基于RFID的近距離無線控制系統(tǒng)

引言

　　有線通信技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)控制領(lǐng)域，它們功耗低、速度快，易于實(shí)施，非常適用于通信節(jié)點(diǎn)較少，節(jié)點(diǎn)位置較為固定的場合。 然而，隨著分布式、模塊化技術(shù)的發(fā)展，越來越多的控制系統(tǒng)開始采用靈活性更高，擴(kuò)展性更強(qiáng)的分布式控制結(jié)構(gòu)。相較于常規(guī)結(jié)構(gòu)，它們具有控制節(jié)點(diǎn)多，節(jié)點(diǎn)間位置和連接關(guān)系不確定等特點(diǎn)。這使得通過線纜連接的分布式控制系統(tǒng)布線繁瑣，故障發(fā)生率高，且靈活性和擴(kuò)展性也受到很大限制。利用無線通信技術(shù)構(gòu)建無線分布式控制系統(tǒng)可以避免上述問題，從而有效地提高系統(tǒng)的可靠性、擴(kuò)展性和重構(gòu)性。目前，無線通信技術(shù)已經(jīng)成為通信技術(shù)中的一大熱點(diǎn)，各種用于工業(yè)控制自動(dòng)化和家電智能化的近距離無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)相繼出現(xiàn)。近幾年來，較為流行的有紅外(IrDA)、藍(lán)牙(Bluetooth)和wi—Fi(IEEES02．11)等。IrDA是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，它主要用于計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的近距離數(shù)據(jù)傳輸[1]。Bluetooth能實(shí)現(xiàn)近距離范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)互通，具有通用的無線電接口及控制軟件，已廣泛地用于便攜式設(shè)備間的數(shù)據(jù)通信[2]。基于以太網(wǎng)協(xié)議和CSMA／CA機(jī)制的無線局域網(wǎng)(Wi—Fi)是當(dāng)前無線接入的主要標(biāo)準(zhǔn)，它具有較長的通訊距離和較高的通信速度[3]。上述無線通信標(biāo)準(zhǔn)解決了有線控制系統(tǒng)中存在的問題，增加了系統(tǒng)的靈活性，降低了集成專用無線通信技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。然而，IrDA存在視距角度、傳輸距離短等問題，也不適用于多臺(tái)設(shè)備間的連接。Bluetooth和wi—Fi雖然具有易于組網(wǎng)、通信速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但軟硬件較為復(fù)雜、成本較高、功耗也較大。因此，為了滿足部分控制系統(tǒng)的簡易、低成本無線聯(lián)網(wǎng)要求，需要采用一種復(fù)雜程度較低、成本和功耗均很低的無線連接技術(shù)。射頻識(shí)別(RadioFrequency Identification，RFID)技術(shù)是一種通過射頻信號(hào)獲取目標(biāo)對(duì)象相關(guān)數(shù)據(jù)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[4]，它最初用于替換條形碼應(yīng)用在物流領(lǐng)域，現(xiàn)已被應(yīng)用到了交通、加工制造、生產(chǎn)線自動(dòng)化、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等方面，與以上無線通信技術(shù)相比，它具有功耗小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。表1是RFID通信技術(shù)與其他幾種常用無線傳輸方式的性能比較。

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　　鑒于小型無線分布式控制系統(tǒng)的使用要求以及RFID無線傳輸技術(shù)的特點(diǎn)，本文提出了一種基于RFID的近距離無線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一主多從的通訊模式。其中，主機(jī)由PC和RFID讀寫器構(gòu)成；從機(jī)采用高速單片機(jī)為控制芯片，主動(dòng)RFID標(biāo)簽為無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，并利用單片機(jī)的通用輸入／輸出接口實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行單元的控制。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用靈活，適合于小型、小數(shù)據(jù)量、低功耗的分布式控制系統(tǒng)。

　　1 RFlD系統(tǒng)概述

　　1．1 RFID系統(tǒng)的組成

　　一個(gè)最基本的RFID系統(tǒng)通常由三部分組成：標(biāo)簽(Tag)：由芯片及天線組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，并可存儲(chǔ)一定容量的數(shù)據(jù)以標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。標(biāo)簽依據(jù)發(fā)送射頻信號(hào)方式的不同，可分為有源(Active)、半無源(semi-passive)和無源(passive)三種。有源標(biāo)簽包含內(nèi)部電源，能主動(dòng)向讀寫器發(fā)送射頻信號(hào)；半無源標(biāo)簽也包含內(nèi)部電源，但其只給標(biāo)簽內(nèi)的處理器供電，而不提供發(fā)射射頻信號(hào)所需的能量；無源標(biāo)簽不帶電源，其處理器和信號(hào)發(fā)射及內(nèi)部處理器運(yùn)行所需的能量均來自讀寫器產(chǎn)生電磁場。

　　讀寫器(Reader／writer)：用于控制射頻收發(fā)器發(fā)射射頻信號(hào)，并通過收發(fā)器接收來自標(biāo)簽上已編碼的射頻信號(hào)，或?qū)?a target="_blank">信息編碼寫入標(biāo)簽。

　　應(yīng)用軟件：控制讀寫器或標(biāo)簽發(fā)送指定的數(shù)據(jù)信號(hào)，并對(duì)其接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。

　　1．2 RFID系統(tǒng)的工作原理

　　RFID系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，當(dāng)半無源或無源標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器所產(chǎn)生的電磁場后，憑借感應(yīng)電流獲得能量，將存儲(chǔ)在芯片中的特定信息以反射調(diào)制方式發(fā)出，而有源標(biāo)簽則在檢測到讀寫器的讀寫請(qǐng)求后，主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)。讀寫器在接收到標(biāo)簽的信號(hào)后，將其解碼并送至應(yīng)用軟件進(jìn)行處理。

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　　2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作流程

　　基于RFID的分布式無線控制系統(tǒng)主要包括一個(gè)具有RFID讀寫功能的主控PC以及多個(gè)具有RFID標(biāo)簽的從機(jī)。其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為上下兩層，上層由PC和RFID讀寫器組成，其中，RFID讀寫器通過USB接口和PC連接。下層由多個(gè)從機(jī)構(gòu)成，每個(gè)從機(jī)都包括單片機(jī)、傳感器、執(zhí)行器、RFID標(biāo)簽以及電池五個(gè)部分。上層結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理任務(wù)，它可以獲取所有從機(jī)的傳感器信息和運(yùn)行狀態(tài)，并由此來規(guī)劃和協(xié)調(diào)各個(gè)從機(jī)的行為。

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　　系統(tǒng)工作流程如下：當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，PC開始定時(shí)向所有從機(jī)發(fā)送查詢傳感器信息和執(zhí)行器狀態(tài)的命令，接收到查詢命令的從機(jī)被激活，并在完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)后，將這些信息以指定格式送入RFlD標(biāo)簽。RFID讀寫器接收到RFID標(biāo)簽的信息后，通過USB接口將其送入PCE中進(jìn)行處理，隨后，處理得到的控制命令被發(fā)送至各RFID標(biāo)簽，最后，單片機(jī)根據(jù)控制命令的要求完成對(duì)執(zhí)行器的操作。