基于RFID的室内定位系统设计

RFID 读写器和标签系统均采用低功耗MCU 芯片PIC16F877A 作为核心控制单元， 以低功耗无线射频收发器芯片CC2500 为核心配合外围滤波器和天线等构成系统的通信单元。在读写器与标签进行数据通信的过程中， 通过获取RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示）信号推测出读写器与标签之间的距离，在获得来自于多个具有固定位置信息的标签的RSSI 信号后，可以实现对读写器的无线定位。实验结果表明，该系统在室内环境中能够实现较高精度的无线区域定位。

　　随着科技的进步和社会经济的发展，人们对定位服务的要求越来越高，传统的定位系统已经不能满足室内定位的需求。GPS 在户外环境的定位中应用广泛，但是由于混凝土等障碍物对电磁波的阻挡，它在室内环境中是完全失效的。笔者基于有源RFID 技术，采用PIC 系列单片机PIC16F877A 和TI 公司的射频收发器芯片CC2500，设计出了一种低成本、低功耗，可以适用于室内环境的无线定位系统。

　　1 总体设计

　　RFID 室内定位系统由读写器和标签组成。其中读写器按照功能划分可以分为4 个模块，如图1 所示。分别是控制模块、射频通信模块、定位信息显示模块、电源模块。控制模块负责控制系统的运行，包括对各种外设的控制，以及完成定位算法的运行等。射频通信模块负责数据的收发， 采用ASK 调制方式，实现读写器和标签之间的数据传输。定位信息显示模块主要是显示定位目标的信息。电源模块用来给系统的各个单元提供工作电源。另外，与上位机连接的读写器通过RS-232 串口与上位机进行通信， 所以部分读写器还带有串口通信模块。

图1 读写器系统结构

　　标签主要由控制模块、射频通信模块、电源模块组成，如图2 所示。

图2 标签系统结构

　　控制模块中的微控制器通过SPI 接口与射频收发器通信，在控制模块的统一调度下，读写器与标签节点之间通过无线射频通信交换信息。在读写器的无线信号覆盖区域内，标签节点收到来自读写器的广播信号后会处于激活状态，处于激活状态的标签节点会将自己的ID 号发送给读写器，然后接收读写器的请求命令，将存储于节点中的信息传送给读写器；或者接收读写器的写命令，将来自读写器的信息写入自己的存储器中。

系统硬件设计#e#

　　2 系统硬件设计

　　2.1 控制器部分

　　在系统设计中，考虑到系统的功耗、成本及性能等要求，选择Microchip 公司的PIC16F877A 作为系统的微控制器。

　　PIC16F877A 是一款具有RISC 结构的16 位高性能单片机，内部集成了一个在线调试器（In-Circuit Debugger），可以实现在线调试和在线编程。拥有35 条单字指令，8k×14 个字节的FLASH 程序存储器，368×8 字节的RAM，8 级硬件堆栈，内部看门狗定时器，低功耗休眠模式，高达25 mA 的吸入/拉出电流， 外部具有3 个定时器模块， 拥有10 位多通道A/D 转换器，通用同步异步接收/发送器等功能模块。它具有功耗低、驱动能力强、外接电路简洁等特点，同时具有哈佛总线结构、寻址简单、指令条数少等优点。

　　微控制器模块主要由PIC16F877A 单片机及其外围电路组成。其电路原理图如图3 所示。在读写器系统在中，PIC16F877A 的RB0~RB3 及RC7，RD4~RD7 用作向显示模块发送显示数据的通信接口；OSC1 和OSC2 扩展外部时钟电路；PIC16F877A 单片机通过SPI 接口设置CC2500 的工作参数并与CC2500 交换数据。

图3 单片机外围电路原理图

2.2 射频通信模块

　　考虑到功耗、接收灵敏度、传输速率和芯片成本等因素，系统采用了TI 公司的无线射频收发芯片CC2500 作为无线通信模块控制器。CC2500 是TI 公司推出的一款低成本、低功耗、体积小的2.4 GHz 无线通信频段的收发器，工作频率波段为2400~2 483.5 MHz。RF 收发器集成了一个数据传输率可达500kbit/s 的高度， 可配置的调制解调器和一个64 位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）。CC2500 的寄存器配置可通过SPI 接口控制。它具有载波监听和休眠模式，非常适合低功耗应用。

　　射频通信模块主要由CC2500 收发器、传输与接收天线及其外围滤波、匹配网络组成，其中天线采用了Rainsun 公司的贴片天线，系统电路原理图如图4 所示。

图4 CC2500 外围电路原理图

　　CC2500 通过4 线SPI 兼容接口（SI，SO，SCLK 和CSN）与PIC16F877A 相连，这个接口用作写入和读取数据。SI 为数据输入线，SO 为数据输出线，SCLK 为时钟线，CSN 为片选信号线，低电平有效。SPI 接口的状态控制线还包含一个读/写信号控制线。CC2500 的状态寄存器里指示一些系统的工作状态信息。

　　2.3 电源模块

RFID 室内定位系统一般主要布置在楼宇、仓储建筑物等的内部，有些具有