一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設計

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，無線射頻識別)局域定位系統(tǒng)設計方法，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計和實現(xiàn)。采用基于序列號對時隙數(shù)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(xiàn)了基于RFID多標簽系統(tǒng)的平面定位。實驗測試表明，這種射頻定位方法能夠實現(xiàn)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(fā)展，定位技術越來越受到關注?，F(xiàn)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(yōu)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(tǒng)中必然會出現(xiàn)多個標簽同時與讀寫器通信產(chǎn)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(tǒng)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(xiàn)錯誤判斷，對某個標簽是否在讀寫范圍內產(chǎn)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(shù)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(xiàn)、效率高、軟件編寫簡單，可以不受標簽數(shù)量的限制，是一種穩(wěn)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(tǒng)結構設計
本系統(tǒng)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(xiàn)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(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)關節(jié)點可通過RS232接口與上位機相連。系統(tǒng)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(shù)據(jù)總線和指令總線分離，便于實現(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，充足的存儲空間，可以方便通信協(xié)議棧的設計與實現(xiàn)。內部看門狗定時器，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(fā)器選用CC2500作為控制芯片，CC2500集成了一個數(shù)據(jù)傳輸可達500 kbps的高度可配置的調制解調器，大大加強了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，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(fā)送操作命令，配置其調制方式、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)妮敵龊洼斎胄盘柧€，CSN為片選信號引腳，SCLK為時鐘信號引腳。當其接收到一個數(shù)據(jù)或發(fā)送完一個數(shù)據(jù)，都會通過引腳GD00和GD02輸出相應的狀態(tài)脈沖，MCU據(jù)此來判斷CC2500的狀態(tài)，從而決定對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。