基于射頻識(shí)別的無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究

引言

    物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)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(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn)RFID設(shè)別設(shè)備，此設(shè)備可以實(shí)時(shí)自動(dòng)識(shí)別物品的RFID電子標(biāo)簽內(nèi)信息，具有識(shí)別可靠性高，信息處理能力強(qiáng)，功耗小，保密性強(qiáng)。再結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息傳輸，可實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息應(yīng)用，本實(shí)用新型的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，對(duì)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(jià)值。

1 RFID技術(shù)簡(jiǎn)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(duì)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(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽(Passive Tag)，有源RFID標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽(Active Tag)，以及電池協(xié)助的無源RFID標(biāo)簽。無源RFID標(biāo)簽價(jià)格很低，但是無需要電池，有源RFID可以提供更遠(yuǎn)的讀寫距離，但是需要電池供電。有源標(biāo)簽由于有電池供電和功能較強(qiáng)的微控制器和無線單片機(jī)，所以可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，也可以通過ZigBee、Wi—Fi、GPRS／3G等技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，來延伸標(biāo)簽的范圍，是RFID技術(shù)一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。

    1．2 射頻識(shí)別系統(tǒng)組成

    射頻識(shí)別系統(tǒng)主要由標(biāo)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(biāo)簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成(有源標(biāo)簽還需要電池和傳感器等)，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。
   
    讀卡器(Reader)：也稱讀寫器等，讀取(有時(shí)還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式。
   
    天線(Antenna)：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。如果是有源電子標(biāo)簽，讀卡器也以同時(shí)是一個(gè)無線網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)⒂性礃?biāo)簽節(jié)點(diǎn)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(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，射頻前端發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無源標(biāo)簽或被動(dòng)標(biāo)簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)(Active Tag，有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)；讀取信息并解碼后，送至RFID射頻識(shí)別控制單元進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

{$page$}

2 射頻識(shí)別節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

    2．1 射頻識(shí)別節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

    如圖1為射頻識(shí)別節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)：它包括：1)USB轉(zhuǎn)串口單元；2)RFID射頻識(shí)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(biāo)簽間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，同時(shí)通過耦合給無源應(yīng)答器提供能量和時(shí)序。在實(shí)際應(yīng)用中，可進(jìn)一步通過Eth-ernet或WLAN等實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。

    2．2 USB轉(zhuǎn)串口和射頻識(shí)別控制單元

    USB轉(zhuǎn)串口單元和RFID射頻識(shí)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(jī)連接，通過USB轉(zhuǎn)串口單元發(fā)送命令到射頻識(shí)別控制單元，同時(shí)射頻識(shí)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(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

    2．3 RFID讀頭前端單元

    圖3給出了本實(shí)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(dāng)讀頭前端檢測(cè)到有效標(biāo)簽，IRQ就置高電平，TRF7960與MSP430F2370的SPI通信有效，射頻識(shí)別控制單元把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中以便向PC機(jī)發(fā)送。同時(shí)射頻識(shí)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(biāo)簽，通過外接的LED燈指示出不同標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽。