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RFID射频识别应用于近距离无线通讯

近距离无线通信技术

  目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth),无线局域网802.11(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)。同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准,它们分别是:ZigBee、超宽频(Ultra WideBand)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。它们都有其立足的特点,或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求;或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的特别要求;或建立竞争技术的差异化等。但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的需求。

  为了满足部分控制系统的简易、低成本无线联网要求,需要采用一种复杂程度较低、成本和功耗均很低的无线连接技术。射频识别(RadioFrequency Identification,RFID)技术是一种通过射频信号获取目标对象相关数据的非接触式自动识别技术,它最初用于替换条形码应用在物流领域,现已被应用到了交通、加工制造、生产线自动化、无线传感器网络等方面,与以上无线通信技术相比,它具有功耗小、成本低、抗干扰能力强、使用寿命长等优点。表1是RFID通信技术与其他几种常用无线传输方式的性能比较。


鉴于小型无线分布式控制系统的使用要求以及RFID无线传输技术的特点,本文提出了一种基于RFID的近距离无线控制系统。该系统采用一主多从的通讯模式。其中,主机由PC和RFID读写器构成;从机采用高速单片机为控制芯片,主动RFID标签为无线数据收发模块,并利用单片机的通用输入/输出接口实现对传感器数据的采集和执行单元的控制。系统电路结构简单,应用灵活,适合于小型、小数据量、低功耗的分布式控制系统。

1 RFlD系统概述
1.1 RFID系统的组成
一个最基本的RFID系统通常由三部分组成:标签(Tag):由芯片及天线组成,每个标签具有唯一的电子编码,并可存储一定容量的数据以标识目标对象。标签依据发送射频信号方式的不同,可分为有源(Active)、半无源(semi-passive)和无源(passive)三种。有源标签包含内部电源,能主动向读写器发送射频信号;半无源标签也包含内部电源,但其只给标签内的处理器供电,而不提供发射射频信号所需的能量;无源标签不带电源,其处理器和信号发射及内部处理器运行所需的能量均来自读写器产生电磁场。
读写器(Reader/writer):用于控制射频收发器发射射频信号,并通过收发器接收来自标签上已编码的射频信号,或将信息编码写入标签。

应用软件:控制读写器或标签发送指定的数据信号,并对其接收到的数据进行相关处理。
1.2 RFID系统的工作原理
RFID系统的工作原理如图1所示,当半无源或无源标签进入读写器所产生的电磁场后,凭借感应电流获得能量,将存储在芯片中的特定信息以反射调制方式发出,而有源标签则在检测到读写器的读写请求后,主动发送某一频率的信号。读写器在接收到标签的信号后,将其解码并送至应用软件进行处理。


2 系统总体结构和工作流程
基于RFID的分布式无线控制系统主要包括一个具有RFID读写功能的主控PC以及多个具有RFID标签的从机。其逻辑结构如图2所示,分为上下两层,上层由PC和RFID读写器组成,其中,RFID读写器通过USB接口和PC连接。下层由多个从机构成,每个从机都包括单片机、传感器、执行器、RFID标签以及电池五个部分。上层结构负责整个系统的协调和管理任务,它可以获取所有从机的传感器信息和运行状态,并由此来规划和协调各个从机的行为。
图2 基于RFID的无线控制系统结构

系统工作流程如下:当系统运行后,PC开始定时向所有从机发送查询传感器信息和执行器状态的命令,接收到查询命令的从机被激活,并在完成相应的数据采集任务后,将这些信息以指定格式送入RFlD标签。RFID读写器接收到RFID标签的信息后,通过USB接口将其送入PCE中进行处理,随后,处理得到的控制命令被发送至各RFID标签,最后,单片机根据控制命令的要求完成对执行器的操作。

3 硬件电路设计
系统硬件由PC机、RFID读写器和若干从机组成。PC和RFID读写器均采用广泛商用的部件,因此,系统的硬件设计也即从机的设计。由图2可知,每一个从机都包括单片机、RFID标签、传感器以及执行器四个部分,传感器和执行器的选择与特定的应用背景密切相关关,因而,根据系统特性要求,选择合适的单片机和RFID标签也就成为设计中最为关键的部分。


3.1 单片机的选择
由于从机采用电池供电,为了延长电池的使用寿命并简化电源电路的设计,单片机需要有较低的功耗和较宽的工作电压范围。Atmel公司的AVR系列单片机ATmega8L是基于RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器[5]。其内部带8KByte的F1ash、512Byte的EEPROM和1KByte的SRAM,具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,数据吞吐率为1MIPs/MHz;工作电压范围2.7v~5.5v,工作时钟范围0~8MHz,且4MHz速度运行时,电流仅3.6mA。可以满足系统在功耗、电压范围和处理速度方面的要求。此外,它还有丰富的高级语言编程环境,软件开发也较为便利。
3.2 RFID标签的选择
RFID标签是整个系统的核心部分,直接关系到系统的通信速率、通信距离和功耗。IDS—SL900A是IDSMicrochip公司推出的UHF半无源RFID标签[6]。它的电压范围为1.1~3.3V,工作于860MHz~960MHz,IDS~SL900A内置了温度传感器、实时时钟、ADC和EEPROM等功能模块,只需要外接电池和天线即可工作,系统参数还可通过SPI接口进行读取和配置,因此使用起来非常方便。

IDS—SL900A的功耗非常低,它具有三种工作模式:关机模式、空闲模式和记录模式。在关机模式下,系统具有最小的工作电流,一般为O.1uA;在空闲模式下,电流约为2uA,此时芯片中只有晶振电路和时钟电路工作;而在记录模式下,Iss—SL900A内部的温度传感器、EEPROM等所有功能模块全部工作,电流约为200uA。由上可见,IDS—SL900A功能多、功耗低,外围电路简单,非常适合于采用电池供电的应用场合。
3.3 设计原理图
从机的硬件连接如图3所示,主控单片机为ATmega8L;有源RFID标签为IDS—SL900A;执行器为Futaba系列舵机中的S3110微型舵机。其中,ATmega8L通过SPI接口和两个通用输入\输出接口与RFID标签连接以读取标签中的数据并对标签运行参数进行配置。S3110舵机的控制信号是PPM(Pulse Position Modulation)信号,这是一种脉宽调制信号,周期为20ms,其中,正脉冲的宽度决定了舵机的转动角度,范围从1ms到2ms,分别对应舵机的额定转角的最小值和最大值。图4为PPM信号的格式,该信号由ATmega8L内部定时计数器l产生,并经输出比较接口0ClA输出至S3110。

4 软件设计
RFID软件系统采用一主多的上下层结构,所有从机都工作在PC的监控下,并通过运行于PC上的图形化界面接收用户指令。根据系统的结构特点以及系统各部分所实现的功能,可以将系统软件划分为人机交互程序、数据通信程序以及传感器和执行器的控制程序三个部分,如图5所示。

人机交互程序运行于Pc上,它一方面接收用户输入的控制参数,将其转化为各从机的控制命令;另一方面,还定时向各从机发送查询指令,并将从机发送回来的传感器信息和运行状态信息等反馈给用户。
数据通信程序与应用程序独立,它通过数据缓冲区和同步信号实现从机和PC机之间的双向数据传递,它包括运行于PC上的上层通信子程序和运行于ATmega8L上的下层通信子程序。 传感器和执行器的控制程序运行于下层ATmega8L上,它们负责传感器信号和从机运行状态的采集工作;同时,在接收到了控制命令后,还能根据控制命令指定的控制参数完成对执行器的控制操作。



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