摘要：提出了一種基于射頻識別(RFID)技術(shù)的低功耗近距離無線控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的工作原理和硬件結(jié)構(gòu)，并對軟件設(shè)計中的問題進行了說明。通過采用RFID技術(shù)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)控制器與多個控制節(jié)點之間的高速、雙向無線數(shù)據(jù)傳輸。

　　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(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]。基于以太網(wǎng)協(xié)議和CSMA／CA機制的無線局域網(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。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(yuǎn)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(biāo)對象相關(guān)數(shù)據(jù)的非接觸式自動識別技術(shù)[4]，它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(biāo)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，每個標(biāo)簽具有的電子編碼，并可存儲一定容量的數(shù)據(jù)以標(biāo)識目標(biāo)對象。標(biāo)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(biāo)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(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)射射頻信號所需的能量；無源標(biāo)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(biāo)簽上已編碼的射頻信號，或?qū)⑿畔⒕幋a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，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(dāng)半無源或無源標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)簽以及電池五個部分。上層結(jié)構(gòu)負(fù)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(dāng)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(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中進行處理，隨后，處理得到的控制命令被發(fā)送至各RFID標(biāo)簽，，單片機根據(jù)控制命令的要求完成對執(zhí)行器的操作。

　　3 硬件電路設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件由PC機、RFID讀寫器和若干從機組成。PC和RFID讀寫器均采用廣泛商用的部件，因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計也即從機的設(shè)計。由圖2可知，每一個從機都包括單片機、RFID標(biāo)簽、傳感器以及執(zhí)行器四個部分，傳感器和執(zhí)行器的選擇與特定的應(yīng)用背景密切相關(guān)關(guān)，因而，根據(jù)系統(tǒng)特性要求，選擇合適的單片機和RFID標(biāo)簽也就成為設(shè)計中為關(guān)鍵的部分。

　　3．1 單片機的選擇

　　由于從機采用電池供電，為了延長電池的使用壽命并簡化電源電路的設(shè)計，單片機需要有較低的功耗和較寬的工作電壓范圍。Atmel公司的AVR系列單片機ATmega8L是基于RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器[5]。其內(nèi)部帶8KByte的F1ash、512Byte的EEPROM和1KByte的SRAM，具有先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，數(shù)據(jù)吞吐率為1MIPs／MHz；工作電壓范圍2．7v～5．5v，工作時鐘范圍0～8MHz，且4MHz速度運行時，電流僅3．6mA?？梢詽M足系統(tǒng)在功耗、電壓范圍和處理速度方面的要求。此外，它還有豐富的語言編程環(huán)境，軟件開發(fā)也較為便利。

　　3．2 RFID標(biāo)簽的選擇

　　RFID標(biāo)簽是整個系統(tǒng)的部分，直接關(guān)系到系統(tǒng)的通信速率、通信距離和功耗。IDS—SL900A是IDSMicrochip公司推出的UHF半無源RFID標(biāo)簽[6]。它的電壓范圍為1．1～3．3V，工作于860MHz～960MHz，IDS～SL900A內(nèi)置了溫度傳感器、實時時鐘、ADC和EEPROM等功能模塊，只需要外接電池和天線即可工作，系統(tǒng)參數(shù)還可通過SPI接口進行讀取和配置，因此使用起來非常方便。

　　IDS—SL900A的功耗非常低，它具有三種工作模式：關(guān)機模式、空閑模式和記錄模式。在關(guān)機模式下，系統(tǒng)具有的工作電流，一般為O．1uA；在空閑模式下，電流約為2uA，此時芯片中只有晶振電路和時鐘電路工作；而在記錄模式下，Iss—SL900A內(nèi)部的溫度傳感器、EEPROM等所有功能模塊全部工作，電流約為200uA。由上可見，IDS—SL900A功能多、功耗低，外圍電路簡單，非常適合于采用電池供電的應(yīng)用場合。

　　3．3 設(shè)計原理圖

　　從機的硬件連接如圖3所示，主控單片機為ATmega8L；有源RFID標(biāo)簽為IDS—SL900A；執(zhí)行器為Futaba系列舵機中的S3110微型舵機。其中，ATmega8L通過SPI接口和兩個通用輸入＼輸出接口與RFID標(biāo)簽連接以讀取標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)并對標(biāo)簽運行參數(shù)進行配置。S3110舵機的控制信號是PPM(Pulse Position Modulation)信號，這是一種脈寬調(diào)制信號，周期為20ms，其中，正脈沖的寬度決定了舵機的轉(zhuǎn)動角度，范圍從1ms到2ms，分別對應(yīng)舵機的額定轉(zhuǎn)角的值和值。圖4為PPM信號的格式，該信號由ATmega8L內(nèi)部定時計數(shù)器l產(chǎn)生，并經(jīng)輸出比較接口0ClA輸出至S3110。

　　4 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)采用一主多的上下層結(jié)構(gòu)，所有從機都工作在PC的監(jiān)控下，并通過運行于PC上的圖形化界面接收用戶指令。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點以及系統(tǒng)各部分所實現(xiàn)的功能，可以將系統(tǒng)軟件劃分為人機交互程序、數(shù)據(jù)通信程序以及傳感器和執(zhí)行器的控制程序三個部分，如圖5所示。

　　人機交互程序運行于Pc上，它一方面接收用戶輸入的控制參數(shù)，將其轉(zhuǎn)化為各從機的控制命令；另一方面，還定時向各從機發(fā)送查詢指令，并將從機發(fā)送回來的傳感器信息和運行狀態(tài)信息等反饋給用戶。

　　數(shù)據(jù)通信程序與應(yīng)用程序獨立，它通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和同步信號實現(xiàn)從機和PC機之間的雙向數(shù)據(jù)傳遞，它包括運行于PC上的上層通信子程序和運行于ATmega8L上的下層通信子程序。

　　傳感器和執(zhí)行器的控制程序運行于下層ATmega8L上，它們負(fù)責(zé)傳感器信號和從機運行狀態(tài)的采集工作；同時，在接收到了控制命令后，還能根據(jù)控制命令指定的控制參數(shù)完成對執(zhí)行器的控制操作。

　　5 小結(jié)

　　近幾年來，分布式控制系統(tǒng)越來越受到人們的重視，本文根據(jù)這種控制系統(tǒng)的使用特點，在分析常用通信技術(shù)的特性基礎(chǔ)上，提出了一種基于RFID的分布式無線控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了主從通信模式，具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活、實用性強等優(yōu)點，可以按多種需求靈活地進行系統(tǒng)配置，并且在成本和功耗方面也具有較為明顯的優(yōu)勢。

參考文獻:

[1]. ATmega8L datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ATmega8L_144549.html.
[2]. RISC datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/RISC_1189725.html.