一種有源RFID局域定位系統設計

摘要：提出了一種基于PIC16F877A微控制器和CC2500射頻收發(fā)器芯片的低功耗、低成本RFID(Radio Frequency Identification，無(wú)線(xiàn)射頻識別)局域定位系統設計方法，介紹了系統的定位工作原理、主要硬件電路模塊及定位算法的設計和實(shí)現。采用基于序列號對時(shí)隙數運算的排序算法有效解決了多標簽識別碰撞的問(wèn)題，基于射頻輻射強度(Receivecl Signal Strength Inclication，RSSI)和圓周定位算法實(shí)現了基于RFID多標簽系統的平面定位。實(shí)驗測試表明，這種射頻定位方法能夠實(shí)現一定精度下的無(wú)線(xiàn)局域定位的功能。
關(guān)鍵詞：RFID；定位技術(shù)；RSSI；讀寫(xiě)器；多標簽

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，定位技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注?，F有的定位技術(shù)如GPS定位，紅外定位等，考慮到精度，成本，可行性等方面，都有一定的局限性，尤其是在一些屏蔽物遮擋的局域定位的場(chǎng)合。射頻識別(RFID)定位技術(shù)以其非接觸、高靈敏度和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在這種場(chǎng)合下成為一種重要技術(shù)選擇，受到人們越來(lái)越多的關(guān)注。
在多標簽定位系統中必然會(huì )出現多個(gè)標簽同時(shí)與讀寫(xiě)器通信產(chǎn)生信號碰撞的情況。目前RFID多標簽防碰撞算法有多種：多址技術(shù)、ALOHA防碰撞算法、二進(jìn)制防碰撞算法等。多址防碰撞算法是以增加系統的復雜性和提高成本為代價(jià)，且有無(wú)法克服的缺陷；ALOHA防碰撞算法有時(shí)會(huì )導致讀寫(xiě)器出現錯誤判斷，對某個(gè)標簽是否在讀寫(xiě)范圍內產(chǎn)生誤判，同時(shí)還存在沖突概率較大的問(wèn)題；簡(jiǎn)單的二進(jìn)制防碰撞算法有時(shí)并不能夠取得很好的避碰效果。文中采用基于序列號對時(shí)隙數運算的排序算法，該算法可以克服上述誤判的問(wèn)題，并且易于實(shí)現、效率高、軟件編寫(xiě)簡(jiǎn)單，可以不受標簽數量的限制，是一種穩定可靠、實(shí)用性強的防碰撞算法。RFID定位算法有：LANDMARC、基于信號達到角度的定位法(AOA)等，這里采用圓周定位算法，該方法簡(jiǎn)單可靠，易于在線(xiàn)實(shí)施，且具有一定定位精度。

1 系統結構設計
本系統主要由讀寫(xiě)器和有源標簽組成。讀寫(xiě)器與標簽之間的射頻信號通過(guò)空間耦合實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞，讀寫(xiě)器通過(guò)與標簽的無(wú)線(xiàn)通信，獲得接收信號強度指示(RSSI)值，這是對待定位標簽進(jìn)行位置計算的重要參數。微控制器PIC16F877A控制CC2500射頻收發(fā)模塊的數據發(fā)送與接收。讀寫(xiě)器網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)可通過(guò)RS232接口與上位機相連。系統結構框圖如圖1所示。

讀寫(xiě)器與標簽的控制模塊均采用Microchip公司的8位高性能、低功耗微控制器PIC16F877A作為主控芯片，它在架構上采用哈佛總線(xiàn)結構，數據總線(xiàn)和指令總線(xiàn)分離，便于實(shí)現全部指令的單字節化，單周期化，從而有利于提高CPU執行指令的速度。此外，片上數據存貯空間比較大，充足的存儲空間，可以方便通信協(xié)議棧的設計與實(shí)現。內部看門(mén)狗定時(shí)器，提高了程序執行的穩定性；低功耗休眠模式，大大降低了系統的功耗。它具有驅動(dòng)能力強、外接電路簡(jiǎn)潔、功耗低等特點(diǎn)。因此適合于作為RFID讀寫(xiě)器的控制器來(lái)使用。
射頻收發(fā)器選用CC2500作為控制芯片，CC2500集成了一個(gè)數據傳輸可達500 kbps的高度可配置的調制解調器，大大加強了數據傳輸的性能，同時(shí)通過(guò)開(kāi)啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，使性能得到大幅度提升。MCU通過(guò)SPI接口向CC2500發(fā)送操作命令，配置其調制方式、工作頻率等參數，通過(guò)指令將其配置為接收狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)、空閑狀態(tài)或休眠狀態(tài)。CC2500的引腳SO和SI分別為數據傳輸的輸出和輸入信號線(xiàn)，CSN為片選信號引腳，SCLK為時(shí)鐘信號引腳。當其接收到一個(gè)數據或發(fā)送完一個(gè)數據，都會(huì )通過(guò)引腳GD00和GD02輸出相應的狀態(tài)脈沖，MCU據此來(lái)判斷CC2500的狀態(tài)，從而決定對CC2500的下一步操控。微控制器PIC16F877A和CC2500收發(fā)器模塊的連接如圖2所示。