5165371805毕业设计（论文）基于ZIGBEE技术的读卡器的设计

1、摘 要射频识别(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。但现有的rfid技术存在数据安全性不高、识别距离短、设备成本高以及读写系统工作灵活性不强等问题。为了解决rfid技术的上述问题将zigbee技术引入rfid系统中，使得基于zigbee技术的无线射频识别系统有了明显的改良。本文本文介绍了zigbee技术产生的背景，详细描述了zigbee以及相关的ieee802.15.4协议的具体内容，阐述了zigbee技术功耗低、可靠性高、成本低、网络时延短、容量大以及安全性高等特点以及目前的

2、应用市场情况，并选用cc2430芯片设计了一种基于zigbee无线传输技术的rfid读卡器。关键词：zigbee技术；射频识别；cc2430abstractradio frequency identification (rfid) is a non-contact automatic identification technology, automatic target recognition by the rf signal and access to relevant data. however, the existing rfid technology, data security, i

3、dentify a short distance, high cost of equipment and read and write system flexibility. zigbee technology the introduction of rfid systems in order to solve the above problems rfid technology, based on zigbee technology of radio frequency identification system has been significantly improved.this ar

4、ticle describes the background of the zigbee technology, a detailed description of the specific content of the zigbee and the ieee802.15.4 protocol on a zigbee technology with low power consumption, high reliability, low cost, short network delay, capacity and security sexual characteristics, as wel

5、l as current market conditions, and select the cc2430 chip design an rfid reader based on the zigbee wireless transmission technology.key words: the zigbee technology；radio frequency identification；cc2430目 录摘 要i序 言1第1章 zigbee技术及rfid概述21.1 zigbee技术简介21.2 zigbee协议栈概述41.3 zigbee网路构成51.4 rfid技术概述7第2章 设计

6、方案论证112.1 几种近距离无线通信技术概况112.2 方案设计13第3章 硬件设计153.1 主要芯片153.2 电路图设计17第4章 软件设计194.1 系统通信协议的设计194.2 移动式读卡器主程序流程图204.3 上位机显示界面22第5章 结论23参考文献24致 谢25序 言射频识别(radio firequency identification ，简称rfid)是一种非接触式自动识别技术，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

7、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。

8、据此，本文讨论了一种基于zigbee 无线传输技术的移动式读卡器的设计。第1章 zigbee技术及rfid概述1.1 zigbee技术简介 1.1.1 zigbee发展概述 近十年来，随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种新的短距离无线通信技术。为了满足对低功率、低价格无线网络的需求，2000年12月，iee标准委员会正式批准成立了802.15.4工作组，其目标是:在廉价的、固定或便携的、移动的装置中，提出一个具有超低复杂度、超低价格、超低功耗、超低数据传输率的无线接入标准。也就是要开发一种低速率的wpan(lr-wpan,low-rate wireless personal

9、area network)标准。 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等公司共同宣布组成zigbee技术联盟，共同研究开发zigbee技术。 2003年11月，ieee正式发布了该项技术的物理层和mac层所采用的标准协议，即ieeesoz.15.4协议标准，作为zigbee技术物理层和媒体接入层的标准协议.2004年12月，zigbee联盟在ieee802.15.4协议基础上，正式发布了完整的zigbee标准。2006年ieee发布了ieee802.15.4协议标准修订版。 1.1.2 zigbee技术特点 ieee802.15.4委员会制定了

10、三种不同的wpan(wireless personal area network)标准，区别在于通信速率、qos能力等。802.15.1标准即蓝牙技术具有中等速率适合于从蜂窝电话到pda的通信，其qos机制适合于话音业务。802.15.3标准是高速率的wpan标准，适合于多媒体应用，有较高的qos保证。802.15.4标准也就是zigbee技术，目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和qos的要求不高。zigbee的主要技术特征如表1-1所示。 表1-1 zigbee的主要技术指标特性取值/状态频段868/915mhz和2.4ghz数据速率868mhz-20

11、kbps915mhz-42kbps2.4ghz-250kbps调频方式bpsk：o-qpsk扩频方式直接序列扩频通信范围10-100m通信延迟15-30ms信道数目868mhz-1915mhz-102.4ghz-16寻址方式64bitieee地址，16bit网络地址信道接入csma/ca和时隙化得csma/ca网络拓扑星形树状网状功耗极低状态模式激活/休眠 选择zigbee技术进行项目开发，是基于其具有的诸多性能优点。具体来讲，可总结如下： (1)数据传输速率低。zigbee技术的最大传输速率只有250kbps，专注于低速率传输应用。 (2)设备省电，功耗极低。zigbee技术采用了多种节电的

12、工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。 (3)通信可靠性高，数据安全。zigbee采用了csma-ca(carrier sense multiple access with collision avoidance)的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；mac层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此通信可靠性高。zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用aes-128，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性。 (4)网络的自组织、自愈能力强。zigbee网络无需人

13、工干预，网络节点能够感知其它节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络。zigbee网络增加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 (5)时延短，设备接入网络快。通常时延都在 1sms到3oms之间，因此设备接入网络和数据传送的延时时间很短，适合实时的监测和控制应用。 (6)成本低廉，工作频段灵活。设备的复杂程度低且zigbee协议是免专利费的，可以有效地降低设备成本。zigbee的工作频段灵活，使用的频段分别为2.4ghz(全球)、868mhz(欧洲)及9l5mhz(美国)均为免执照

14、频段。 (7)网络容量大。每个zigbee网络最多可支持65000个节点，也就是说每个zigbee节点可以与数万节点相连接，可以说网络容量极其庞大，尤其适用大规模无线传感器网络。1.2 zigbee协议栈概述 lr-wpan是一种结构简单、低成本、低功耗的无线通信网络，它的存在使得无线连接在低功耗和低数据吞吐量的应用中成为可能。为了满足这些需求，ieee802.15.4工作组为lrwpan专f-jn定了物理层和mac子层的标准。它具备以下主要特征：(1)实现20kbs、40kbs、100kbs、250kbs四种不同的传输标准。(2)支持星型和点到点两种拓扑结构。(3)在网络中采取两种地址方式：

15、16位地址和64位地址。其中16位地址是由协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址。(4)采用可选的时槽保障(gts，guaranteedtimeslots)机制。(5)支持ack机制以及保证可靠传输。(6)低功耗机制。(7信道能量检测(ed，energy detection)。(8)链路质量指示(lqi，link quality indication)。(9)工作在ism频段上，其中在2450mhz波段上有16个信道，在915mhz频段上有30个信道，在868mhz上有3个信道。(10)数据安全策略。ieee802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型(osi)如图所示，每一层都实现一

16、部分通信功能，并向高层提供服务。图1.1 zigbee协议体系架构1.3 zigbee网路构成1.3.1 设备类型 zigbee网络支持ieee802.15.4定义的两种类型的物理设备:全功能设备(ffd)，精简功能设备(rfd)。ffd和rfd的不同是按照节点的功能区分的，ffd可以充当网络中的协调器和路由器，因此一个网络中应该至少含有一个ffd。rfd只能与主设备通信，实现简单，只能作为终端设备节点。在zigbee网络中，将两种物理设备定义成了三种逻辑设备类型:协调器、路由器、终端设备。一个zigbee网络包括一个协调器节点和多个路由器和终端设备节点。 协调器:这个设备“开启”一个zigb

17、ee网络。它是网络中的第一个设备。协调器节点选择一个信道和一个网络标识符 (panid)并开启网络。可选择地协调器节点也能被用来设置网络中的安全性和应用水平的绑定。协调功主要是开启和配置网络。一旦这些完成以后，协调器与路由器的功能就一样了(甚至可以断开)。由于zigbee网络的分布式本质，网络的继续运行不依赖于协调器的存在。路由器：路由器执行的功能有：1)允许其他设备加入网络；2)多跳路由；3)辅助它的电应用池供电的子终端设备通信。一般来说，路由器被期望能一直保持激活状态，因此它通常是由固定电源供电的节点被唤醒并请求数据而不能使用电池供电。路由器为它的子节点缓存信息，直到子当一个子节点需要发送

18、一个信息的时候，这个子节点发送数据到它的父路由器。然后，路由器负责传输信息，执行所有相关的重发，以及如果需要的话，等待确认。这使得终端设备可以回到休眠状态，从而达到省电的目的。 终端设备：终端设备对维持网络结构没有特殊的责任，因此，它可以有选择的休眠和唤醒。终端设备仅仅周期性的向它的父节点发送或接受来自它的父节点的数据。因此终端设备能够使用电池供电的方式工作很长时间。 在能量管理方面，网络协调器与路由器需要突发的处理一些请求，包括入网、退出网络以及数据中转等功能。一般情况下，使用永久性电源；若终端节点在大部分的时间里都处于休眠状态就可以采用电池供电。若对电池供电没有要求，网络中可以全部采用ff

19、d设备。 1.3.2 拓扑结构 zigbee网络主要有三种组网方，星型网络，树状网络和网状型网络，其拓扑结构如图3.7所示。如图1.2所示，星型网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都是通过中心节点传输。如果用通信模块构造星形网络，只需要一个模块配置成协调器节点，其他模块可以配置成终端节点。星状拓扑结构最大的优点就是结构简单，这种简单带来的是很少有上层协议需要执行、较低的设备成本、较少的上层路由信息和管理方便。中心节点需要承担更多的管理工作。由于把每个终端节点放在中心节点的通信范围之内，这必然会限制无线网络的覆盖范围，并且星形拓扑很难实现高密度的扩展。集中的信涌向中心节点，容易造成网络堵塞、丢包

20、、性能下降等。到目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大量的应用在远程检测和控制中。树状拓扑是多个星形拓扑的集合，如图1.2所示。若干个星形拓扑连接在一起，扩展到更广阔的区域。树形拓扑是可以实现网络范围内“多跳”信息服务的最简单的拓扑结构，树形拓扑最值得注意的地方就是它保持了星形拓扑的简单性:较少的上层路由信息、较低的存储器需求。但是树形结构不能很好的适应外部的动态环境。从图中可以看出，信息源与目的之间，有且只有一条传输路径，任何一个节点的中断或故障将会使部分节点脱离网络。树形拓扑的最佳应用是在稳定的无线电射频环境中，也可以很好的用在一些简单的低数据量的大规模集合的应用之中。 如图1.2

21、中所示网状网络是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境的能力。网络中的每个节点都是一个小的路由器，都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性。可以看出网络中任意两个节点的通信路径不是唯一的。网形拓扑与星形、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定的路由模式。这样信息传输的时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。 星型网络 树型网络 网型网络 网络协调器 ffd rfd图1.2 拓扑结构1.4 rfid技术概述1.4.1 rfid简介rfid射频识别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。

22、rfid技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。rfid是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。rfid按照应用频率的不同分为低频（lf）、高频（hf）、超高频（uhf）、微波（mw），相对应的代表性频率分别为：低频135khz以下、高频13.56mhz、超高频860m960mhz、微波2.4g，5.8g。rfid按照能源的供给方式分为无源rfid，有源rfid，以及半有源rfid。无源rfid读写距离近，价格低；有源rfid可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于

23、远距离读写的应用场合。rfid的基本组成部分：标签(tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。rfid技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（passive tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（active tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的rf

24、id系统, 是由阅读器(reader)与电子标签(tag)也就是所谓的应答器(transponder)及应用软件系统三个部分所组成, 其工作原理是reader 发射一特定频率的无线电波能量给transponder, 用以驱动 transponder电路将内部的数据送出，此时 reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。以rfid 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成, 感应偶合(inductive coupling) 及后向散射偶合(backscatter coupling)两种, 一般低频的rfid大都采用第一种式, 而较高频大多采用第二种方式。阅

25、读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是rfid系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。 在实际应用中，可进一步通过ethernet或wlan等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是rfid系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元。 1.4.2 rfid工作频率分类从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率，是其最重要的特点之一。 毫无疑问，射频标签的工作频率是

26、其最重要的特点之一。射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。 工作在不同频段或频点上的射频标签具有不同的特点。射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ism波段之中。典型的工作频率有：125khz，133khz，13.56mhz，27.12mhz，433mhz，902-928mhz，2.45ghz，5.8ghz等。从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率。 （1）低频段射频标签 低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30khz 300khz。典型工作频

27、率有：125khz，133khz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。低频标签的典型应用有：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。与低频标签相关的国际标准有：iso11784/11785（用于动物识别）、iso18000-2（125-135 khz）。低频标签有多种外观形式，应用于动物识别的低频标签外观有：项圈式、耳牌式、注射式、药丸式等。典型应用的动物有牛、信鸽等。 低频标签的主要优势体现在：标签芯片

28、一般采用普通的cmos工艺，具有省电、廉价的特点；工作频率不受无线电频率管制约束；可以穿透水、有机组织、木材等；非常适合近距离的、低速度的、数据量要求较少的识别应用（例如：动物识别）等。 低频标签的劣势主要体现在：标签存贮数据量较少；只能适合低速、近距离识别应用；与高频标签相比：标签天线匝数更多，成本更高一些。 （2）中高频段射频标签 中高频段射频标签的工作频率一般为3mhz 30mhz。典型工作频率为：13.56mhz。该频段的射频标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。另一方面，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又

29、称为高频，如表2.2所示，所以也常将其称为高频标签。鉴于该频段的射频标签可能是实际应用中最大量的一种射频标签，因而我们只要将高、低理解成为一个相对的概念，即不会在此造成理解上的混乱。为了便于叙述，我们将其称为中频射频标签。 中频标签一般也采用无源设主，其工作能量同低频标签一样，也是通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1米。 中频标签由于可方便地做成卡状，典型应用包括：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有：iso14443、iso1569

30、3、iso18000-3（13.56mhz）等。 中频标准的基本特点与低频标准相似，由于其工作频率的提高，可以选用较高的数据传输速率。射频标签天线设计相对简单，标签一般制成标准卡片形状。 （3）超高频与微波标签 超高频与微波频段的射频标签，简称为微波射频标签，其典型工作频率为：433.92mhz，862(902)928mhz，2.45ghz，5.8ghz。微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远区场内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为46

31、m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。 由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求，进而这种需求发展成为一种潮流。目前，先进的射频识别系统均将多标签识读问题作为系统的一个重要特征。 以目前技术水平来说，无源微波射频标签比较成功产品相对集中在902928mhz工作频段上。2.45ghz和5.8ghz射频识别系统多以半无源微波射频标签产品面世。半无源标签一般采用钮扣电池供电，具有较远的阅读距离。微波射频标签的典型特点主要集中在是否无源、无线读写距离、是否支持多标签读写、是否

32、适合高速识别应用，读写器的发射功率容限，射频标签及读写器的价格等方面。典型的微波射频标签的识读距离为35m，个别有达10m或10m以上的产品。对于可无线写的射频标签而言，通常情况下，写入距离要小于识读距离，其原因在于写入要求更大的能量。 微波射频标签的数据存贮容量一般限定在2kbits以内，再大的存贮容量是乎没有太大的意义，从技术及应用的角度来说，微波射频标签并不适合作为大量数据的载体，其主要功能在于标识物品并完成无接触的识别过程。典型的数据容量指标有：1kbits，128bits，64bits等。由auto-id center制定的产品电子代码epc的容量为：90bits。微波射频标签的典型

33、应用包括：移动车辆识别、电子身份证、仓储物流应用、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）等。相关的国际标准有：iso10374，iso18000-4（2.45ghz）、-5（5.8ghz）、-6（860-930 mhz）、-7（433.92 mhz），ansi ncits256-1999等。 第2章 设计方案论证2.1 几种近距离无线通信技术概况蓝牙(bluetoot h)技术，是目前比较流行的一种无线个人区域网技术，具有中等速率，用无线接口代替有线电缆的连接，具有很强的移植性。已广泛用于pc、打印机、传真机、手机等设备上。蓝牙最早是爱立信在1994年开始研究的一种能使手机与其附件（如耳机）之间互

34、相通信的无线模块。1998年，爱立信、诺基亚、ibm等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。蓝牙技术的标准版本为ieee 802.15.1标准，由蓝牙小组（sig）负责开发，蓝牙技术是一种无线数据和语音通信的开放性全球规范，其实质是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距离无线接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，能在近距离范围内实现相互通信或操作。它的工作频率为2 .4ghz，有效范围大约在10m半径内，能提供1mbps的传输速率。蓝牙技术要面向网络中各类数据及语音设备(如pc、拨号网络、笔记本电脑、打印机、数码相机、移动电话和高品质耳机等)，通过无线方式将

35、它们连成一个微微网( piconet)，多个微网之间也可以互连形成分布式网络(scatternet)，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范，是一种低成本、短距离的无线连接技术。蓝牙技术实现了设备的无连接工作，提供了接入数据网的功能，并且具有外围设备接口，可以组成一个特定的小网。wifi技术wifi (wirelessfidelity，无线高保真)，正式名称是ie802.llb .wifi速率最高可达11m b/ s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但电波的覆盖范围却略胜一筹，可达100m左右，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享

36、，wifi的连接速度一般将只有几百kb/s的信号。信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。wifi未来最具潜力的应用将主要在soho、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。w ifi技术可将wifi与基于xml或java的web服务融合起来，可以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备802.llb的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。最初的ieee802.1规范是在1997年提出的，称为802.ll b，主要目的是提供wlan接入，也是目前

37、wlan的主要技术标准，它的工作频率也是2.4ghz与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着wifi协议新版本如802.la和802.19的先后推出wifi的应用将越来越广泛。速度更快的802.119使用与802 .llb相同的正交频分多路复用调制技术。它工作在2.4ghz频段，速率达54mb/ 5。根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，802.11.9将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。zigbee致力于定义一种廉价设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。zigbee技术的主要优点:省电: 由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采

38、用了休眠模式，zigbee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2 年左右的使用时间。成本低: zigbee模块的初始成本在6美元左右，估计很快可以降到1.5-2.5美元，且zigbee协议是免费的。时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是几ms，活动设备信道接入时延为15 ms。 网络容量大: 一个星型结构的zigbee网络最多可容纳254个从设备1个主设备，一个区域内最多可以同时存在10个独立且相互重叠覆盖的zi gbee网络。可靠: 采用了碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制。安全: 网络层和mlac层都有安全策略，且安全分级

39、，各个应用可以灵活确定其安全属性。另外，zigbee协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低。只需要一个8位处理器， 如80c51; 全部协议套件软件需要32kbytes的rom。zigbee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据 (如传感器数据)、间歇性数据(如照明控制)和重复性低反应时间数据 (如鼠标)。随着zigbee联盟推出相关技术规范，半导体企业推出芯片解决方案，oem企业推出相关终端产品，市场分析人士 认为到2006年，zigbee设备将达到每年4亿台的市场规模，并在6-7年内占据三分之二的家庭自动化市场。超宽带技术uwb

40、(ultra wide band)是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。uwb 可在非常宽的带宽上传输信号，美国fcc对uwb的规定为: 在3.1-10.6gh z频段中占用500mhz以上的带宽。由uwb可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输而在年来得到迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。基于uwb技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途，从无线局域网到adhoc网络，从移动ip计算机到集中式多媒体应用等。uwb技术具有系统复

41、杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个人局域网(wpan)。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的优点使得uwb较适合家庭无线消费市场的需求: uwb尤其适合近距离内高速传送大量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点，是一种很有前途的无线通信技术，应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。2.2 方案设计2.2.1 通信技术选择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

42、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。2.2.2 芯片选择(1) mfrc522是应用于13.56mhz 非接触式通信中高集成度读写卡系列芯片中的一员。是nxp公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。 mfrc522利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56mhz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。支持iso14443a的多层应用。其内部发送器部分可驱动读写器天线与iso14443a/mifa

43、re卡和应答机的通信，无需其它的电路。接收器部分提供一个坚固而有效的解调和解码电路，用于处理iso14443a 兼容的应答器信号。数字部分处理iso14443a帧和错误检测（奇偶 &crc）。此外，它还支持快速crypto1加密算法，用于验证mifare 系列产品。mfrc522支持mifare更高速的非接触式通信，双向数据传输速率高达424kbit/s。(2) cc2430是一颗真正的系统芯片(soc)cmos解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以zigbee为基础的2.4ghzism波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4ghz dsss(直接序列扩频)射频收发器核心

44、和一颗工业级小巧高效的8051控制器。cc2430的设计结合了8kbyte的ram及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kbyte来优化复杂度与成本的组合。1.2.3 rfid读卡器rfid(射频识别)系统由两部分组成：读/写单元和电子收发器。读写器通过天线发出一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；来源一卡通世界。系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根

45、据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。读写器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行防冲突算法，对射频卡与读写器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和读写器间的身份验证等附加功能。射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、读写器的射频输出功率、读写器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的q值、天线方向

46、、读写器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约是读取距离的40%80%。第3章 硬件设计3.1 主要芯片3.1.1 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isoiec14443typea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3.1所示。 图3.1 rc522芯片硬件电路图rc522

47、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

48、。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13.56mhz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

49、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。3.1.2 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2.4ghzzigbee的片上系统解决方案。cc2430内部整合了ieee802.15.4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

50、3.2所示：图3.2 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。3.2 电路图设计 图3.3

51、读卡器主控电路图3.4 读卡芯片外围电路及天线匹配第4章 软件设计4.1 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4.1所示。电子标签rfid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4.1 系统通信协议基本框架在移动式读卡器中，r

52、fid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4.2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4.2 zigbee网络的数据帧格式zigbee网络应

53、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2.4g

54、hz载波发送出去。4.2 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4.3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

55、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