采用ZigBee和RFID技术的电子标签识别系统

芯片是TI公司推出的能实现2.4GHz IEEE 802.15.4的射频收发，具有灵敏度高、抗干扰能力强等特点，尤其是CC2530芯片的超低功耗，在被动模式（RX）下，电流损耗为24mA，在主动模式（TX）时，电流损耗为29mA，具有三种模式，模式1、模式2和模式3电流损耗分别为0.2mA、1uA和0.4uA，特别适合那些要求低功耗的场合。还具有2V-3.6V的宽电源电压范围。它内含一个8位MCU（8051），8KB的RAM，还包含具有8路输入和可配置分辨率的12位模拟数字转换器（ADC）、1个符合IEEE 802.5.4规范的MAC定时器、1个常规的16位定时器和1个8位定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路、以及21个可编程I/0引脚。图3示ZigBee终端节点硬件电路图。

　　图3 ZigBee终端节点硬件结构图

　　3.3 ZigBee协调器节点电路设计

　　ZigBee 协调器节点负责将ZigBee终端节点发送过来的数据通过RS232串口线与上位机实现数据通信，同时将接受上位机传输过来的控制指令并发送给 ZigBee终端节点。ZigBee协调器电路图与ZigBee终端节点电路一致，如图3所示，只需将Z-stack协议栈中将其设定为协调器。由于 CC2530使用的是TTL电平，而PC机通信采用的是EIA电平，因此该系统采用MAX232芯片实现电平转换以保证系统的有效通信，如图4所示。

　　图4 MAX232电平转换电路图

　　4 系统软件设计

　　4.1 ZigBee终端节点软件设计

　　终端采集节点主要功能是接受来自上位机的数据采集指令后，采集电子标签数据信息，并将采集到的数据信息发送到协调器节点。首先ZigBee终端节点上电初始化，申请加入已组建的 ZigBee网络，若加入网络成功，进入低功耗模式即休眠状态，以降低终端节点功耗。等待定时中断产生，ZigBee终端节点微处理器控制主从射频模块读取电子标签信息，并将识别到的标签数据信息通过ZigBee无线模块传输给ZigBee协调器节点，然后再通过串口RS232传输给上位机进行处理。其终端采集节点程序流程图如图5所示。

　　图5 ZigBee终端采集节点软件流程图

　　4.2 ZigBee协调器节点软件设计

　　系统利用ZigBee网络的Z-STACK协议栈进行无线通信，Z-STACK协议基于轮转查询式操作系统来实现。协调器节点上电后，初始化硬件及协议栈，搜索信道和空闲信道评估，选择信道并建立ZigBee网络。若节点申请加入网络，准许加入并分配一个l6位的网络短地址，等待上位机发送过来的数据采集指令，然后RFID读写器对电子标签进行识别，将接收的所有数据包通过串口通信发送到PC上位机，以便进行数据处理，ZigBee协调器节点软件流程图如图 6所示。

　　图6 ZigBee协调器软件流程图

　　4.3 上位机应用软件设计

　　该系统上位机应用软件使用Visual Basic语言编写，该语言是一种由Microsoft 公司开发的结构化的、模块化的、面向对象的、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言，如图7示上位机应用软件界面。利用上位机应用软件对电子标签下发命令数据，能够实现对电子标签ID信息的读取、信号发射功率的修改和工作状态的切换。

　　设置标签发射信号功率程序源代码如下：

　　ReDim bytbyte（1）

　　bytbyte（0） = 221

　　bytbyte（1） = 17 - 2 * Val（Form3.Combo_rssi.Text）

　　Form3.MSComm1.Output = bytbyte（）

　　设置标签工作状态程序源代码如下：

　　ReDim bytbyte（1）

　　bytbyte（0） = 221

　　bytbyte（1） = 17 * （Val（Form3.Combo_sta.ListIndex） + 1）

　　Form3.MSComm1.Output = bytbyte（）

　　5 测试结果

　　为了验证实验结果的可靠性和稳定性，在室内外对系统进行了测试，室内测试主要是检测系统穿透墙壁的传输距离，室外测试主要是检测系统无障碍物的传输距离。通过上位机软件对电子标签发送控制指令来改变电子标签的信号发射功率，以实现电子标签信号的最远发射距离，更好地达到降低电子标签功耗和发射距离最大化的平衡点，在不同信号发射功率条件下，电子标签信号发射距离如表1所示。

　　由表1测试结果可知，电子标签信号发射功率为0dBm（最大信号发射功率）时，在室外电子标签信号发射距离为30-65m，室内电子标签信号发射距离为 25-50m。在电子标签信号发射功率为0dBm条件下，以电子标签ID号为1和2分别代表室内和室外，其测试结果如图7所示。

　　图7 系统测试结果

　　在室内室外不同条件下，系统ZigBee无线模块在200米范围内能够对标签数据信息实现有效传输，提高了系统传输距离，有广泛的应用前景。其测试结果如表2所示。

　　6 结论

通过ZigBee和RFID技术，设计了一