基于RFID的室內定位系統設計

RFID 讀寫(xiě)器和標簽系統均采用低功耗MCU 芯片PIC16F877A 作為核心控制單元， 以低功耗無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器芯片CC2500 為核心配合外圍濾波器和天線(xiàn)等構成系統的通信單元。在讀寫(xiě)器與標簽進(jìn)行數據通信的過(guò)程中， 通過(guò)獲取RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度指示）信號推測出讀寫(xiě)器與標簽之間的距離，在獲得來(lái)自于多個(gè)具有固定位置信息的標簽的RSSI 信號后，可以實(shí)現對讀寫(xiě)器的無(wú)線(xiàn)定位。實(shí)驗結果表明，該系統在室內環(huán)境中能夠實(shí)現較高精度的無(wú)線(xiàn)區域定位。

　　隨著(zhù)科技的進(jìn)步和社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，人們對定位服務(wù)的要求越來(lái)越高，傳統的定位系統已經(jīng)不能滿(mǎn)足室內定位的需求。GPS 在戶(hù)外環(huán)境的定位中應用廣泛，但是由于混凝土等障礙物對電磁波的阻擋，它在室內環(huán)境中是完全失效的。筆者基于有源RFID 技術(shù)，采用PIC 系列單片機PIC16F877A 和TI 公司的射頻收發(fā)器芯片CC2500，設計出了一種低成本、低功耗，可以適用于室內環(huán)境的無(wú)線(xiàn)定位系統。

　　1 總體設計

　　RFID 室內定位系統由讀寫(xiě)器和標簽組成。其中讀寫(xiě)器按照功能劃分可以分為4 個(gè)模塊，如圖1 所示。分別是控制模塊、射頻通信模塊、定位信息顯示模塊、電源模塊?？刂颇K負責控制系統的運行，包括對各種外設的控制，以及完成定位算法的運行等。射頻通信模塊負責數據的收發(fā)， 采用ASK 調制方式，實(shí)現讀寫(xiě)器和標簽之間的數據傳輸。定位信息顯示模塊主要是顯示定位目標的信息。電源模塊用來(lái)給系統的各個(gè)單元提供工作電源。另外，與上位機連接的讀寫(xiě)器通過(guò)RS-232 串口與上位機進(jìn)行通信， 所以部分讀寫(xiě)器還帶有串口通信模塊。

圖1 讀寫(xiě)器系統結構

　　標簽主要由控制模塊、射頻通信模塊、電源模塊組成，如圖2 所示。

圖2 標簽系統結構

　　控制模塊中的微控制器通過(guò)SPI 接口與射頻收發(fā)器通信，在控制模塊的統一調度下，讀寫(xiě)器與標簽節點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻通信交換信息。在讀寫(xiě)器的無(wú)線(xiàn)信號覆蓋區域內，標簽節點(diǎn)收到來(lái)自讀寫(xiě)器的廣播信號后會(huì )處于激活狀態(tài)，處于激活狀態(tài)的標簽節點(diǎn)會(huì )將自己的ID 號發(fā)送給讀寫(xiě)器，然后接收讀寫(xiě)器的請求命令，將存儲于節點(diǎn)中的信息傳送給讀寫(xiě)器；或者接收讀寫(xiě)器的寫(xiě)命令，將來(lái)自讀寫(xiě)器的信息寫(xiě)入自己的存儲器中。

系統硬件設計#e#

　　2 系統硬件設計

　　2.1 控制器部分

　　在系統設計中，考慮到系統的功耗、成本及性能等要求，選擇Microchip 公司的PIC16F877A 作為系統的微控制器。

　　PIC16F877A 是一款具有RISC 結構的16 位高性能單片機，內部集成了一個(gè)在線(xiàn)調試器（In-Circuit Debugger），可以實(shí)現在線(xiàn)調試和在線(xiàn)編程。擁有35 條單字指令，8k×14 個(gè)字節的FLASH 程序存儲器，368×8 字節的RAM，8 級硬件堆棧，內部看門(mén)狗定時(shí)器，低功耗休眠模式，高達25 mA 的吸入/拉出電流， 外部具有3 個(gè)定時(shí)器模塊， 擁有10 位多通道A/D 轉換器，通用同步異步接收/發(fā)送器等功能模塊。它具有功耗低、驅動(dòng)能力強、外接電路簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，同時(shí)具有哈佛總線(xiàn)結構、尋址簡(jiǎn)單、指令條數少等優(yōu)點(diǎn)。

　　微控制器模塊主要由PIC16F877A 單片機及其外圍電路組成。其電路原理圖如圖3 所示。在讀寫(xiě)器系統在中，PIC16F877A 的RB0~RB3 及RC7，RD4~RD7 用作向顯示模塊發(fā)送顯示數據的通信接口；OSC1 和OSC2 擴展外部時(shí)鐘電路；PIC16F877A 單片機通過(guò)SPI 接口設置CC2500 的工作參數并與CC2500 交換數據。

圖3 單片機外圍電路原理圖

2.2 射頻通信模塊

　　考慮到功耗、接收靈敏度、傳輸速率和芯片成本等因素，系統采用了TI 公司的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片CC2500 作為無(wú)線(xiàn)通信模塊控制器。CC2500 是TI 公司推出的一款低成本、低功耗、體積小的2.4 GHz 無(wú)線(xiàn)通信頻段的收發(fā)器，工作頻率波段為2400~2 483.5 MHz。RF 收發(fā)器集成了一個(gè)數據傳輸率可達500kbit/s 的高度， 可配置的調制解調器和一個(gè)64 位傳輸/接收FIFO（先進(jìn)先出堆棧）。CC2500 的寄存器配置可通過(guò)SPI 接口控制。它具有載波監聽(tīng)和休眠模式，非常適合低功耗應用。

　　射頻通信模塊主要由CC2500 收發(fā)器、傳輸與接收天線(xiàn)及其外圍濾波、匹配網(wǎng)絡(luò )組成，其中天線(xiàn)采用了Rainsun 公司的貼片天線(xiàn)，系統電路原理圖如圖4 所示。

圖4 CC2500 外圍電路原理圖

　　CC2500 通過(guò)4 線(xiàn)SPI 兼容接口（SI，SO，SCLK 和CSN）與PIC16F877A 相連，這個(gè)接口用作寫(xiě)入和讀取數據。SI 為數據輸入線(xiàn)，SO 為數據輸出線(xiàn)，SCLK 為時(shí)鐘線(xiàn)，CSN 為片選信號線(xiàn)，低電平有效。SPI 接口的狀態(tài)控制線(xiàn)還包含一個(gè)讀/寫(xiě)信號控制線(xiàn)。CC2500 的狀態(tài)寄存器里指示一些系統的工作狀態(tài)信息。

　　2.3 電源模塊

　　RFID 室內定位系統一般主要布置在樓宇、倉儲建筑物等的內部，有些具有移動(dòng)性，所以節點(diǎn)大多數需要采用電池供電，在元器件的選取中，盡量選擇低功耗器件以降低系統功耗，2.4~3.6 V 的電壓可以使系統中所有的器件和模塊正常工作。因此，實(shí)際中采用與之電壓匹配的高能紐扣鋰電池作為供電電源。

　　2.4 電磁兼容與抗干擾設計

　　在設計2.45 GHz 的RFID 系統時(shí)要考慮電磁兼容性（EMC），以保證讀寫(xiě)器和標簽在設定的電磁環(huán)境和規定的安全界限內運行。在系統設計中，元件的選擇和電路設計是影響電磁兼容的重要因素，對于射頻通信模塊需要去耦電容來(lái)去除元件狀態(tài)轉換引起的噪聲電壓，并且要注意信號源和信號終端的阻抗匹配。PCB 上的導線(xiàn)同樣具有阻抗、電感、電容特性，因此在PCB 布局和布線(xiàn)也考慮了電磁兼容性等問(wèn)題。布局是按照信號流程放置元件， 盡量縮短元件之間的連接，CC2500 底部通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與地層連接。濾波電容盡量靠近器件放置，同時(shí)，為了抗電磁干擾，把數字電源和模擬電源、數字地和模擬地隔離開(kāi)來(lái)。RFID 定位系統節點(diǎn)的布設位置應盡量避開(kāi)高大障礙物，以減少對電磁波的阻隔，影響傳輸性能。