一種有源RFID局域定位系統設計

摘要：提出了一種基于PIC16F877A微控制器和CC2500射頻收發器芯片的低功耗、低成本RFID(Radio Frequency Identification，無線射頻識別)局域定位系統設計方法，介紹了系統的定位工作原理、主要硬件電路模塊及定位算法的設計和實現。采用基于序列號對時隙數運算的排序算法有效解決了多標簽識別碰撞的問題，基于射頻輻射強度(Receivecl Signal Strength Inclication，RSSI)和圓周定位算法實現了基于RFID多標簽系統的平面定位。實驗測試表明，這種射頻定位方法能夠實現一定精度下的無線局域定位的功能。
關鍵詞：RFID；定位技術；RSSI；讀寫器；多標簽

隨著社會的發展，定位技術越來越受到關注。現有的定位技術如GPS定位，紅外定位等，考慮到精度，成本，可行性等方面，都有一定的局限性，尤其是在一些屏蔽物遮擋的局域定位的場合。射頻識別(RFID)定位技術以其非接觸、高靈敏度和低成本等優點，在這種場合下成為一種重要技術選擇，受到人們越來越多的關注。
在多標簽定位系統中必然會出現多個標簽同時與讀寫器通信產生信號碰撞的情況。目前RFID多標簽防碰撞算法有多種：多址技術、ALOHA防碰撞算法、二進制防碰撞算法等。多址防碰撞算法是以增加系統的復雜性和提高成本為代價，且有無法克服的缺陷；ALOHA防碰撞算法有時會導致讀寫器出現錯誤判斷，對某個標簽是否在讀寫范圍內產生誤判，同時還存在沖突概率較大的問題；簡單的二進制防碰撞算法有時并不能夠取得很好的避碰效果。文中采用基于序列號對時隙數運算的排序算法，該算法可以克服上述誤判的問題，并且易于實現、效率高、軟件編寫簡單，可以不受標簽數量的限制，是一種穩定可靠、實用性強的防碰撞算法。RFID定位算法有：LANDMARC、基于信號達到角度的定位法(AOA)等，這里采用圓周定位算法，該方法簡單可靠，易于在線實施，且具有一定定位精度。

1 系統結構設計
本系統主要由讀寫器和有源標簽組成。讀寫器與標簽之間的射頻信號通過空間耦合實現無接觸信息傳遞，讀寫器通過與標簽的無線通信，獲得接收信號強度指示(RSSI)值，這是對待定位標簽進行位置計算的重要參數。微控制器PIC16F877A控制CC2500射頻收發模塊的數據發送與接收。讀寫器網關節點可通過RS232接口與上位機相連。系統結構框圖如圖1所示。

讀寫器與標簽的控制模塊均采用Microchip公司的8位高性能、低功耗微控制器PIC16F877A作為主控芯片，它在架構上采用哈佛總線結構，數據總線和指令總線分離，便于實現全部指令的單字節化，單周期化，從而有利于提高CPU執行指令的速度。此外，片上數據存貯空間比較大，充足的存儲空間，可以方便通信協議棧的設計與實現。內部看門狗定時器，提高了程序執行的穩定性；低功耗休眠模式，大大降低了系統的功耗。它具有驅動能力強、外接電路簡潔、功耗低等特點。因此適合于作為RFID讀寫器的控制器來使用。
射頻收發器選用CC2500作為控制芯片，CC2500集成了一個數據傳輸可達500 kbps的高度可配置的調制解調器，大大加強了數據傳輸的性能，同時通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，使性能得到大幅度提升。MCU通過SPI接口向CC2500發送操作命令，配置其調制方式、工作頻率等參數，通過指令將其配置為接收狀態、發送狀態、空閑狀態或休眠狀態。CC2500的引腳SO和SI分別為數據傳輸的輸出和輸入信號線，CSN為片選信號引腳，SCLK為時鐘信號引腳。當其接收到一個數據或發送完一個數據，都會通過引腳GD00和GD02輸出相應的狀態脈沖，MCU據此來判斷CC2500的狀態，從而決定對CC2500的下一步操控。微控制器PIC16F877A和CC2500收發器模塊的連接如圖2所示。