射頻識別的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)節點(diǎn)設計

　物聯(lián)網(wǎng)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)能夠獲取客觀(guān)物理信息，具有十分廣闊的應用前景，能應用于軍事國防、工農業(yè)控制、城市管理、生物醫療、環(huán)境檢測、搶險救災、危險區域遠程控制等領(lǐng)域，被認為是對21世紀產(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)的多標準RFID設別設備，此設備可以實(shí)時(shí)自動(dòng)識別物品的RFID電子標簽內信息，具有識別可靠性高，信息處理能力強，功耗小，保密性強。再結合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的信息傳輸，可實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下的信息應用，本實(shí)用新型的應用將會(huì )越來(lái)越廣泛，對于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)有重要的理論意義和應用價(jià)值。

　　1 RFID技術(shù)簡(jiǎn)介

　　1．1 RFID分類(lèi)

　　RFID按應用頻率不同分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)、微波(MW)，相對應代表性頻率分別為：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(wú)源RFID標簽或被動(dòng)標簽(Passive Tag)，有源RFID標簽或主動(dòng)標簽(Active Tag)，以及電池協(xié)助的無(wú)源RFID標簽。無(wú)源RFID標簽價(jià)格很低，但是無(wú)需要電池，有源RFID可以提供更遠的讀寫(xiě)距離，但是需要電池供電。有源標簽由于有電池供電和功能較強的微控制器和無(wú)線(xiàn)單片機，所以可以實(shí)現更大范圍的傳感器數據監測和數據采集，也可以通過(guò)ZigBee、Wi—Fi、GPRS／3G等技術(shù)實(shí)現網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，來(lái)延伸標簽的范圍，是RFID技術(shù)一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。

　　1．2 射頻識別系統組成

　　射頻識別系統主要由標簽(Tag)、讀卡器(Reader)、天線(xiàn)(Antenna)等組成，一般還需要其他軟硬件的支持。

標簽(Tag)：由耦合元件及芯片組成(有源標簽還需要電池和傳感器等)，每個(gè)標簽具有唯一的電子編碼，附著(zhù)在物體上標識目標對象。
讀卡器(Reader)：也稱(chēng)讀寫(xiě)器等，讀取(有時(shí)還可以寫(xiě)入)標簽信息的設備，可設計為手持式或固定式。
天線(xiàn)(Antenna)：在標簽和讀取器間傳遞射頻信號。如果是有源電子標簽，讀卡器也以同時(shí)是一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，能夠將有源標簽節點(diǎn)收集的數據，通過(guò)低功耗網(wǎng)絡(luò )，傳輸到物聯(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雜：標簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，射頻前端發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息(Passive Tag，無(wú)源標簽或被動(dòng)標簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(Active Tag，有源標簽或主動(dòng)標簽)；讀取信息并解碼后，送至RFID射頻識別控制單元進(jìn)行有關(guān)數據處理。

　　2 射頻識別節點(diǎn)的硬件設計

　　2．1 射頻識別節點(diǎn)的結構

　　如圖1為射頻識別節點(diǎn)的結構：它包括：1)USB轉串口單元；2)RFID射頻識別控制單元；3)RFID讀頭前端單元；4)和無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)單元。射頻前端和標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(guò)耦合給無(wú)源應答器提供能量和時(shí)序。在實(shí)際應用中，可進(jìn)一步通過(guò)Eth-ernet或WLAN等實(shí)現對物體識別信息的采集、處理及遠程傳送等管理功能。

　　2．2 USB轉串口和射頻識別控制單元

　　USB轉串口單元和RFID射頻識別控制單元連接如圖2所示。其工作原理為：用戶(hù)可以通過(guò)USB接口把模塊與PC機連接，通過(guò)USB轉串口單元發(fā)送命令到射頻識別控制單元，同時(shí)射頻識別控制單元可以通過(guò)USB轉串口單元把數據傳輸到PC機上進(jìn)行數據處理。

　　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(guò)程是：TRF7960通過(guò)SPI口與MSP430F2370通信。當讀頭前端檢測到有效標簽，IRQ就置高電平，TRF7960與MSP430F2370的SPI通信有效，射頻識別控制單元把數據存儲在數據寄存器中以便向PC機發(fā)送。同時(shí)射頻識別控制單元根據不同的數據幀結構執行相應的數據處理函數，判斷出不同協(xié)議的標簽，通過(guò)外接的LED燈指示出不同標準的標簽。

　RFID讀頭前端單元的核心是TRF7960芯片如圖4所示，TRF7960的第8引腳RX1_AM，第9引腳RX2_PM為信號輸入的端，電阻R1、R2，電容C16、C17、C18，通過(guò)相互調節達到50 Ω的阻抗，以便接收信號最佳，電阻R2，電容C18前端的PCB天線(xiàn)構成了磁場(chǎng)，TRF7960的第5引腳TX_ OUT不斷向磁場(chǎng)附近發(fā)送數據請求命令。當有標簽靠近磁場(chǎng)的時(shí)候，標簽通過(guò)電磁耦合接收到命令，同時(shí)向讀頭前端發(fā)送數據請求應答命令，標簽此時(shí)處于準備狀態(tài)，當讀頭接收到數據請求應答命令，開(kāi)始讀取標簽的序列號，同時(shí)調用相關(guān)數據處理函數，如果數據校驗正確就把標簽信息發(fā)送到射頻識別控制單元，否則重新讀取信息。

　　2．4 無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)單元工作原理

　　無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)單元主要采用AT86RF230芯片：當AT86RF230發(fā)送數據時(shí)，MSP430F2370把需要發(fā)送的數據通過(guò)SPI接口傳送到AT86RF230的寄存器中。數據經(jīng)過(guò)基頻處理、頻率合成、功率放大，然后經(jīng)過(guò)AT86RF230的第4引腳RFP通過(guò)天線(xiàn)E1發(fā)射。當AT86RF230接收數據時(shí)，數據通過(guò)天線(xiàn)E1經(jīng)AT86RF230的第5腳RFN輸入，然后經(jīng)過(guò)低噪聲放大、多相濾波器、復合帶通濾波、模數轉換，最后把接收到數據存儲在A(yíng)T86RF230的寄存器中，然后通過(guò)SPI接口與MSP430F2370進(jìn)行通信，把數據存儲到MSP430F2370的寄存器中。RFID射頻識別控制單元與無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)單元連接電路圖如圖5所示。

　　3 結束語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在國防軍事、環(huán)境科學(xué)以及智能家居等領(lǐng)域有著(zhù)極其廣泛的應用，由于通常運行在人不能或不便接近的環(huán)境，能源無(wú)法替代，因此傳感器節點(diǎn)的位置信息在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的諸多應用領(lǐng)域中扮演著(zhù)十分重要的角色。利用該芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)識別可靠性高、抗干擾能力強、成本低廉和體積小巧特點(diǎn)。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點(diǎn)，為今后無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的廣泛應用提供了理想的解決方案。