电子设备诊断系统中RFID系统与ZigBee网络混合组网的设计与实现

摘要：针对传统的条形码识别管理系统数据实时性差，自动化程度低，以及单一的RFID管理系统因为与服务器的有线通信而受到的诸多限制缺点，提出了一种将搜集电子设备健康信息的RFID射频识别系统整合到ZigBee无线网络中的无线数据传输方案。该方案将RFID阅读器和ZigB ee终端集成为ZigBee-RFID节点，可实现两个网络的混合组网。实际测试结果表明，本设计可以使RFID系统和ZigBee网络良好的结合，从而解决传统RFID阅读器布局受限的问题，具有一定的实用性和推广价值。
关键词：ZigBee；CC2430；有限状态机；混合组网

0 引言
目前，有些采用RFID射频识别装置的检测系统虽然能够获得设备的健康信息，但是，无论是同定式的RFID阅读器还是移动式阅读器，将数据及时传同服务器的方式无非是采用有线的方式或者用存储卡来转移数据。有线通信方式的检测范围有限，而移动式阅读器又无法满足实时性的需求。针对这一问题，本文提出了一种将RFID阅读器与ZigBee无线网络终端整合的方案，该方案使得RFID阅读器也成为ZigBee无线网络的一个节点，这样，检测的范围可以极大的拓展，实时性的需求也可以得到满足。本文的主要工作是考虑ZigBee终端如何与RFID阅读器通信以及自身状态转换的问题，具体阐述了ZigBee终端与RFID阅读器混合组网的软硬件设计方法。

1 系统总体结构
电子设备远程诊断系统的总体结构如图1所示，本设计的主要丁作是设计并实现RFID阅读器与ZigBee无线网络的混合组网，用于对电子没备健康状态参数的采集和存储。RFID标签将从被测电子设备上采集健康状态参数，然后通过ZigBee-RFID节点内部的RFID阅读器模块读取这些数据并传给ZigBee终端模块，最后经过无线网络传输给ZigBee协调器，协调器与上位机服务器采用USB口连接，健康状态参数传回给服务器后，利用电子设备故障诊断和预测软件对数据进行分析后即可得到该被测装备的健康信息。服务器上的故障诊断和预测软件还可提供远程登录功能，通过互联网即可监控到被测装备的健康状态。ZigBee RFID节点的设计里有LCD显示模块，一些明显的和易被检测的故障在ZigBee-
RFID节点上也可以显示出来，从而构成了一套覆盖范围广，功能强，实时性好的电子设备诊断系统。

2 硬件设计
整个ZigBee-RFID节点的硬件设计框图如图2所示，分为RFID阅读器模块和ZigBee终端模块，其中RFID阅读器模块采用的是利用nRF9E5芯片设计的无线射频收发模块，其接口主要包括电源、4个A／D口和12个I／O口，以方便灵活地应对各种扩展应用。由于nRF9E5中没有片内Fla sh等存储器，所以，程序代码必须从片外存储器装载，利用SPI接口从片外E2PROM加载程序时，其默认使用的存储器为25AA320。本设计中主要运用的就是这四个SPI接口以及两个I／O口来进行UART串行通信。ZigBee终端模块采用德州仪器的CC2430芯片。该芯片集成了ZigBee射频前端、内存和1个8位处理器(8051内核)。系统中的CC2430在接收和发射时的工作电流均低于27 mA，休眠时最低仅0．6μA，加上其休眠模式与工作模式的超短切换时间等特点，都使得其非常适合对电池寿命要求很高的应用。

CC2430因为已将很多功能都集中在芯片内了，所以，其外围电路设计得到了简化。CC2430采用两种工作电压，内部使用1．8 V的工作电压，外部数字I／O口使用3．3 V电压，片内集成一个自流稳压器，能够把3．3 V的外接电压转换成1．8 V的电压，这样，外围电路就只需要考虑3．3 V的电源供应，而不用再专门设计一个电压转换电路。天线部分为了减少组件的个数，德州仪器公司提供了一个适用于CC2430的微带线巴伦，其原理图如图3所示。

本设汁在TX模式下，把两个差分RF引脚的输出结合为一个单端50 Ω的RF信号，并在RX模式下把单端50 Ω天线信号分成差分RF信号。提供给输出阶段的阻抗匹配以及DC也在巴伦中实现。这个巴伦设计包括两个用于阻抗匹配的组件(L1和L3)、一个RF块(L2)以及一个DC块(C2)。除了上述四个分立组件外，还有一个1／2波长的长传输线，可用于保证正确的RF信号相位以及一个70 Ω、23度的传输线的阻抗匹配。为了实现合适的性能，适当长度的传输线以及L2的连接点都很重要。L3和1／2波长传输线之间的布线的适当尺寸也很重要。选择这个布线的尺寸可以确保合适的阻抗匹配。巴伦布线的阻抗受第一层布线与下面接地平面之间距离的影响。因此参考设计建议使用1 mm厚的两层FR4基板。
因为RFID阅读器模块和ZigBee终端模块之间需要进行通信，同时，在调试时，也需要与计算机进行串行通信，所以安排了两组跳线，以方便RFID阅读器模块和ZigBee模块的自由选择和相互通信，同时也可各自连接电脑以方便调试。当需要调试或与电脑连接时，跳线可提供连接SP3232芯片的选择。SP3232芯片的主要作用是将TTL电平转化为RS232电平。SP3232芯片所需供电电压低，适合便携式设备应用。各模块间的具体连接图如图4所示。