基于ZigBee无线技术RFID读卡器的设计.doc

专业实验实验报告班 级： 通信084 姓 名： 尹二飞 学 号： 0806030420 指导教师： 李新春 成 绩： 电子与信息工程学院通信工程系基于ZigBee无线技术RFID读卡器的设计一、项目提出射频识别(Radio FIrequency Identification，简称RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。近年来，RFID技术应用发展迅速。由于RFID技术可以给人们带来极大的方便，随着价格的下降，技术本身的完善，RFID的应用领域更加的广泛，如公共安全、生产管理、物流管理、交通管理等多个领域。虽然RFID技术已经得到一定程度的发展，但其在大规模的应用中还存在着诸多不足。其中之一就是读卡器与服务器之间采用有线连接，读卡器的位置固定，在急需的情况下不能临时快速的组网、自动的把数据传输到服务器以满足短期快速的应用需求。Zigbee技术是一种低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信技术，Zigbee凭借其架构简单、价格低廉、低消耗功率延长使用寿命等优点，即使传输速率不高，但针对感测与控制之应用，ZigBee有其很大的发展潜力。可见Zigbee技术适合作为RFID阅读器组网的无线通信手段。据此，本项目研制了一种基于ZigBee无线传输技术的移动式RFID读卡器的设计。一、 ZigBee技术简介ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳Z字形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通，人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意2。ZigBee技术是一种新兴的短距离的、低速率无线通信网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，主要用于近距离无线连接，其技术标准由IEEE802.15.4工作小组制订。2002年英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同加盟“ZigBee联盟”，ZigBee技术正是在他们的合力推动而产生的。ZigBee协议在2003年通过后，于2004年正式问世。ZigBee无线技术以其短距离、低速率、低时延、低功耗、低成本等优点弥补了无线通信技术的空缺，也满足了以传感器和自组织网络为代表的无线传感器网络的要求。无线传感器网络并不要求较高的带宽，但要求较低的时延与较低的功耗。正如ZigBee联盟主席所说，ZigBee是无线传感网络最好的选择。ZigBee网络中，支持两种类型的物理设备3：全功能设备(Full Function Device，FFD)和精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)。全功能设备(FFD)支持所有拓扑结构，可以作为网络协调器(Coordinator)也可以作为路由节点和终端传感器节点，具备控制器的功能；精简功能设备(RFD)只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。ZigBee网络含有三种类型的节点，即协调器、路由器和设备终端。网络协调器的主要功能为发送网络信标、建立网络含有、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找节点间的路由消息、汇聚信息等。路由器主要实现扩展网络及路由消息的功能，作为网络中潜在的父节点，允许更多的的设备接入网络，路由节点只能在树状网络和网状网络中存在。终端设备是网络的边缘节点，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通信，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。每个节点通常是一个嵌入式微型系统，都具有采集数据、接收指令、处理数据、无线发送和接收数据的功能，各节点的处理能力、存储能力、通信能力都相对有限。ZigBee网络拓扑结构有星形结构、树状结构和网络状结构三种类型，如图1所示。星状网络所有的设备都与协调器通信，协调器一般使用电力系统供电，其他设备采用电池供电。星状网主要用于家庭自动化、个人计算机外设和个人健康护理等小范围的室内应用。树状网可以看成是复杂的星状网，网络中各设备的功能清晰，可以实现网络的转发功能，扩大网络的通信范围。网状网相对比较复杂，维护的信息较多，网络中的任何两个FFD设备都能直接通信，都可以实现对网络报文的转发功能。 星型网络 树型网络 网型网络网络协调器 FFD RFD图1 ZigBee网络拓扑图ZigBee技术的特点主要包括：1）低成本 目前，ZigBee芯片的成本在25元人民币左右，而且尺寸小。2.4GHz频段免申请使用，免协议专利费。（2）低功耗 其发射功率为03.6dBm，一个ZigBee 节点设备在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6 个月以上。（3）低速率基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s 时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。但对存储信息量不大RFID系统，足以满足其需求。（4）高容量，ZigBee 可采用星型、树型和Mesh 网络结构。由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。（5）安全性高、可靠性强。ZigBee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码。在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式，避免了无线电载波之间的冲突。此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。二、 主要芯片选择1、 RC522读卡芯片MFRC522主要特性包括：高度集成的调制解调电路，采用少量外部器件，即可将输出驱动级接至天线；支持ISOIEC 14443 TypeA接口和MIFARE通信协议；选用SPI、I2C或串行UART工作模式，有利于减少连线，缩小PCB板面积；特有的发送器掉电机制可关闭内部天线驱动器，即关闭RF场，达到低功耗。RC522具体硬件电路图如图2所示。 图2 RC522读卡芯片RC522与主控芯片STC11F32XE之间采用SPI模式进行通信，所以除了通用的4条SPI信号线(时钟线SCK、输入数据线MISI、输出数据线MISO和选通线SDA)，RC522要求额外的2个引脚I2C（脚1）和EA（脚32）分别固定接低电平和高电平。这两个引脚不参与SPI总线传输，只起设定RC522数字界面采用SPI接口的作用。SPI总线接口有其自身的时序要求，它只能工作于从模式，最高传输速率为l0Mbps，数据与时钟相位关系满足“空闲态时钟为低电平，在时钟上升沿同步接收和发送数据，在下降沿数据转换”的约束关系。由于MF RC522支持的数字接口形式多种多样，芯片在每次复位时都会检测外部引脚连接关系。另外，片选信号保证在写入数据流期间为低电平，而在无数据流写入时则为高电平。RC522的天线接口包括：VMID（脚16）、TX1（脚11）、TX2（脚13）、RX（脚17）。从TX1和TX2引脚发射的信号是已调制的13.56 MHz载波信号，辅以多个无源器件实现匹配和滤波功能，以直接驱动天线。内部接收电路利用卡的响应信号在副载波的双边带上都具有调制这一功能进行工作。使用MFRC522内部产生的VMID信号作为RX引脚输入信号的偏置。为了稳定VMID输出，需在VMI和GND之间连接一只电容C5。接收电路需在RX和VMID之间连接一分压电路（R15，R16）。L4、L5、C24、C25构成EMC低通滤波器，C20、C21、C22、C23构成天线匹配电路。关于13.5MHz读卡器天线的具体设计及参数规定见相关资料。2、 ZigBee射频芯片CC2430ZigBee射频芯片选用的是德州仪器（TI）的CC2430，它是用于2.4GHz ZigBee的片上系统解决方案。CC2430内部整合了IEEE 802. 15. 4 标准的2. 4GHz的RF 无线电收发机、内存和微控制器。它使用一个八位MCU（8051），既有128KB 的可编程闪存和8KB 的RAM，还包含ADC、定时器、AES-128 协同处理器、看门狗定时器、掉电检测电路(power of reset detection)等。其基本工作电路如图3所示：图3 CC2430外围电路CC2430的外围元件数目很少。它使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C9和电感L1、L2、L3以及一个PCB微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50)的要求。内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R1、R2为偏置电阻。其中R1主要用于为32 MHz的晶体振荡器提供合适的工作电流。用一只32 MHz石英谐振器和两只电容(C1、C2)构成32 MHz晶体振荡器电路。片上电压稳压器为所有1.8 V电压的引脚和内部电源供电，Cl0、C12是去耦电容，用于电源滤波。三、 电路图设计图5 读卡器主控电路图6 读卡芯片外围电路及天线匹配图7 读卡器主控电路PCB图8 读卡器PCB天线图9 ZigBee模块PCB图四、 软件架构5.1 系统通信协议的设计RFID与ZigBee网络结合时，ZigBee模块相当于发挥了一个网关的作用，把RFID采集的数据通过ZigBee协议传输到其它无线或有线的网络之中，其协议基本构架如图10所示。电子标签RFID空气接口RFID与ZigBee的通信协议ZigBee网络层IEEE 802.15.4MAC层IEEE 802.15.4物理层IEEE 802.15.4物理层IEEE 802.15.4MAC层ZigBee网络层RFID与ZigBee的通信协议上位机应用程序其他类型网络图10 系统通信协议基本框架在移动式读卡器中，RFID与ZigBee的通信是通过串口来完成的。主芯片首先通过SPI接口控制RC522与进入天线范围内类型相符合的卡进行通信，读取卡中信息，将信息进行相应处理，变成符合ZigBee协议的数据包，然后又通过将数据通过CC2430发送给接收器，即ZigBee网络中的协调器。而接收器与上位机机通过UART接口相连，最终把数据传给PC机进行处理。ZigBee网络中数据帧的格式如图11所示。帧控制序列码寻址信息卡数据载荷FCS码前同步码 定界符帧长MPDU（物理层载荷） PPDU（物理层数据包）物理层MHRMSDUMFRSHRPHRMSDUMAC层图11 ZigBee网络的数据帧格式ZigBee网络应用层将要发送的数据处理后,发送给MAC层(媒体接入控制层),作为MAC层数据载荷(MSDU),并在MSDU前面加上一个MAC层帧头MHR,在其结尾后面,加上一个MAC层帧尾MFR.其中,MHR包括控制帧、序列码以及寻址信息，MFR为16位FCS码（帧检测序列错误码），这样，由MHR、MSDU和MFR共同构成了MAC层数据帧（MPDU）。MAC层数据帧作为物理层载荷（PSDU）发送到物理层。在PSDU前面加上物理层帧头SHR和物理层帧尾PHR。其中，SHR包括前同步序列码和定界符；PHR包括PSDU的长度信息。SHR、PHR和PSDU共同构成了物理层的数据包（PPDU）。然后经过调制，由2.4GHz载波发送出去。5.2 移动式读卡器主程序流程图移动式读卡器主程序流程图如图12所示。每次重启都要进行初始化，然后进入程序主循环。系统初始化函数InitAll(void)主要包括CC2430初始化、RC522初始化及主控芯片MSP430F1611的定时器、I/O口及串口初始化等。函数PcdRequest(unsigned char req_code,unsigned char *pTagType)寻找天线内符合条件的卡。其中，参数req_code(输入变量)为寻卡方式，当值为0x52时该函数寻感应区内所有符合14443A标准的卡，值为0x26时 寻未进入休眠状态的卡；参数pTagType(输出变量)为卡片类型代码 ，当其值为0x0400时，卡片类型为Mifare_One(S50)卡，其值为0x0200时，卡片类型为Mifare_One(S70)。如果寻找到符合要求的卡片返回stauts为OK的成功状态，有利于程序的顺序执行。防冲突算法编程的思想：当多张卡重叠进入天线有效范围内，主控芯片将会读取卡的序列号进行判断检测。Mifare_One卡具有唯一的4字节序列号，第5字节为校验码，其值是四位序列号异或的结果。主控芯片循环读取序列号，直到读取校验正确的序列号为止。其关键语句如下： if (status = MI_OK) /读取序列号成功 for (i=0; i4; i+) *(pSnr+i) = ucComMF522Bufi; /读到的序列号存放在*( pSnr+i) snr_check = ucComMF522Bufi; /读到的4位序列号异或 if (snr_check != ucComMF522Bufi) /异或结果与第5位校验码比较 status = MI_ERR; / 如果不相等，数据冲突返回错误状态 return status; /相等则未发生冲突，返回正确状态开始系统初始化进入检测卡状态卡冲突？防碰撞机制选择卡片卡信息处理是否向接收器发送信息接收器确认？否是LCD显示按键检测图12 读卡器主程序流程图卡信息处理函数Pcdctrlprocess()主要是通过检测按键对应值完成读卡、注册卡、写卡等相应的功能。网络中不存在低延时设备，数据传输选择不使用信标方式传输。但在网络连接时，仍需要信标，才能完成连接。数据传输所用的帧结构如图6所示。当某个读卡器要在非信标网络发送数据时，仅需要使用非时隙的CSMACA向接收器(ZigBee中的主协调器)发送数据帧，接收器收到数据后，返回一个表明数据已经成功接收的确认帧。5.3 上位机显示界面本文的的上位机管理界面是用Qt图形设计软件48进行设计，并结合了SQLite数据库实现了上位机管理系统的设计。Qt是一个多功能全面的、可开发高性能、多平台、C+图形用户界面的应用程序框架。它是Trolltech公司开发的一种高效的跨平台的应用程序解决方案。它支持的平台有微软操作系统、苹果机OS以及Linux操作系统，并支持了大部分商业的UNIX操作系统和Linux嵌入式操作系统。因此本