5165371805畢業(yè)設(shè)計論文基于ZIGBEE技術(shù)的讀卡器的設(shè)計.doc

1、摘 要射頻識別(radio firequency identification，簡稱rfid)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。但現(xiàn)有的rfid技術(shù)存在數(shù)據(jù)安全性不高、識別距離短、設(shè)備成本高以及讀寫系統(tǒng)工作靈活性不強(qiáng)等問題。為了解決rfid技術(shù)的上述問題將zigbee技術(shù)引入rfid系統(tǒng)中，使得基于zigbee技術(shù)的無線射頻識別系統(tǒng)有了明顯的改良。本文本文介紹了zigbee技術(shù)產(chǎn)生的背景，詳細(xì)描述了zigbee以及相關(guān)的ieee802.15.4協(xié)議的具體內(nèi)容，闡述了zigbee技術(shù)功耗低、可靠性高、成本低、網(wǎng)絡(luò)時延短、容量大以及安全性高等特點以及目前的

2、應(yīng)用市場情況，并選用cc2430芯片設(shè)計了一種基于zigbee無線傳輸技術(shù)的rfid讀卡器。關(guān)鍵詞：zigbee技術(shù)；射頻識別；cc2430abstractradio frequency identification (rfid) is a non-contact automatic identification technology, automatic target recognition by the rf signal and access to relevant data. however, the existing rfid technology, data security, i

3、dentify a short distance, high cost of equipment and read and write system flexibility. zigbee technology the introduction of rfid systems in order to solve the above problems rfid technology, based on zigbee technology of radio frequency identification system has been significantly improved.this ar

4、ticle describes the background of the zigbee technology, a detailed description of the specific content of the zigbee and the ieee802.15.4 protocol on a zigbee technology with low power consumption, high reliability, low cost, short network delay, capacity and security sexual characteristics, as wel

5、l as current market conditions, and select the cc2430 chip design an rfid reader based on the zigbee wireless transmission technology.key words: the zigbee technology；radio frequency identification；cc2430iii目 錄摘 要i序 言1第1章 zigbee技術(shù)及rfid概述21.1 zigbee技術(shù)簡介21.2 zigbee協(xié)議棧概述41.3 zigbee網(wǎng)路構(gòu)成51.4 rfid技術(shù)概述7第2章

6、 設(shè)計方案論證112.1 幾種近距離無線通信技術(shù)概況112.2 方案設(shè)計13第3章 硬件設(shè)計153.1 主要芯片153.2 電路圖設(shè)計17第4章 軟件設(shè)計194.1 系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計194.2 移動式讀卡器主程序流程圖204.3 上位機(jī)顯示界面22第5章 結(jié)論23參考文獻(xiàn)24致 謝25序 言射頻識別(radio firequency identification ，簡稱rfid)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。近年來，rfid技術(shù)應(yīng)用發(fā)展迅速。由于rfid技術(shù)可以給人們帶來極大的方便，隨著價格的下降，技術(shù)本

7、身的完善，rfid的應(yīng)用領(lǐng)域更加的廣泛，如公共安全、生產(chǎn)管理、物流管理、交通管理等多個領(lǐng)域。雖然 rfid 技術(shù)已經(jīng)得到一定程度的發(fā)展，但其在大規(guī)模的應(yīng)用中還存在著諸多不足。其中之一就是讀卡器與服務(wù)器之間采用有線連接，讀卡器的位置固定，在急需的情況下不能臨時快速的組網(wǎng)、自動的把數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器以滿足短期快速的應(yīng)用需求。zigbee技術(shù)是一種低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，zigbee憑借其架構(gòu)簡單、價格低廉、低消耗功率延長使用壽命等優(yōu)點，即使傳輸速率不高，但針對感測與控制之應(yīng)用，zigbee有其很大的發(fā)展?jié)摿Α？梢妟igbee 技術(shù)適合作為rfid閱讀器組網(wǎng)的無線通信

8、手段。據(jù)此，本文討論了一種基于zigbee 無線傳輸技術(shù)的移動式讀卡器的設(shè)計。第1章 zigbee技術(shù)及rfid概述1.1 zigbee技術(shù)簡介 1.1.1 zigbee發(fā)展概述 近十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種新的短距離無線通信技術(shù)。為了滿足對低功率、低價格無線網(wǎng)絡(luò)的需求，2000年12月，iee標(biāo)準(zhǔn)委員會正式批準(zhǔn)成立了802.15.4工作組，其目標(biāo)是:在廉價的、固定或便攜的、移動的裝置中，提出一個具有超低復(fù)雜度、超低價格、超低功耗、超低數(shù)據(jù)傳輸率的無線接入標(biāo)準(zhǔn)。也就是要開發(fā)一種低速率的wpan(lr-wpan,low-rate wireless person

9、al area network)標(biāo)準(zhǔn)。 2002年，英國invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司共同宣布組成zigbee技術(shù)聯(lián)盟，共同研究開發(fā)zigbee技術(shù)。 2003年11月，ieee正式發(fā)布了該項技術(shù)的物理層和mac層所采用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即ieeesoz.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，作為zigbee技術(shù)物理層和媒體接入層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議.2004年12月，zigbee聯(lián)盟在ieee802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上，正式發(fā)布了完整的zigbee標(biāo)準(zhǔn)。2006年ieee發(fā)布了ieee802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)修訂版。 1.1.2 zigbee技術(shù)特點 ieee802.15.4委員會

10、制定了三種不同的wpan(wireless personal area network)標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別在于通信速率、qos能力等。802.15.1標(biāo)準(zhǔn)即藍(lán)牙技術(shù)具有中等速率適合于從蜂窩電話到pda的通信，其qos機(jī)制適合于話音業(yè)務(wù)。802.15.3標(biāo)準(zhǔn)是高速率的wpan標(biāo)準(zhǔn)，適合于多媒體應(yīng)用，有較高的qos保證。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也就是zigbee技術(shù)，目標(biāo)市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無線通信的應(yīng)用，對數(shù)據(jù)速率和qos的要求不高。zigbee的主要技術(shù)特征如表1-1所示。 表1-1 zigbee的主要技術(shù)指標(biāo)特性取值/狀態(tài)頻段868/915mhz和2.4ghz數(shù)據(jù)速率868mhz

11、-20kbps915mhz-42kbps2.4ghz-250kbps調(diào)頻方式bpsk：o-qpsk擴(kuò)頻方式直接序列擴(kuò)頻通信范圍10-100m通信延遲15-30ms信道數(shù)目868mhz-1915mhz-102.4ghz-16尋址方式64bitieee地址，16bit網(wǎng)絡(luò)地址信道接入csma/ca和時隙化得csma/ca網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫切螛錉罹W(wǎng)狀功耗極低狀態(tài)模式激活/休眠 選擇zigbee技術(shù)進(jìn)行項目開發(fā)，是基于其具有的諸多性能優(yōu)點。具體來講，可總結(jié)如下： (1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。zigbee技術(shù)的最大傳輸速率只有250kbps，專注于低速率傳輸應(yīng)用。 (2)設(shè)備省電，功耗極低。zigbee技術(shù)采用了多種

12、節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間。 (3)通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。zigbee采用了csma-ca(carrier sense multiple access with collision avoidance)的避免碰撞機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；mac層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，因此通信可靠性高。zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用aes-128，同時協(xié)議棧的各層可以靈活確定其安全屬性。 (4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。zigbee網(wǎng)絡(luò)

13、無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其它節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，構(gòu)成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。zigbee網(wǎng)絡(luò)增加或者刪除一個節(jié)點、節(jié)點位置發(fā)生變動、節(jié)點發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。 (5)時延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。通常時延都在 1sms到3oms之間，因此設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳送的延時時間很短，適合實時的監(jiān)測和控制應(yīng)用。 (6)成本低廉，工作頻段靈活。設(shè)備的復(fù)雜程度低且zigbee協(xié)議是免專利費的，可以有效地降低設(shè)備成本。zigbee的工作頻段靈活，使用的頻段分別為2.4ghz(全球)、868mhz(歐洲)及9l5mhz(美國)均為

14、免執(zhí)照頻段。 (7)網(wǎng)絡(luò)容量大。每個zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65000個節(jié)點，也就是說每個zigbee節(jié)點可以與數(shù)萬節(jié)點相連接，可以說網(wǎng)絡(luò)容量極其龐大，尤其適用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。1.2 zigbee協(xié)議棧概述 lr-wpan是一種結(jié)構(gòu)簡單、低成本、低功耗的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它的存在使得無線連接在低功耗和低數(shù)據(jù)吞吐量的應(yīng)用中成為可能。為了滿足這些需求，ieee802.15.4工作組為lrwpan專f-jn定了物理層和mac子層的標(biāo)準(zhǔn)。它具備以下主要特征：(1)實現(xiàn)20kbs、40kbs、100kbs、250kbs四種不同的傳輸標(biāo)準(zhǔn)。(2)支持星型和點到點兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(3)在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址

15、方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是由協(xié)調(diào)器分配的，64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址。(4)采用可選的時槽保障(gts，guaranteedtimeslots)機(jī)制。(5)支持ack機(jī)制以及保證可靠傳輸。(6)低功耗機(jī)制。(7信道能量檢測(ed，energy detection)。(8)鏈路質(zhì)量指示(lqi，link quality indication)。(9)工作在ism頻段上，其中在2450mhz波段上有16個信道，在915mhz頻段上有30個信道，在868mhz上有3個信道。(10)數(shù)據(jù)安全策略。ieee802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互連模型(osi)如圖所示，每一層都

16、實現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。圖1.1 zigbee協(xié)議體系架構(gòu)1.3 zigbee網(wǎng)路構(gòu)成1.3.1 設(shè)備類型 zigbee網(wǎng)絡(luò)支持ieee802.15.4定義的兩種類型的物理設(shè)備:全功能設(shè)備(ffd)，精簡功能設(shè)備(rfd)。ffd和rfd的不同是按照節(jié)點的功能區(qū)分的，ffd可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器，因此一個網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該至少含有一個ffd。rfd只能與主設(shè)備通信，實現(xiàn)簡單，只能作為終端設(shè)備節(jié)點。在zigbee網(wǎng)絡(luò)中，將兩種物理設(shè)備定義成了三種邏輯設(shè)備類型:協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。一個zigbee網(wǎng)絡(luò)包括一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和多個路由器和終端設(shè)備節(jié)點。 協(xié)調(diào)器:這個設(shè)備“開啟”一個z

17、igbee網(wǎng)絡(luò)。它是網(wǎng)絡(luò)中的第一個設(shè)備。協(xié)調(diào)器節(jié)點選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符 (panid)并開啟網(wǎng)絡(luò)?？蛇x擇地協(xié)調(diào)器節(jié)點也能被用來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的安全性和應(yīng)用水平的綁定。協(xié)調(diào)功主要是開啟和配置網(wǎng)絡(luò)。一旦這些完成以后，協(xié)調(diào)器與路由器的功能就一樣了(甚至可以斷開)。由于zigbee網(wǎng)絡(luò)的分布式本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運行不依賴于協(xié)調(diào)器的存在。路由器：路由器執(zhí)行的功能有：1)允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；2)多跳路由；3)輔助它的電應(yīng)用池供電的子終端設(shè)備通信。一般來說，路由器被期望能一直保持激活狀態(tài)，因此它通常是由固定電源供電的節(jié)點被喚醒并請求數(shù)據(jù)而不能使用電池供電。路由器為它的子節(jié)點緩存信息，直到子當(dāng)一個子節(jié)點需

18、要發(fā)送一個信息的時候，這個子節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到它的父路由器。然后，路由器負(fù)責(zé)傳輸信息，執(zhí)行所有相關(guān)的重發(fā)，以及如果需要的話，等待確認(rèn)。這使得終端設(shè)備可以回到休眠狀態(tài)，從而達(dá)到省電的目的。 終端設(shè)備：終端設(shè)備對維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有特殊的責(zé)任，因此，它可以有選擇的休眠和喚醒。終端設(shè)備僅僅周期性的向它的父節(jié)點發(fā)送或接受來自它的父節(jié)點的數(shù)據(jù)。因此終端設(shè)備能夠使用電池供電的方式工作很長時間。 在能量管理方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與路由器需要突發(fā)的處理一些請求，包括入網(wǎng)、退出網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等功能。一般情況下，使用永久性電源；若終端節(jié)點在大部分的時間里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。若對電池供電沒有要求，網(wǎng)絡(luò)中可以全部采

19、用ffd設(shè)備。 1.3.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) zigbee網(wǎng)絡(luò)主要有三種組網(wǎng)方，星型網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.7所示。如圖1.2所示，星型網(wǎng)絡(luò)是一個輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都是通過中心節(jié)點傳輸。如果用通信模塊構(gòu)造星形網(wǎng)絡(luò)，只需要一個模塊配置成協(xié)調(diào)器節(jié)點，其他模塊可以配置成終端節(jié)點。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，這種簡單帶來的是很少有上層協(xié)議需要執(zhí)行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息和管理方便。中心節(jié)點需要承擔(dān)更多的管理工作。由于把每個終端節(jié)點放在中心節(jié)點的通信范圍之內(nèi)，這必然會限制無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且星形拓?fù)浜茈y實現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。集中的信涌向中心節(jié)點，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞

20、、丟包、性能下降等。到目前為止，星形拓?fù)涫亲畛Ｒ姷木W(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，被大量的應(yīng)用在遠(yuǎn)程檢測和控制中。樹狀拓?fù)涫嵌鄠€星形拓?fù)涞募?，如圖1.2所示。若干個星形拓?fù)溥B接在一起，擴(kuò)展到更廣闊的區(qū)域。樹形拓?fù)涫强梢詫崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)“多跳”信息服務(wù)的最簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，樹形拓?fù)渥钪档米⒁獾牡胤骄褪撬３至诵切瓮負(fù)涞暮唵涡?較少的上層路由信息、較低的存儲器需求。但是樹形結(jié)構(gòu)不能很好的適應(yīng)外部的動態(tài)環(huán)境。從圖中可以看出，信息源與目的之間，有且只有一條傳輸路徑，任何一個節(jié)點的中斷或故障將會使部分節(jié)點脫離網(wǎng)絡(luò)。樹形拓?fù)涞淖罴褢?yīng)用是在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，也可以很好的用在一些簡單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。 如圖

21、1.2中所示網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個自由設(shè)計的拓?fù)洌哂泻芨叩倪m應(yīng)環(huán)境的能力。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都是一個小的路由器，都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡(luò)最大限度的可靠性?？梢钥闯鼍W(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點的通信路徑不是唯一的。網(wǎng)形拓?fù)渑c星形、樹形相比，更加復(fù)雜，其路由拓?fù)涫莿討B(tài)的，不存在一個固定的路由模式。這樣信息傳輸?shù)臅r間更加依賴瞬時網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計。 星型網(wǎng)絡(luò) 樹型網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 ffd rfd圖1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1.4 rfid技術(shù)概述1.4.1 rfid簡介rfid射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣

22、環(huán)境。rfid技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便。rfid是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有兩個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器（或閱讀器）和很多應(yīng)答器（或標(biāo)簽）組成。rfid按照應(yīng)用頻率的不同分為低頻（lf）、高頻（hf）、超高頻（uhf）、微波（mw），相對應(yīng)的代表性頻率分別為：低頻135khz以下、高頻13.56mhz、超高頻860m960mhz、微波2.4g，5.8g。rfid按照能源的供給方式分為無源rfid，有源rfid，以及半有源rfid。無源rfid讀寫距離近，價格低；有源rfid可以提供更遠(yuǎn)的讀寫距離，但是需要電池供電，成本要更高一些，

23、適用于遠(yuǎn)距離讀寫的應(yīng)用場合。rfid的基本組成部分：標(biāo)簽(tag)：由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象；閱讀器(reader)：讀取(有時還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式；天線(antenna)：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號。rfid技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)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，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（active tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽）；解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。一套完整

24、的rfid系統(tǒng), 是由閱讀器(reader)與電子標(biāo)簽(tag)也就是所謂的應(yīng)答器(transponder)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個部分所組成, 其工作原理是reader 發(fā)射一特定頻率的無線電波能量給transponder, 用以驅(qū)動 transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時 reader 便依序接收解讀數(shù)據(jù), 送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。以rfid 卡片閱讀器及電子標(biāo)簽之間的通訊及能量感應(yīng)方式來看大致上可以分成, 感應(yīng)偶合(inductive coupling) 及后向散射偶合(backscatter coupling)兩種, 一般低頻的rfid大都采用第一種式, 而較高頻大多采用第二種方

25、式。閱讀器根據(jù)使用的結(jié)構(gòu)和技術(shù)不同可以是讀或讀/寫裝置，是rfid系統(tǒng)信息控制和處理中心。閱讀器通常由耦合模塊、收發(fā)模塊、控制模塊和接口單元組成。閱讀器和應(yīng)答器之間一般采用半雙工通信方式進(jìn)行信息交換，同時閱讀器通過耦合給無源應(yīng)答器提供能量和時序。 在實際應(yīng)用中，可進(jìn)一步通過ethernet或wlan等實現(xiàn)對物體識別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。應(yīng)答器是rfid系統(tǒng)的信息載體，目前應(yīng)答器大多是由耦合原件（線圈、微帶天線等）和微芯片組成無源單元。 1.4.2 rfid工作頻率分類從應(yīng)用概念來說，射頻標(biāo)簽的工作頻率也就是射頻識別系統(tǒng)的工作頻率，是其最重要的特點之一。 毫無疑問，射頻標(biāo)簽的工作

26、頻率是其最重要的特點之一。射頻標(biāo)簽的工作頻率不僅決定著射頻識別系統(tǒng)工作原理（電感耦合還是電磁耦合）、識別距離，還決定著射頻標(biāo)簽及讀寫器實現(xiàn)的難易程度和設(shè)備的成本。 工作在不同頻段或頻點上的射頻標(biāo)簽具有不同的特點。射頻識別應(yīng)用占據(jù)的頻段或頻點在國際上有公認(rèn)的劃分，即位于ism波段之中。典型的工作頻率有：125khz，133khz，13.56mhz，27.12mhz，433mhz，902-928mhz，2.45ghz，5.8ghz等。從應(yīng)用概念來說，射頻標(biāo)簽的工作頻率也就是射頻識別系統(tǒng)的工作頻率。 （1）低頻段射頻標(biāo)簽 低頻段射頻標(biāo)簽，簡稱為低頻標(biāo)簽，其工作頻率范圍為30khz 300khz。典型

27、工作頻率有：125khz，133khz。低頻標(biāo)簽一般為無源標(biāo)簽，其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻標(biāo)簽與閱讀器之間傳送數(shù)據(jù)時，低頻標(biāo)簽需位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)。低頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下小于1米。低頻標(biāo)簽的典型應(yīng)用有：動物識別、容器識別、工具識別、電子閉鎖防盜（帶有內(nèi)置應(yīng)答器的汽車鑰匙）等。與低頻標(biāo)簽相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)有：iso11784/11785（用于動物識別）、iso18000-2（125-135 khz）。低頻標(biāo)簽有多種外觀形式，應(yīng)用于動物識別的低頻標(biāo)簽外觀有：項圈式、耳牌式、注射式、藥丸式等。典型應(yīng)用的動物有牛、信鴿等。 低頻標(biāo)簽的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：標(biāo)

28、簽芯片一般采用普通的cmos工藝，具有省電、廉價的特點；工作頻率不受無線電頻率管制約束；可以穿透水、有機(jī)組織、木材等；非常適合近距離的、低速度的、數(shù)據(jù)量要求較少的識別應(yīng)用（例如：動物識別）等。 低頻標(biāo)簽的劣勢主要體現(xiàn)在：標(biāo)簽存貯數(shù)據(jù)量較少；只能適合低速、近距離識別應(yīng)用；與高頻標(biāo)簽相比：標(biāo)簽天線匝數(shù)更多，成本更高一些。 （2）中高頻段射頻標(biāo)簽 中高頻段射頻標(biāo)簽的工作頻率一般為3mhz 30mhz。典型工作頻率為：13.56mhz。該頻段的射頻標(biāo)簽，從射頻識別應(yīng)用角度來說，因其工作原理與低頻標(biāo)簽完全相同，即采用電感耦合方式工作，所以宜將其歸為低頻標(biāo)簽類中。另一方面，根據(jù)無線電頻率的一般劃分，其工作

29、頻段又稱為高頻，如表2.2所示，所以也常將其稱為高頻標(biāo)簽。鑒于該頻段的射頻標(biāo)簽可能是實際應(yīng)用中最大量的一種射頻標(biāo)簽，因而我們只要將高、低理解成為一個相對的概念，即不會在此造成理解上的混亂。為了便于敘述，我們將其稱為中頻射頻標(biāo)簽。 中頻標(biāo)簽一般也采用無源設(shè)主，其工作能量同低頻標(biāo)簽一樣，也是通過電感（磁）耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。標(biāo)簽與閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，標(biāo)簽必須位于閱讀器天線輻射的近場區(qū)內(nèi)。中頻標(biāo)簽的閱讀距離一般情況下也小于1米。 中頻標(biāo)簽由于可方便地做成卡狀，典型應(yīng)用包括：電子車票、電子身份證、電子閉鎖防盜（電子遙控門鎖控制器）等。相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)有：iso14443、iso1

30、5693、iso18000-3（13.56mhz）等。 中頻標(biāo)準(zhǔn)的基本特點與低頻標(biāo)準(zhǔn)相似，由于其工作頻率的提高，可以選用較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。射頻標(biāo)簽天線設(shè)計相對簡單，標(biāo)簽一般制成標(biāo)準(zhǔn)卡片形狀。 （3）超高頻與微波標(biāo)簽 超高頻與微波頻段的射頻標(biāo)簽，簡稱為微波射頻標(biāo)簽，其典型工作頻率為：433.92mhz，862(902)928mhz，2.45ghz，5.8ghz。微波射頻標(biāo)簽可分為有源標(biāo)簽與無源標(biāo)簽兩類。工作時，射頻標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場的遠(yuǎn)區(qū)場內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線輻射場為無源標(biāo)簽提供射頻能量，將有源標(biāo)簽喚醒。相應(yīng)的射頻識別系統(tǒng)閱讀距離一般大于1m，典型情況

31、為46m，最大可達(dá)10m以上。閱讀器天線一般均為定向天線，只有在閱讀器天線定向波束范圍內(nèi)的射頻標(biāo)簽可被讀/寫。 由于閱讀距離的增加，應(yīng)用中有可能在閱讀區(qū)域中同時出現(xiàn)多個射頻標(biāo)簽的情況，從而提出了多標(biāo)簽同時讀取的需求，進(jìn)而這種需求發(fā)展成為一種潮流。目前，先進(jìn)的射頻識別系統(tǒng)均將多標(biāo)簽識讀問題作為系統(tǒng)的一個重要特征。 以目前技術(shù)水平來說，無源微波射頻標(biāo)簽比較成功產(chǎn)品相對集中在902928mhz工作頻段上。2.45ghz和5.8ghz射頻識別系統(tǒng)多以半無源微波射頻標(biāo)簽產(chǎn)品面世。半無源標(biāo)簽一般采用鈕扣電池供電，具有較遠(yuǎn)的閱讀距離。微波射頻標(biāo)簽的典型特點主要集中在是否無源、無線讀寫距離、是否支持多標(biāo)簽讀寫

32、、是否適合高速識別應(yīng)用，讀寫器的發(fā)射功率容限，射頻標(biāo)簽及讀寫器的價格等方面。典型的微波射頻標(biāo)簽的識讀距離為35m，個別有達(dá)10m或10m以上的產(chǎn)品。對于可無線寫的射頻標(biāo)簽而言，通常情況下，寫入距離要小于識讀距離，其原因在于寫入要求更大的能量。 微波射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)存貯容量一般限定在2kbits以內(nèi)，再大的存貯容量是乎沒有太大的意義，從技術(shù)及應(yīng)用的角度來說，微波射頻標(biāo)簽并不適合作為大量數(shù)據(jù)的載體，其主要功能在于標(biāo)識物品并完成無接觸的識別過程。典型的數(shù)據(jù)容量指標(biāo)有：1kbits，128bits，64bits等。由auto-id center制定的產(chǎn)品電子代碼epc的容量為：90bits。微波射頻標(biāo)簽

33、的典型應(yīng)用包括：移動車輛識別、電子身份證、倉儲物流應(yīng)用、電子閉鎖防盜（電子遙控門鎖控制器）等。相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)有：iso10374，iso18000-4（2.45ghz）、-5（5.8ghz）、-6（860-930 mhz）、-7（433.92 mhz），ansi ncits256-1999等。 第2章 設(shè)計方案論證2.1 幾種近距離無線通信技術(shù)概況藍(lán)牙(bluetoot h)技術(shù)，是目前比較流行的一種無線個人區(qū)域網(wǎng)技術(shù)，具有中等速率，用無線接口代替有線電纜的連接，具有很強(qiáng)的移植性。已廣泛用于pc、打印機(jī)、傳真機(jī)、手機(jī)等設(shè)備上。藍(lán)牙最早是愛立信在1994年開始研究的一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）

34、之間互相通信的無線模塊。1998年，愛立信、諾基亞、ibm等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。藍(lán)牙技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)版本為ieee 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，由藍(lán)牙小組（sig）負(fù)責(zé)開發(fā)，藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)和語音通信的開放性全球規(guī)范，其實質(zhì)是為固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距離無線接口，將通信技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來，能在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)相互通信或操作。它的工作頻率為2 .4ghz，有效范圍大約在10m半徑內(nèi)，能提供1mbps的傳輸速率。藍(lán)牙技術(shù)要面向網(wǎng)絡(luò)中各類數(shù)據(jù)及語音設(shè)備(如pc、撥號網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、移動電話和高品質(zhì)耳機(jī)等)，通過無線

35、方式將它們連成一個微微網(wǎng)( piconet)，多個微網(wǎng)之間也可以互連形成分布式網(wǎng)絡(luò)(scatternet)，從而方便、快速地實現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。它是實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性規(guī)范，是一種低成本、短距離的無線連接技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備的無連接工作，提供了接入數(shù)據(jù)網(wǎng)的功能，并且具有外圍設(shè)備接口，可以組成一個特定的小網(wǎng)。wifi技術(shù)wifi (wirelessfidelity，無線高保真)，正式名稱是ie802.llb .wifi速率最高可達(dá)11m b/ s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但電波的覆蓋范圍卻略勝一籌，可達(dá)100m左右，如果有多個用戶同時通過一個點接入，帶寬被多個用

36、戶分享，wifi的連接速度一般將只有幾百kb/s的信號。信號不受墻壁阻隔，但在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶外。wifi未來最具潛力的應(yīng)用將主要在soho、家庭無線網(wǎng)絡(luò)以及不便安裝電纜的建筑物或場所。目前這一技術(shù)的用戶主要來自機(jī)場、酒店、商場等公共熱點場所。w ifi技術(shù)可將wifi與基于xml或java的web服務(wù)融合起來，可以大幅度減少企業(yè)的成本。例如企業(yè)選擇在每一層樓或每一個部門配備802.llb的接入點，而不是采用電纜線把整幢建筑物連接起來。這樣一來，可以節(jié)省大量鋪設(shè)電纜所需花費的資金。最初的ieee802.1規(guī)范是在1997年提出的，稱為802.ll b，主要目的是提供wlan接入，也

37、是目前wlan的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它的工作頻率也是2.4ghz與無繩電話、藍(lán)牙等許多不需頻率使用許可證的無線設(shè)備共享同一頻段。隨著wifi協(xié)議新版本如802.la和802.19的先后推出wifi的應(yīng)用將越來越廣泛。速度更快的802.119使用與802 .llb相同的正交頻分多路復(fù)用調(diào)制技術(shù)。它工作在2.4ghz頻段，速率達(dá)54mb/ 5。根據(jù)最近國際消費電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢判斷，802.11.9將有可能被大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。zigbee致力于定義一種廉價設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。zigbee技術(shù)的主要優(yōu)點:省電: 由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、

38、并且采用了休眠模式，zigbee技術(shù)可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá)6個月到2 年左右的使用時間。成本低: zigbee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快可以降到1.5-2.5美元，且zigbee協(xié)議是免費的。時延短: 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是幾ms，活動設(shè)備信道接入時延為15 ms。 網(wǎng)絡(luò)容量大: 一個星型結(jié)構(gòu)的zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可容納254個從設(shè)備1個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)最多可以同時存在10個獨立且相互重疊覆蓋的zi gbee網(wǎng)絡(luò)?？煽? 采用了碰撞避免機(jī)制和完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。安全: 網(wǎng)絡(luò)層和mlac層都有安全策略，且安

39、全分級，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。另外，zigbee協(xié)議套件緊湊而簡單，其具體實現(xiàn)的要求很低。只需要一個8位處理器， 如80c51; 全部協(xié)議套件軟件需要32kbytes的rom。zigbee主要應(yīng)用在短距離范圍之內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù) (如傳感器數(shù)據(jù))、間歇性數(shù)據(jù)(如照明控制)和重復(fù)性低反應(yīng)時間數(shù)據(jù) (如鼠標(biāo))。隨著zigbee聯(lián)盟推出相關(guān)技術(shù)規(guī)范，半導(dǎo)體企業(yè)推出芯片解決方案，oem企業(yè)推出相關(guān)終端產(chǎn)品，市場分析人士 認(rèn)為到2006年，zigbee設(shè)備將達(dá)到每年4億臺的市場規(guī)模，并在6-7年內(nèi)占據(jù)三分之二的家庭自動化市場。超寬帶技術(shù)u

40、wb (ultra wide band)是一種無線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。uwb 可在非常寬的帶寬上傳輸信號，美國fcc對uwb的規(guī)定為: 在3.1-10.6gh z頻段中占用500mhz以上的帶寬。由uwb可以利用低功耗、低復(fù)雜度發(fā)射/接收機(jī)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸而在年來得到迅速發(fā)展。它在非常寬的頻譜范圍內(nèi)采用低功率脈沖傳送數(shù)據(jù)而不會對常規(guī)窄帶無線通信系統(tǒng)造成大的干擾，并可充分利用頻譜資源?；趗wb技術(shù)而構(gòu)建的高速率數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)有著廣泛的用途，從無線局域網(wǎng)到adhoc網(wǎng)絡(luò)，從移動ip計算機(jī)到集中式多媒體應(yīng)用等。uwb技術(shù)具有

41、系統(tǒng)復(fù)雜度低，發(fā)射信號功率譜密度低，對信道衰落不敏感，低截獲能力，定位精度高等優(yōu)點，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入，非常適于建立一個高效的無線局域網(wǎng)或無線個人局域網(wǎng)(wpan)。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的優(yōu)點使得uwb較適合家庭無線消費市場的需求: uwb尤其適合近距離內(nèi)高速傳送大量多媒體數(shù)據(jù)以及可以穿透障礙物的突出優(yōu)點，是一種很有前途的無線通信技術(shù)，應(yīng)用于諸如將視頻信號從機(jī)頂盒無線傳送到數(shù)字電視等家庭場合。2.2 方案設(shè)計2.2.1 通信技術(shù)選擇zigbee技術(shù)是一種低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，zigbee憑借其架構(gòu)簡單、價格低廉、低消耗

42、功率延長使用壽命等優(yōu)點，即使傳輸速率不高，但針對感測與控制之應(yīng)用，zigbee有其很大的發(fā)展?jié)摿Α？梢妟igbee技術(shù)適合作為rfid閱讀器組網(wǎng)的無線通信手段。2.2.2 芯片選擇(1) mfrc522是應(yīng)用于13.56mhz 非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片中的一員。是nxp公司針對“三表”應(yīng)用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，是智能儀表和便攜式手持設(shè)備研發(fā)的較好選擇。 mfrc522利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56mhz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。支持iso14443a的多層應(yīng)用。其內(nèi)部發(fā)送器部分可驅(qū)動讀寫器天線與iso14443a/m

43、ifare卡和應(yīng)答機(jī)的通信，無需其它的電路。接收器部分提供一個堅固而有效的解調(diào)和解碼電路，用于處理iso14443a 兼容的應(yīng)答器信號。數(shù)字部分處理iso14443a幀和錯誤檢測（奇偶 &crc）。此外，它還支持快速crypto1加密算法，用于驗證mifare 系列產(chǎn)品。mfrc522支持mifare更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)424kbit/s。(2) cc2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(soc)cmos解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以zigbee為基礎(chǔ)的2.4ghzism波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個高性能2.4ghz dsss(直接序列擴(kuò)頻)

44、射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。cc2430的設(shè)計結(jié)合了8kbyte的ram及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32，64和128kbyte來優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。1.2.3 rfid讀卡器rfid(射頻識別)系統(tǒng)由兩部分組成：讀/寫單元和電子收發(fā)器。讀寫器通過天線發(fā)出一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；來源一卡通世界。系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)

45、處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。讀寫器的控制單元的功能包括：與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，并執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)軟件發(fā)來的命令；控制與射頻卡的通信過程(主-從原則)；信號的編解碼。對一些特殊的系統(tǒng)還有執(zhí)行防沖突算法，對射頻卡與讀寫器間要傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，以及進(jìn)行射頻卡和讀寫器間的身份驗證等附加功能。射頻識別系統(tǒng)的讀寫距離是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。目前，長距離射頻識別系統(tǒng)的價格還很貴，因此尋找提高其讀寫距離的方法很重要。影響射頻卡讀寫距離的因素包括天線工作頻率、讀寫器的射頻輸出功率、讀寫器的接收靈敏度、射頻卡的功耗、天線及諧振電路的

46、q值、天線方向、讀寫器和射頻卡的耦合度，以及射頻卡本身獲得的能量及發(fā)送信息的能量等。大多數(shù)系統(tǒng)的讀取距離和寫入距離是不同的，寫入距離大約是讀取距離的40%80%。第3章 硬件設(shè)計3.1 主要芯片3.1.1 rc522讀卡芯片mfrc522主要特性包括：高度集成的調(diào)制解調(diào)電路，采用少量外部器件，即可將輸出驅(qū)動級接至天線；支持isoiec14443typea接口和mifare通信協(xié)議；選用spi、i2c或串行uart工作模式，有利于減少連線，縮小pcb板面積；特有的發(fā)送器掉電機(jī)制可關(guān)閉內(nèi)部天線驅(qū)動器，即關(guān)閉rf場，達(dá)到低功耗。rc522具體硬件電路圖如圖3.1所示。 圖3.1 rc522芯片硬件電

47、路圖rc522與主控芯片stc11f32xe之間采用spi模式進(jìn)行通信，所以除了通用的4條spi信號線(時鐘線sck、輸入數(shù)據(jù)線misi、輸出數(shù)據(jù)線miso和選通線sda)，rc522要求額外的2個引腳i2c（腳1）和ea（腳32）分別固定接低電平和高電平。這兩個引腳不參與spi總線傳輸，只起設(shè)定rc522數(shù)字界面采用spi接口的作用。spi總線接口有其自身的時序要求，它只能工作于從模式，最高傳輸速率為l0mbps，數(shù)據(jù)與時鐘相位關(guān)系滿足“空閑態(tài)時鐘為低電平，在時鐘上升沿同步接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，在下降沿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”的約束關(guān)系。由于mf rc522支持的數(shù)字接口形式多種多樣，芯片在每次復(fù)位時都會檢測外

48、部引腳連接關(guān)系。另外，片選信號保證在寫入數(shù)據(jù)流期間為低電平，而在無數(shù)據(jù)流寫入時則為高電平。rc522的天線接口包括：vmid（腳16）、tx1（腳11）、tx2（腳13）、rx（腳17）。從tx1和tx2引腳發(fā)射的信號是已調(diào)制的13.56mhz載波信號，輔以多個無源器件實現(xiàn)匹配和濾波功能，以直接驅(qū)動天線。內(nèi)部接收電路利用卡的響應(yīng)信號在副載波的雙邊帶上都具有調(diào)制這一功能進(jìn)行工作。使用mfrc522內(nèi)部產(chǎn)生的vmid信號作為rx引腳輸入信號的偏置。為了穩(wěn)定vmid輸出，需在vmi和gnd之間連接一只電容c5。接收電路需在rx和vmid之間連接一分壓電路（r15，r16）。l4、l5、c24、c25

49、構(gòu)成emc低通濾波器，c20、c21、c22、c23構(gòu)成天線匹配電路。關(guān)于13.5mhz讀卡器天線的具體設(shè)計及參數(shù)規(guī)定見相關(guān)資料。3.1.2 zigbee射頻芯片cc2430zigbee射頻芯片選用的是德州儀器（ti）的cc2430，它是用于2.4ghzzigbee的片上系統(tǒng)解決方案。cc2430內(nèi)部整合了ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2. 4ghz的rf無線電收發(fā)機(jī)、內(nèi)存和微控制器。它使用一個八位mcu（8051），既有128kb的可編程閃存和8kb的ram，還包含adc、定時器、aes-128協(xié)同處理器、看門狗定時器、掉電檢測電路(power of reset detection)等。其基

50、本工作電路如圖3.2所示：圖3.2 cc2430外圍電路cc2430的外圍元件數(shù)目很少。它使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容c9和電感l(wèi)1、l2、l3以及一個pcb微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足rf輸入/輸出匹配電阻(50)的要求。內(nèi)部t/r交換電路完成lna和pa之間的交換。r1、r2為偏置電阻。其中r1主要用于為32 mhz的晶體振蕩器提供合適的工作電流。用一只32 mhz石英諧振器和兩只電容(c1、c2)構(gòu)成32 mhz晶體振蕩器電路。片上電壓穩(wěn)壓器為所有1.8 v電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，cl0、c12是去耦電容，用于電源濾波。3.2 電路圖設(shè)

51、計 圖3.3 讀卡器主控電路圖3.4 讀卡芯片外圍電路及天線匹配第4章 軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計rfid與zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)合時，zigbee模塊相當(dāng)于發(fā)揮了一個網(wǎng)關(guān)的作用，把rfid采集的數(shù)據(jù)通過zigbee協(xié)議傳輸?shù)狡渌鼰o線或有線的網(wǎng)絡(luò)之中，其協(xié)議基本構(gòu)架如圖4.1所示。電子標(biāo)簽rfid接口rfid與zigbee的通信協(xié)議zigbee網(wǎng)絡(luò)層ieee 802.15.4mac層ieee 802.15.4物理層ieee 802.15.4物理層ieee 802.15.4mac層zigbee網(wǎng)絡(luò)層rfid與zigbee的通信協(xié)議上位機(jī)應(yīng)用程序其他類型網(wǎng)絡(luò)圖4.1 系統(tǒng)通信協(xié)議基本框架在移動

52、式讀卡器中，rfid與zigbee的通信是通過串口來完成的。主芯片首先通過spi接口控制rc522與進(jìn)入天線范圍內(nèi)類型相符合的卡進(jìn)行通信，讀取卡中信息，將信息進(jìn)行相應(yīng)處理，變成符合zigbee協(xié)議的數(shù)據(jù)包，然后又通過將數(shù)據(jù)通過cc2430發(fā)送給接收器，即zigbee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器。而接收器與上位機(jī)機(jī)通過uart接口相連，最終把數(shù)據(jù)傳給pc機(jī)進(jìn)行處理。zigbee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)幀的格式如圖4.2所示。幀控制序列碼尋址信息卡數(shù)據(jù)載荷fcs碼前同步碼 定界符幀長mpdu（物理層載荷） ppdu（物理層數(shù)據(jù)包）物理層mhrmsdumfrshrphrmsdumac層圖4.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀格式zi

53、gbee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層將要發(fā)送的數(shù)據(jù)處理后,發(fā)送給mac層(媒體接入控制層),作為mac層數(shù)據(jù)載荷(msdu),并在msdu前面加上一個mac層幀頭mhr,在其結(jié)尾后面,加上一個mac層幀尾mfr.其中,mhr包括控制幀、序列碼以及尋址信息，mfr為16位fcs碼（幀檢測序列錯誤碼），這樣，由mhr、msdu和mfr共同構(gòu)成了mac層數(shù)據(jù)幀（mpdu）。mac層數(shù)據(jù)幀作為物理層載荷（psdu）發(fā)送到物理層。在psdu前面加上物理層幀頭shr和物理層幀尾phr。其中，shr包括前同步序列碼和定界符；phr包括psdu的長度信息。shr、phr和psdu共同構(gòu)成了物理層的數(shù)據(jù)包（ppdu）。然后經(jīng)過調(diào)

54、制，由2.4ghz載波發(fā)送出去。4.2 移動式讀卡器主程序流程圖移動式讀卡器主程序流程圖如圖4.3所示。每次重啟都要進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入程序主循環(huán)。系統(tǒng)初始化函數(shù)initall(void)主要包括cc2430初始化、rc522初始化及主控芯片msp430f1611的定時器、i/o口及串口初始化等。函數(shù)pcdrequest(unsigned char req_code,unsigned char *ptagtype)尋找天線內(nèi)符合條件的卡。其中，參數(shù)req_code(輸入變量)為尋卡方式，當(dāng)值為0x52時該函數(shù)尋感應(yīng)區(qū)內(nèi)所有符合14443a標(biāo)準(zhǔn)的卡，值為0x26時尋未進(jìn)入休眠狀態(tài)的卡；參數(shù)pta

55、gtype(輸出變量)為卡片類型代碼 ，當(dāng)其值為0x0400時，卡片類型為mifare_one(s50)卡，其值為0x0200時，卡片類型為mifare_one(s70)。如果尋找到符合要求的卡片返回stauts為ok的成功狀態(tài)，有利于程序的順序執(zhí)行。防沖突算法編程的思想：當(dāng)多張卡重疊進(jìn)入天線有效范圍內(nèi)，主控芯片將會讀取卡的序列號進(jìn)行判斷檢測。mifare_one卡具有唯一的4字節(jié)序列號，第5字節(jié)為校驗碼，其值是四位序列號異或的結(jié)果。主控芯片循環(huán)讀取序列號，直到讀取校驗正確的序列號為止。其關(guān)鍵語句如下： if (status = mi_ok) /讀取序列號成功 for (i=0; i<4; i+) *(psnr+i) = uccommf522bufi; /讀到的序列號存放在*( psnr+i) snr_check = uccommf522bufi; /讀到的4位序列號異或 if (snr_check != uccommf522bufi) /異或結(jié)果與第5位校驗碼比較 status = mi_err; / 如果不相等，數(shù)據(jù)沖突返回錯誤狀態(tài) return status; /相等則未發(fā)生沖突，返回正確狀態(tài)開始系統(tǒng)初始化進(jìn)入檢測卡狀態(tài)卡沖突？防碰撞機(jī)制選擇卡片卡信息