RFID(RadioFrequencyIdentification)是一種非接觸式自動識別技術(shù),其原理是利用射頻方式進行非接觸雙向通信,實現(xiàn)對物體的自動識別。由于具有高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點,RFID技術(shù)強有力地推動家庭自動化、工業(yè)自動化、現(xiàn)代物流等領(lǐng)域的發(fā)展;ZigBee是一種新興的近距離無線組網(wǎng)技術(shù),是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種組網(wǎng)協(xié)議。利用ZigBee技術(shù)組建由大量節(jié)點組成的面向任務(wù)的分布式網(wǎng)絡(luò),通過各類微型傳感器對信息目標進行實時監(jiān)測,并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠程用戶。本文通過RFID和WSN的融合組建RFID無線傳感網(wǎng),并將其應(yīng)用于家庭智能安防系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)有線安防系統(tǒng)存在布線難、成本高以及布防撤防不方便的缺點,難以滿足人們越來越高的安防需求?；赗FID無線傳感網(wǎng)組建智能安防系統(tǒng)能有效解決上述問題,RFID主要實現(xiàn)家庭安防智能小車的巡邏定位,WSN完成家庭環(huán)境參數(shù)的分布式智能監(jiān)控。該系統(tǒng)既繼承了RFID技術(shù)自動識別目標的特性,同時實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動感知與通信的功能[326]。本系統(tǒng)設(shè)計了帶有移動路由器的自適應(yīng)星型網(wǎng)絡(luò),既保證家庭安防系統(tǒng)的實時性,又避開了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),從而提高了家庭安防系統(tǒng)的整體性能。

　　1　系統(tǒng)的總體架構(gòu)

　　本系統(tǒng)的整體設(shè)計架構(gòu)如圖1所示,是以智能家庭網(wǎng)關(guān)為中心協(xié)調(diào)器組建ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)。家庭環(huán)境中安裝各種安防監(jiān)測模塊節(jié)點,一旦監(jiān)測到異常情況,立刻將警情的具體信息發(fā)送到家庭智能網(wǎng)關(guān),家庭智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)具體情況進行相應(yīng)的警情處理,如進行無線報警、現(xiàn)場報警或派遣巡邏小車對警情作進一步的探測;智能巡邏小車是網(wǎng)絡(luò)中的移動節(jié)點,充當移動路由器,同時可以根據(jù)家庭智能網(wǎng)關(guān)的指令對家庭環(huán)境內(nèi)有可能出現(xiàn)警情隱患的區(qū)域進行更為詳細的監(jiān)控;而貼上智能RFID標簽的物體主要用于智能小車的巡邏定位。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)

　　1.1　RFID無線傳感網(wǎng)定位原理

　　家庭安防系統(tǒng)首要關(guān)心的問題就是,在什么位置或區(qū)域發(fā)生了什么事件,而實際中巡邏小車的定位只須確定以下三個問題,我在哪里?我要到哪里?該怎么走?在本系統(tǒng)中,采用了一種以RFID標簽為路標,用WSN來導航的巡邏定位方法。

　　在家庭中的一些固定物體(如沙發(fā)、桌子、椅子和書柜等)以及某些重要位置貼上無源RFID標簽,這些就是家庭環(huán)境中的位置路標。安裝RFID讀卡器的家庭小車在家庭環(huán)境中進行巡邏,一旦監(jiān)測到周圍有RFID標簽,立刻停止前進,讀取RFID標簽,并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將標簽值發(fā)給家庭智能網(wǎng)關(guān)。每個RFID標簽的具體位置、與其相鄰RFID標簽位置信息以及各個RFID標簽之間的相對位置關(guān)系都以位置表、鄰居表和導航表的形式預(yù)先存儲在家庭智能網(wǎng)關(guān)中,家庭智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)具體巡邏任務(wù)、當前RFID標簽值并結(jié)合這三張表的信息就可以為智能巡邏小車進行導航。

　　1.2　家庭智能網(wǎng)關(guān)

　　如上圖1所示,智能家庭網(wǎng)關(guān)處在智能家庭網(wǎng)絡(luò)的中心位置,是通信、決策、報警的核心。家庭智能網(wǎng)關(guān)一方面利用ZigBee網(wǎng)絡(luò),對布防在家庭中的各個安防監(jiān)測模塊節(jié)點進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集和處理,同時實現(xiàn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和控制;另一方面通過GSM模塊實現(xiàn)與外網(wǎng)用戶的遠程通信。當安防監(jiān)測模塊節(jié)點監(jiān)測到警情出現(xiàn)時,家庭智能網(wǎng)關(guān)通過GSM模塊向遠端用戶發(fā)送報警短信或撥打報警電話。

圖2　家庭智能網(wǎng)關(guān)原理框圖

　　1.3　安防監(jiān)測模塊節(jié)點

　　各類安防監(jiān)測模塊節(jié)點部署在家庭環(huán)境中可能出現(xiàn)安全隱患的區(qū)域,根據(jù)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的不同,原理上略有區(qū)別,但基本上都是由安防傳感器(溫度、濕度、煙霧、紅外以及振動)和CC2430射頻模塊組成。

圖3　安防監(jiān)測模塊節(jié)點框圖

　　1.4　智能巡邏小車

　　如圖4所示為智能巡邏小車的原理框圖,設(shè)計的智能巡邏小車是在飛思卡爾公司提供的微型賽車的基礎(chǔ)上裝上CC2430射頻模塊、RFID讀卡器、攝像頭以及溫度、煙霧等家庭安防傳感器。

圖4　智能小車原理框圖

　　智能巡邏小車在家庭安防系統(tǒng)中主要有以下幾個功能:

　?、僦悄苎策壭≤嚦洚敿彝グ卜纻鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的移動路由節(jié)點。ZigBee星型網(wǎng)精簡了系統(tǒng)設(shè)計,但每個節(jié)點都只能和家庭智能網(wǎng)關(guān)通信。在實際家庭環(huán)境中,臥室內(nèi)的安防節(jié)點發(fā)射的信號由于受到內(nèi)墻及室內(nèi)障礙物的影響,導致客廳中的家庭智能網(wǎng)關(guān)接收到的信號很弱,而增加多個路由節(jié)點又會增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度,本系統(tǒng)采用在網(wǎng)絡(luò)中增加一個移動路由節(jié)點解決這個問題。在一定時間內(nèi)沒收到回復(fù)信號,家庭智能網(wǎng)關(guān)命令巡邏小車作到特定的位置(由RFID標簽標識)采集信號較弱的節(jié)點數(shù)據(jù),再轉(zhuǎn)發(fā)給家庭智能網(wǎng)關(guān)。
　?、谥悄苎策壭≤嚿涎b有各種安防傳感器,執(zhí)行巡邏任務(wù)時,對各個有安全隱患的區(qū)域進行一次更為仔細監(jiān)控,比如對煤氣管道附件的區(qū)域進行一次全面燃氣泄漏檢測。
　?、郛斈硞€安防監(jiān)測模塊節(jié)點監(jiān)測到有警情狀況時,家庭智能網(wǎng)關(guān)導航智能小車去現(xiàn)場詳細巡邏,以確定是否由于環(huán)境干擾信號造成的誤報警,一旦確定警情出現(xiàn),開啟攝像頭進行現(xiàn)場拍照。

　　2　主要功能模塊硬件設(shè)計

　　2.1　CC2430射頻模塊設(shè)計

　　射頻模塊設(shè)計采用TI公司的CC2430(見圖5)和CC2591功放的結(jié)合,CC2430延用了以往CC2420芯片的架構(gòu),芯片在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器;CC2591集成了功率放大器、低噪聲放大器、平衡轉(zhuǎn)換器(balun)、交換機、電感器和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等,最大輸出功率可以達到22dbm,靈敏度可以提高6dbm。根據(jù)CC2591已經(jīng)包含了RF匹配網(wǎng)絡(luò)的特點,所以在RF輸入/輸出部分,不需要增加額外的匹配網(wǎng)絡(luò),從而使電路設(shè)計變得簡單。

圖5　CC2430射頻模塊硬件圖

　　2.2　RFID讀卡器模塊設(shè)計

　　圖6所示為RFID讀卡器原理框圖,在CC2430射頻模塊上擴展RFID讀卡模塊,RFID主芯片選擇飛利普公司的CLRC632。

圖6　讀卡器組成框圖

　　射頻芯片RC632與CC2430的連接方式選擇了獨立的讀/寫選通模式。在該模式下CLRC632的連接方式見圖7。該讀卡IC利用了先進的調(diào)制和解調(diào)概念,完全集成了在13156MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協(xié)議。本設(shè)計采用的RFID通信協(xié)議是IEC15693協(xié)議。

圖7　獨立讀/寫選通模式下RC632的連接方式

　　CC2430通過端口P0與CLRC632的數(shù)據(jù)總線相連,可實現(xiàn)與無線射頻芯片RC632之間的命令與數(shù)據(jù)的傳遞。CC2430的引腳P210和引腳P211分別與CLRC632的NWR引腳和NRD引腳相連,分別控制RC632的數(shù)據(jù)的寫入和讀取。同時,將CC2430的P112作為RC632的片選信號的輸入端,該端口低電平有效。RSTPD引腳為復(fù)位和掉電引腳,當為高時,停止輸入端并與外部斷開,該引腳信號的下降沿觸發(fā)芯片復(fù)位,用引腳P116控制。

　　3　系統(tǒng)測試分析

　　系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了CC2430射頻模塊和RFID讀卡器模塊(如圖8右圖)。如圖9為在CC2430射頻模塊基礎(chǔ)上擴展設(shè)計家庭智能網(wǎng)關(guān),正面為CC2430模塊,背面為TC35iGSM模塊;圖8左圖為安裝上CC2430射頻模塊和RFID讀卡器的智能巡邏小車。

圖8　系統(tǒng)實物

　　在實驗室環(huán)境下模擬家庭環(huán)境對系統(tǒng)性能進行了一些測試,下面是對測試結(jié)果的一些分析結(jié)論:
　?、貱C2430射頻模塊在室內(nèi)無障礙物情況下有效通信距離為50m以內(nèi),遇實體障礙物信號衰減嚴重。
　?、赗FID讀卡器有效讀卡距離在15cm以內(nèi),讀卡速率為5card/s。
　?、壑悄苎策壭≤囋谝?15m/s低速前進時能識別RFID標簽,并能完成從一個RFID標簽到另一個RFID標簽的定位。
　?、馨l(fā)送GSM短消息實現(xiàn)遠程無線控制和報警。

圖9　家庭智能網(wǎng)關(guān)

　　4　結(jié)束語

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID技術(shù)都是當今的研究熱點,兩者相結(jié)合組成RFID無線傳感網(wǎng)可以以更低的成本應(yīng)用于物流和供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)制造和裝配、遙感勘測、搶險、安防等領(lǐng)域。本文針對目前家庭安防系統(tǒng)中存在的問題,設(shè)計了一種基于RFID無線傳感網(wǎng)的智能家庭安防系統(tǒng),同時該設(shè)計對其他類似擴展應(yīng)用也具有一定的參考價值。