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基于RFID的近距離無(wú)線控制系統(tǒng)

作者:不詳
來(lái)源:北京郵電大學(xué)
日期:2016-05-16 14:04:27
摘要:提出了一種基于射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的低功耗近距離無(wú)線控制系統(tǒng),介紹了系統(tǒng)的工作原理和硬件結(jié)構(gòu),并對(duì)軟件設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。通過(guò)采用RFID技術(shù),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)控制器與多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)之間的高速、雙向無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

  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)。

基于RFID的近距離無(wú)線控制系統(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。

基于RFID的近距離無(wú)線控制系統(tǒng)

  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)

基于RFID的近距離無(wú)線控制系統(tǒng)

  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。

基于RFID的近距離無(wú)線控制系統(tǒng)

  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。

基于RFID的近距離無(wú)線控制系統(tǒng)

  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)。