一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種基于PIC16F877A微控制器和CC2500射頻收發(fā)器芯片的低功耗、低成本RFID(Radio Frequency Identification，無線射頻識(shí)別)局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，介紹了系統(tǒng)的定位工作原理、主要硬件電路模塊及定位算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。采用基于序列號(hào)對(duì)時(shí)隙數(shù)運(yùn)算的排序算法有效解決了多標(biāo)簽識(shí)別碰撞的問題，基于射頻輻射強(qiáng)度(Receivecl Signal Strength Inclication，RSSI)和圓周定位算法實(shí)現(xiàn)了基于RFID多標(biāo)簽系統(tǒng)的平面定位。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，這種射頻定位方法能夠?qū)崿F(xiàn)一定精度下的無線局域定位的功能。
關(guān)鍵詞：RFID；定位技術(shù)；RSSI；讀寫器；多標(biāo)簽

隨著社會(huì)的發(fā)展，定位技術(shù)越來越受到關(guān)注。現(xiàn)有的定位技術(shù)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(chǎng)合。射頻識(shí)別(RFID)定位技術(shù)以其非接觸、高靈敏度和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在這種場(chǎng)合下成為一種重要技術(shù)選擇，受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。
在多標(biāo)簽定位系統(tǒng)中必然會(huì)出現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)與讀寫器通信產(chǎn)生信號(hào)碰撞的情況。目前RFID多標(biāo)簽防碰撞算法有多種：多址技術(shù)、ALOHA防碰撞算法、二進(jìn)制防碰撞算法等。多址防碰撞算法是以增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和提高成本為代價(jià)，且有無法克服的缺陷；ALOHA防碰撞算法有時(shí)會(huì)導(dǎo)致讀寫器出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，對(duì)某個(gè)標(biāo)簽是否在讀寫范圍內(nèi)產(chǎn)生誤判，同時(shí)還存在沖突概率較大的問題；簡單的二進(jìn)制防碰撞算法有時(shí)并不能夠取得很好的避碰效果。文中采用基于序列號(hào)對(duì)時(shí)隙數(shù)運(yùn)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(shí)現(xiàn)、效率高、軟件編寫簡單，可以不受標(biāo)簽數(shù)量的限制，是一種穩(wěn)定可靠、實(shí)用性強(qiáng)的防碰撞算法。RFID定位算法有：LANDMARC、基于信號(hào)達(dá)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(shí)施，且具有一定定位精度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要由讀寫器和有源標(biāo)簽組成。讀寫器與標(biāo)簽之間的射頻信號(hào)通過空間耦合實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，讀寫器通過與標(biāo)簽的無線通信，獲得接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)值，這是對(duì)待定位標(biāo)簽進(jìn)行位置計(jì)算的重要參數(shù)。微控制器PIC16F877A控制CC2500射頻收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。讀寫器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可通過RS232接口與上位機(jī)相連。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

讀寫器與標(biāo)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(gòu)上采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，便于實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化，單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度。此外，片上數(shù)據(jù)存貯空間比較大，充足的存儲(chǔ)空間，可以方便通信協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部看門狗定時(shí)器，提高了程序執(zhí)行的穩(wěn)定性；低功耗休眠模式，大大降低了系統(tǒng)的功耗。它具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、外接電路簡潔、功耗低等特點(diǎn)。因此適合于作為RFID讀寫器的控制器來使用。
射頻收發(fā)器選用CC2500作為控制芯片，CC2500集成了一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸可達(dá)500 kbps的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，大大加強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽瑫r(shí)通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，使性能得到大幅度提升。MCU通過SPI接口向CC2500發(fā)送操作命令，配置其調(diào)制方式、工作頻率等參數(shù)，通過指令將其配置為接收狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)、空閑狀態(tài)或休眠狀態(tài)。CC2500的引腳SO和SI分別為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮敵龊洼斎胄盘?hào)線，CSN為片選信號(hào)引腳，SCLK為時(shí)鐘信號(hào)引腳。當(dāng)其接收到一個(gè)數(shù)據(jù)或發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)，都會(huì)通過引腳GD00和GD02輸出相應(yīng)的狀態(tài)脈沖，MCU據(jù)此來判斷CC2500的狀態(tài)，從而決定對(duì)CC2500的下一步操控。微控制器PIC16F877A和CC2500收發(fā)器模塊的連接如圖2所示。