發送射頻信號;半無源標簽也包含內部電源，但其只給標簽內的處理器供電，而不提供發射射頻信號所需的能量;無源標簽不帶電源，其處理器和信號發射及內部處理器運行所需的能量均來自讀寫器產生電磁場。

　　讀寫器(Reader/writer)：用于控制射頻收發器發射射頻信號，并通過收發器接收來自標簽上已編碼的射頻信號，或將信息編碼寫入標簽。

　　應用軟件：控制讀寫器或標簽發送指定的數據信號，并對其接收到的數據進行相關處理。

　　1.2 RFID系統的工作原理

　　RFID系統的工作原理如圖1所示，當半無源或無源標簽進入讀寫器所產生的電磁場后，憑借感應電流獲得能量，將存儲在芯片中的特定信息以反射調制方式發出，而有源標簽則在檢測到讀寫器的讀寫請求后，主動發送某一頻率的信號。讀寫器在接收到標簽的信號后，將其解碼并送至應用軟件進行處理。

　　2 系統總體結構和工作流程

　　基于RFID的分布式無線控制系統主要包括一個具有RFID讀寫功能的主控PC以及多個具有RFID標簽的從機。其邏輯結構如圖2所示，分為上下兩層，上層由PC和RFID讀寫器組成，其中，RFID讀寫器通過USB接口和PC連接。下層由多個從機構成，每個從機都包括單片機、傳感器、執行器、RFID標簽以及電池五個部分。上層結構負責整個系統的協調和管理任務，它可以獲取所有從機的傳感器信息和運行狀態，并由此來規劃和協調各個從機的行為。

　　圖2 基于RFID的無線控制系統結構

　　系統工作流程如下：當系統運行后，PC開始定時向所有從機發送查詢傳感器信息和執行器狀態的命令，接收到查詢命令的從機被激活，并在完成相應的數據采集任務后，將這些信息以指定格式送入RFlD標簽。RFID讀寫器接收到RFID標簽的信息后，通過USB接口將其送入PCE中進行處理，隨后，處理得到的控制命令被發送至各RFID標簽，最后，單片機根據控制命令的要求完成對執行器的操作。

　　3 硬件電路設計

　　系統硬件由PC機、RFID讀寫器和若干從機組成。PC和RFID讀寫器均采用廣泛商用的部件，因此，系統的硬件設計也即從機的設計。由圖2可知，每一個從機都包括單片機、RFID標簽、傳感器以及執行器四個部分，傳感器和執行器的選擇與特定的應用背景密切相關關，因而，根據系統特性要求，選擇合適的單片機和RFID標簽也就成為設計中最為關鍵的部分。

　　3.1 單片機的選擇

　　由于從機采用電池供電，為了延長電池的使用壽命并簡化電源電路的設計，單片機需要有較低的功耗和較寬的工作電壓范圍。Atmel公司的AVR系列單片機ATmega8L是基于RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器[5]。其內部帶8KByte的F1ash、512Byte的EEPROM和1KByte的SRAM，具有先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，數據吞吐率為1MIPs/MHz;工作電壓范圍2.7v～5.5v，工作時鐘范圍0～8MHz，且4MHz速度運行時，電流僅3.6mA。可以滿足系統在功耗、電壓范圍和處理速度方面的要求。此外，它還有豐富的高級語言編程環境，軟件開發也較為便利。

　　3.2 RFID標簽的選擇

　　RFID標簽是整個系統的核心部分，直接關系到系統的通信速率、通信距離和功耗。IDS—SL900A是IDSMicrochip公司推出的UHF半無源RFID標簽[6]。它的電壓范圍為1.1～3.3V，工作于860MHz～960MHz，IDS～SL900A內置了溫度傳感器、實時時鐘、ADC和EEPROM等功能模塊，只需要外接電池和天線即可工作，系統參數還可通過SPI接口進行讀取和配置，因此使用起來非常方便。

　　IDS—SL900A的功耗非常低，它具有三種工作模式：關機模式、空閑模式和記錄模式。在關機模式下，系統具有最小的工作電流，一般為O.1uA;在空閑模式下，電流約為2uA，此時芯片中只有晶振電路和時鐘電路工作;而在記錄模式下，Iss—SL900A內部的溫度傳感器、EEPROM等所有功能模塊全部工作，電流約為200uA。由上可見，IDS—SL900A功能多、功耗低，外圍電路簡單，非常適合于采用電池供電的應用場合。

　　3.3 設計原理圖

　　從機的硬件連接如圖3所示，主控單片機為ATmega8L;有源RFID標簽為IDS—SL900A;執行器為Futaba系列舵機中的S3110微型舵機。其中，ATmega8L通過SPI接口和兩個通用輸入\輸出接口與RFID標簽連接以讀取標簽中的數據并對標簽運行參數進行配置。S3110舵機的控制信號是PPM(Pulse Position Modulation)信號，這是一種脈寬調制信號，周期為20ms，其中，正脈沖的寬度決定了舵機的轉動角度，范圍從1ms到2ms，分別對應舵機的額定轉角的最小值和最大值。圖4為PPM信號的格式，該信號由ATmega8L內部定時計數器l產生，并經輸出比較接口0ClA輸出至S3110。

　　4 軟件設計

　　系統采用一主多的上下層結構，所有從機都工作在PC的監控下，并通過運行于PC上的圖形化界面接收用戶指令。根據系統的結構特點以及系統各部分所實現的功能，可以將系統軟件劃分為人機交互程序、數據通信程序以及傳感器和執行器的控制程序三個部分，如圖5所示。

　　人機交互程序運行于Pc上，它一方面接收用戶輸入的控制參數，將其轉化為各從機的控制命令;另一方面，還定時向各從機發送查詢指令，并將從機發送回來的傳感器信息和運行狀態信息等反饋給用戶。

　　數據通信程序與應用程序獨立，它通過數據緩沖區和同步信號實現從機和PC機之間的雙向數據傳遞，它包括運行于PC上的上層通信子程序和運行于ATmega8L上的下層通信子程序。

　　傳感器和執行器的控制程序運行于下層ATmega8L上，它們負責傳感器信號和從機運行狀態的采集工作;同時，在接收到了控制命令后，還能根據控制命令指定的控制參數完成對執行器的控制操作。

　　5 小結

　　近幾年來，分布式控制系統越來越受到人們的重視，本文根據這種控制系統的使用特點，在分析常用通信技術的特性基礎上，提出了一種基于RFID的分布式無線控制系統，該系統采用了主從通信模式，具有結構簡單、應用靈活、實用性強等優點，可以按多種需求靈活地進行系統配置，并且在成本和功耗方面也具有較為明顯的優勢。