基于射頻識別的無線傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)計研究

摘要：為了解決無線傳感網(wǎng)通常運行在人不能或不便接近的環(huán)境，能源無法替代的問題，該設(shè)計采用了單片機MSP430F2370芯片和少量外圍電路等來構(gòu)成完整測量系統(tǒng)。由于其充分利用了單片機內(nèi)部資源，使系統(tǒng)硬、軟件設(shè)計達到了最小化，具有識別可靠性高、抗干擾能力強、成本低廉和體積小巧等特點。它可以識別ISO15693，ISO14443A，ISO14443B等多種協(xié)議標準的電子標簽。在今后的門禁系統(tǒng)、生產(chǎn)線檢測、自動收費系統(tǒng)、超市物流等方面有很大的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：RFID；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點；電子標簽；物聯(lián)網(wǎng)

    物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險救災(zāi)、危險區(qū)域遠程控制等領(lǐng)域，被認為是對21世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一。
    因此，筆者提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多標準RFID設(shè)別設(shè)備，此設(shè)備可以實時自動識別物品的RFID電子標簽內(nèi)信息，具有識別可靠性高，信息處理能力強，功耗小，保密性強。再結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息傳輸，可實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息應(yīng)用，本實用新型的應(yīng)用將會越來越廣泛，對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

1 RFID技術(shù)簡介
1．1 RFID分類
    RFID按應(yīng)用頻率不同分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(MW)，相對應(yīng)代表性頻率分別為：低頻135 kHz以下、高頻13．56 MHz、超高頻860～960 MHz、微波2．4～5．8 G。
    RFID按照能源供給方式分為無源RFID標簽或被動標簽(Passive Tag)，有源RFID標簽或主動標簽(Active Tag)，以及電池協(xié)助的無源RFID標簽。無源RFID標簽價格很低，但是無需要電池，有源RFID可以提供更遠的讀寫距離，但是需要電池供電。有源標簽由于有電池供電和功能較強的微控制器和無線單片機，所以可以實現(xiàn)更大范圍的傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，也可以通過ZigBee、Wi—Fi、GPRS／3G等技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，來延伸標簽的范圍，是RFID技術(shù)一個非常重要的發(fā)展方向。
1．2 射頻識別系統(tǒng)組成
    射頻識別系統(tǒng)主要由標簽(Tag)、讀卡器(Reader)、天線(Antenna)等組成，一般還需要其他軟硬件的支持。
    標簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成(有源標簽還需要電池和傳感器等)，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。
    讀卡器(Reader)：也稱讀寫器等，讀取(有時還可以寫入)標簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。
    天線(Antenna)：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。如果是有源電子標簽，讀卡器也以同時是一個無線網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)⒂性礃撕灩?jié)點收集的數(shù)據(jù)，通過低功耗網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。
1．3 RFID技術(shù)的工作原理
    RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標簽進入磁場后，射頻前端發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無源標簽或被動標簽)，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(Active Tag，有源標簽或主動標簽)；讀取信息并解碼后，送至RFID射頻識別控制單元進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

2 射頻識別節(jié)點的硬件設(shè)計
2．1 射頻識別節(jié)點的結(jié)構(gòu)
    如圖1為射頻識別節(jié)點的結(jié)構(gòu)：它包括：1)USB轉(zhuǎn)串口單元；2)RFID射頻識別控制單元；3)RFID讀頭前端單元；4)和無線射頻收發(fā)單元。射頻前端和標簽間一般采用半雙工通信方式進行信息交換，同時通過耦合給無源應(yīng)答器提供能量和時序。在實際應(yīng)用中，可進一步通過Eth-ernet或WLAN等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。

2．2 USB轉(zhuǎn)串口和射頻識別控制單元
    USB轉(zhuǎn)串口單元和RFID射頻識別控制單元連接如圖2所示。其工作原理為：用戶可以通過USB接口把模塊與PC機連接，通過USB轉(zhuǎn)串口單元發(fā)送命令到射頻識別控制單元，同時射頻識別控制單元可以通過USB轉(zhuǎn)串口單元把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機上進行數(shù)據(jù)處理。

2．3 RFID讀頭前端單元
    圖3給出了本實用新型的核心控制電路，其工作過程是：TRF7960通過SPI口與MSP430F2370通信。當讀頭前端檢測到有效標簽，IRQ就置高電平，TRF7960與MSP430F2370的SPI通信有效，射頻識別控制單元把數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)寄存器中以便向PC機發(fā)送。同時射頻識別控制單元根據(jù)不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，判斷出不同協(xié)議的標簽，通過外接的LED燈指示出不同標準的標簽。

    RFID讀頭前端單元的核心是TRF7960芯片如圖4所示，TRF7960的第8引腳RX1_AM，第9引腳RX2_PM為信號輸入的端，電阻R1、R2，電容C16、C17、C18，通過相互調(diào)節(jié)達到50 Ω的阻抗，以便接收信號最佳，電阻R2，電容C18前端的PCB天線構(gòu)成了磁場，TRF7960的第5引腳TX_ OUT不斷向磁場附近發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令。當有標簽靠近磁場的時候，標簽通過電磁耦合接收到命令，同時向讀頭前端發(fā)送數(shù)據(jù)請求應(yīng)答命令，標簽此時處于準備狀態(tài)，當讀頭接收到數(shù)據(jù)請求應(yīng)答命令，開始讀取標簽的序列號，同時調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)處理函數(shù)，如果數(shù)據(jù)校驗正確就把標簽信息發(fā)送到射頻識別控制單元，否則重新讀取信息。

2．4 無線射頻收發(fā)單元工作原理
    無線射頻收發(fā)單元主要采用AT86RF230芯片：當AT86RF230發(fā)送數(shù)據(jù)時，MSP430F2370把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送到AT86RF230的寄存器中。數(shù)據(jù)經(jīng)過基頻處理、頻率合成、功率放大，然后經(jīng)過AT86RF230的第4引腳RFP通過天線E1發(fā)射。當AT86RF230接收數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)通過天線E1經(jīng)AT86RF230的第5腳RFN輸入，然后經(jīng)過低噪聲放大、多相濾波器、復(fù)合帶通濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后把接收到數(shù)據(jù)存儲在AT86RF230的寄存器中，然后通過SPI接口與MSP430F2370進行通信，把數(shù)據(jù)存儲到MSP430F2370的寄存器中。RFID射頻識別控制單元與無線射頻收發(fā)單元連接電路圖如圖5所示。

3 結(jié)束語
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國防軍事、環(huán)境科學以及智能家居等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用，由于通常運行在人不能或不便接近的環(huán)境，能源無法替代，因此傳感器節(jié)點的位置信息在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多應(yīng)用領(lǐng)域中扮演著十分重要的角色。利用該芯片開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點識別可靠性高、抗干擾能力強、成本低廉和體積小巧特點。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點，為今后無線傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用提供了理想的解決方案。