0 引言

　　有線通信技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)控制領(lǐng)域，它們功耗低、速度快，易于實(shí)施，非常適用于通信節(jié)點(diǎn)較少，節(jié)點(diǎn)位置較為固定的場(chǎng)合。 然而，隨著分布式、模塊化技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的控制系統(tǒng)開始采用靈活性更高，擴(kuò)展性更強(qiáng)的分布式控制結(jié)構(gòu)。相較于常規(guī)結(jié)構(gòu)，它們具有控制節(jié)點(diǎn)多，節(jié)點(diǎn)間位置和連接關(guān)系不確定等特點(diǎn)。這使得通過(guò)線纜連接的分布式控制系統(tǒng)布線繁瑣，故障發(fā)生率高，且靈活性和擴(kuò)展性也受到很大限制。利用無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建無(wú)線分布式控制系統(tǒng)可以避免上述問(wèn)題，從而有效地提高系統(tǒng)的可靠性、擴(kuò)展性和重構(gòu)性。目前，無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)成為通信技術(shù)中的一大熱點(diǎn)，各種用于工業(yè)控制自動(dòng)化和家電智能化的近距離無(wú)線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)相繼出現(xiàn)。近幾年來(lái)，較為流行的有紅外(IrDA)、藍(lán)牙(Bluetooth)和wi—Fi(IEEES02.11)等。IrDA是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，它主要用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的近距離數(shù)據(jù)傳輸[1]。Bluetooth能實(shí)現(xiàn)近距離范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)互通，具有通用的無(wú)線電接口及控制軟件，已廣泛地用于便攜式設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信[2]。基于以太網(wǎng)協(xié)議和CSMA/CA機(jī)制的無(wú)線局域網(wǎng)(Wi—Fi)是當(dāng)前無(wú)線接入的主要標(biāo)準(zhǔn)，它具有較長(zhǎng)的通訊距離和較高的通信速度[3]。上述無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)解決了有線控制系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，增加了系統(tǒng)的靈活性，降低了集成專用無(wú)線通信技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。然而，IrDA存在視距角度、傳輸距離短等問(wèn)題，也不適用于多臺(tái)設(shè)備間的連接。Bluetooth和wi—Fi雖然具有易于組網(wǎng)、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但軟硬件較為復(fù)雜、成本較高、功耗也較大。因此，為了滿足部分控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)易、低成本無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求，需要采用一種復(fù)雜程度較低、成本和功耗均很低的無(wú)線連接技術(shù)。射頻識(shí)別(RadioFrequency Identification，RFID)技術(shù)是一種通過(guò)射頻信號(hào)獲取目標(biāo)對(duì)象相關(guān)數(shù)據(jù)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[4]，它最初用于替換條形碼應(yīng)用在物流領(lǐng)域，現(xiàn)已被應(yīng)用到了交通、加工制造、生產(chǎn)線自動(dòng)化、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面，與以上無(wú)線通信技術(shù)相比，它具有功耗小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。表1是RFID通信技術(shù)與其他幾種常用無(wú)線傳輸方式的性能比較。

　　鑒于小型無(wú)線分布式控制系統(tǒng)的使用要求以及RFID無(wú)線傳輸技術(shù)的特點(diǎn)，本文提出了一種基于RFID的近距離無(wú)線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一主多從的通訊模式。其中，主機(jī)由PC和RFID讀寫器構(gòu)成;從機(jī)采用高速單片機(jī)為控制芯片，主動(dòng)RFID標(biāo)簽為無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，并利用單片機(jī)的通用輸入/輸出接口實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行單元的控制。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，適合于小型、小數(shù)據(jù)量、低功耗的分布式控制系統(tǒng)。

　　1 RFlD系統(tǒng)概述

　　1.1 RFID系統(tǒng)的組成

　　一個(gè)最基本的RFID系統(tǒng)通常由三部分組成：標(biāo)簽(Tag)：由芯片及天線組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，并可存儲(chǔ)一定容量的數(shù)據(jù)以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。標(biāo)簽依據(jù)發(fā)送射頻信號(hào)方式的不同，可分為有源(Active)、半無(wú)源(semi-passive)和無(wú)源(passive)三種。有源標(biāo)簽包含內(nèi)部電源，能主動(dòng)向讀寫器發(fā)送射頻信號(hào);半無(wú)源標(biāo)簽也包含內(nèi)部電源，但其只給標(biāo)簽內(nèi)的處理器供電，而不提供發(fā)射射頻信號(hào)所需的能量;無(wú)源標(biāo)簽不帶電源，其處理器和信號(hào)發(fā)射及內(nèi)部處理器運(yùn)行所需的能量均來(lái)自讀寫器產(chǎn)生電磁場(chǎng)。

　　讀寫器(Reader/writer)：用于控制射頻收發(fā)器發(fā)射射頻信號(hào)，并通過(guò)收發(fā)器接收來(lái)自標(biāo)簽上已編碼的射頻信號(hào)，或?qū)⑿畔⒕幋a寫入標(biāo)簽。

　　應(yīng)用軟件：控制讀寫器或標(biāo)簽發(fā)送指定的數(shù)據(jù)信號(hào)，并對(duì)其接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。

　　1.2 RFID系統(tǒng)的工作原理

　　RFID系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，當(dāng)半無(wú)源或無(wú)源標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)后，憑借感應(yīng)電流獲得能量，將存儲(chǔ)在芯片中的特定信息以反射調(diào)制方式發(fā)出，而有源標(biāo)簽則在檢測(cè)到讀寫器的讀寫請(qǐng)求后，主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)。讀寫器在接收到標(biāo)簽的信號(hào)后，將其解碼并送至應(yīng)用軟件進(jìn)行處理。

　　2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作流程

　　基于RFID的分布式無(wú)線控制系統(tǒng)主要包括一個(gè)具有RFID讀寫功能的主控PC以及多個(gè)具有RFID標(biāo)簽的從機(jī)。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為上下兩層，上層由PC和RFID讀寫器組成，其中，RFID讀寫器通過(guò)USB接口和PC連接。下層由多個(gè)從機(jī)構(gòu)成，每個(gè)從機(jī)都包括單片機(jī)、傳感器、執(zhí)行器、RFID標(biāo)簽以及電池五個(gè)部分。上層結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理任務(wù)，它可以獲取所有從機(jī)的傳感器信息和運(yùn)行狀態(tài)，并由此來(lái)規(guī)劃和協(xié)調(diào)各個(gè)從機(jī)的行為。

　　圖2 基于RFID的無(wú)線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)工作流程如下：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，PC開始定時(shí)向所有從機(jī)發(fā)送查詢傳感器信息和執(zhí)行器狀態(tài)的命令，接收到查詢命令的從機(jī)被激活，并在完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)后，將這些信息以指定格式送入RFlD標(biāo)簽。RFID讀寫器接收到RFID標(biāo)簽的信息后，通過(guò)USB接口將其送入PCE中進(jìn)行處理，隨后，處理得到的控制命令被發(fā)送至各RFID標(biāo)簽，最后，單片機(jī)根據(jù)控制命令的要求完成對(duì)執(zhí)行器的操作。

　　3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件由PC機(jī)、RFID讀寫器和若干從機(jī)組成。PC和RFID讀寫器均采用廣泛商用的部件，因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)也即從機(jī)的設(shè)計(jì)。由圖2可知，每一個(gè)從機(jī)都包括單片機(jī)、RFID標(biāo)簽、傳感器以及執(zhí)行器四個(gè)部分，傳感器和執(zhí)行器的選擇與特定的應(yīng)用背景密切相關(guān)關(guān)，因而，根據(jù)系統(tǒng)特性要求，選擇合適的單片機(jī)和RFID標(biāo)簽也就成為設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分。

　　3.1 單片機(jī)的選擇

　　由于從機(jī)采用電池供電，為了延長(zhǎng)電池的使用壽命并簡(jiǎn)化電源電路的設(shè)計(jì)，單片機(jī)需要有較低的功耗和較寬的工作電壓范圍。Atmel公司的AVR系列單片機(jī)ATmega8L是基于RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器[5]。其內(nèi)部帶8KByte的F1ash、512Byte的EEPROM和1KByte的SRAM，具有先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率為1MIPs/MHz;工作電壓范圍2.7v～5.5v，工作時(shí)鐘范圍0～8MHz，且4MHz速度運(yùn)行時(shí)，電流僅3.6mA?？梢詽M足系統(tǒng)在功耗、電壓范圍和處理速度方面的要求。此外，它還有豐富的高級(jí)語(yǔ)言編程環(huán)境，軟件開發(fā)也較為便利。

　　3.2 RFID標(biāo)簽的選擇

　　RFID標(biāo)簽是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，直接關(guān)系到系統(tǒng)的通信速率、通信距離和功耗。IDS—SL900A是IDSMicrochip公司推出的UHF半無(wú)源RFID標(biāo)簽[6]。它的電壓范圍為1.1～3.3V，工作于860MHz～960MHz，IDS～SL900A內(nèi)置了溫度傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、ADC和EEPROM等功能模塊，只需要外接電池和天線即可工作，系統(tǒng)參數(shù)還可通過(guò)SPI接口進(jìn)行讀取和配置，因此使用起來(lái)非常方便。

　　IDS—SL900A的功耗非常低，它具有三種工作模式：關(guān)機(jī)模式、空閑模式和記錄模式。在關(guān)機(jī)模式下，系統(tǒng)具有最小的工作電流，一般為O.1uA;在空閑模式下，電流約為2uA，此時(shí)芯片中只有晶振電路和時(shí)鐘電路工作;而在記錄模式下，Iss—SL900A內(nèi)部的溫度傳感器、EEPROM等所有功能模塊全部工作，電流約為200uA。由上可見，IDS—SL900A功能多、功耗低，外圍電路簡(jiǎn)單，非常適合于采用電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。

　　3.3 設(shè)計(jì)原理圖

　　從機(jī)的硬件連接如圖3所示，主控單片機(jī)為ATmega8L;有源RFID標(biāo)簽為IDS—SL900A;執(zhí)行器為Futaba系列舵機(jī)中的S3110微型舵機(jī)。其中，ATmega8L通過(guò)SPI接口和兩個(gè)通用輸入\輸出接口與RFID標(biāo)簽連接以讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)并對(duì)標(biāo)簽運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置。S3110舵機(jī)的控制信號(hào)是PPM(Pulse Position Modulation)信號(hào)，這是一種脈寬調(diào)制信號(hào)，周期為20ms，其中，正脈沖的寬度決定了舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，范圍從1ms到2ms，分別對(duì)應(yīng)舵機(jī)的額定轉(zhuǎn)角的最小值和最大值。圖4為PPM信號(hào)的格式，該信號(hào)由ATmega8L內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器l產(chǎn)生，并經(jīng)輸出比較接口0ClA輸出至S3110。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用一主多的上下層結(jié)構(gòu)，所有從機(jī)都工作在PC的監(jiān)控下，并通過(guò)運(yùn)行于PC上的圖形化界面接收用戶指令。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及系統(tǒng)各部分所實(shí)現(xiàn)的功能，可以將系統(tǒng)軟件劃分為人機(jī)交互程序、數(shù)據(jù)通信程序以及傳感器和執(zhí)行器的控制程序三個(gè)部分，如圖5所示。

　　人機(jī)交互程序運(yùn)行于Pc上，它一方面接收用戶輸入的控制參數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為各從機(jī)的控制命令;另一方面，還定時(shí)向各從機(jī)發(fā)送查詢指令，并將從機(jī)發(fā)送回來(lái)的傳感器信息和運(yùn)行狀態(tài)信息等反饋給用戶。

　　數(shù)據(jù)通信程序與應(yīng)用程序獨(dú)立，它通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)從機(jī)和PC機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳遞，它包括運(yùn)行于PC上的上層通信子程序和運(yùn)行于ATmega8L上的下層通信子程序。

　　傳感器和執(zhí)行器的控制程序運(yùn)行于下層ATmega8L上，它們負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)和從機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的采集工作;同時(shí)，在接收到了控制命令后，還能根據(jù)控制命令指定的控制參數(shù)完成對(duì)執(zhí)行器的控制操作。

　　5 小結(jié)

　　近幾年來(lái)，分布式控制系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的重視，本文根據(jù)這種控制系統(tǒng)的使用特點(diǎn)，在分析常用通信技術(shù)的特性基礎(chǔ)上，提出了一種基于RFID的分布式無(wú)線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了主從通信模式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以按多種需求靈活地進(jìn)行系統(tǒng)配置，并且在成本和功耗方面也具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。