基于RFID的室内定位系统设计

RFID 读写器和标签系统均采用低功耗MCU 芯片PIC16F877A 作为核心控制单元， 以低功耗无线射频收发器芯片CC2500 为核心配合外围滤波器和天线等构成系统的通信单元。在读写器与标签进行数据通信的过程中， 通过获取RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示）信号推测出读写器与标签之间的距离，在获得来自于多个具有固定位置信息的标签的RSSI 信号后，可以实现对读写器的无线定位。实验结果表明，该系统在室内环境中能够实现较高精度的无线区域定位。

　　随着科技的进步和社会经济的发展，人们对定位服务的要求越来越高，传统的定位系统已经不能满足室内定位的需求。GPS 在户外环境的定位中应用广泛，但是由于混凝土等障碍物对电磁波的阻挡，它在室内环境中是完全失效的。笔者基于有源RFID 技术，采用PIC 系列单片机PIC16F877A 和TI 公司的射频收发器芯片CC2500，设计出了一种低成本、低功耗，可以适用于室内环境的无线定位系统。

　　1 总体设计

　　RFID 室内定位系统由读写器和标签组成。其中读写器按照功能划分可以分为4 个模块，如图1 所示。分别是控制模块、射频通信模块、定位信息显示模块、电源模块。控制模块负责控制系统的运行，包括对各种外设的控制，以及完成定位算法的运行等。射频通信模块负责数据的收发， 采用ASK 调制方式，实现读写器和标签之间的数据传输。定位信息显示模块主要是显示定位目标的信息。电源模块用来给系统的各个单元提供工作电源。另外，与上位机连接的读写器通过RS-232 串口与上位机进行通信， 所以部分读写器还带有串口通信模块。

 

图1 读写器系统结构

　　标签主要由控制模块、射频通信模块、电源模块组成，如图2 所示。

 

图2 标签系统结构

　　控制模块中的微控制器通过SPI 接口与射频收发器通信，在控制模块的统一调度下，读写器与标签节点之间通过无线射频通信交换信息。在读写器的无线信号覆盖区域内，标签节点收到来自读写器的广播信号后会处于激活状态，处于激活状态的标签节点会将自己的ID 号发送给读写器，然后接收读写器的请求命令，将存储于节点中的信息传送给读写器；或者接收读写器的写命令，将来自读写器的信息写入自己的存储器中。

系统硬件设计 #e#

　　2 系统硬件设计

　　2.1 控制器部分

　　在系统设计中，考虑到系统的功耗、成本及性能等要求，选择Microchip 公司的PIC16F877A 作为系统的微控制器。

　　PIC16F877A 是一款具有RISC 结构的16 位高性能单片机，内部集成了一个在线调试器（In-Circuit Debugger），可以实现在线调试和在线编程。拥有35 条单字指令，8k×14 个字节的FLASH 程序存储器，368×8 字节的RAM，8 级硬件堆栈，内部看门狗定时器，低功耗休眠模式，高达25 mA 的吸入/拉出电流， 外部具有3 个定时器模块， 拥有10 位多通道A/D 转换器，通用同步异步接收/发送器等功能模块。它具有功耗低、驱动能力强、外接电路简洁等特点，同时具有哈佛总线结构、寻址简单、指令条数少等优点。

　　微控制器模块主要由PIC16F877A 单片机及其外围电路组成。其电路原理图如图3 所示。在读写器系统在中，PIC16F877A 的RB0~RB3 及RC7，RD4~RD7 用作向显示模块发送显示数据的通信接口；OSC1 和OSC2 扩展外部时钟电路；PIC16F877A 单片机通过SPI 接口设置CC2500 的工作参数并与CC2500 交换数据。

 

图3 单片机外围电路原理图

 

2.2 射频通信模块

　　考虑到功耗、接收灵敏度、传输速率和芯片成本等因素，系统采用了TI 公司的无线射频收发芯片CC2500 作为无线通信模块控制器。CC2500 是TI 公司推出的一款低成本、低功耗、体积小的2.4 GHz 无线通信频段的收发器，工作频率波段为2400~2 483.5 MHz。RF 收发器集成了一个数据传输率可达500kbit/s 的高度， 可配置的调制解调器和一个64 位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）。CC2500 的寄存器配置可通过SPI 接口控制。它具有载波监听和休眠模式，非常适合低功耗应用。

　　射频通信模块主要由CC2500 收发器、传输与接收天线及其外围滤波、匹配网络组成，其中天线采用了Rainsun 公司的贴片天线，系统电路原理图如图4 所示。

 

图4 CC2500 外围电路原理图

　　CC2500 通过4 线SPI 兼容接口（SI，SO，SCLK 和CSN）与PIC16F877A 相连，这个接口用作写入和读取数据。SI 为数据输入线，SO 为数据输出线，SCLK 为时钟线，CSN 为片选信号线，低电平有效。SPI 接口的状态控制线还包含一个读/写信号控制线。CC2500 的状态寄存器里指示一些系统的工作状态信息。

　　2.3 电源模块

　　RFID 室内定位系统一般主要布置在楼宇、仓储建筑物等的内部，有些具有移动性，所以节点大多数需要采用电池供电，在元器件的选取中，尽量选择低功耗器件以降低系统功耗，2.4~3.6 V 的电压可以使系统中所有的器件和模块正常工作。因此，实际中采用与之电压匹配的高能纽扣锂电池作为供电电源。

　　2.4 电磁兼容与抗干扰设计

　　在设计2.45 GHz 的RFID 系统时要考虑电磁兼容性（EMC），以保证读写器和标签在设定的电磁环境和规定的安全界限内运行。在系统设计中，元件的选择和电路设计是影响电磁兼容的重要因素，对于射频通信模块需要去耦电容来去除元件状态转换引起的噪声电压，并且要注意信号源和信号终端的阻抗匹配。PCB 上的导线同样具有阻抗、电感、电容特性，因此在PCB 布局和布线也考虑了电磁兼容性等问题。布局是按照信号流程放置元件， 尽量缩短元件之间的连接，CC2500 底部通过多个过孔与地层连接。滤波电容尽量靠近器件放置，同时，为了抗电磁干扰，把数字电源和模拟电源、数字地和模拟地隔离开来。RFID 定位系统节点的布设位置应尽量避开高大障碍物，以减少对电磁波的阻隔，影响传输性能。