基于RFID的近距離無線控制系統(tǒng)

0 引言

有線通信技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各個控制領(lǐng)域，它們功耗低、速度快，易于實施，非常適用于通信節(jié)點較少，節(jié)點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，擴展性更強的分布式控制結(jié)構(gòu)。相較于常規(guī)結(jié)構(gòu)，它們具有控制節(jié)點多，節(jié)點間位置和連接關(guān)系不確定等特點。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，各種用于工業(yè)控制自動化和家電智能化的近距離無線互聯(lián)標準相繼出現(xiàn)。近幾年來，較為流行的有紅外(IrDA)、藍牙(Bluetooth)和wi—Fi(IEEES02．11)等。IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)，它主要用于計算機與外設(shè)之間的近距離數(shù)據(jù)傳輸[1]。Bluetooth能實現(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]�；�于以太網(wǎng)協(xié)議和CSMA／CA機制的無線局域網(wǎng)(Wi—Fi)是當前無線接入的主要標準，它具有較長的通訊距離和較高的通信速度[3]。上述無線通信標準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。然而，IrDA存在視距角度、傳輸距離短等問題，也不適用于多臺設(shè)備間的連接。Bluetooth和wi—Fi雖然具有易于組網(wǎng)、通信速率高、傳輸距離遠等優(yōu)點，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)。射頻識別(RadioFrequency Identification，RFID)技術(shù)是一種通過射頻信號獲取目標對象相關(guān)數(shù)據(jù)的非接觸式自動識別技術(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、使用壽命長等優(yōu)點。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。

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，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，主機由PC和RFID讀寫器構(gòu)成；從機采用高速單片機為控制芯片，主動RFID標簽為無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，并利用單片機的通用輸入／輸出接口實現(xiàn)對傳感器數(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

一個最基本的RFID系統(tǒng)通常由三部分組成：標簽(Tag)：由芯片及天線組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，并可存儲一定容量的數(shù)據(jù)以標識目標對象。標簽依據(jù)發(fā)送射頻信號方式的不同，可分為有源(Active)、半無源(semi-passive)和無源(passive)三種。有源標簽包含內(nèi)部電源，能主動向讀寫器發(fā)送射頻信號；半無源標簽也包含內(nèi)部電源，但其只給標簽內(nèi)的處理器供電，而不提供發(fā)射射頻信號所需的能量；無源標簽不帶電源，其處理器和信號發(fā)射及內(nèi)部處理器運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，并通過收發(fā)器接收來自標簽上已編碼的射頻信號，或?qū)⑿畔⒕幋a寫入標簽。

應(yīng)用軟件：控制讀寫器或標簽發(fā)送指定的數(shù)據(jù)信號，并對其接收到的數(shù)據(jù)進行相關(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，當半無源或無源標簽進入讀寫器所產(chǎn)生的電磁場后，憑借感應(yīng)電流獲得能量，將存儲在芯片中的特定信息以反射調(diào)制方式發(fā)出，而有源標簽則在檢測到讀寫器的讀寫請求后，主動發(fā)送某一頻率的信號。讀寫器在接收到標簽的信號后，將其解碼并送至應(yīng)用軟件進行處理。

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)主要包括一個具有RFID讀寫功能的主控PC以及多個具有RFID標簽的從機。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。下層由多個從機構(gòu)成，每個從機都包括單片機、傳感器、執(zhí)行器、RFID標簽以及電池五個部分。上層結(jié)構(gòu)負責(zé)整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理任務(wù)，它可以獲取所有從機的傳感器信息和運行狀態(tài)，并由此來規(guī)劃和協(xié)調(diào)各個從機的行為。

圖2 基于RFID的無線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作流程如下：當系統(tǒng)運行后，PC開始定時向所有從機發(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標簽。RFID讀寫器接收到RFID標簽的信息后，通過USB接口將其送入PCE中進行處理，隨后，處理得到的控制命令被發(fā)送至各RFID標簽，最后，單片機根據(jù)控制命令的要求完成對執(zhí)行器的操作。