摘 要：針對現有RFID 系統中的不足，設計了一種基于ZigBee 技術的有源RFID 系統。闡述了有源RFID 系統的硬件設計原理，分別給出了讀寫器和有源標簽軟件設計架構，并通過研究Z-Stack 協議完成閱讀器與有源標簽之間的通信。采用TI 公司的CC2591 功率放大芯片，增大了讀卡器與標簽的通信距離。并通過增加休眠時間和減少通信流量完成了標簽的低功耗設計。最終實現了遠距離、多節點的有源RFID 系統的設計。

　　RFID（射頻辨識系統）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。典型的RFID 系統由電子標簽（Tag），讀寫器（Reader）以及管理系統等組成。主要應用于門禁管理、物流管理、車輛管理、自動控制、防盜系統等多種場合。但現有的RFID 技術存在數據安全性不高、識別距離短、設備成本高以及讀寫系統工作靈活性不強等問題。為推廣RFID 技術的使用，RFID 的發展應滿足一下要求：

　?。?） 低成本：現有的RFID 讀卡器需要上萬元，很難滿足大眾群體的需求。

　?。?） 遠距離：對于大型機構如物流、小區車輛管理、公車管理、不?？渴召M站等都需要遠距離識別。

　　（3） 移動性：數據可無線傳輸到管理系統，系統組網簡單，可用于臨時應急方案。

　?。?） 可擴展性：在系統不做大的改動的情況下，能夠自動地進行軟件升級和功能擴張。

　　（5） 保密性：確保用戶的信息不被泄漏或盜取。為了解決RFID 技術的上述問題，本文提出了一種基于ZigBee 技術［2］的遠距離有源RFID 系統。

　　1 系統框架及硬件設計

　　1.1 系統工作原理

　　與典型RFID 一樣，系統由電子標簽，讀寫器和服務器管理系統組成，如圖1 所示。

　　電子標簽為智能有源RFID 電子標簽，標簽內不僅存儲著物體的具體信息，還集成有相應的傳感器，可以對周圍環境進行監測，并把數據與自己的信息一起傳到服務器。有源標簽本身有發送數據的自主權，減輕了讀寫器的負擔，增大了標簽與讀寫器之間的距離，減少了讀寫器的個數。讀寫器之間可以通過ZigBee協議構成無線傳感器網絡，讀寫器之間可以協調工作；通過多跳方式把數據傳到服務器，擴大了網絡覆蓋面積。服務器可以通過調用數據庫中存儲的進入網絡的標簽的信息，對物體進行定位，跟蹤或觸發相應事件，實現人與人或人與物的交互。

　　圖1 系統原理圖

　　1.2 硬件的設計原理

　　結合目前市場上ZigBee 射頻芯片的性能、價格，本系統采用Chinpcon 公司的CC2430.C2430 芯片是高度集成的解決方案［3］，僅需很少的外部元件，且所選用元件均為低成本，可支持快速、廉價的ZigBee 節點的構建。由于技術成熟，這里就不給出CC2430 的具體內部結構圖和它的外圍電路圖，請參閱其技術手冊［4］。

　　讀寫器采用RS232 串口與服務器相連，使用了寬電壓范圍的SP3232E 電平轉換芯片，它的電壓范圍在3.3 到5V.電源模塊采用LM1117 低壓差電壓調節器，采用具有固定電壓輸出3.3V 型號的LM1117-3.3，用5V 適配器為讀卡器供電。

　　CC2430 內部集成了8~14 位ADC，簡化了標簽的硬件電路設計。電池使用紐扣式電池供電，有利于減小標簽體積。標簽的天線基于1/4 波長單端PCB 印制天線理論設計［5］，天線直接印制在PCB 板上，使得標簽緊湊小巧。

　　為了增大讀卡器與標簽的通信距離，減少路由個數，我們使用TI 公司推出的用于2.4GHz 射頻前端集成芯片CC2591［6］.CC2591 專門用于低功耗、低電壓無線傳輸系統，集成了輸出功率高達+22dBm 的功率放大器，及可以將接收靈敏度提高+6dB 的低噪聲放大器，從而能大大提高設備的通信范圍。CC2591 使得在空曠場地的傳輸距離提高到400 米至800 米，比原來提高15 倍。CC2591 外圍電路圖如圖2 所示。

　　圖2 CC2591 外圍電路圖。

　　與CC2430 的通信接口包括RF_P，RXTX，RF_N，PAEN，EN，HGM.其中RF_P、RF_N 必須與CC2430的RF_P、RF_N 連接，分別映射到系統協議棧內部接口和寄存器。PAEN ， EN 使能端接CC2430 的RRFG_OUT，RXTX 接到CC2430 的RXTX_SWITCH，HGM 可接任意普通I/O 口。電源引腳的電容為濾波電容，同時與電感L111 構成射頻負載。CC2591 和天線之間的C111，C112，C113 和L112 L111 網絡相匹配，整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求，同時C112 為芯片內部的PA 及LAN 提供直流偏置。

　　R151 是偏置電阻，為CC2591 內部提供一個精確的偏置電流。