電子設(shè)備診斷系統(tǒng)中RFID系統(tǒng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)混合組網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　0 引言

　　目前，有些采用RFID射頻識(shí)別裝置的檢測系統(tǒng)雖然能夠獲得設(shè)備的健康信息，但是，無論是同定式的RFID閱讀器還是移動(dòng)式閱讀器，將數(shù)據(jù)及時(shí)傳同服務(wù)器的方式無非是采用有線的方式或者用存儲(chǔ)卡來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。有線通信方式的檢測范圍有限，而移動(dòng)式閱讀器又無法滿足實(shí)時(shí)性的需求。針對(duì)這一問題，本文提出了一種將RFID閱讀器與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)終端整合的方案，該方案使得RFID閱讀器也成為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣，檢測的范圍可以極大的拓展，實(shí)時(shí)性的需求也可以得到滿足。本文的主要工作是考慮ZigBee終端如何與RFID閱讀器通信以及自身狀態(tài)轉(zhuǎn)換的問題，具體闡述了ZigBee終端與RFID閱讀器混合組網(wǎng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　電子設(shè)備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，本設(shè)計(jì)的主要丁作是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)RFID閱讀器與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的混合組網(wǎng)，用于對(duì)電子沒備健康狀態(tài)參數(shù)的采集和存儲(chǔ)。RFID標(biāo)簽將從被測電子設(shè)備上采集健康狀態(tài)參數(shù)，然后通過ZigBee-RFID節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的RFID閱讀器模塊讀取這些數(shù)據(jù)并傳給ZigBee終端模塊，最后經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)服務(wù)器采用USB口連接，健康狀態(tài)參數(shù)傳回給服務(wù)器后，利用電子設(shè)備故障診斷和預(yù)測軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后即可得到該被測裝備的健康信息。服務(wù)器上的故障診斷和預(yù)測軟件還可提供遠(yuǎn)程登錄功能，通過互聯(lián)網(wǎng)即可監(jiān)控到被測裝備的健康狀態(tài)。ZigBee RFID節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)里有LCD顯示模塊，一些明顯的和易被檢測的故障在ZigBee-

　　RFID節(jié)點(diǎn)上也可以顯示出來，從而構(gòu)成了一套覆蓋范圍廣，功能強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好的電子設(shè)備診斷系統(tǒng)。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)ZigBee-RFID節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，分為RFID閱讀器模塊和ZigBee終端模塊，其中RFID閱讀器模塊采用的是利用nRF9E5芯片設(shè)計(jì)的無線射頻收發(fā)模塊，其接口主要包括電源、4個(gè)A/D口和12個(gè)I/O口，以方便靈活地應(yīng)對(duì)各種擴(kuò)展應(yīng)用。由于nRF9E5中沒有片內(nèi)Fla sh等存儲(chǔ)器，所以，程序代碼必須從片外存儲(chǔ)器裝載，利用SPI接口從片外E2PROM加載程序時(shí)，其默認(rèn)使用的存儲(chǔ)器為25AA320。本設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用的就是這四個(gè)SPI接口以及兩個(gè)I/O口來進(jìn)行UART串行通信。ZigBee終端模塊采用德州儀器的CC2430芯片。該芯片集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和1個(gè)8位處理器(8051內(nèi)核)。系統(tǒng)中的CC2430在接收和發(fā)射時(shí)的工作電流均低于27 mA，休眠時(shí)最低僅0.6μA，加上其休眠模式與工作模式的超短切換時(shí)間等特點(diǎn)，都使得其非常適合對(duì)電池壽命要求很高的應(yīng)用。

　　CC2430因?yàn)橐褜⒑芏喙δ芏技性谛酒瑑?nèi)了，所以，其外圍電路設(shè)計(jì)得到了簡化。CC2430采用兩種工作電壓，內(nèi)部使用1.8 V的工作電壓，外部數(shù)字I/O口使用3.3 V電壓，片內(nèi)集成一個(gè)自流穩(wěn)壓器，能夠把3.3 V的外接電壓轉(zhuǎn)換成1.8 V的電壓，這樣，外圍電路就只需要考慮3.3 V的電源供應(yīng)，而不用再專門設(shè)計(jì)一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路。天線部分為了減少組件的個(gè)數(shù)，德州儀器公司提供了一個(gè)適用于CC2430的微帶線巴倫，其原理圖如圖3所示。

　　本設(shè)汁在TX模式下，把兩個(gè)差分RF引腳的輸出結(jié)合為一個(gè)單端50 Ω的RF信號(hào)，并在RX模式下把單端50 Ω天線信號(hào)分成差分RF信號(hào)。提供給輸出階段的阻抗匹配以及DC也在巴倫中實(shí)現(xiàn)。這個(gè)巴倫設(shè)計(jì)包括兩個(gè)用于阻抗匹配的組件(L1和L3)、一個(gè)RF塊(L2)以及一個(gè)DC塊(C2)。除了上述四個(gè)分立組件外，還有一個(gè)1/2波長的長傳輸線，可用于保證正確的RF信號(hào)相位以及一個(gè)70 Ω、23度的傳輸線的阻抗匹配。為了實(shí)現(xiàn)合適的性能，適當(dāng)長度的傳輸線以及L2的連接點(diǎn)都很重要。L3和1/2波長傳輸線之間的布線的適當(dāng)尺寸也很重要。選擇這個(gè)布線的尺寸可以確保合適的阻抗匹配。巴倫布線的阻抗受第一層布線與下面接地平面之間距離的影響。因此參考設(shè)計(jì)建議使用1 mm厚的兩層FR4基板。

　　因?yàn)镽FID閱讀器模塊和ZigBee終端模塊之間需要進(jìn)行通信，同時(shí)，在調(diào)試時(shí)，也需要與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信，所以安排了兩組跳線，以方便RFID閱讀器模塊和ZigBee模塊的自由選擇和相互通信，同時(shí)也可各自連接電腦以方便調(diào)試。當(dāng)需要調(diào)試或與電腦連接時(shí)，跳線可提供連接SP3232芯片的選擇。SP3232芯片的主要作用是將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平。SP3232芯片所需供電電壓低，適合便攜式設(shè)備應(yīng)用。各模塊間的具體連接圖如圖4所示。

　　為了使ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作的情況更透明，本沒汁為節(jié)點(diǎn)加上了一塊LCD屏幕以顯示其工作狀態(tài)、各項(xiàng)參數(shù)和部分?jǐn)?shù)據(jù)。所使用的MzLH03 -12864為一塊128×64點(diǎn)陣的LCD顯示模組。該模組使用串行SPI接口，除電源線之外通信連接需要一根片選線(CS)、一根時(shí)鐘線(SCK)、一根數(shù)據(jù)線(SDA)以及一根BUSY線即可，其引腳連接圖如圖5所示。

　　工作時(shí)，CC2430通過串行SPI對(duì)模組進(jìn)行控制，CS為從機(jī)選擇線;CS從高電平變?yōu)榈碗娖胶?，模組開始接收串行通訊的第一個(gè)數(shù)據(jù)，即控制指令，模組對(duì)SDA的采樣在每個(gè)時(shí)鐘線的SCK上升沿進(jìn)行，當(dāng)CS為高電平時(shí)，傳輸無效。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　ZigBee-RFID節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸以及ZigBee終端模塊與RFID閱讀器模塊的通信等部分。這些應(yīng)用均運(yùn)行在ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用層，ZigBee協(xié)議?；臼前凑誒SI網(wǎng)絡(luò)模型來定義的，由IEEE802.15.4定義物理層和MAC子層，然后ZigBee聯(lián)盟繼續(xù)定義網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。本設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序底層運(yùn)行的是MSSTATE_LRWPAN協(xié)議棧。應(yīng)用程序首先對(duì)CC2430進(jìn)行初始化，然后對(duì)協(xié)議棧初始化，再初始化串口和LCD顯示模塊(ZigBee-RFID節(jié)點(diǎn))，接著判斷是否為協(xié)調(diào)器，如果是協(xié)調(diào)器，則建立網(wǎng)絡(luò)，然后處理各種網(wǎng)絡(luò)信息;如果是ZigBee-RFID節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)入應(yīng)用程序有限狀態(tài)機(jī)FSM。其應(yīng)用程序流程圖如圖6所示。

　　ZigBee-RFID節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序采用有限狀態(tài)機(jī)風(fēng)格，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖7所示。其中狀態(tài)關(guān)系主要分為：節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn)加入成功信息通報(bào);節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵應(yīng)用以及節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。在節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵應(yīng)用狀態(tài)里，UART口和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)都處于等待接收的狀態(tài)，兩個(gè)狀態(tài)都有一定的等待時(shí)限，一旦超時(shí)，則相互轉(zhuǎn)換，直到其中一個(gè)狀態(tài)接收到數(shù)據(jù)。其中UART接收設(shè)置為中斷接收。如果UART口接收到來自RFID閱讀器的數(shù)據(jù)，ZigBee-RFID節(jié)點(diǎn)立即將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并處理后顯示在LCD上，然后打包發(fā)送回協(xié)調(diào)器，再通過協(xié)調(diào)器傳回給服務(wù)器，發(fā)送成功后轉(zhuǎn)入ZigB ee網(wǎng)絡(luò)消息等待的狀態(tài)。如果有來自服務(wù)器或者ZigBee網(wǎng)絡(luò)的消息，則接收并根據(jù)接收的消息進(jìn)行相應(yīng)的處理，如果是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制信息，則進(jìn)入響應(yīng)控制信息狀態(tài);如果是上位機(jī)對(duì)RFID閱讀器的操作信息，則轉(zhuǎn)入U(xiǎn)ART發(fā)送狀態(tài)，并將操作信息轉(zhuǎn)發(fā)給閱讀器。處理完畢后，再回到UART口接收等待的狀態(tài)，繼續(xù)與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)等待狀態(tài)一起，切換著等待新的信息。

　　LCD顯示模塊的工作需要使用SPI串行通信方式。模塊有一個(gè)復(fù)位引腳，對(duì)該引腳輸入一個(gè)低電平的脈沖可使模塊復(fù)位，復(fù)位需要低電平輸入持續(xù)至少10 ms，在恢復(fù)輸入高電平后等待15 ms后方可對(duì)模塊進(jìn)行顯示控制操作(即通過串行接口輸入指令和數(shù)據(jù))。在通過串行SPI對(duì)模塊進(jìn)行控制時(shí)，CS為從機(jī)選擇線;CS從高電平變?yōu)榈碗娖胶螅＝M開始接收串行通訊的第一個(gè)數(shù)據(jù)(即控制指令)，模組對(duì)SDA的采樣在每個(gè)時(shí)鐘線SCK的上升沿進(jìn)行，當(dāng)CS為高電平時(shí)，傳輸無效。

　　此外，用戶在傳輸給模塊指令時(shí)，如果指令是附帶有指令數(shù)據(jù)的，則需要在200 ms以內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸模塊，否則將會(huì)產(chǎn)生超時(shí)錯(cuò)誤。BUSY線會(huì)在緩沖區(qū)快滿的時(shí)候輸出高電平，直到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)和指令處理完以后才會(huì)拉低。SPI串行通信時(shí)序圖如圖8所示。

　　4 性能測試

　　本系統(tǒng)的測試主要分為兩個(gè)方面，即RFID閱讀器與ZigBee節(jié)點(diǎn)通信的測試和ZigBee節(jié)點(diǎn)參數(shù)的測試。測試時(shí)，首先設(shè)置RFID閱讀器對(duì)三個(gè)標(biāo)簽分別讀寫1 000次，然后通過上位機(jī)觀察ZigBee節(jié)點(diǎn)傳回的消息，便可以得知閱讀器是否將讀取的標(biāo)簽信息傳給了ZigBee節(jié)點(diǎn)。測試結(jié)果是全部讀取，由此可知，RFID閱讀器和ZigBee節(jié)點(diǎn)的通信是可靠的。

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)的參數(shù)主要包括通信距離，丟包率和RSSI等。其中RSSI值為信號(hào)強(qiáng)度檢測值，不過這里所給出的RSSI值并不是CC2430數(shù)據(jù)手冊(cè)所定義的值，而足通過調(diào)用aplGetRxRSSI()函數(shù)獲得的。其測試數(shù)據(jù)如表1所列。

　　通過測試可知，節(jié)點(diǎn)內(nèi)通信正常，工作性能穩(wěn)定，能夠滿足電子設(shè)備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)中診斷數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)囊?。ZigBee節(jié)點(diǎn)的通信距離也超過設(shè)計(jì)要求。

　　5 結(jié)語

　　本文介紹了電子設(shè)備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的框架，并著重介紹了該系統(tǒng)中無線傳輸?shù)牟糠郑赋隽吮驹O(shè)計(jì)的技術(shù)性能優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)表明，在電子設(shè)備遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)中，采用RFID系統(tǒng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式具有通信距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)靈活和不受有線連接的局限等諸多優(yōu)勢。